馬 騁,宋 燾,張孝斌,宋奇波

(1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司,陜西 延安 727307;2.應(yīng)急管理部煤礦智能化開采技術(shù)創(chuàng)新中心,陜西 延安 727307)

0 引言

我國煤炭資源近 80%分布在西北和華北地區(qū),由于煤炭開采及其產(chǎn)業(yè)鏈迅速發(fā)展,導(dǎo)致水資源匱乏。將礦井水進行處理利用是解決礦區(qū)缺水問題的主要途徑之一[1]。早期礦井水資源在井下處理復(fù)用大多采用清濁分流、井下水倉預(yù)沉等措施,但未對礦井涌水進行深度處理,且處理后的水大部分用于井下灑水滅塵等[2-3],不能有效進行水資源循環(huán)利用,礦井涌水排至地面,在地面水處理系統(tǒng)進行處理后再返回井下,需要專門鋪設(shè)管路,費用成本極高。神東礦區(qū)結(jié)合礦井污水和采空區(qū)及其充填物的特點,已經(jīng)開發(fā)了礦井污水采空區(qū)過濾凈化技術(shù)[4-6],但采空區(qū)涌水仍含有大量礦化物,同時各礦區(qū)井下地質(zhì)條件不同,因此不能大面積進行推廣應(yīng)用[7-10]。

目前,地面水處理技術(shù)已較為成熟,將地面水成熟的處理技術(shù)應(yīng)用至煤礦井下采空區(qū)涌水處理過程中,建立煤礦井下采空區(qū)涌水處理復(fù)用系統(tǒng),研究開發(fā)模塊化、工藝流程更加簡潔的礦井水井下處理系統(tǒng),使部分礦井采空區(qū)涌水在井下就地實現(xiàn)循環(huán)利用,在技術(shù)上是可行的。同時,處理后的水可以直接在井下接入礦井主供水系統(tǒng),可節(jié)省大量的礦井供排水費用,對開采年限久、供水系統(tǒng)距離較長的礦井來說,其經(jīng)濟效益更為顯著。

1 井下涌水情況

黃陵一號煤礦目前礦井井下的正常涌水量為360 m3/h,其中來自采空區(qū)涌出清水245 m3/h,生產(chǎn)污水120 m3/h。本系統(tǒng)建立后主要處理的礦井涌水為北一盤區(qū)、三盤區(qū)采空區(qū)自流水。礦井采空區(qū)涌水主要是地下水,水質(zhì)情況復(fù)雜,無法直接用于生產(chǎn)。根據(jù)采空區(qū)水量統(tǒng)計情況,北一區(qū)域涌水量為125 m3/h,因此整體水處理系統(tǒng)設(shè)計處理能力為3 000 m3/d。設(shè)計進水水質(zhì)以實際檢測結(jié)果確定,具體指標見表1。

表1 進水水質(zhì)檢測結(jié)果

根據(jù)檢測結(jié)果反映,進水水質(zhì)特點為硬度高,氯離子含量、硫酸根離子含量高,含鹽量高,無法直接作為生活飲用水,也無法直接采用反滲透技術(shù)[8-10]。由于大量硫酸根和鈣、鎂離子的存在,使反滲透裝置(RO)濃水測的CaSO4濃度積遠遠超出關(guān)于反滲透系統(tǒng)設(shè)計導(dǎo)則中 CaSO4≤230%的規(guī)定,極易生成 CaSO4結(jié)垢。

2 處理工藝流程

處理工藝流程如圖1所示。礦井涌水經(jīng)管道收集后進入污水處理站調(diào)節(jié)池,在調(diào)節(jié)池內(nèi)均勻水質(zhì)水量后進入混凝分離系統(tǒng),在混凝分離系統(tǒng)前端加藥調(diào)節(jié)廢水pH值,再經(jīng)混凝分離池進行固液分離,通過膜的過濾作用將污水中的各類污染物去除,出水后進入中間水池,出水通過中轉(zhuǎn)泵泵入保安過濾器,再經(jīng)高壓泵泵入RO系統(tǒng),RO系統(tǒng)產(chǎn)水進入成品水池,回用于主供水系統(tǒng),成品水進入主供水管網(wǎng),RO系統(tǒng)濃水進入濃水池再排入井下主水倉后排至地面污水處理站進行二次處理。該工藝出水回用率可達60%及以上,主要出水指標可達:SS≤10 mg/L、氯化物≤250 mg/L、TDS≤1 000 mg/L、硫酸鹽≤250 mg/L、總硬度(CaCO3計)≤450 mg/L等。

圖1 工藝流程

3 系統(tǒng)設(shè)計分析

3.1 整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)池、配水池、混凝分離系統(tǒng)、RO膜反滲透系統(tǒng)、成品水池、濃水池以及控制系統(tǒng)組成,整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.2 井下組合池

組合池主要為半地埋水池,設(shè)配電點一處,總長344.53 m,寬度4.9 m,深度2.70～4.10 m。包括調(diào)節(jié)池、反應(yīng)池、配水池、混凝分離池、中間水池、成品水池、濃水池。

組合池結(jié)構(gòu)主體為一層,水池上部凸出地面最大高度約2.50 m,池體最大深度4.1 m,箱體結(jié)構(gòu),主要為污水處理構(gòu)筑物。結(jié)合工藝建(構(gòu))筑物布置。地下水池底板板厚平均為300 mm,部分巷道變形點做加厚調(diào)整。水池壁板壁厚平均為200 mm,根據(jù)不同受力情況做加厚調(diào)整。組合池頂梁截面為250 mm×500 mm;一層池頂板厚150 mm,采用主次梁現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)。為避免池內(nèi)采用20厚1∶2防水砂漿粉刷,墊層材料采用C20混凝土(厚100 mm)。盛有腐蝕性溶液的水池內(nèi)部采用玻璃鋼環(huán)氧樹脂防腐措施。

3.3 混凝分離系統(tǒng)

混凝分離系統(tǒng)由反應(yīng)池、配水池、混凝分離池組成。原水經(jīng)過收集,通過泵和管路排入調(diào)節(jié)池,調(diào)節(jié)池的曝氣系統(tǒng)對水質(zhì)進行曝氣處理后,由提升泵排入混凝分離系統(tǒng),通過加藥調(diào)節(jié)水中的pH值,再經(jīng)混凝分離器進行固液分離,將水中各類污染物、雜質(zhì)進行初步過濾?；炷蛛x池中采用了特種集成膜分離技術(shù),該技術(shù)是在不添加鐵鹽、鋁鹽、PAM等混凝劑的情況下,先利用微濾膜對污水中的懸浮物、微顆粒進行物理分離,后出水進一步通過反滲透系統(tǒng),去除分離水中鹽分離子,實現(xiàn)高品質(zhì)出水[11-12]。由于原水經(jīng)過調(diào)節(jié)池后水質(zhì)水量較為均勻,水質(zhì)成分較簡單,有機物濃度較低,多為懸浮物質(zhì)、鹽分,可采用物理分離作用實現(xiàn)有效治理。特種集成膜分離工作原理如圖3所示。

圖3 特種集成膜工作原理示意

3.4 RO反滲透系統(tǒng)

3.4.1 保安過濾器

為保證混凝分離系統(tǒng)產(chǎn)水可以滿足反滲透進水要求,同時防止超濾出水至反滲透進水段管路水質(zhì)受到污染。因此,在RO反滲透系統(tǒng)前設(shè)置保安過濾器,過濾精度 5 μm,濾芯采用熔噴式聚丙烯材質(zhì)。

3.4.2 RO膜反滲透系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計6套反滲透裝置,包含90支杜邦8040抗污染型聚酰胺復(fù)合膜。膜面積37.16 m2,膜組件一級二段式,一段與二段按2∶1排列,設(shè)計回收率70%,處理能力3 000 m3/d;回收率60%;產(chǎn)水量為1 800 m3/d;產(chǎn)生濃水量為1 200 m3/d。

3.4.3 清洗裝置

反滲透系統(tǒng)設(shè)2套清洗裝置,可實現(xiàn)系統(tǒng)在線清洗與離線清洗,在線清洗時采用0.5%～1%亞硫酸氫鈉溶液為介質(zhì)。離線清洗時采用0.1%～0.2%氫氧化鈉溶液、0.5%～0.8%鹽酸溶液、1%～2%亞硫酸氫鈉溶液為介質(zhì),充分保證系統(tǒng)清潔,同時有效提升RO膜使用壽命。

3.5 恒壓供水系統(tǒng)

系統(tǒng)配備2臺流量110 m3/h立式多級離心泵以及2臺流量25 m3/h臥式離心泵接入礦井供水系統(tǒng)。同時,配備了變頻系統(tǒng),實現(xiàn)了恒定壓力接入礦井主供水管網(wǎng)。

3.6 集中控制系統(tǒng)

系統(tǒng)配置選用西門子S7-1500為主要控制系統(tǒng),操作系統(tǒng)具備遠程、就地、調(diào)試3種控制模式,操作人員可采用不同的方式控制設(shè)備啟停。同時配置了KXJ5-1140/660型隔爆兼本安型控制箱、隔爆型工藝儀表、本安型觸摸屏級外圍傳感器、高清攝像儀等智能監(jiān)控設(shè)備,并通過礦井主環(huán)網(wǎng)將井下控制系統(tǒng)監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至地面控制中心上位機,實現(xiàn)了地面控制中心遠程實施監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)界面

4 系統(tǒng)運行結(jié)果及效益分析

4.1 系統(tǒng)運行結(jié)果

2022年9月黃陵一號煤礦礦井水復(fù)用水站所有設(shè)備均已完成安裝并正常投入使用。截至目前,所有設(shè)備均正常穩(wěn)定運行,出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。同時委托第三方檢測公司對成品水水質(zhì)進行了檢測,檢測結(jié)果顯示所有指標均符合飲用水要求。

4.2 經(jīng)濟效益分析

系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)后,運行期間,調(diào)節(jié)池進水量約為2 000 m3/d,成品水產(chǎn)水量約為1 150 m3/d,濃水產(chǎn)水量約為850 m3/d,并對電費、藥劑費和人工費進行按實核算,膜和濾芯更換費用、維修保養(yǎng)費和折舊費按使用期限核算,處理成本約為1.55元/t,處理費用為5 100元/d,外購自來水需要4.9元/m3,每年產(chǎn)生的經(jīng)濟效益為(4.9-1.55)×1 150×365/10 000=140.6萬元。

5 結(jié)論

(1)采用混凝分離系統(tǒng)無需設(shè)置砂濾、碳濾,不產(chǎn)生反沖廢水、濾層流失,維護管理簡單;不加混凝劑,污泥排放量少,采用機械排泥,便于操作;該系統(tǒng)不加入絮凝劑,減少了對RO膜的堵塞問題,延長了膜使用壽命。

(2)通過將水處理復(fù)用系統(tǒng)建設(shè)在煤礦井下,可以大大減少井下水排至地面后處理的管路建設(shè)等費用,同時將處理后的清水作為井下供水系統(tǒng)的補充水源,可以減少礦井自來水消耗,有效節(jié)約水資源的同時緩解礦井用水壓力。

(3)該工藝組合具有流程簡單、出水水質(zhì)穩(wěn)定、能耗低、占地面積小、建設(shè)周期短、自動化程度高等優(yōu)點,適合煤礦井下建設(shè)。