随着我国经济的高速发展,我国矿产资源的开采量日益上升,同时矿产资源开采过程中会涌出大量矿井水,据统计,我国每年产生的各类矿井水约70 亿m³,其中煤炭矿井水占矿井水总量的90%以上^[1,2]。煤炭矿井水是在煤炭开采过程中破坏了地下水原始赋存形态产生裂隙,增加了各含水层之间的水力联系,使各含水层的水沿着原有的和新的裂隙渗入井下采掘空间而形成的,具有典型的煤炭行业特征^[3,4,5],一般具有高悬浮物含量、较高的含盐量等特点,煤炭矿井水的直接排放不仅会污染当地水环境,对当地居民健康造成严重危害,而且会造成水资源的巨大浪费,因此,对煤炭矿井水的无害化处理与资源化利用符合当今可持续发展的需要,会带来巨大的经济效益、社会效益和环境效益^[6,7,8]。

该矿隶属于东北某矿区,年产煤量为150万t。原矿井水处理厂建成于2008年,采用常规混凝沉淀处理工艺,设计处理能力为5 112 m³/d。但是由于工艺设备陈旧老化、部分设施淤堵严重、药剂种类不合适等造成加药量剧增,并且出水水质不能达到《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426-2006),而且随着近些年该矿矿井水水量的增加,原有的处理工艺已经不能满足现在的水力负荷。为了提高矿井水处理系统的处理能力、减少出水污染物的浓度、降低水处理成本、实现矿井水资源化回用,需要对该矿井水处理工艺系统进行改进。

该矿井水主要来自于井下排水,矿井水原水见图1。由图1可以看出,该矿矿井水水质呈黑色、感官性差。矿井水污染物主要为煤屑与岩粉,属于典型的高悬浮物矿井水,水质较差。经测定矿井水原水水质详情见表1,主要是悬浮物SS、浊度和色度严重超标。

该矿矿井水正常排水量为5 000 m³/d,最大排水量为7 200 m³/d。矿井水水质见表1。

原矿井水处理系统采用“隔板絮凝+斜管沉淀”工艺,工艺流程见图2。

原矿井水处理系统已经运行10 年,设备逐渐老化,部分设施淤堵严重,大大降低了其实际处理能力,目前实际处理能力仅为4 000 m³/d,已远远不能满足7 200 m³/d的最大处理量要求。同时该处理系统工艺落后、药剂选择不合适,运行中加药量太大,造成水厂处理成本过高。

应建设方要求,设计出水水质达到《景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)中水景类用水和《公共浴池水质标准》(CJ/T 325-2010)的要求,两种水质出水污染物标准分别见表2和表3。

(1)该矿矿井水水量变化较大,为了保证配水均匀,应在处理设施前段设置水量调节池。

(2)该矿矿井水属于典型的高悬浮物矿井水,矿井水中悬浮物SS、浊度与色度为主要去除对象,为了减轻混凝区加药量,降低水处理成本,采用“絮凝污泥回流强化助凝反应+高密度预沉淀”,使部分悬浮物SS、浊度与色度在初期就能通过絮凝沉淀去除,然后通过提升泵进入到混凝沉淀处理区进一步去除,最后部分出水过滤后再次降低浊度。所以方案选择总体思路是:采用“絮凝污泥回流强化助凝反应+高密度预沉+混凝反应+高效沉淀”,部分出水采用滤罐过滤后供给工人洗澡用水。

(3)首先通过絮凝污泥回流进行助凝反应,对矿井水进行高密度预沉处理,目的是充分发挥絮凝污泥的絮凝性能,初步降低水体的悬浮物SS、浊度与色度,大幅度降低絮凝区投药量。由于矿井水水量较小,将原有隔板絮凝池改造为垂直轴式机械絮凝池进行絮凝反应,可以大大提高絮凝反应效果,且运行控制灵活。由于斜管沉淀池具有固液分离效果好、投资省、耐冲击负荷强、排泥方便等特点,沉淀区仍然采用斜管沉淀池,由于石英砂滤罐具有结构紧凑、安装操作灵活、出水效果好等特点,所以在工人洗澡用水前使用石英砂滤罐进一步降低浊度使出水达到浴池用水水质标准。为了便于消毒剂原料的安全可靠,并且处理后出水直接进行回用,消毒方式采用紫外线消毒。

(4)系统产生的污泥为化学污泥,采用减量化处理后外运。

矿井水处理系统构筑物与设备的改造详见表4和表5。

根据3.2节的处理工艺选择思路,进行处理工艺的设计,具体的处理工艺流程见图3。

由于降低浊度就会同时降低水体的悬浮物和色度,所以以下试验均以浊度为评判标准。

混凝剂的优选原则为能产生较大、较重、较强的矾花,混凝效果好,沉淀后出水浊度小;助凝剂的优选原则为能有效的改善絮凝体的结构,增大絮凝体的尺寸与密度,使细小而松散的絮体变的粗大而密实。

试验装置:MY3000-6智能型混凝试验搅拌仪、WGZ-20型浊度仪。试验方法:分别对原矿井水处理使用的PAC与PAM(1号药剂)与取自某水处理厂的PAC与PAM(2号药剂)进行混凝试验。六联混凝搅拌反应转速共设3档,其中第1档转速300 r/min,时间1 min;第2档转速150 r/min,时间2 min;第3档转速40 r/min,时间20 min;静置沉淀时间为30 min,混凝试验$\overline{G{\rm T}}$值为25 794,满足10⁴～10⁵的要求。混凝试验中PAC、PAM分别配成溶液进行投加。首先对混凝剂PAC的1号药剂和2号药剂进行优选,在优选确定PAC基础上进行助凝剂PAM的1号药剂和2号药剂优选,最终确定最佳PAC与PAM。

试验现象和结果对比分析:试验现象见图4。图4a、图4b的混凝剂PAC投加量均为140 mg/L;图4c、图4d的投加量均为PAC 140 mg/L,PAM 0.1 mg/L),试验结果见图5与图6。

由图4a与图4b可知,在PAC投加量为140 mg/L的条件下,2号PAC处理后絮凝体的密度大,沉降性能好,沉淀后水质清澈。由图5可知,在相同的混凝剂投加量下,1号PAC处理后水的浊度要大于2号PAC,所以定2号PAC为优选混凝剂。

由图4c与图4d可知,在投加量为PAC 140 mg/L,PAM 0.1 mg/L的条件下,添加2号PAM后的絮凝体更加粗大而且密实。由图6可知,在2号PAC投加量为140 mg/L的条件下,2号PAM的助凝后的出水浊度小于1号PAM,所以定2号PAM为优选助凝剂。

对优选混凝剂2号PAC、优选助凝剂2号PAM进行最佳投药量试验,试验方法同4.1节,试验结果见图7。

由图7a可知,随着2号PAC投加量的增大,处理后水的浊度一直下降,这是由于PAC主要通过水解形成多核羟基配合物通过电性中和与架桥作用产生絮凝效果,随着PAC投加量的增加,电性中和与架桥作用逐渐增强,使处理后水的浊度越来越低,当投加量达到140 mg/L后,再增加2号PAC的投加量,处理后水的浊度不变,所以定2号PAC的最佳投加量为140 mg/L。

由图7b可知,当2号PAC投加量为140 mg/L时,随着2号PAM投加量的增大,处理后水的浊度先降低后增加,这是由于PAM是一种高分子物质,相对分子质量高达1 500 000～6 000 000,PAM每一链节都含有一个酰胺基(-CONH₂),PAM遇水后其上的酰胺基(-CONH₂)会水解形成羧基(-COO^-),使部分PAM变为带负电的阴离子型水解聚合物HPAM,带负电的HPAM对胶体表面具有强烈的吸附作用,通过吸附-架桥作用在胶粒之间形成“胶粒-HPAM-胶粒”的絮凝体,使细小而松散的絮体变得粗大而密实。当PAM投加量过少时,水解生成的HPAM不足以将胶粒桥联起来,但是当PAM投量过多时,水解形成的HPAM过量,会导致全部胶粒的吸附面均被HPAM覆盖,产生“胶体保护”作用,两胶粒接近时,就会由于HPAM表面的斥力作用而不能聚集成团。当2号PAM的投加量为0.1 mg/L时,出水浊度达到最低,为2.3 NTU,所以当2号PAC投加量为140 mg/L时,2号PAM的最佳投加量为0.1 mg/L。

为了充分利用絮凝污泥的絮凝性能,降低单位水处理成本,先采用絮凝污泥对原水进行预处理(转速40 r/min,时间6 min,静置沉淀30 min),处理后水样浊度大大降低,再投加PAC、PAM(2号药剂)进行混凝试验,试验方法同4.1节,结果分别见图8和图9。

由图8可知,絮凝污泥回流后对原水浊度具有明显助凝效果,原水浊度从802 NTU降为150 NTU以下,并且随着絮凝污泥回流量的增加,处理后水的浊度先下降后上升,这说明絮凝污泥本身仍然具有良好的絮凝性能,当加入适量的絮凝污泥后,能充分利用其絮凝性能降低出水浊度,但由于絮凝污泥中含有大量胶粒,当回流量过多时,会使部分胶粒由于静电排斥作用不能沉淀下来而使出水浊度上升。当絮凝污泥回流量为处理水量的12%时,出水浊度达到最小,为22.4 NTU,所以确定最佳絮凝污泥回流比为处理水量的12%。

在污泥回流量比为处理水量的12%、PAM的投加量为0.1 mg/L的条件下,进行污泥回流后PAC投加量试验,结果见图10。由图10可知,随着PAC投加量的增加,出水浊度先下降后上升,这是因为少量的PAC可以通过电性中和与架桥作用提高混凝效果,但是当PAC的投加量超过一定限度后,会产生“胶体保护”作用,使脱稳的胶粒电荷再次变号或使胶粒被包卷再次稳定,使处理后水的浊度上升。当PAC投加量为80 mg/L时,出水浊度达到最小,为2.1 NTU,所以确定污泥回流后PAC的最佳投加量为80 mg/L。

絮凝污泥回流比为12%对原水进行预处理后再投加2号药剂PAC 80 mg/L、PAM 0.1 mg/L,可取得良好的处理效果,比无回流单独混凝可节约PAC投加量的43%,大大降低了药剂成本。

对处理后的水进行水质分析测定,结果见表6。

本工艺处理系统处理效果良好,出水完全满足《景观环境用水水质》(GB/T 18921-2002)中水景类用水标准的要求见表2,再经过过滤工艺后可完全满足《公共浴池水质标准》(CJ/T 325-2010)的要求见表3,可实现矿井水资源化回用,可实现经济、社会和环境效益三统一。

矿井水处理工艺改造前后技术经济比较见表7。

采用絮凝污泥回流强化助凝反应+高密度预沉淀+混凝反应+高效沉淀的处理工艺,单位水药剂成本费用为0.162元/m³,小于无回流单独投加2号药剂费用0.282元/m³,更远远小于改造前工艺投加1号药剂费用0.520元/m³,絮凝污泥回流可大大降低混凝反应的加药量,使单位水处理成本大幅度降低。

矿井水处理系统设备投资为113.8万元,土建投资为30万元,基建总投资143.8万元。具体明细见表8。

本套系统职工定员为9人,每人月平均工资4 000元,整个水厂的年人工费为4 000×9×12=43.2(万元),平均人工费用为0.164元/m³。

每日PAC药量为7 200×0.08=576(kg),每日PAC药剂费为1 152元。每日PAM药量为7 200×0.000 1=0.72(kg),每日PAM药剂费为14.4 元。每日总药剂费为1 166.4 元,每年总药剂费为0.116 64×365=42.6(万元),单位水平均药剂费用为0.162元/m³。

经核算,矿井水处理区的总功率为19.28 kW,洗澡用水处理区的总功率为8.7 kW,系统运行总功率为19.28+8.7=27.98(kW),则每年耗电量为27.98×365×24=245 105 (kW·h),每度电1元,每年电费为24.5万元,单位水平均电费为0.093元/m³。

水厂每年总运行费用为43.2+42.6+24.5=110.3(万元),成本费用为0.420元/m³。

(1)根据矿井水的水质水量特点,采用絮凝污泥回流强化助凝反应+高密度预沉淀+混凝反应+高效沉淀的处理工艺,可大大降低混凝反应的加药量,使单位水处理成本大幅度降低,出水用于水景类用水与工人洗澡用水,实现了矿井水资源化回用,具有巨大的经济、社会和环境效益。

(2)通过混凝试验确定2号PAC与PAM为最佳混凝剂与助凝剂,无回流单独混凝最佳投加量分别为140 mg/L、0.1 mg/L;絮凝污泥回流时,回流比为原水处理量的12%时,混凝区最佳投药量PAC、PAM分别为80 mg/L、0.1 mg/L,出水浊度可降为2.1 NTU。