我国在世界各国煤炭资源地质储量方面位居第三, 从21世纪开始已是世界上第一产煤大国。根据国家煤矿安全监察局2012年的调查统计, 全国煤矿每年实际排水量达71.7亿m³, 全国共有61处煤矿的矿井正常涌水量超过1 000m³/h, 我国近年来在矿井水资源化利用领域取得了较大的进展和研究成果, 矿井水资源化利用率逐年提高^[1]。我国绝大多数煤矿对矿井水的处理以建设矿井水处理站为主, 但也有比较新颖的方法, 如陕西哈拉沟煤矿将井下污水直接注入采空区, 以井下采空区矸石过滤、净化污水, 用于井下、地面生产、环保绿化等^[2]。矿井水处理工艺根据原水水质和回用要求差异较大, 对于低矿化度矿井水, 一般采用混凝—沉淀—过滤模式, 如内蒙古克门庆煤矿^[3]、山西省小回沟煤矿^[4]、辽宁兴阜煤矿井下处理站等^[5], 或者对普通的絮凝沉淀工艺进行改进, 如安徽某煤矿采用跌曝调节-强化絮凝-强化沉淀工艺^[6], 近几年超磁分离、旋流净化等新的处理工艺也在尝试用于矿井水处理, 如陕西雅店煤矿采用了超磁分离工艺^[7], 陕西袁大滩煤矿采用旋流净化工艺亦取得了不错的效果, 为了取得更稳定优质的出水水质, 有的矿井水处理站在沉淀段后还增加了超滤工艺, 如陕西曹家滩矿井等。

我国北方地区的煤矿、矿井水矿化度普遍偏高, 有的甚至超过了1万mg/L, 属于高矿化度矿井水, 针对此类矿井水, 在常规处理之后, 深度处理基本采用“超滤-反渗透”工艺, 如安徽谢桥煤矿^[8]、河南永煤集团所属的车集矿、陈四楼矿、新桥矿及城郊矿^[9]、山西阳泉煤矿^[10]、陕西黄陵一号煤矿等。

甘肃某煤矿产原煤8×10⁶ t/年, 矿井涌水量1 700m³/h (40 800m³/d) 。矿井排水受到煤尘、岩尘等污染, SS (悬浮物) 约为150mg/L, 且具有广大北方矿井排水的典型特征, 即矿化度高, 溶解性总固体 (TDS) 接近6 000mg/L, 属于高矿化度水, 其他主要水质指标为:总硬度 (以CaCO₃计) 1 000mg/L, 碳酸盐硬度 (以CaCO₃计) 50 mg/L, 非碳酸盐硬度 (以CaCO₃计) 950 mg/L, 耗氧量COD_Mn2.5mg/L, pH 8.2。

该矿井水处理站与煤矿同步配套建设, 设计处理能力40 800m³/d, 总投资11 028.57万元。根据煤矿分质供水的特征, 采用常规处理-超滤-反渗透深度处理的工艺, 将矿井涌水处理后用于矿井和选煤厂的地面及井下生产、生活、消防用水, 多余部分达标排放。

本项目主要由以下4部分组成: (1) 预处理系统:将全部矿井排水进行絮凝沉淀, 使出水SS≤50mg/L, 沉淀池出水送入净化处理系统, 多余部分达标排放, 预处理系统处理能力1 940m³/h; (2) 净化水处理系统:目的是去除SS, 进行二次絮凝沉淀和过滤, 使出水的浊度在1～5NTU, 出水一部分继续进行深度处理, 另一部分作为主井生产系统及选煤用水, 净化水处理系统处理能力490m³/h; (3) 深度水处理系统:进行超滤 (UF) -反渗透 (RO) 双膜法处理, 使脱盐水的TDS在300mg/L左右, 以供给矿井生活水等优质用水, 深度水处理系统产水能力320m³/h; (4) 污泥脱水系统:污泥经浓缩池浓缩-带式压滤机脱水后, 泥饼外运。主要工艺流程见图1。

设GJH-400型管道静态混合器4台, 直接装在预处理车间的进水管上, 借井下主排水泵的压力, 使药剂和矿井排水在混合器内充分混合。设SJY-500型加药装置4套, 投加聚氯化铝 (PAC) 。加药装置每套对应1条进水管, 其溶液箱为轮换交替使用, 加药量用转子流量计控制。

沉淀池进水量按4台主排水泵并联运行考虑, Q=1 940m³/h。絮凝反应采用机械搅拌式, 反应池15m×9.4 m×4.3 m, 有效水深4 m, 反应时间15min。内设卧轴反应搅拌机3WFJ-290×250型, 1套, 3组4档, 桨板外径2 900 mm, 桨板长度2 500mm, 池深4.3 m, 桨叶外缘线速度:第1档0.7m/s, 第2档0.5 m/s, 第3档0.3 m/s, 第4档0.1m/s, 材质S304不锈钢。反应池的GT值为4.746 1万, 反应比较充分可使絮凝剂与原水充分絮凝利于沉淀澄清。反应池进口设1台CUS31型在线高浊度仪, 实时监测进水SS浓度, 适时调整加药量。出口为穿孔墙入平流沉淀池, 防止水流短路。

沉淀采用80 m×9 m×4.3 m平流式沉淀池1座, 有效水深4m, 池宽9m, 流道为折返式, 沉淀池停留时间1.5h, 穿孔墙配水, 4条指状集水槽三角形溢流堰集水。沉淀池顶部设桁架式泵吸泥机HJXB₂-18.3/9-4.3型, 轨距18.3m, 轨长40m, 1台。机械排泥, 吸泥机上设有10台2.2kW的潜污泵, 可同时也可分槽吸取沉淀池底的积泥送到池边的排泥沟, 而后引至室外的污泥池。沉淀池出水则注入调节池, 供净化处理工序取用。

调节池规格15m×8.8m×4.3m, 与沉淀池合建, 有效容积484m³。沉淀池的出水由4条集水槽注入调节池, 如若井下排水泵工作时间过短, 调节容积不能满足深度处理工作20h的要求时, 可以开启建于沉淀池尾端的400mm×400mm连通闸门, 将平流沉淀池上部的存水引入调节池, 补充调节容量之不足。如若井下排水泵工作时间较长, 可以满足净化水处理取用要求, 则可不开启连通闸门。调节池内设有DN600溢流管, 将多余的沉淀水达标排放。另外在调节池内装设1台CUS31型连续监测在线低浊度仪, 用以适时调节加药量的多少, 以满足出水SS<50mg/L的排放标准要求。

提升泵共设置3台 (2用1备) , 单台流量250m³/h, 扬程17m, 直接从调节池内抽水送到净化处理车间斜管沉淀池进水管上的混合器内, 水泵2条出水管上各设1台LD-300型电磁流量计, 控制斜管沉淀池所需的进水量。GJH-250型管道静态混合器2台, 直接装在斜管沉淀池的进水管上, 借提升泵的压力, 使药剂和矿井排水在混合器内充分混合。设SJY-500型加药装置4套, 与预沉淀加药装置一起设在净化处理车间的加药间内。投加聚氯化铝 (PAC) , 每2套加药装置对应1格斜管沉淀池。

沉淀池2格1组, 每格设计水量250 m³/h, 全日最大处理能力1.2万m³/d, 可以满足矿井水深度处理的需要, 全日正常工作20h。反应采用穿孔旋流反应池, 分成6格, 总停留时间20 min。反应池GT值为6.15万, 在10⁴～10⁵满足絮凝要求, 可充分达到絮凝效果。斜管沉淀池也分成2格独立运行系统, 内设聚丙烯蜂窝斜管, 孔径, 斜长1 000mm, 倾角60°, 清水区上升流速1.32 mm/s, 表面负荷4.95m³/ (m²·h) , 实际有效表面负荷7.08m³/ (m²·h) 。排泥斗排泥入污泥池, 出水为三角堰非淹没出流, 出水堰前设有JYG300型DN300集油管, 可将表面上残留的油污排除。出水浊度<10NTU。

10格1组, 滤速7.84m/h, 滤池进水直接从斜管沉淀池集水槽引入, 滤料为人造陶粒, 粒径, 厚1 000 mm, 下有粒径的瓷球垫层, 厚450mm, 小阻力平格栅集水系统, 1格滤池反冲洗水量由其它9格工作滤格供应, 无反洗动力设备, 全自动运行的先进设备, 出水浊度≤1NTU。2组滤池的出口设有分配水箱, 分别将所需水量送至深度处理车间转输水池和主井生产、消防用水池。

有效容积105m³, 存贮相互冲洗滤池的反洗排水及污泥池和污泥浓缩池的上清液, 用反洗排水泵 (潜污泵) 抽升送入预沉池再处理, 不外排。

过滤后的净化水暂存在转输水池内, 由超滤进水泵加压提升后送到深度脱盐处理系统供取用。转输水池有效容积1 000m³。

超滤进水泵共设置4台 (2用2备) , 单台流量225m³/h, 扬程33m, 分2组与超滤设备对应, 将转输水池内过滤后净化水提升送入超滤设备进行反渗透脱盐的前处理。

超滤设备是对过滤后的净化水进行脱盐的前处理, 将颗粒、胶体、细菌等污染物质去除的膜过滤装置^[11～14], 其产水水质稳定且SDI<3, 能有效地保证反渗透膜的寿命及其脱盐率, 而且占地面积小, 自动化程度高。共设置UF-222型超滤设备2套, 单套净产水量225m³/h, 全流过滤, 每套UF设备对1套反渗透设备。单套超滤设备包括: (1) 保安过滤器:ML-800型, 10μm滤芯, 2台, 其中进水和反洗各用1台; (2) 膜元件:DizzerXL0.9MB70型, 过滤面积70m², 通量80L/ (m²·h) , 40支膜丝为0.9mm内径7孔的多孔超滤膜, 材质为PES (聚醚砜) , 过滤孔径20nm, 支撑层外部孔径1μm; (3) 支架:TR-2-3.0型, 双排, 每排20支膜元件, 总过滤面积2 800m², 材质为PVC-U一体化安装, 包括阀门管道系统; (4) 仪表操作箱1套, 杀菌剂加药装量1套, 酸加药装量1套, 超滤控制设备1套。

超滤后的产水流入超滤产水池, 经反渗透进水泵加压提升进行脱盐处理。超滤产水池有效容积1 000m³。设置超滤反洗泵2台 (1用1备) , 单台流量644m³/h, 扬程35m, 抽取超滤产水池中的超滤产水供超滤装置间歇清洗用。

反渗透进水泵共设置4台 (2用2备) , 单台流量213.3m³/h, 扬程38m, 分2组与反渗透装置对应, 将超滤产水池中的超滤产水加压提升送入反渗透装置的5μm保安过滤器内。

共设反渗透装置2套, 同时使用, RO-160型, 单台进水量213.3m³/h, 单台净产水量160m³/h, 浓水排放量53.3m³/h, 回收率75%。单套反渗透装置包括: (1) 5μm保安过滤器2台, 并联使用ML-700型, 过水能力107m³/h; (2) 变频高压泵1台, SES125-80-315型, 流量213.3m³/h, 扬程138m; (3) 膜元件180支、压力容器36台; (4) 段间增压泵1台, CRN90-3 (E) 型, 流量103 m³/h, 扬程55 m; (5) 仪表操作箱1套, 阻垢剂加药装置1套, 清洗装置1套。

膜元件为海德能公司生产的低压节能型芳香聚酰胺复合抗污染膜PROC20型, 其渗透量大, 压力小, 脱盐率高, 可以满足该矿矿井水一次脱盐的要求。每套膜元件180支组合安装, 每根压力容器内5个膜元件, 每套设备36根压力容量, 24 m×5+12m×5制排列, 段间增压一级两段脱盐, 系统脱盐率95.47%。由于原水含盐量很高, 硬度很大, 为防止在浓水端有CaCO₃, BaSO₄, SrSO₄或CaSO₄等沉淀, 设计投加高效新型阻垢剂亚仕兰3090, 投药量由试验确定。

反渗透装置运行3～4个月, 需将膜元件清洗1次, 以去除可能附着在膜面上的有机物、细菌以及一部分矿物盐类结晶。清洗剂视不同需要可采用4%～10%的EDTA溶液、pH=10的NaOH溶液、pH=2的HCl溶液以及用NaHSO₄及非氧化性杀菌剂异噻唑啉酮的衍生物等, 以消除污垢及生物粘泥。由于原水及浓水含盐量均很高, 故在每次停机后均用脱盐水将原水与浓水均置换出去, 以防止在膜表面结垢^[15]。脱盐水水质指标见表1。

采用以ClO₂和Cl₂为主的复合二氧化氯消毒剂发生器ZH-1000型, 产气量1 000g/h, 共设3套 (2用1备) 。消毒剂投加量1～2mg/L, 以维持几座清水池内余氯量≥0.3mg/L。另将一部分ClO₂投入到深度处理反洗排水池中, 以消除超滤反洗排水池中的大量细菌。

有效容积108m³, 存贮超滤反洗排水和反渗透冲洗和置换水, 经消毒后由反洗排水泵 (潜污泵) 抽升送到预沉池中再处理。

有效容积150 m³, 采用抗硫酸盐水泥砌筑, 存贮反渗透装置产生的浓水。浓水用浓水泵 (不锈钢耐腐蚀离心泵) 输送至副井场地和矸石山, 用于井下黄泥灌浆和矸石山洒水降尘。

污泥脱水系统工艺流程见图2。

有效容积310m³, 存贮预沉池和斜管沉淀池的排泥。由于排泥的浓度<1%, 必须将污泥在池内静止沉淀2h以上, 而后打开连通闸门, 将上清液排入反洗排水池中。剩余的初次浓缩的污泥浓度在1%～2%, 再用污泥泵 (潜污泵) 将其抽送到污泥浓缩池内二次浓缩。污泥泵共3台, 单台流量110 m³/h, 扬程22m, 分设在污泥池内的3个积泥坑内。

地面高架式, , 高4m, 设NZ-9型污泥浓缩机 (重型) 1台, 中心传动式, 手动提耙。污泥在浓缩池内二次浓缩, 底流浓度可达3%～4%利于煤泥脱水。浓缩池的上清液回流到反洗排水池中再处理。

设置螺杆泵3台, CS07型, 单台流量10.03m³/h, 扬程30 m, 抽取浓缩池底流的污泥, 送入带式压滤机脱水, 1台螺杆泵对应1台带式压滤机。设置加药装置3台, 1台对应1台带式压滤机, GTF1000型, 投加聚丙烯酰胺 (PAM) , 使细煤泥凝聚成大颗粒, 利于脱水, 投加PAM量为3‰～5‰干煤泥重。设置3台一体化污泥脱水机, LDW-2000型, 带宽2 000mm, 同时使用, 也可交替使用, 视煤泥量的多少而异。压滤液回流到反洗排水池中再处理, 脱水后的泥饼用DS-500型, 带宽500 mm, 长15m的皮带输送机送至干煤棚中外运。

该矿井水处理站总投资11 028.57万元, 按处理水量40 800m³/d计, 单位水投资为7.41元/m³;按日产脱盐产品水12 833 m³/d计, 单位水投资为23.54元/m³。人工费、电费、药剂费、膜更新费、维护费、折旧费、大修基金、管理费等总成本26 883 721元, 按日产脱盐产品水12 833m³/d计, 单位水脱盐处理总成本5.74元/m³。

(1) 采用平流预沉池、絮凝斜管沉淀池、相互冲洗滤池和超滤作为反渗透的预处理工艺能够有效去除原水中的悬浮物和胶体, 为反渗透提供高品质进水, 同时能减少预处理构筑物和处理站占地面积。

(2) 平流预沉池反应段GT值为4.746 1万, 絮凝斜管沉淀池反应段GT值为6.15万, 可充分达到絮凝效果利于沉淀。

(3) 进、出水端安装连续监测在线高、低浊度仪, 适时调节加药量, 平流预沉池出水SS<50 mg/L, 斜管沉淀池出水浊度<10NTU, 相互冲洗滤池出水浊度≤1NTU, 满足排放标准及部分工业用水分质供水要求。

(4) 采用膜丝为0.9mm PES (聚醚砜) 多孔超滤膜, 全流过滤, 其产水水质稳定且SDI<3。

(5) 采用PROC20低压节能型芳香聚酰胺复合抗污染膜, 其渗透量大, 压力小, 脱盐率高, 可以满足含盐量6 000mg/L左右矿井水一次脱盐的要求。

(6) 超滤-反渗透双膜法用于高矿化度矿井水深度脱盐处理, 建设规模灵活, 制水成本低, 自控程度高, 是我国高矿化度矿井水处理的主流方向。