煤矿井下污废水水处理的工艺改进设计与比较研究

　　摘要：本文对煤矿井下水处理的常用工艺与ReCoMagTM超磁分离水处理工艺进行了对比，ReCoMagTM工艺适合煤矿井下水的处理，特别是针对水质硬度不高、水量大的情况，该工艺具有综合投资省、占地少、运行成本低、处理效果好的特点，是取代常规混凝沉淀、过滤的先进固液分离技术工艺。
　　一、 前言
　　根据2005年中国煤炭工业协会和中国矿业大学(北京)水污染控制工程研究所的统计，调查我国22个省、市、自治区136个煤矿，全国平均每采1t煤，排放矿井水2.1m3。2005年全国煤炭产量约为20亿t，矿井水排放量约为42亿m3。根据国家发改委2007年矿井水利用专项规划文件统计，2005年，全国排放的42亿矿井水中利用量约为11亿m3，利用率约为26.2%，其余都作为废水排放，不仅浪费水资源，而且污染环境。
　　与之相对的是，在全国13个大型煤炭基地中，除云贵基地、两淮基地、蒙东(东北)基地水资源相对丰富外，其余的10个基地都存在不同程度的缺水问题。因此矿井水利用势在必行，它是缓解矿区供水不足、最大限度地满足生产和生活需水的重要措施[1]。
　　我国习惯上将矿井水按水质类型特征分为含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含有害有毒元素或放射性元素矿井水等四种类型。矿井水水质与地质条件密切相关，受到煤岩杂质、胶体物和井下生产、生活活动的污染，矿井水中一般均含数量不等的悬浮物；因此，悬浮物的去除在矿井水处理工艺中必不可少。本文将介绍一种去除矿井水中悬浮物的新工艺—ReCoMagTM超磁分离水体净化技术，并与常规混凝沉淀过滤工艺进行对比。
　　二、 常规混凝沉淀过滤工艺
　　对于矿井水中悬浮物的去除，常规处理工艺有平流沉淀池、斜板/管沉淀池，效率更高的有迷宫斜板沉淀池，一体化设备实质上也是斜板/管或迷宫斜板沉淀池的变形或改进。由于矿井水与普通地表水的水质特性差异较大，悬浮物不易沉淀，如果按照地表水水质设计，一般净水设施的处理量只能达到其原设计水处理量的40%~60%。因此，设计矿井水的混凝沉淀环节时，相对于地表水设计需扩大2~3倍。由于不同煤化阶段的煤分子结构大不相同，煤粒表面所带电荷数量也不相同，因而其亲水程度各异，随着煤化程度的增高，憎水程度加强，煤粉表面与水和无机混凝剂的亲和能力减弱。对于煤化程度高的煤矿矿井水，悬浮物混凝沉淀效果很差，为了保证出水效果，常常将斜板/管沉淀、一体化设备和过滤等工艺结合起来。
　　常规矿井水处理工艺流程图如下。
　　
　　
　　图1常规矿井水处理工艺流程图
　　
　　工艺流程及参数简述：
　　（1） 水线：矿井水通过井下排水泵由井下水仓提升到地面预沉调节池，预沉调节池有效容积一般为日平均时处理量的6~8倍，经过预沉调节池调节水质水量后的含悬浮物矿井水进入混凝沉淀车间和一体化处理设备，出水SS<10mg/l，消毒后回用。
　　（2） 泥线：大粒径的煤、岩颗粒物大部分沉淀在井下水仓(每隔一段时间清理)，预沉调节池中也会沉淀较大颗粒物需不定时排泥，各处理构筑物处理过程中产生的污泥经过浓缩后由污泥泵泵入污泥脱水设备。
　　
　　
　　三、 ReCoMagTM超磁分离水体净化工艺
　　ReCoMagTM超磁分离水体净化工艺将絮凝、沉淀和过滤工艺结合在一起，它不需要借助于重力沉降，而是通过稀土磁盘相当于磁性物质自身重力640倍的强磁力吸附去除磁性悬浮物。由于矿井水中所含悬浮物主要为岩粉、煤粉，本身不带磁性，ReCoMagTM超磁分离水体净化技术则是通过向水中投加磁种、混凝剂和助凝剂，在水力搅拌作用下完成“微絮凝”过程，使每个微小絮团带上磁性，通过“超磁分离机”实现絮体和水的分离，分离时间小于10秒。该技术颠覆了所有常规的混凝沉淀技术，能在3分钟左右完成整个进水、微絮凝、过滤（固液分离）、出水流程；出水SS<10mg/l；磁种通过磁种回收系统循环反复使用。
　　ReCoMagTM超磁分离水体净化技术的核心是“超磁分离机”和“磁种回收系统”。对于含悬浮物矿井水的净化，典型工艺流程见图1。
　　
　　图2ReCoMagTM超磁分离水体净化系统处理矿井水工艺流程图
　　
　　工艺流程及参数简述：
　　（1） 水线：矿井水通过井下排水泵由井下水仓提升到地面预沉调节池，预沉调节池有效容积一般为日平均时处理量的6~8倍，经过预沉调节池调节水质水量后的含悬浮物矿井水进入ReCoMagTM超磁分离水体净化系统的混凝阶段，在PAC和PAM作用下，悬浮物与磁种混凝、絮凝，混凝时间和絮凝时间分别为1min和2min左右；出水进入超磁分离机，水流经过整个超磁分离机的时间为30s左右，实际经过磁盘的时间小于10s，出水SS<10mg/l，消毒后回用。
　　（2） 泥线：大粒径的煤、岩颗粒物大部分沉淀在井下水仓(每隔一段时间清理)，预沉调节池中也会沉淀较大颗粒物需不定时排泥；ReCoMagTM超磁分离水体净化系统中经过微絮凝的磁性絮团在强磁力作用下被稀土磁盘吸附，逆向于水流方向缓慢转动的稀土磁盘一部分在水面之上，被吸附的泥随磁盘转出水面后首先有一个“沥水”过程，然后通过刮渣输送系统送入磁种回收系统。磁种回收系统分为三个部分：磁种与非磁性悬浮物的剪切分离、磁鼓磁选磁种以及磁种循环计量回用。磁种的回收率>99%。含水率约为93%的非磁性悬浮物作为污泥流入污泥处理系统，可不经过浓缩直接进入脱水设备。
　　矿井水中的悬浮物主要为岩粉和煤粉，粒度小、比重轻、沉降速度慢；悬浮颗粒平均只有2~8μm，总悬浮物中约85%以上的粒径在50μm以下。煤粉的平均密度一般只有1.3~1.5g/cm3，远远小于地表水系中泥砂颗粒物的平均密度2.4~2.6g/cm3。传统的混凝沉淀可以利用加大混凝药剂用量、增加沉淀时间来促使矿井水中粒小质轻的悬浮物聚集成稍大的絮团在较长的时间内沉淀下来，由此带来的结果是投加的药剂量大、构筑物或设备占地面积大。ReCoMagTM超磁分离水体净化系统能在3分钟左右完成整个微絮凝、过滤（固液分离）过程，投加药剂量更少，占地面积更小，源于其工作原理与传统混凝沉淀完全不同：
　　（1） 微磁絮凝
　　通过向矿井水中投加磁种，让非磁性悬浮物在混凝剂和助凝剂作用下与磁种结合。一方面，磁种作为絮团的“凝核”，强化并加速了絮团的形成；另一方面，磁种赋予了絮团磁性，磁种和悬浮物只需形成微小絮团即可被超磁分离机的强磁性磁盘吸附从而与水分离，不需要如传统混凝沉淀工艺中形成大的絮团通过自身重力沉降去除。因此，所需投加的药剂量通常是传统混凝沉淀工艺的1/3~2/3。并且，在磁种的作用下，在矿井水中投加PAC后，在动力作用下悬浮物很容易脱稳，加上后续投加PAM形成微絮团，整个混凝絮凝时间仅需3min，是传统工艺混凝絮凝时间的1/3~1/4。
　　（2）超磁分离
　　经过微磁絮凝的矿井水自流入超磁分离机，超磁分离机的磁盘采用了稀土永磁强磁性材料，通过聚磁技术，其磁盘可产生大于磁性物质重力640倍的磁力，瞬间（小于0.1s）能吸住弱磁性物质，平行磁盘间水的过流速度可达到1000m/h~2000m/h，实现微磁絮团与水的快速分离，水流经过整个超磁分离机的时间小于30s。对于矿井水的处理，ReCoMagTM超磁分离水体净化系统主体构筑物占地面积是常规平流沉淀池1/50~1/240，是高速澄清池的1/10~1/30。
　　四、 工艺技术对比
　　针对于某煤矿规模为50m3/h的矿井水处理回用工程，悬浮物混凝沉淀性能很差，经井下水仓沉淀大的颗粒后由泵提升到预沉调节池；由于井下水仓排水泵按照矿井最大时排水量设计，并非连续工作，预沉调节池的水位非恒定水位，在后面设置提升泵将调节池出水提升进入后续处理设备。以下将针对悬浮物的去除就ReCoMagTM超磁分离水体净化工艺和常规混凝沉淀过滤工艺进行对比。
　　矿井水进水水质：SS为170-600mg/L，要求出水水质SS≤10mg/L。
　　　　
　　根据以上对比可见，ReCoMagTM超磁分离水体净化工艺最大的优势是土建少、占地面积小，药剂投加量是传统混凝沉淀的2/3左右。针对水质硬度不高、大水量矿井水的处理，选用ReCoMagTM超磁分离水体净化工艺的初期构筑物和设备投资是传统混凝沉淀工艺的80%左右。
　　五、 结论
　　本文对煤矿井下水处理的常用工艺与ReCoMagTM超磁分离水处理工艺进行了对比，ReCoMagTM工艺适合煤矿井下水的处理，特别是针对水质硬度不高、水量大的情况，该工艺具有综合投资省、占地少、运行成本低、处理效果好的特点，是取代常规混凝沉淀、过滤的先进固液分离技术工艺。
　　
　　参考文献
　　[1]倪明亮、周勉.ReCoMagTMM工艺及应用.（内部资料）
　　[2]王绍文,邹元龙等编.冶金工业废水处理.北京:化学工业出版社,2008.
　　[3]严煦世,范瑾初.给水工程（第4版）.北京:中国建筑工业出版社,1999.