宁东鸳鸯湖矿区矿井废水处理工艺设计与利用*

唐 凤，曹 凯，杨宏涛，白欣阳，吴长树，康亚明

(1.北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏 银川 750021;2.神华宁夏煤业集团有限责任公司红柳煤矿，宁夏 灵武 750411)

1 引言

鸳鸯湖矿区位于宁夏中东部地区，为典型的半干旱半沙漠大陆性气候，其特点是冬季寒冷、夏季炎热，昼夜温差较大。根据灵武市气象站1990～2005年气象资料，本地区风向以正北或西北为主，风力最大可达8级，一般为4～5级，平均风速为3.1m/s;春秋两季有时有沙尘暴;年平均气温为9.4℃，年最高气温为36.6℃(1997年)，年最低气温为－25.0℃(2002年);降水多集中在7、8、9三个月，年最大降水量为322.4mm(1992年)，最小降水量仅为116.9mm(1997年)，而年最大蒸发量高达1922.5mm(1999年)，为年最大降水量的6倍及最小降水量的16倍，年最小蒸发量1601.1mm(1990年)。

井下水处理站处理对象为该矿区红柳矿井下水及麦垛山矿井下水，其中红柳矿井下排水量为632m3/h，麦垛山矿井下排水量为766m3/h。井下水处理站设计规模:初期17000m3/d;后期34000m3/d。

2 矿井原水水质

根据宁夏煤炭质量检测中心提交的《红柳煤矿井下水水质监测报告》(取红柳煤矿钻孔水样)井下排水属高含盐量水，含盐量为12000mg/L～14000mg/L，总硬度为160～185度 (德国度)。

考虑到在生产过程中井下排水会受到岩屑、煤粉以及井下机械设备的污染[1－3]，同时参照区内同类型矿井井下排水水质资料，以及清仓时井下排水水质较差，COD、SS、油类等污染物值较高，本工程原水水质按如下设计:

SS:60～3000mg/L;

pH:6～9;

油:1.0～20mg/L;

CODcr:100～270mg/L;

含盐量:12000mg/L～14000mg/L;

总硬度:160～185度(德国度)。

3 矿井水处理程度的确定

本井下水处理站出水主要用于矿井井下消防洒水、选煤厂洗煤补充水及矸石电厂冷却循环补充水，各用水项目的用水水质分述如下:

(1)井下消防洒水用水水质执行《煤矿井下消防、洒水设计规范》(GB50383－2006)中井下消防、洒水水质标准，见表1。

(2)洗煤补充用水水质执行《煤炭洗选工程设计规范》(GB50359－2005)中的选煤用水水质标准，见表2。

表1 井下消防、洒水水质标准

表2 选煤用水水质指标

(3)电厂用水水质标准执行《工业循环冷却水处理设计规范》(GB50050－2007)中再生水用作冷却用水水质标准，见表3。

综合以上各项目用水水质要求，为简化处理系统，结合设计委托书的要求，确定本设计处理后的出水水质按各项目用水水质要求最高的指标执行。

4 工艺设计

4.1 处理工艺及流程

根据原水的水质及处理后的水质要求，本工程处理的重点是水中的悬浮物(SS)、化学需氧量COD、乳化油及溶解性固体等。

表3 再生水用作冷却用水的水质标准

表4 处理后水质标准

目前国内矿井井下水处理工艺主要采用加药、混凝、沉淀、上浮和过滤工艺去除水中的悬浮物和油类，采用反渗透工艺去除溶解性总固体。

本设计采用“预沉→混凝沉淀除油→无阀过滤→机械过滤→活性炭过滤→精密过滤→反渗透→消毒”工艺对井下水进行处理[4－6]。

4.1.1 工艺流程

红柳矿井下排水由主斜井排出，利用余压进入至工业场地井下排水处理站内的调节沉淀池，经过预沉后，出水经过潜水提升泵提升至净水车间的迷宫斜板沉淀池，并投加混凝剂及助凝剂，经混凝、沉淀及除油后重力流至重力无阀滤池，过滤后的出水进入机械过滤器前调节水池。

经过预处理的麦垛山矿井下排水与红柳矿井下水同时进入机械过滤器前调节池，在调节池内加入NaClO进行杀菌，再经泵加压后进入机械过滤器、活性炭过滤器，在活性炭过滤器前加入还原剂、阻垢剂、酸添加剂，活性炭过滤器出水再进入精密过滤器，最后经高压泵加压进入反渗透机组进行脱盐处理。脱盐后的水进入复用水池，在复用水池加入ClO2进行消毒，最后根据各用户复用水量分别用泵加压供至各复用水点。

反渗透产生的浓盐水进入浓盐水池后，用泵加压排至位于工业场地西南方向约三公里外的尾水库。

调节沉淀池、迷宫斜板沉淀池的排泥进入污泥池内，由泵提升至污泥浓缩间，经浓缩后提升至污泥压榨一体化脱水机，在污泥脱水前加入聚丙烯酰胺，脱水后污泥含水率在80%以下，用汽车运出厂外处置。

无阀滤池、机械过滤器及活性炭过滤器反冲排水经收集后提升至调节沉淀池内进行循环处理。

4.1.2 工艺特点

(1)预处理部分

预处理部分包括调节沉淀池、迷宫斜板沉淀池及重力式无阀滤池。

①调节沉淀池:主要特点是调节容积大，能够调节井下排水瞬时流量大、排水时间不确定等因素引起的水量不均匀，可以适应井下清仓时井下排水水质差、冲击负荷大的特点。同时，由于其设计为平流沉淀池，具有停留时间长、沉淀效果好且出水水质稳定的特点。

②迷宫斜板沉淀池:主要由混合、反应破乳除油及沉淀等处理单元组成。

高密度迷宫斜板沉淀池比传统普通斜板沉淀池效率高，节省占地面积，是处理矿井污水的比较理想的沉淀设备，并且经过国内多家工程实践的检验。其主要优点如下:

a.高密度迷宫斜板雷诺数(Re值)小，能够有效抑制颗粒沉降的水力脉动，从而大大降低水流细部扰动对矾花沉降的负面影响;

b.高密度迷宫斜板间距小，阻力大，因此具有布水均匀不短流的优点;

c.高密度迷宫斜板无侧向约束，不积泥，从而保证较小的矾花絮凝体亦可有效去除;

d.高密度迷宫斜板沉泥面积与排泥面积相等，排泥面积大，大幅度提高了沉淀池排泥负荷;

e.高密度迷宫斜板采用优质聚合物材质，具有很高的表面光洁度，且该种材料有疏水性质，矾花不易附着，更利于排泥;

f.高密度迷宫斜板较普通斜管倾斜角更大，达到66°，进一步提高了其排泥效果;

经过高效混凝反应池和高密度迷宫斜板沉淀池反应、沉淀和除油后，出水浊度减小，其它指标也达到下一处理单元进水要求。

③重力式无阀滤池:进一步降低水中悬浮物，保证出水水质，满足深度处理的进水要求。

经过上述各项预处理后，出水水质可达到:

PH:6～9;

色度:≤30度

浊度:≤3NTU;

悬浮物粒径:＜0.3mm;

CODcr:≤30mg/L

氨氮:≤10mg/L

石油类:≤1mg/L。

(2)深度处理部分

通过反渗透可去除水中绝大部分的盐分及大分子有机物。由于其处理过程耗能少，设备体积小，操作简单，适应性强，因此在水处理中应用范围日益扩大，已成为重要的水处理方法，是目前脱盐除硬的最经济有效的手段之一。

为满足反渗透的进水要求，对预处理出水进行再处理，以去除胶体、悬浮颗粒物、有机污染物等影响反渗透正常运行的物质，其工艺过程为:机械过滤器→活性炭过滤器→精密过滤器。本工艺可确保反渗透装置的进水水质稳定，SDI值在设备允许的范围内，使系统连续、高效运行。

深度处理部分包括:机械过滤器、活性炭过滤器、机械过滤器、精密过滤器、反渗透机组、还原剂投加系统、阻垢剂及酸投加系统、膜清洗装置、膜冲洗装置。

①机械过滤器

机械过滤器为压力式过滤器，它利用容器内填装一定高度无烟煤和级配石英砂滤料的间隙，通过拦截、沉淀、惯性、扩散和水动力作用使得在絮凝剂作用下已经脱稳的悬浮物颗粒，在范德华引力和静电力以及化学吸附力的作用下，粘附于滤料颗粒表面从而进一步降低水的浊度，而且水中的有机物、细菌乃至病毒等随着水的浊度的降低而部分被去除。

②活性炭过滤器

活性炭过滤器是一种内装填粗石英砂垫层及优质活性炭的压力容器。其工作主要是通过炭床来完成的。组成炭床的活性炭颗粒有非常多的微孔和巨大的比表面积，具有很强的物理吸附能力，此外活性炭表面非结晶部分有很多含氧官能团，可有效吸附水中的有机污染物，对水中胶体及产生色素的物质、异味、重金属离子、COD等有较明显的吸附去除作用。可以进一步降低反渗透装置进水的SDI值，保证SDI＜5，TOC＜2.0ppm。活性炭过滤器是一种较常用的水处理设备，作为脱盐系统的前处理环节可有效延长后续设备使用寿命，提高出水水质。

③精密过滤器

精密过滤器作为反渗透系统的保安过滤装置，可以进一步去除水中残留的机械杂质、小分子胶体、一定分子量的有机物等，其过滤精度为5μm，可确保进入反渗透装置的水质稳定，减少反渗透膜件的清洗次数，提高膜的使用寿命，保证反渗透系统的正常稳定运行。

④反渗透机组

反渗透机组由高压泵及反渗透膜件等组成。

a.高压泵

高压泵提供反渗透的推动力，是反渗透膜系统的关键设备，其运行是否正常，直接影响着反渗透过程运行的经济性和持续稳定性。

b.反渗透膜组件

反渗透膜组是反渗透系统的“心脏”，其作用是去除水中的可溶性盐份、胶体、有机物及微生物。

反渗透过程是渗透过程的逆过程，即在压力作用下，采用半透膜的分离过程。反渗透主要是将溶剂和溶剂中离子范围的溶质分开，过滤精度＞0.001μ。

⑤反渗透机组辅助系统

反渗透机组辅助系统主要由还原剂、酸、阻垢剂添加系统及膜清洗和冲洗系统组成。

a.还原剂投加系统

添加还原剂目的是为了对原水中杀菌所剩余的余氯等氧化性物质的氧化性进行还原，使其不具备氧化能力，避免强氧化性使膜自身材料受到氧化降解破坏。

工艺通过氧化还原电位仪与变频加药泵连锁自动控制加药量。

b.阻垢剂、酸投加系统

反渗透过程是一个脱盐、浓缩的过程，为了防止反渗透浓水侧特别是反渗透压力容器中的最后一、二根膜元件的浓水侧出现无机盐类的结垢，从而影响反渗透膜的性能，在进反渗透前投加加酸及阻垢剂，以调节pH值，减轻反渗透膜浓水侧的结垢趋势。

c.膜清洗系统

反渗透设备运行一段时间后，由于各种原因，可能会在反渗透膜表面产生各类污垢，致使反渗透膜性能下降，这时必须清洗来保证膜的透水量。在同样产水量下，膜运行压力超过10%或同等压力下，产水量减少10%时清洗，膜的通量恢复较好，可保证恢复膜的原有产水量。为保证反渗透膜的性能，每次清洗过程时间约需3h。

本设计中反渗透膜组配有一套清洗装置，可方便地对反渗透膜组进行化学清洗。

d.膜冲洗装置

当反渗透系统停机时，膜元件内部的水处于3倍的浓缩状态，在水流静止的情况下，容易沉积造成膜组件的污染，需用淡水冲洗膜表面以防污染。在系统停、开机时，可冲洗膜元件，保证膜元件的正常寿命。

4.1.3 浓盐水处置

由于本井下水水量大，产生浓盐水量也较大，后期可达到13440m3/d。一般反渗透产生的浓盐水有两种处置办法，一种是再进行反渗透处理，另一种办法是自然析盐。

本处理站产生的浓盐水含盐量为30000～35000mg/L，大于海水的含盐量，若再进行反渗透处理，产水量低，膜容易堵塞，寿命短，处理设备投资高，运行成本大，处理成本达到8～10元/t，而且运行管理复杂。由于本地区蒸发量大，故设计考虑将浓盐水排至尾水库进行自然蒸发浓缩，浓缩盐水可作为工业用盐。

4.2 设计参数

(1)调节沉淀池

调节容积:V有效=5200m3(按8小时平均流量设计);

平均沉淀时间:t=8.0h;

水平流速:v=6.3mm/s;

表面负荷:=1.85m3/(m2·h);

(2)迷宫斜板沉淀池

沉淀时间:t=2.0h;

表面负荷:=6.2m3/(m2·h);

斜板长度:1.0m;

斜板间距:80mm;

斜板倾角:66°;

(3)无阀滤池

平均滤速:2.1mm/s;

反冲洗强度:15L/m2s;

(4)机械过滤器、活性炭过滤器

平均滤速:1.9mm/s;

反冲洗强度:15L/m2s;

(5)反渗透机组

反渗透机组产水率:60%;

反渗透机组脱盐率:95%;

反渗透机组进水压力:3.0MPa。

反渗透膜的进水条件:如表5所示。

表5 反渗透膜的进水条件

5 结束语

宁东能源基地是宁夏的“头号工程”——是集电力、煤化工为一体的特大型能源化工基地，成为西部大开发的标志性工程，并被列为国家13个亿吨级大型煤炭生产基地之一。然而，该煤田地处西北干旱地区，地质与生态条件极其脆弱，水资源极度匮乏，如何实现该地区矿井废水的重复利用具有重要的实际意义。

经过处理后的水应尽可能进行复利用，首先，处理后井下排水首先考虑复用于红柳矿井井下消防洒水、红柳洗煤补充用水、黄泥灌浆用水及麦垛山矿井复用水，剩余水量复用于矸石电厂生产用水。

初期:红柳矿井井下消防洒水复用量2300m3/d;红柳洗煤厂补充用水复用量4850m3/d;黄泥灌浆用水750m3/d;麦垛山矿井复用水量2100m3/d。

后期:红柳矿井井下消防洒水复用量2300m3/d;红柳洗煤厂补充用水复用量4850m3/d;黄泥灌浆用水750m3/d;麦垛山矿井复用水量2700m3/d;矸石电厂9400m3/d。

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