煤矿井下水生产饮用水的试验

张浩，武文双，张锦瑞，郝巧霞，白丽梅

（1．天津天狮学院生物与食品工程学院，天津031700；2．华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063009）

煤矿井下水生产饮用水的试验

张浩1，武文双1，张锦瑞2，郝巧霞2，白丽梅2

（1．天津天狮学院生物与食品工程学院，天津031700；2．华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063009）

矿井水；饮用水；混凝；过滤；消毒

水资源短缺问题已严重制约煤矿区经济的发展。为了促进煤矿区经济的发展，解决水资源短缺及污水处理问题，以赵各庄煤矿矿井水为例，通过分析确定混凝、沉淀、过滤和消毒4个处理单元的处理流程的最佳条件，选择PFS混凝剂的最佳加药量为10mg／L，转速依次为300r／min、100r／min、60r／min的搅拌时间分别是0．7min、4min、10min，然后沉淀70min，再用改型后的斜发沸石滤料过滤20min，最后投加0．75～0．95mg／L进行消毒。研究结果表明：赵各庄矿巷道排出的废水经过以上的工艺流程处理后，各项指标均优于城市供水水质标准。以赵各庄为例，其处理规模为365万m3／a，整个净化工程总投资601．2万元，年经济效益为340．91万元，投资回收期为0．88年。经济效益显著。

我国人均淡水资源占有量为2 700m3，被联合国列为是世界上的13个贫水国家之一［1］。由于我国水资源短缺且分布不均，目前有114个城市严重缺水，平均每日缺水量达到1．6×107t。社会生活生产离不开水，即水资源已严重制约社会经济的发展［2］。据统计目前利用率只占矿井排水总量的22%［3］。由于煤炭占我国一次性能源的75%左右，所以我们需要大量开采煤炭，但在开采煤炭的同时，却大量破坏了水资源，使煤矿区的水资源更加紧张。因此，需要通过试验研究使煤矿区井下水变为生活及工业用水，这样既可解决煤炭区缺水问题的同时也提高了经济效益。以赵各庄为例，这样既节约了唐山的水资源也保护了的生态环境，对实现可持续发展具有重要的意义［4］。

1 试验材料及设备

1．1 原水来源及分析

试验用水是开滦矿区巷道排出的废水。水质较稳定，均为近中性，很少甚至无毒害物质，雨后出水变黄。由于水中溶解了一些混杂矿物质、煤粉等，致使一些常规指标超标。

由原水水质分析，对原水水质进行了一系列测定，常规分析及检验按照国家环保总局编写的《水和废水监测分析方法》，各指标的测定结果如表1所示：

表1 试验用原水水质

根据2005年6月1日实施的《城市供水水质标准》CJ／T 206－2005，由表1所测数据可知，总硬度、总大肠菌群、浊度、高锰酸盐指数、细菌总数和色度超标这6项检测数据不符合标准，其它9项均符合城市供水标准。

1．2 主要试验设备与药剂

主要设备有可见分光光度计、生化培养箱、混凝试验搅拌器、手提式不锈钢蒸气消毒器、电热恒温鼓风干燥箱和自制过滤装置。

主要试验药剂为唐山开滦生产的聚合硫酸铁、改性后的沸石和分析纯的液氯。

1．3 试验方案

根据不同类型的矿井水及不同的用水对象所采用的处理工艺不同，根据综合分析，最终选择的试验流程“原水→混凝→沉淀澄清→过滤→消毒”。

2 试验结果与讨论

2．1 混凝沉淀试验

2．1．1 药剂用量试验

所有烧杯中均有1L原水和浓度为0．5%的聚合硫酸铁PFS混凝剂，搅拌均匀后静置沉降60min，再取上清液测其浊度。试验结果如图1所示。

图1 PAC用量对混凝效果的影响

由图1可知，浊度去除率很高。在混凝剂用量小于10mg／L时，药量的增加使浊度降低很快；PFS混凝剂用量超过10mg／L时，浊度上升。确定最佳投药量为10mg／L。

2．1．2 搅拌条件试验

搅拌条件试验的效果影响也很大。但是，若搅拌速度过快大颗粒难以形成［5］；若搅拌过慢则混合不充分。粒度小、比重轻的颗粒在矿井水中的悬浮，进行搅拌是为了提高混凝剂的混凝效果，搅拌条件及结果见表2。由表2可知，分别以60r／min、100r／min、300r／min的转速时，混凝效果最佳、出水浊度最低。在此基础上进行了搅拌时间试验，结果及其对应的试验条件见表3，由表3可知，当快速搅拌300r／min搅拌0．7min、100r／min搅拌4min、60r／min搅拌10min时出水浊度最低、混凝效果最好。

表2 搅拌速度对混凝效果的影响

表3 搅拌时间对混凝效果的影响

2．1．3 沉淀时间试验

若进行长时间的沉淀就会需要大体积的沉淀池，沉淀时间短则沉淀效果不好，所以时间对沉淀效果也有很大的影响，所以要通过试验选定最佳沉淀时间。首先药剂和混凝剂充分混合，然后放入沉淀柱中测不同沉淀时间上清液的浊度，沉淀时间对出水浊度的影响如图2所示。

由图2可知，在一定时间内，沉淀时间越长，清液浊度明显降低，50min后浊度下降速度明显变慢；70min以后出水浊度已达到稳定的效果。所以选定沉淀时间为70min。

图2 沉淀时间对浊度的影响

在此沉淀时间下，混凝试验后出水与原水（各项水质指标见表1）相比其CODMn、上清液的浊度、大肠菌群数和细菌总数，分别降至11度、3．30mg／L、260个、20个，它们的去除率分别达到90．35%、58．96%、31．58%、33．33%。PFS混凝剂对浊度去除效果很好，且出水水质稳定，这是因为矿井水中的悬浮物比表面积巨大，静电斥力使颗粒很难形成大颗粒下沉。同时颗粒表面的水化膜，也进一步阻止了大颗粒的形成［6］。聚合硫酸铁加入以后，溶解态混凝剂与分散胶体颗粒之间产生液、固相间的粘结架桥、化学吸附等作用，形成大颗粒而沉降速度加快，浊度降低。PFS在水中解离出H＋，因此水的pH下降。赵各庄矿井水是奥陶系石灰水，是HCO3－Ca－Mg水，水中的HCO3－与H＋结合生成CO32－，水中的钙、镁离子与CO32－发生反应形碳酸钙和碳酸镁沉淀，所以在混凝试验后，水的硬度下降了；从而与水中固体悬浮物相关物质的指数相应也会下降。

2．2 过滤试验

试验由2根有机玻璃柱、转子流量计、储水瓶等组成的滤装装置，柱里装一定量的改性沸石滤料，混凝沉淀后的水流经过滤柱，然后取样分析过滤后的水。沉淀后出水为本过滤试验用水。

2．2．1 装填高度条件试验

滤速控制在10m／h，分别在不同的装填高度下，测其出水硬度，如图3所示试验结果。由图3可知，随着装填高度的增加，沸石对硬度的去除率增加率变缓，出水硬度的降低率变缓。但大于600mm的装填高度时，硬度去除率的增幅明显变缓；综合考虑处理成本和出水水质2个因素，600mm为最佳选择滤柱的装填高度。

图3 不同装填高度对出水硬度的影响

2．2．2 滤速条件试验

在选择600mm的滤柱装填高度下，为了测其滤速对出水硬度的影响，使混凝沉淀后的矿井水以不同速率自上而下流过过滤柱，如图4所示试验结果。由图4可知，随着滤速加快，沸石对硬度的去除率降低速率加快，出水硬度增大的趋势变快。综合考虑处理量和出水水质两个因素，选择14m／h为最佳滤速。

图4 不同滤速对出水硬度的影响

2．3 消毒试验

把氯水加入到过滤后的水中，通过分析加氯量与余氯量对水质的影响，如图5所示试验结果。在图5中A区内氯先被水中的物质还原成不起消毒作用的氯离子Cl－，此时氯的余量是0。此过程不能因为杀死了一部分细菌而判定消毒效果可靠；随着B区加氯量的增加，氯与氨化合生成氯胺，化合性余氯是此时的余氯，消毒作用只具有一部分；在C区内，由于加氯量的增加，使化合性余氯开始下列反应：

余氯的测定只能反映出CIO－中的氯，不起消毒作用，此时余氯量到达最低点N；D区内，从N点起余氯开始上升，所增加的投氯量存在形式完全是游离性余氯，此间具有最强的消毒能力。由于水质不同，峰点M前后应是加氯量的控制点，故加氯量0．75～0．95mg／L是赵各庄矿矿井水应控制的范围。

图5 需氯量试验结果

2．4 全流程试验

全流程试验是按照前述各个试验单元的工艺参数进行的。如图1所示的试验流程，利用混凝试验搅拌器，均加入1L的原水在所有烧杯中，所有烧杯均投加稀释后浓度为0．5%的聚合硫酸铁，加药量为10mg／L，快速搅拌300r／min搅拌0．7min，然后以100r／min搅拌4min，接着以60r／min搅拌10min，静置沉降70min；过滤装置的储水瓶中注入上清液，用改型的沸石过滤，滤速为14m／h，滤柱高为600mm；最后加入0．85mg／L的液氯消毒。试验结果如表4所示。

表4 全流程试验结果

由表4可知，通过该技术，矿井水净化后出水的浊度、高锰酸盐指数、细菌总数、大肠菌群数和色度分别降至1度、0．9mg／L、16个、2个、5NTU，降低了99．12%、88．81%、95．79%、96．67%以及82．96%，均满足饮用水标准。

3 技术经济指标

以赵格庄污水处理厂为例，其处理规模为365万m3／a，整个净化工程总投资601．2万元，其中设备及材料投资120．2万元，土建投资361．2万元。生产成本中厂房折旧和设备折旧费0．05元／m3水；设备维护费为0．03元／m3水；电耗为0．54元／m3水；10mg／L的PFS投加量，则吨水加入药量为10g；液氯投加量为0．9mg／L，则吨水耗药量为0．9g。PFS价格以4 000元／吨计，按4 000元／吨计算液氯，则药耗共计为0．044元／m3水；按3年全部更换一次滤料，得0．340元／m3水是滤料的费用；按污水站10个操作人员，则0．106元／m3水为职工工资。则总成本约为0．556元／m3水。参照赵各庄矿吨水处理成本计算，则每立方米水的效益为0．134元，再加上节省的排污费0．8元／m3水，吨水效益为0．934元／m3水，年经济效益为340．91万元。

投资回收年限为0．88年，即约一年左右的时间即可回收全部投资。

4 结论

（1）通过分析化验赵各庄矿煤矿井下水可知，水质较差的煤矿井下水中，除色度、微生物指标、浊度等常规指标超标外，矿井水的高锰酸盐指数和硬度也超标，混凝、沉淀、过滤、消毒为此种类型的矿井水工艺流程。

（2）在混凝阶段使用PFS混凝剂，10mg／L为最佳加药量，并确定首先是0．7min的300r／min的搅拌速度，然后搅拌速度是4min的100r／min，最后是搅拌速度10min的60r／min；在沉淀阶段，最佳沉淀时间为70min；在过滤阶段使用改性后的沸石，滤速14m／h，滤层高度600mm，出水硬度指标约385mg／L，优于城市供水水质标准；在消毒阶段主要测定需氯量，考虑到既经济又有最合理的余氯量，加氯量控制在0．75～0．95mg／L。上述流程后的出水各项指标均满足城市供水水质标准。

（3）以赵各庄为例，进行经济预算，其处理规模为365万m3／a，整个净化工程总投资601．2万元，吨水效益为0．934元／m3水，年经济效益为340．91万元，投资回收期为0．88年。

［1］ 赵世晨，韩文国．新集矿区矿井水利用现状及前景［J］．煤矿环境保护，2002，16（4）：55．

［2］ 赵维，李海涛，荣宗谦．矿井水处理与综合利用［J］．煤质技术，2005，01：43－44．

［3］ 曹祖民，周如禄，刘雨忠，等．矿井水净化及资源化成套技术与装备的开发［J］．能源环境保护，2004，01：37－40．

［4］ 肖利萍，梁冰，狄军帧．矿井水资源化可行性研究［J］．辽宁工程技术大学学报，2003，06：862－864．

［5］ 周勤，肖锦．搅拌条件对强化混凝去除给水微细颗粒的影响研究［J］．环境科学与技术，2004，27（3）：19．

［6］ 朱建东，朱书全，崔广文．煤泥水混凝机理研究及其应用［J］．选煤技术，2004，04：69－72＋92．

Experiment on Making Production of Drinking Water by Using Coal Mine Water

ZHANG Hao1，WU Wen－shuang1，ZHANG Jin－rui2，HAO Qiao－xia2，BAI Li－mei2
（1．Department of Biology and Food Engineering，Tianshi College，Tianjin 031700，China；2．College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China）

mine water；drinking water；coagulation；filtration；disinfection

Water shortage has seriously restricted the economic development of coal mining area．In order to promote the development of economy，in coal mine area solve the problem of shortage of water resource and sewage treatment，The Zhaogezhuang coal mine water as was taken an example，the optimum conditions of the four processing flow of the coagulation，sedimentation，filtration and disinfection were determined．In coagulation stage，PFS is the coagulating agent，in which optimum dosage is 10mg／L，and the stir condition is 300r／min stir 0．7min，100r／min stir 4min and 60r／min stir 10min；In settlement stage，the optimum settlement time is 70min；in filtration stage，the hardness of the water decreases to about 385mg／L through the zeolite filtration medium disposed；In disinfection stage，which decides the optimum dosage of chlorine is 0．75－0．95mg／L．In this thesis，the each index of the purifying water is better than drinking water through the disposal of designed examination flow．

TD989

A

2095－2716（2016）04－0007－06

2016－04－18

2016－09－22