臭氧生物活性炭+超微滤技术在矿井污水处理中的应用

田小龙

（同煤集团环境保护处，山西大同037003）

在煤炭开采过程中，地下水与煤层、岩层接触，会发生一系列的物理、化学和生化反应，因此，矿井水中悬浮物的含量远远高于地表水。

矿井水中含有的总离子含量比一般地表水要高很多，而且矿井水往往pH值特别低，常伴有大量的亚铁离子，若要外排，则远远达不到地表水质的排放标准。按照国家环境保护的要求，矿井水的排放要达到地表水环境质量标准Ⅲ类。因此，需要对大部分矿井的水厂进行提标改造。

1 工程概况

燕子山矿井位于大同煤田西北部，地跨大同市南郊、左云两区县，东距大同市40 km。由于井下涌水量增加的原因，需对原有矿井水处理站进行扩容。在纸坊头风井场地新建5 000 m3/d矿井水处理厂，处理后的水质达到地表水环境质量标准Ⅲ类。

图1 高密度澄清池工艺原理

2 技术工艺

燕子山矿的矿井水含铁量很大，工程采用“臭氧-生物活性炭”（O3-BAC）+微超滤组合工艺。

2.1 反应池及除氟系统

2.1.1 预沉调节池

预沉调节池采用平流式沉淀池形式。井下涌水首先集中到井下水仓，再由井下排水泵抽升泵到地面。井下水仓调节容积为6～8 h涌水量。因此井下涌水在水仓中停留时间很长，首先可以自然沉淀下来部分大颗粒煤泥，无法自然沉淀的细小煤泥通过井下水泵抽升到地面的矿井水处理厂，通过絮凝反应后，将细小煤泥颗粒凝聚成大颗粒，方能用沉淀的方法去除。

2.1.2 高密度澄清池

高密度澄清池由反应区和澄清区两部分组成。反应区是由混合反应区及推流反应区组成，澄清区由入口、斜管沉淀区、污泥浓缩区组成。

高密度澄清池工艺原理见图1。在混合反应区靠搅拌器的提升作用完成泥渣、药剂、原水的快速凝聚反应，然后经过叶轮提升至推流反应区进行慢速絮凝反应，以结成较大的絮凝体，再进入斜管沉淀区进行分离。澄清水通过集水槽收集进入后续处理构筑物，沉淀物通过刮泥机刮到泥斗中，经容积式循环泵提升将部分污泥送至反应池进水管，剩余污泥排放。

2.1.3 过滤器

锰砂过滤器有两个作用：一是过滤SS，保证出水浊度；另一个作用是除铁、除锰。设计原水中铁锰超标，本次设计考虑采用压缩空气氧化+过滤工艺来去除水中的铁、锰。

2.1.4 除氟系统

含氟矿井水经过碳基磷灰石吸附协同处理后，矿井水中的大部分氟离子吸附浓缩在吸附剂中，通过碱剂再生后形成高氟再生废水，高氟废水若直接排入矿井水调节池再处理，则氟离子又进入矿井水处理系统中，氟离子浓度越来越高，直到无法处理，因此必须采取有效的固体化除氟措施，实现氟离子从水中得到有效去除。

由于出水的水质中氟含量受CaF2溶解度的影响，同时利用CaCl2的同离子效应，提高溶液中Ca2+的浓度，F-的浓度就会相应降低，从而使CaF2的溶解度下降。CaCl2溶解性很好，能有效地提高溶液中Ca2+浓度，强化了沉淀效果，而且CaCl2是一种中性盐，投加后不会对pH值产生影响。另外，氟离子与钙形成CaF2细小沉淀物后，须通过针对性高效澄清工艺加以分离。

利用微涡旋技术形成水流的涡旋作用，使得仅存的少量絮凝剂反复碰撞废水中的细小颗粒物质（氟化钙晶体）形成絮体，并吸附捕捉废水中的杂质形成大颗粒物质沉降，从而达到固液分离的目的。同时将微涡旋原理应用到澄清反应器中，通过增加和设置污泥絮体的内回流与循环，增加泥量，能够显著提高絮凝与沉淀效果，缩短反应时间，节省药剂使用量，提高废水混凝澄清处理效果。

2.2 臭氧生物活性炭接触系统

采用臭氧氧化和生物活性炭滤池联用（O3-BAC）的方法，将臭氧化学氧化、臭氧灭菌消毒、活性炭物理化学吸附和生物氧化降解四种技术合为一体，其主要目的是在常规处理之后进一步去除水中有机污染物、石油类以及氨氮等污染物，降低出水中的污染物。

空气经压缩机压缩后，经储气罐缓存，经过滤器去除大于1 μm的尘埃粒子以及水雾和油雾，由冷冻式干燥机进行浅度除水，经高效除油过滤去除大于0.01 μm的尘埃粒子，使水雾和油雾含量不超过0.01 mg/m3，然后进入吸附式干燥机进行深度干燥，使气源露点达到要求的-50℃以下，再经除尘过滤器去除大于0.01 μm的尘埃粒子成为合格的原料气源。合格的气源经减压稳压后进入臭氧发生室。

臭氧接触池为全封闭设计，顶板设有不锈钢压力人孔，设有压力安全释放阀1套。在池顶设置臭氧尾气收集管，尾气破坏器采用加热催化的方式将臭氧分解，整个尾气破坏器的控制由尾气破坏箱控制。分解后的气体臭氧浓度小于0.08 mL/m3，可直接排放到大气中。

臭氧接触池出水经提升送至生物活性炭过滤器。反冲洗分为三个阶段：首先气洗，气洗强度为9 L/s·m2，气洗时间为3 min；其次，气水同时冲洗，气洗强度为9 L/s·m2，水洗强度为12 L/s·m2，冲洗时间为4 min；最后水洗，水洗强度为12 L/s·m2，冲洗时间为9 min。

2.3 微超滤组合装置

设置2套微超滤组合装置，每套设备产水量为125 m3/h，通量为40.4 L/m2·h，单套42支80 m2的膜，并联运行。

微超滤组合装置设反洗系统，反洗周期一般为每30 min进行一次物理清洗，清洗过程为顺冲—上反冲—下反冲—顺冲，每次步骤全过程需用时约90 s，其中顺冲各15 s，上下反冲各30 s。反洗用水为设备自产水，从产水箱引取。最后，采用紫外线消毒，运行管理方便，消毒效果好。

3 改造效果

表1 废水监测内容一览表

监测时矿井水处理日负荷分别为68%和70%（监测内容见表1），矿井水污水处理站出口pH值浓度范围为7.85～8.03，悬浮物浓度范围为17～22 mg/L，化学需氧量浓度范围为12～25 mg/L，五日生化需氧量浓度范围为2.6～3.4 mg/L，氨氮浓度范围为0.145～0.176 mg/L，总磷浓度范围为0.033～0.050 mg/L，总氮浓度范围为0.366～0.514 mg/L，悬浮物、铁、锰、铬满足《煤炭工业污染物排放标准》（GB 20426-2006）的执行要求，其余均满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002)中Ⅲ类水质标准值要求，达标率均为100%。

4 结论

该工程技术首先在井下实现部分大颗粒泥水分离，并针对燕子山矿井水的特点制定了行之有效的处理技术，科学、有效地节约了能源，降低了运行成本，煤泥经压滤后混合原煤出售，有效降低了矿区污染，经济效益、社会效益、生态效益显著。