高浓矿井水预处理新工艺试验研究

王晓雷

(1.北京低碳清洁能源研究院，北京 102211；2.煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100011)

煤炭开采过程中产生的大量矿井涌水，一方面作为地质灾害严重威胁我国矿井安全生产，另一方面会引发周围水资源的污染与破坏，严重威胁当地人民的健康[1，2]。据统计，全国煤矿矿井水年损失量达60亿t，近年来矿井水利用率有所提高，但与国外相比还存在一定差距[3-6]。因此在矿区周边建造矿井水处理及资源化项目，既减轻水资源紧缺压力，又可以减轻对周边生态环境的二次破坏[7]。

矿井水资源丰富、涌水量大，但工况多变、来源多样，涌水量、固含量、颗粒物粒度等水质参数波动较大。矿井水预处理系统存在的主要问题有占地面积大、处理速度慢、停留时间长、药剂用量大、运行成本高、不适合井下应用，出水不能满足提高的排放标准要求。因此急需开发具有高效高速处理能力、低成本的矿井水预处理技术，研制小型集成化、低能耗新装备。矿井水预处理新技术也开展了大量研究工作，如超磁分离技术，具有效率高、占地面积小、用药量少等优点，但存在着投资运行成本高、系统复杂、对高悬浮物矿井水处理效果欠佳，推广应用受限的缺陷[8]。近几年微砂沉淀处理矿井水技术应用较多，具有处理效果好、占地面积小的优点，但药剂用量多会对后续膜法浓缩处理产生一定影响[9]。靳学林、程志伟等[10，11]采用旋流技术对低浊度矿井水处理工艺进行了改造，得出该技术处理悬浮物效果较好，但对于高浓矿井水的处理效果还有待研究。陶瓷膜处理煤矿废水近几年也有不少学者进行了相应的研究，其对矿井水中悬浮物的脱除效果显著[12-14]。

本项目针对煤矿高浓度矿井水水质情况，在国家能源集团枣泉煤矿进行中试试验研究，通过“旋流分离+膜处理+旋流澄清”工艺将大颗粒物旋流分离出，再经陶瓷膜过滤脱除悬浮物，前序工艺浓缩后的高浓煤泥水再进入旋流澄清装置加药絮凝沉淀，得到合格的产水，并提高了矿井水处理效率和水回收率。

1 “旋流分离+陶瓷膜+旋流澄清”工艺流程

“旋流分离+陶瓷膜+旋流澄清”工艺流程如图1所示，此工艺流程目的在于高效旋流脱除高浓矿井水中的颗粒、悬浮物，系统低能耗设计并尽最大程度回收煤泥中的水。具体工艺如下：原水箱1中的矿井水由潜污泵泵入旋流器，经旋流分离后溢流即旋流产水进入陶瓷膜过滤，底流进入集水箱，陶瓷膜过滤后出水进入清水箱1，溢流、错流循环回到原水箱，陶瓷膜反洗水与旋流器底流在集水箱中混合，然后集水箱更高浓度的煤泥水打入旋流澄清器原水箱2，加入适量的微砂后进入循环系统搅拌混合，含微砂的矿井水由潜污泵泵入进水管道，分别加入PAC(凝聚剂)和PAM(助凝剂)进入湍流混合器混合絮凝。絮体进入澄清器后进一步进行絮凝并分离沉降，澄清器溢流即为产水进入清水箱2。澄清器的底流(高浓絮体)进入集料箱，由潜污泵泵入旋流回砂器，在充分破碎后，微砂由旋流回砂器底流重新回收后，加入管道混合器重复使用从而实现微砂的循环利用。旋流澄清装置是在微旋及加药作用下将旋流底流和陶瓷膜反洗水混合的高浓固液两相混合物进行悬浮物脱除，既能减小澄清系统的处理负荷，又可以最大量回收煤泥中的水，提高系统水回收率。

系统物料平衡如图2所示。矿井水处理量为7m3/h，经过旋流器旋流分离后，溢流(5m3/h)进入陶瓷膜，底流(2m3/h)进入集水箱。陶瓷膜出水(4m3/h)进入清水箱1，反冲洗水(1m3/h)进入集水箱，与旋流器底流在集水箱混合。加上旋流回砂返回集水箱的底流(0.03m3/h)，集水箱共产水3.03m3/h进入旋流澄清器，溢流出水流量为2.7m3/h，底泥为0.3m3/h。底泥流量经过旋流回砂，底流微砂(0.03m3/h)回到集水箱，溢流(0.3m3/h)污泥外排。

图2 试验系统物料平衡

2 物料性质和试验装置

本试验在国家能源集团宁夏煤业集团枣泉煤矿开展，高浓矿井水水质为：浓度0.1%～2%，硬度1380mg/L，浓度在0.1%～2%属高浓矿井水，矿井水中煤粉颗粒10.79μm以下的固体粒径占50%。

3 设备结构设计及测试评价指标

该工艺系统处理量为5t/h，分别对旋流分离器、陶瓷膜、澄清器进行选型或结构参数设计。

3.1 旋流分离器参数设计

根据矿井水水质特性，选择常规使用的∅50mm直径旋流器。旋流器结构如图3所示。旋流器结构参数如下：筒体直径D为50mm；底流口直径du为6mm或10mm；柱段高度H为120mm；溢流管插入深度L为50mm；锥体高度h为120mm。

图3 旋流器结构示意图

3.2 陶瓷膜参数设计

陶瓷膜具有耐高温和酸碱腐蚀性强，可反冲洗，结构简单分离效率高的特点，在水处理工程中取得了良好的运行效果[15]。实验采用在1800℃高温下烧制的外压内吸式中空板式陶瓷膜进行实验，膜面积35m2，规格参数见表1。工作原理如图4所示。

表1 陶瓷膜装置规格参数

图4 陶瓷膜工作原理图

3.3 澄清器结构参数

旋流澄清主要利用进入澄清器中的固液旋流产生离心力加速絮体混合与沉降，小絮体颗粒沿锥盘上升时受到盘体阻挡作用下落，减少进入溢流的絮体颗粒数。澄清器结构及实物如图5所示。澄清器直径D1=1000mm，其他结构参数见表2。

图5 澄清器结构示意图

表2 澄清器结构参数

3.4 测试仪器及评价指标

试验主要测试参数为工艺产水的悬浮物SS、浊度，旋流器进料、溢流、底流通过SS-1Z测定仪对悬浮物进行测定，量程为0～1000mg/L；使用WGZ-1B便携式浊度仪对浊度进行测量，量程为0～200NTU；使用BT-9300激光粒度仪对样品的颗粒粒级组成进行测定，量程为0～740μm。

试验评价指标有旋流除固率，计算公式为：

式中，Ci为旋流进料浓度；Cu为底流浓度；Co为溢流质量浓度。

4 试验结果及分析

“旋流分离+膜处理+旋流澄清”工艺中各单元进行单机参数试验，经优选旋流分离采用2台∅50mm底流口直径10mm的旋流器；澄清单元旋流回砂采用1台∅50mm底流口直径6mm的旋流器时运行效果最佳。旋流器底流和反洗水固体颗粒浓度高的煤泥水，汇集至低位集水箱中，积攒3t煤泥水开启旋流澄清系统装置，旋流澄清系统可连续运行2h，即旋流陶瓷膜连续运行，旋流澄清装置间歇开启。“旋流分离+膜处理+旋流澄清”全系统每隔3h分别取旋流器进料、溢流、底流，旋流澄清器的溢流、底流，旋流回砂溢流和底流进行浓度测试分析；每隔3h对陶瓷膜出水浊度和反冲洗浓度进行测量，对旋流澄清器溢流出水，测量SS和浊度。

(4)监理目标。指按照合同和规范等要求的相关目标和目标值，即质量、进度、安全方面的目标及相应的目标控制值。如质量方面有钢筋、混凝土、模板、水电安装的质量目标控制值。

“旋流器+陶瓷膜”72h连续运行试验数据结果如图6、图7所示，矿井水进水浓度为0.5%，底流浓度为1.1%左右，溢流浓度0.3%左右，除固率为50%～60%，表示旋流分离处理可脱除50%以上的颗粒物，能降低进入陶瓷膜的大颗粒数量及浓度，减小陶瓷膜负荷提高使用寿命。系统运行总流量为7m3/h，分流比即溢流与底流流量比为3左右；分流比较大说明分离效果好。

图6 旋流器进料、溢流、底流浓度

图7 旋流器参数

旋流物料粒度分布见表3，旋流分离能脱除含量99.5%的20μm以上的固体颗粒物。

表3 旋流物料粒度分布表

矿井水浊度去除效果如图8所示，陶瓷膜出水浊度在0.03左右，反冲水的浓度在0.9%～1.5%之间波动，总体出水效果好，反冲洗水浓度稳定，说明“旋流+陶瓷膜”长周期运行状态良好，产水效果稳定。

图8 陶瓷膜出水浊度及反洗水浓度

当矿井水进水浓度为2%时，底流浓度为5.88%，溢流浓度0.83%，除固率为68%，陶瓷膜出水浊度在0.05左右。旋流陶瓷膜处理单元总煤泥含量增高，但调整旋流澄清单元的间歇开启时间和参数，出水效果相同。旋流底泥以及陶瓷膜反冲洗水中煤泥含量高，这股高浓固含量的水进入旋流澄清器处理。旋流澄清器在系统连续运行过程中，絮体在锥盘处堆积，每隔6h对旋流澄清器进行反冲洗1次，运行中每小时排放一次旋流澄清器底流，分别测量溢流和底流浓度，并对除固率和回砂率进行计算，澄清器结果如图9、图10所示，旋流回砂器的除固率在44%～55%之间，回砂率高于97.23%；旋流澄清器溢流出水SS稳定在5～10mg/L之间，浊度在5～10NTU之间，系统处理效果好，可直接回用或进行后续软化脱盐处理。此工艺将旋流高浓煤泥水循环再处理，水回收率可达97.5%。

图9 澄清器回砂指标

图10 澄清器溢流出水指标

试验中澄清器加入PAC量为29×10-6，PAM加入量2.3×10-6，比传统絮凝沉淀、超磁分离工艺、高密度沉降工艺药剂用量少40%～60%，药剂费用吨水节省0.2元，经济效益显著。

5 结 论

本文提出“旋流分离+膜处理+旋流澄清”的矿井水预处理工艺，高浓矿井水经过旋流器分离脱除50%左右颗粒物后，含20μm以下颗粒物的水进入陶瓷膜过滤，减小了膜过滤负荷，提高膜处理通量。经过“旋流+陶瓷膜”过滤后1.1%～1.4%的高浓煤泥水，再进入旋流澄清器加药絮凝沉淀处理，经中试试验得出：

1)此工艺能处理0.1%～2%的高浓度矿井水，具有停留时间短、处理速度快、效果好，占地面积小，适合井下应用的特点。

2)系统产水分别为陶瓷膜产水和旋流澄清产水，陶瓷膜产水浊度低于0.1NTU，旋流澄清产水浊度在5～10NTU范围内，达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)一级A标准。

3)此工艺在陶瓷膜处理前加旋流分离装置，并对旋流底流和陶瓷膜反洗高浓水进行微砂旋流澄清加药絮凝沉淀处理，实现针对不同浓度指标要求的矿井水进行分流处理，从而提高矿井水利用率，系统水回收率可达97.5%。

4)通过添加微砂提高旋流澄清单元的出水指标，微砂循环率可达97%以上，药剂用量比传统混凝沉淀等其他技术减少40%～60%，吨水药剂费用节省0.2元，具有经济环保应用前景。