煤矿污水处理药剂全自动加配装置设计

郝俊信，李善玲，王 飞

(国能神东煤炭集团有限责任公司，陕西 神木 719315)

0 引言

煤矿井下废水既是一种生态污染源，同时又是一种宝贵的淡水资源。当前，我国煤矿一方面存在严重缺水的问题，另一方面井下废水未经排污处理就直接排放到自然环境当中，造成生态的严重破坏，水资源的严重浪费，制约了煤炭行业的生产和矿区经济的可持续发展。目前国内处理煤矿井下废水所采取的方法一般为絮凝剂沉淀法，但该方法只能去除煤矿废水中的一些杂质，而对于富含氮磷的水质来说起不到任何作用，造成这些富营养化的水体白白流失。同时，在选矿水及洗煤废水中除含有大量的悬浮矿物粉末或金属离子外，还含有各类浮选剂，并且洗煤废水具有SS浓度高、COD含量变化大的特点，因此，煤泥水不仅具有悬浊液的性质，还往往带有胶体的性质，细煤泥颗粒、粘土颗粒等粒度非常小，不易静沉，使得该类废水污染重、处理难度大，而且有些煤矿井的废水中重金属污染物含量较高，因此，若不在这些废水外排之前进行废水处理的话将会造成严重的资源浪费和环境污染。

为保护矿区环境，我国煤矿开采产生的矿井污水必须经过处理，使水质达标方可外排。污水处理主要通过高效澄清、浓缩、压滤、药剂添加等工艺手段调整水质。目前污水处理过程中药剂的制备与添加主要依靠人工完成，在制备过程中需作业人员通过天秤量取絮凝剂，然后拌入药液箱内与水混合完成药剂的制备，为防止药液凝固需要定时搅拌药液，整个污水处理过程消耗了大量人力资源。目前，国内外在煤矿污水处理行业中的自动化程度在逐步提高，但是在絮凝剂的制备加注环节仍未实现无人化作业。

1 污水处理药剂制备与投放流程

1.1 矿井污水处理工艺流程

矿井污水处理流程模拟图如图1所示。

图1 矿井污水处理流程模拟Fig.1 Simulation of mine sewage treatment process

由图1可见，矿井污水有井下的排水增压泵排入污水处理厂沉淀池，经一次沉淀后将清水注入吸水井，再由清水提升泵抽取并添加净水药剂后输入高效澄清池，澄清后的矿井水流入多介质滤池，过滤后的清水注入清水池供给井下生产使用，过滤后的污水经废水提升泵返回沉淀池。沉淀池中的清水流入调节池，经二次沉淀后由提升泵将清水注入气浮设备，并添加絮凝剂，经过净化的水流入中间水池，然后由提升泵注入无阀过滤罐，过滤后的水流入清水池，供井下生产使用。沉淀池与调节池中的带泥污水由排泥泵排至煤泥浓缩池，经压滤浓缩后，由煤泥输送泵注入带式压滤机，压滤后的煤泥外运，污水则返回沉淀池。

1.2 矿井污水处理药剂加配工艺流程

矿井污水处理药剂主要为絮凝剂，其加配过程主要分为制备、熟化、投配3段。在制备过程中首先根据所需药剂浓度，投入定量药剂融入水体，在搅拌箱内配制，经搅拌器搅拌均匀后投入溶液箱。在溶液箱内充分溶解并搅拌，以防止絮凝剂结块，此为药剂的熟化过程。在污水处理过程中将定量的药剂投配进入污水中，从而达到沉降清除杂质提高水质的目的。

2 污水处理自动加药装置与电气控制系统设计

2.1 装置主体设计

煤矿污水处理全自动加药系统三视图，如图2所示。图中示意如下：M-1为制备格搅拌机；M-2为熟化格搅拌机；M-3为投配格搅拌机；M-4为干粉药剂投放电机。本设备可满足液体絮凝剂的自动制备及投配，主要由三段腔体药箱、自动配水系统、自动出药系统、电气控制系统等组成，根据实际生产所需的标准制作完成。

1-药液制备箱；2-药液稀释熟化箱；3-药液存储投配箱；4-干粉药剂存储箱；5-电气控制箱；6-供水电磁阀；7-液位保持装置图2 污水处理全自动加药装置三视图Fig.2 Three views of sewage treatment automatic dosing device

2.1.1 药液储存箱体结构

该装置主体为不锈钢304材料制成。该装置分为3格，即制备、熟化和投配3段，其尺寸满足药剂熟化所需要的时间。各个格段的连接构件确保未熟化的药液不进入投配格。每格都装备有溢流装置、放空管道以及控制阀门。在每个格段中都安装有搅拌器，传动轴和搅拌装置均为不锈钢材料。为避免出现熟化和未熟化的药液混合搅拌，安装在熟化格中的搅拌器，在进料过程中可以自动运转。在投配格中安装液位控制装置，保证投配格在最低和最高液位时，进水管上阀门自动切换，以保证絮凝溶液的连续性。

2.1.2 药剂定量投放装置

在制备格上部安装有定量干粉进料机，该设备包含进料斗、投配螺杆输送系统(螺杆输送系统由手动机械调速电机、输送螺杆组成)、射流混合器等精确投配所必需的部件，输送螺杆呈螺旋状，为不锈钢材质，输送螺杆设在料仓的底部，以便于干粉药剂的彻底排空。进料斗为不锈钢材料，容积满足每班运行所必须的干粉药剂容量，从而减少干粉药剂的投加次数。投配螺旋体带调速装置，通过调速可改变药的投加量。投配螺旋由 V型带驱动装置，其结构能保证在任何一种速度下都保持对干粉药剂的吸力。射流混合器用于干粉药剂的预选湿润，并将精确的药量送入制备格中。该部件带有清冼装置，在调制装置工作前及进料机停止工作后进行清洗，避免药物聚成团状。

2.1.3 自动配水装置

自动配水系统由手动控制球阀、流量计、电磁控制球阀等组成。手动控制球阀用以手动设定进水流量，流量计用以对进水流量进行计量，电动控制球阀用以对进水系统实施供停水控制，并与溶液箱液位控制器联动。调制装置的供水部分，包括显示并调节运行水量的流量计和截止阀、自动调节运行水的电磁阀、压力控制设备及管道、管件等，均使用耐腐蚀性材料。自动配水装置在系统出现箱体溢流、投配格液位低、干粉药剂缺少等情况时，有水阀控制措施，即感知联动功能。自动配水装置的水量调节则根据实际操作过程中絮凝剂由固体转换为液体的情况而设定。

2.1.4 药液输送装置

出药系统由Y型过滤器和加药泵等组成。在投配药液箱内安装有Y型过滤器，Y型过滤器是用于过滤药液中的悬浮物和颗粒状的杂质，从而确保药液质量，防止结块进入管路造成堵塞。加药泵用于将过滤后的药液输送至加药点。

2.2 电气控制系统设计

电气控制系统由 PLC、接触器、按扭及指示灯等组成。整套系统由PLC控制器控制，实现污水处理药剂制备过程中干粉药剂的定量自动投放，各类阀门的自动开闭，溶解用水的定量自动加注，药剂溶解的自动搅拌，凝固物的自动清理，药剂的定量自动投配等功能，从而满足污水处理絮凝剂的自动制备的要求。控制柜具有就地手动控制功能和自动控制功能，并将该设备运行情况传输到 PLC。

3 工作原理

3.1 手动独立控制工作原理

在人工手动操作设备时，将全自动加药装置电控柜上的控制切换旋钮打在手动位置上，即可就地手动操作运行。首先工作人员将干粉药剂投加到干粉药剂存储箱，然后打开电控柜上电源总开关；然后由人员手动打开定量投粉机，投粉量由手动操作控制；将干粉药剂输送至切线分散器里，由手动机械调整需要相应的投加量；同时打开切线分散器手动调节进水阀门及进水电磁总阀，对药剂进行前期溶解，然后药剂进入预制箱。此时自动配水系统开始按比例向预制箱内注水，药剂和水按1∶200～1∶2 000(根据实际情况而定)同时注入预制箱。药剂在预制箱内通过一级搅拌后自流至熟化箱，在熟化箱内经过二级搅拌后自流至溶液箱，这时药剂已经充分溶解于水中，并可以满足污水处理使用要求。最后溶液箱内的药液经过加药泵输送至加药点，从而实现净化水质的目的。

3.2 自动控制工作原理

在需要设备自动运行时，将全自动加药装置电控柜上的控制切换旋钮打在自动位置上，即可自动运行。首先将药剂送到干粉药剂存储箱，然后打开电控柜系统总电源，全系统进入自动运行状态，系统将自动启动进水电磁总阀，同时启动药剂定量投粉机，之后根据运行环节自动启动预制箱内一级搅拌机和熟化箱内二级搅拌机、三级搅拌机，对药剂进行溶解熟化，然后自溢进入溶液箱，完成污水处理药剂的自动配置。在溶液箱内装有高低液位传感器，当溶液箱内的液位处于中液位时启动电磁总阀进水，当溶液箱的液位处于高液位时则停止进水，当溶液箱的液位处于低液位时则停泵，从而确保加药泵不会空载运行。

4 结论

(1)成套的全自动加药装置将原有的计量泵、溶液箱、搅拌器、控制系统、管路阀门、投配泵等独立工作的设备结构进行了模块化设计，一体化组合，克服了单一设备独立分散工作运行的缺陷，缩减了设备的整体空间尺寸，结构简单，安装维护方便。

(2)全自动加药装置在添加一次干粉药剂后可满足整班的系统运行用量，降低了煤矿污水处理人员的劳动强度，提升了药剂投放量的精确度，避免了因操作不当而造成的溶液凝固和药剂过量或欠量投加，提高了煤矿污水处理效率。

(3)全自动加药装置的电气控制系统的处理核心为PLC，PLC的强适应性使其可兼容接入煤矿的生产运行综合自动化系统，方便系统融合，其远控功能为煤矿污水处理系统的远程集中监控奠定了基础，也为煤矿的智能化建设提供了技术支持。