酸性矿井水处理达地表Ⅲ类水质工程改造工艺设计

王 翔

（煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001）

煤炭中一般都含有约0.3%～5%的硫，主要以黄铁矿形式存在，约占煤含硫量的2/3[1]。煤层开采后，硫铁矿与矿井水在空气中经一系列氧化、水解等反应，生成硫酸和氢氧化铁，使水呈现酸性，即酸性矿井水。酸性矿井水直接外排，造成了水资源的严重浪费，而且其中可能含有较高浓度的铁、锰、氟化物等金属或非金属离子，会造成严重的环境污染[2]。采用合理的技术工艺对其进行处理，不仅可实现矿井水资源化利用，而且可以保护环境。

1 工程概况

某煤业公司位于山西省临汾市，其矿井水为铁、锰、氟化物、COD 及SS 浓度超标的酸性矿井水，设计规模60 m3/h，根据项目建设方及环保部门要求，处理后的矿井水水质指标需满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》III 类标准，出水部分回用于黄泥灌浆、绿化、道路降尘，剩余部分外排。

2 设计规模及进出水水质

矿井水处理站设计处理规模为60 m3/h，设计出水水质执行《地表水环境质量标准》GB 3838—2002Ⅲ类水水质要求。设计进、出水主要污染物控制指标详见表1。

表1 设计进出水主要污染物控制指标

3 处理工艺选择（见第226 页图1）

图1 矿井水处理工艺流程图

3.1 预沉调节池

矿井水水质、水量具有不均匀性，为了增强整个矿井水处理系统对进水水质的适应性，设置预沉调节池，形式选用平流式沉淀池。池上安装撇油撇渣管，以去除原水中的油和浮渣。

3.2 曝气氧化反应池

矿井水中不含溶解氧是Fe2+稳定存在的必要条件，除铁的常用方法是将水中溶解的Fe2+氧化成Fe3+并使其转化为Fe（OH）3，然后通过沉淀或过滤将其去除[3]。研究表明[4]，pH 对Fe2+的氧化速率影响较大，pH>5.5 时，pH 值每升高1.0，Fe2+氧化速度就增大100 倍。pH 在7.0～7.5 时曝气，Fe2+可迅速转化为Fe3+；而pH＞8.0 时会大量形成Fe（OH）2沉淀，不利于铁的后续处理。设计曝气氧化反应池对矿井水pH进行调节，并充分曝气，达到去除Fe2+的目的。

3.3 除氟系统

除氟设计采用投加高效除氟药剂，除氟药剂可以与矿井水中氟化物进行固化反应，氟化物最终以污泥的形式通过压滤去除。

3.4 悬浮物处理

设计选用旋流澄清净水装置，装置运行时水流在自身重力作用下作周期性变加速旋转，泥渣悬浮层在脉冲水的作用下周期性压缩与膨胀，大大提高了悬浮物彼此膨胀絮凝的可能性。排泥时，污泥在自然重力作用下从排污管排出，不需要刮泥机。装置占地小、处理效率高，经该装置处理后的出水ρ（SS）≤20 mg/L，可满足后续过滤进水水质要求。

3.5 锰砂过滤

设计过滤系统采用锰砂过滤器，主要作用是利用滤料表层形成的具有很强催化氧化能力的铁、锰质活性滤膜将溶解状态的Fe2+、Mn2+氧化成不溶解的三价铁及或四价锰的化合物，再经过滤达到进一步除去水中的悬浮物和大部分铁锰离子的目的。过滤器采用机械过滤形式，具有管道简单，除污能力较高，运行周期长，设备造价低廉，占地面积小，管理简便等特点，非常适合小型矿井水处理站。

3.6 曝气生物活性炭沸石滤池

针对NH3-N、BOD5、石油类、COD 的去除采用曝气生物活性炭沸石滤池处理工艺。通过曝气，在其装填的粒状填料陶粒和活性炭滤料表面生长大量生物膜，当水流经时，利用生物膜中高浓度的活性微生物氧化分解作用以及滤料粒径较小的特点，充分发挥微生物的生物代谢、生物絮凝、生物膜和填料的物理吸附和截留以及滤池内沿水流方向食物链的分级捕食作用，实现污染物的高效清除。

3.7 超滤系统

超滤工艺是一种分离精度介于微滤和反渗透之间的膜过滤工艺，超滤可截留0.01 μm～0.1 μm 的颗粒及大分子物质，分离压力0.05 MPa～0.5 MPa。其基本原理是在常温下以一定压力和流量，利用不对称微孔结构和半透膜介质，依靠膜两侧的压力差作为推动力，以错流方式进行过滤，使溶剂及小分子物质通过，大分子物质和微粒子如蛋白质、水溶性高聚物、细菌等被滤膜阻留，从而达到分离、分级、纯化、浓缩目的的一种新型膜分离技术。设计设置超滤系统，用于进一步去除水中的细小煤粉、细菌、胶体等，进一步提高出水水质，是出水稳定达《地表水环境质量标准》GB 3838-2002 中的Ⅲ类水水质标准的关键环节。

3.8 消毒

采用次氯酸钠消毒，其作为一种高效、广谱、安全的强力灭菌消毒剂，水亲和性好，能与水以任意比互溶，易购置储存，操作安全方便，可在各种环境及工作状况下投加。

3.9 污泥处理系统

预沉调节池及旋流澄清器排泥进入现有污泥池暂存，随后经浓缩后提升进入厢式压滤机脱水后外运处置。

4 主要建（构）筑物设计

4.1 预沉调节池

一座，钢筋砼结构，有效容积为420 m3，调节时间为7 h，满足要求。主要设备有：污水提升泵，2 台（1 备），Q=60 m3/h，H=16 m，N=5.5 kW；污泥提升泵：3 台（1 备），单台性能Q=45 m3/h，H=22 m，N=5.5 kW；桁车式刮泥机1 套，B=6.3 m，N=4.0 kw；集油管，DN200，1 台，长度6.3 m。

4.2 曝气氧化池

钢筋混凝土结构，1 座，5.25 m×7.50 m×4.2 m；设过滤提升潜水泵2 台，Q=60 m3/h，H=18 m，N=5.5 kW，1 用1 备；散流曝气器：80 个，曝气气水比（质量比）取4∶1。

4.3 旋流澄清净水器

单套处理水量为Q=60 m3/h，含混凝、沉淀功能，碳钢防腐。

4.4 中间水池

接受旋流澄清净水器出水，1 座，3.3 m×4.0 m×4.5 m 钢筋混凝土结构；设过滤提升潜水泵2 台，Q=60 m3/h，H=24 m，N=11 kW，1 用1 备。过滤提升潜水泵出水依次进入锰砂过滤器、曝气生物滤池进行处理。

4.5 锰砂过滤器

1 套，处理规模60 m3/h，直径3.2 m，设计滤速7.46 m/h，采用锰砂滤料，粒径为0.5 mm～1.2 mm，滤层厚度为1.8m。水洗强度10 L/（m2·s）～15 L/（m2·s）。锰砂过滤器出水进入曝气生物滤池。设反冲洗水泵3 台，2 用1 备，Q=200 m3/h，H=20 m，N=18.5 kW，置于泵坑内，锰砂过滤器及曝气生物滤池反洗共用。

4.6 曝气生物滤池

碳钢防腐材质，尺寸3.0 m×4.0 m×5.5 m，滤速5.0 m/h，水反冲洗强度8.8L/（m2·s），气反冲洗强度15L/（m2·s），曝气气水比6∶1。配置4 台罗茨风机（3用1 冷备），Q=6 m3/min，P=58.8 kPa，N=22 kW，变频控制，置于泵坑内，1 台专用于曝气氧化池曝气，剩余2 台生物滤池曝气时运行1 台，反洗时运行2 台全部运行。

4.7 超滤原水池

接收曝气生物滤池产水，1 座，3.3 m×4.0 m×4.5 m，钢筋混凝土结构。配套超滤原水提升泵Q=60 m3/h，H=30 m，N=11 kW，1 用1 备，置于泵坑内；

4.8 超滤系统

超滤系统产水量60 m3/h，设28 支65 m2，通量为32.96 L/m2·h 的超滤膜，反洗用水从回用水池引取；配套超滤反洗泵，2 台，Q=90 m3/h，H=26 m，N=11 kW，1 用1 备；系统配套自清洗过滤器及化学清洗系统等。

4.9 加药系统

包含PAC、PAM 加药装置、pH 调节及除氟加药装置、酸、碱、次氯酸钠加药装置等。

4.10 污泥系统

设板框压滤机1 台，过滤面积120 m2。配套设置污泥池、污泥浓缩罐以及污泥提升泵等。

5 运行效果

水处理站建设完成后，系统经调试并稳定运行1 个月后，出水水质完全满足设计要求。

6 结语

针对铁、锰、氟化物、COD 及SS 浓度超标的酸性矿井水，采用“预沉调节+曝气氧化池+旋流澄清净水装置+锰砂过滤器+曝气生物滤池（沸石+活性炭）+超滤+次氯酸钠消毒”的工艺，出水水质满足《地表水环境质量标准》GB 3838—2002 中的Ⅲ类水水质标准。取得了良好的环境效益。