慈林山煤矿矿井水处理扩容提标改造设计

崔丽芳

（山西潞安化工集团慈林山煤业有限公司慈林山煤矿，山西 长治 046600）

慈林山煤矿现有矿井水处理站一座，设计处理能力为4500 m³/d。根据省、市环保部门的统计分析计算，现有矿井水处理站的处理能力不能满足现有井下排水量及现行排放标准的要求，因此需要进行矿井水处理站的扩容和提标改造。扩容提标改造后，处理站外排水水质达到国家有关标准，排放水量按7500 m³/d 进行设计。

1 扩容提标改造必要性分析

现有调节水池偏小，原有构建筑处理能力亦偏小。原有调节水池12 m×12 m×5.0 m，有效容积约640 m3，按设计规范，一般调节池的容量需达到设计处理量的6～8 倍，而且现9#、15#煤排水的SS有时会很高，达到8000 mg/L，现有调节水池不具备调节功能，无法满足煤矿井下排水的要求。9#、15#煤盘区延伸后，其井水排水量亦将增大，原有处理站更加无法进行达标处理。

原有设计高程有出入，进水端在最低处，处理车间在最高处，工艺处理需经过多级提升，用电负荷较大。现有处理设备年久失修，加药装置腐蚀严重，超滤和反渗透装置基本没有运行过，所用膜元件已彻底报废。现有处理站的污泥脱水系统设计造型不合理，现采用的叠螺机作为煤矿井下水处理的污泥脱水，脱水后的泥饼含水率在85%以上，而且处理效率低。

煤炭行业排放标准限制要满足地表水三类水水质标准，出水要求大大提高，现有处理设施已不能达到环保的要求。

2 扩容提标改造方案设计

2.1 矿井水处理站扩容总体设计

根据建设单位提供资料，新建处理站拟建地位于建设单位厂区内，利用原有旧学校，拆除原有建筑物后用于新建处理站。处理站出水口设置在处理站东南角。处理后清水除回用需要提升外，多余清水可自流进入东南侧水库。处理站新建建筑物包括综合设备间、加药间等。新建构筑物包括：预沉调节池、旋流澄清净水装置、综合水池、再生废液收集池及泵室等。

预沉调节池采用钢筋混凝土水池结构，无覆土，建筑耐久年限50 年。占地面积325.74 m2，深5.5 m，高出地面1.15 m。旋流澄清净水装置采用钢筋混凝土水池结构，无覆土，占地面积136.84 m2，深7.65 m，高出地面6.20 m。综合处理车间采用单层钢框架结构，局部夹层，火灾危险性分类为戊类厂房，耐火等级三级，建筑耐久年限50 年，抗震设防烈度6 度，屋面防水等级Ⅱ级，建筑面积776.63 m2，室内外高差0.15 m，檐口高度8.4 m。综合水池采用钢筋混凝土水池结构，无覆土，占地面积143.36 m2，深4.85 m，高出地面1.95 m。再生废液收集池及泵室采用钢筋混凝土水池结构，无覆土，占地面积33.26 m2，深4.2 m，高出地面0.2 m。加药间采用一层砌体结构，火灾危险性分类为乙类厂房，耐火等级三级，建筑耐久年限50 年，抗震设防烈度6度，屋面防水等级Ⅱ级，建筑面积51.23 m2，层高3.4 m，室内外高差0.15 m，建筑总高度3.55 m，外墙为370 厚非粘土烧结砖，内墙为240 厚非粘土烧结砖。

2.2 污水量预测及工程规模确定

根据《慈林山煤矿生产地质报告》，9#、15#煤最大涌水量为258.28 m³/h，即6 198.72 t/d，取整数6200 t/d；3#煤排水量为120 m³/h，即2880 t/d，取整数3000 t/d。

根据2018 年度慈林山煤矿疏干排水水资源统计表，全矿2018 年1～11 月份排水量为2 232 612.43 t，即6684 t/d。此排水量包括3#煤直排水1500 t/d（其余1500 t/d 用于矿区生产用水），计算得现阶段9#、15#煤正常排水量为5300 t/d。考虑到随着井下煤开采范围的扩大，15#煤涌水量还会逐渐增加，设计时需留一定的余量，暂预计增加的量按700 t/d考虑。

综合考虑，并充分利用原有矿井水处理站的处理设施，结合实际，分质处理，新建矿井水处理站混凝反应沉淀及多介质过滤按3000 m³/d 考虑，活性炭过滤、除氟过滤及折点加氯按照7500 m³/d考虑。

2.3 进出水水质设计

在进行污水处理厂的设计时，进水水质是决定污水处理厂设计的主要依据[1]。污染物浓度如取值偏高，会造成较大的投资浪费，而取值低于实际浓度，又会导致水厂处于超负荷运转状态，达不到预期的处理效果。

本项目污水来源为矿井生产废水。原水水质根据建设单位提供数据并结合相关工程进水水质数据，最终根据本工程的特点进行设计取值，见表1。

表1 设计进水水质表

2.4 工艺方案

根据相关资料及工程经验，矿井水的主要污染物为悬浮物（SS）以及溶解性总固体。构成SS 的主要是煤尘、岩尘、粘土等细小颗粒物，尤其是煤尘，其主要特征是浓度高，所含固体颗粒细，灰分高，颗粒表面多带负电荷。本矿井井下排水主要超标因素为悬浮物、化学需氧量（COD）、氟化物（以F-计）、石油类、氨氮、总磷。处理效率见表2。

表2 处理站主要进出水水质及相应处理效率

（1）一级处理工艺

设计一级处理规模为3000 m3/d，同时考虑到本工程的水质特性，一级处理采用预沉调节池+旋流澄清净水装置+多介质滤池，用于去除原水中大部分悬浮物、化学需氧量、生化需氧量、总磷等，同时可去除部分氟化物、石油类、氨氮等。另外，考虑到远期一级处理规模的增大，设计预留远期2 座旋流澄清净水装置用地。

（2）深度处理工艺

本工程深度处理设计规模为7500 m3/d，包括新建处理站一级处理出水的3000 m3/d 以及旧处理站出水的4500 m3/d。深度处理工艺为“中间水池+活性炭滤池+除氟滤池+折点加氯”，可进一步去除悬浮物、化学需氧量、生化需氧量、总磷等物质，同时针对进水中难去除化学需氧量、生化需氧量、石油类、氟化物、氨氮等物质进行有效去除，确保出水主要污染物达到地表水环境质量标准Ⅲ类标准。

（3）污泥处理工艺选择

处理站运行过程中，排泥单元排出的污泥含水率较高，需经污泥浓缩降低含水率。另外，污泥经浓缩后，尚有约95%～97%的含水率，体积仍很大。污泥脱水可进一步去除污泥中的空隙水和毛细水，减少其体积。经过脱水处理，污泥含水率能降低到70%～80%，其体积为原体积的1/10～1/4，有利于后续运输和处理。

污泥机械脱水方法有过滤脱水、离心脱水和压榨式脱水等[2]。过滤脱水又有真空过滤与压力过滤；离心脱水是用离心机进行脱水；压榨式脱水是用螺旋压榨机或滚压机进行脱水。常用的是压力过滤和离心脱水方法。污泥过滤脱水是以过滤介质两面的压力差作为推动力，使污泥水分被强制通过过滤介质形成滤液，而固体颗粒被截留在介质上形成滤饼，从而达到污泥脱水的目的。板框压滤机是最先应用于化工脱水的机械，具有过滤推动力大、滤饼的含固率高、滤液清澈、固体回收率高、调理药品消耗量少等优点。

污泥处理工艺为：污泥池+污泥浓缩+机械脱水+泥饼外运。同时，由于本工程进水水质中含氟量较高，需要对进水中氟化物进行处理。为防止吸附置换出的氟化物经处理后含氟污泥再次进入系统，将含氟污泥与系统混凝沉淀排出的污泥单独储存处理。

3 工程成本和效益分析

3.1 运营成本分析

本方案中的运营及管理费用仅以2019 年的生活水平及市场材料价格为依据，主要包括水费、药剂费、动力费。

处理站消耗药剂主要为PAC、PAM、消毒剂、酸、碱等药剂。药剂价格按照目前市场材料价格为依据进行计算，处理站药剂费为90.0 万元/年。污水处理站每天用电1 742.1 kW·h，则电费为63.6 万元/年。

综上所述，改造后矿井水处理站每年运行费用约为153.6 万。

3.2 工程效益分析

随着井下煤开采范围的扩大，涌水量还会逐渐增加，如果污水处理设施不完善，将会有更多的污水直接排入河道，河道污染日趋严重，将导致水体自净能力下降，造成水体短时内难以恢复自净能力的严重危害，将严重影响人类健康和自然环境改善。对矿区矿井水的治理是改善工作环境、保护人类健康和自然环境、促进经济社会环境持续发展的必要条件，对当地的水质起到一定的保护作用，具有很好的环境效益。

工程建成后，将大大降低生产废水对环境的污染，新建处理站预计污染物质每年的减排量为：化学需氧量CODCr90 t/a，总悬浮物SS 318 t/a；磷酸盐（以P 计）0.5 t/a，氨氮7.7 t/a，氟化物3.3 t/a。

项目的实施对保护该区域的水体环境具有重要意义，将极大地改善人们的生活环境，有助于促进人与自然的和谐发展，建设一个生态可持续发展的社会。由于对污水进行了集中处理，避免了直接排入水体而造成的污染。

4 结语

为了能更好地对矿井水进行处理，慈林山煤矿对现有的污水处理站进行了扩容提标改造。首先，对改造的必要性进行了分析；然后，分析了扩容提标改造方案设计，主要有污水量预测及工程规模确定、进出水水质设计以及工艺方案；最后，分析了改造后的经济效益和运营成本。研究发现，改造后有助于改善工作环境和保护当地的水质，具有很好的经济效益。