煤矿矿井水井下处理新技术及工程应用

宋 翔

（潞安职业技术学院，山西 长治 046022）

矿场污水主要包含煤泥微粒和石灰岩微粒的矿井涌水，矿山采矿步骤中喷雾抑尘、机械设备及消防救援过程中产生的煤尘废水。未经处理的矿场污水直接排放会造成自然环境的污染[1]。矿场污水最终通过小巷池塘或排水泵汇集于水仓中，夹杂的煤泥、石灰岩和沉积微粒随着时间延长不断在水仓中沉积，造成整治水仓的频率及成本增加，大大增加了煤矿的生产成本。

1 矿井水处理的国内研究现状

自20 世纪70 年代以来，国内研究者对我国矿场污水处理研究已有近40 余年的历史[2]。大量的分析研究表明：通常采用絮凝、沉淀和过滤的工艺处理漂浮颗粒物居多的矿场污水。为节约水资源，实现矿井水的再利用，周、荣卫国等，阐述了不同矿山由于地域、自然环境和气候的差异，其理化性质也不尽相同。并介绍了使用矿山采空区沉淀预处理和氧化池曝气处理并融合互冲过滤器设备的矿井水井下处理工艺，此外，还对处理之后的水体进行了澄清分离工艺。王德海等则介绍了在矿井水中加入一定浓度的聚合氯化铝（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）进而来提高矿场水中悬浮颗粒的絮凝沉淀效果，并配合增加调节池的容积，利用刮泥排泥的机械设备来进行矿井水中悬浮颗粒的去除，最终通过过滤工艺完成矿井水的净化[3-4]。本方法存在成本较高且设备占地面积大，处理效果不明显等问题。山西省某煤矿使用增强絮凝、延长沉淀周期、过滤、杀菌等传统方式对矿场污水展开净化处理，基本上克服了矿场供水难题。本文试验煤矿排水水量预计达600m3/h，溶解固体质量浓度较高，约2500 mg/L，预计生产矿井水33.47 亿m3。本地区某煤矿地下集水坑的稳定清除周期为308 d。由于矿场水中大量固体微粒（如煤泥和石灰岩）在集水坑中沉积，清理频率提高，清理周期缩至一半即154 d。与矿井水的地面处理相比，矿井水的地下处理相对较难。矿井水的地下预处理可有效减少清淤频率，延长清淤周期，工作量、人工费用、能耗均可可有效降低。矿场污水的预处理可大大降低对外部环境的污染，与此同时还可避免固体颗粒对抽排放设备造成的严重磨损，从而延长设备使用寿命，显著提升产业经济效益。

2 矿井水处理工程研究

2.1 混凝沉淀试验

2.1.1 试验目的

聚合氯化铝和聚丙烯酰胺分别是去除矿井水中悬浮固体的常见的混凝剂和絮凝剂。根据矿场污水处理站的早期统计数据[5]，在众多混凝剂和絮凝剂投加组合中，聚合氯化铝加聚丙烯酰胺是最适宜处理矿场污水的方案。因此，本试验不再进行选型实验，仅分析不同用量聚合氯化铝和聚丙烯酰胺对水样的处理性能。具体方法为：添加不同剂量的聚合氯化铝进行混凝试验，根据试验后不同剂量水样清液的浊度来推出PAC 的最佳用量。聚丙烯酰胺的最佳用量方法确定同PAC。

2.1.2 原水水质

测试水样取自矿场水原水，主要基准见表1。

表1 试验原水主要水质指标

2.1.3 试验仪器与试验药剂

台式混凝试验六联搅拌机，中润ZR4-6；浊度仪，雷磁WZS-180A；电子天平，al204）。

1%、2%聚合氯化铝（本矿井水处理用聚合氯化铝）；1%聚丙烯酰胺（本矿用于矿井水处理的聚丙烯酰胺）。

2.1.4 试验方法

1）将水样均匀混合，从1 000 mL 量筒中抽出6 份水样，分别放入1 000 mL烧杯中，依次编号，将装满水样的烧杯放在混凝试验混合器上。

2）将1%的1、2、4 mL 聚合氯化铝和2%的3、4、5 mL 聚合氯化铝放入加药杯中。

3）开启混凝搅拌机，不同浓度和用量的PAC 将自动加入对应的烧杯中。转速设置分两个阶段，第一阶段转速设定为120 r/min，时间为1 min，此阶段目的为快速混合；第二阶段转速设定为60 r/min，时间为10 min，该阶段为化学反应阶段。

4）在混合反应过程，观测并纪录每个烧杯中与否有明矾花，以及明矾花的尺寸和松度。预设时间到达后，搅拌机叶片自动提起，搅拌停止。

5）搅拌结束后，水样静置10 min，观察记录明矾的沉淀过程，随后依次从每个烧杯的取样口依次抽取各烧杯中的上清液，测定其浊度并纪录。

6）比较不同烧杯中上清液的浊度值，确定PAC的最佳用量。

7）将2）中确定的PAC 最佳用量加入后，在烧杯中同时加入0.1%的0.1、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0 mL 聚丙烯酰胺，重复上述3）～5），确认聚丙烯酰胺的最佳剂量。

2.1.5 试验结果与分析

2.1.5.1 PAC 最佳投加量

通过分析上清液浊度随PAC 用量的变化趋势发现，在PAC 用量在＜80 mg/L 之前，上清液浊度一般随着PAC 用量的增加而降低，当质量浓度范围为20 mg/L～40 mg/L 时，由于PAC 与水中悬浮物充分混合，PAC 用量增加对絮凝反应的反应程度影响较大，浊度降低幅度较大。当PAC质量浓度范围为60 mg/L～80 mg/L 时，上清液浊度的变化幅度明显降低，因为此时PAC 的用量接近混凝反应的临界浓度，水中Al3+吸附作用随水合作用的增强而减弱。当PAC 用量为80mg/L 时，上清液浊度为最小即26.6 NTU，浊度去除率达92.67%。此后继续增加PAC 的使用量，由于悬浮物已基本去除，浊度不再下降，反而随着聚合氯化铝和水样产生絮状物使得浊度增高。

试验中观察到明矾花的形成情况如下：PAC 用量为40、60、80 mg/L 三组水样中，悬浮物在添加PAC 后30 s 内开始形成絮状物，随后逐步生长成直径大于1 mm 的明矾花，随后处于静态沉淀阶段，明矾花沉淀速度较快，烧杯底部出现大量沉淀。PAC 用量为10 mg/L 和20 mg/L 的两组水样中，沉淀效果不好，形成的明矾花直径较小，停止搅拌后，水样浊度仍较高。在PAC 用量为100 mg/L 的水样中，虽然形成了直径大于1 mm 明矾花，但明矾花不稳定，没有继续变大，停止搅拌后沉淀效果也不明显。综上所述，80 mg/L 聚合氯化铝是该矿矿井水的最佳混凝剂用量，但仅投加PAC 时出水浊度并不理想。为进一步改善矿井水浊度，提升混凝步骤中明矾的密度和沉降速度，在添加了80 mg/L 聚合氯化铝的前提下，选取了有机高分子絮凝剂聚丙烯酰胺的最佳用量。

2.1.5.2 PAM最佳投加量

上清液浊度随PAM用量的变化趋势如下：当用量小于0.2 mg/L 时，上清液的浊度随着PAM用量的增加而减少。当PAM用量为0.2 mg/L 时，上清液浊度为最小值15.6 NTU，浊度去除率达95.70%。当聚丙烯酰胺用量超过0.2 mg/L 时，上清液浊度曲线变化幅度降低。当用量大于0.6 mg/L 时，浊度不再发生变化，即继续增加PAM用量对降低浊度的意义不大。因为此时PAM 的水解分子覆盖了胶体颗粒的吸附表面，悬浮颗粒之间的“胶体保护现象”使其不能继续接近聚集。所以，适合本矿矿场水水质的最佳絮凝剂用量为0.2 mg/L 的PAM。

2.1.5.3 总结

聚合氯化铝是矿场污水处理中运用最普遍的混凝剂。而絮凝剂，近年来有许多全新研发的絮凝剂可供选择，但需根据矿场污水的实际情况作出选择。我国的矿场污水原水浊度达数万NTU，目前使用最多的处理方案为：PAC（混凝剂）配合PAM（絮凝剂）。其中混凝剂PAC 通过压缩双电层作用使得胶粒得以迅速凝聚；再通过吸附电中和的吸附作用中和部分电荷，减少静电斥力，使其更易与其他颗粒接近而互相吸附；最后通过吸附架桥作用，将高分子物质与胶粒吸附与桥连，使明矾花迅速形成。而絮凝剂PAM因为其本身具有很长的分子链，在水中有无穷的吸附表面积，故絮凝效果好，且能使用长链在颗粒之间架桥，构成大颗粒的絮凝体，加快沉降。此外，由于其本身具有的极性基因——酰胺基且在絮凝过程中可能会发生双电离紧缩、络合反应、构成聚合桥等均可起到加速混凝过程，显著增加明矾花的质量和密度进而加快其沉降速度的作用。根据之前的检验测试，矿场采用相对分子质量约800 万的非离子型PAM时，对矿场水中悬浮颗粒的差异性选择性最小，效果最佳。本试验通过混凝沉淀试验得出了最佳方案：PAC（混凝剂）配合非离子型PAM（絮凝剂），最优使用量分别80 mg/L和0.2 mg/L。

2.2 反应沉淀与澄清过滤工艺的比选

通过调研山西、河北、河南等多地共40 个矿井水处理站，并对其存在问题进行总结分析，选择了适合本矿矿井水的技术可靠、运行稳定的水体净化方案。被调研的水站中，共有反应沉淀过滤工艺、澄清过滤工艺和一体化净水器三种去除水中悬浮物的工艺(设备)。调研结果为：一是一体化集成净水器的数量占比最小，采用该工艺的矿井水处理站共有5 个，只有1 个运行良好。一体化集成净水器是集混凝、反应、沉淀、过滤于一体的净水设备。常见问题主要为：处理水量较小，仅为设计水量的50%左右，且出水水质往往不合格；抗冲击负荷能力差，当原水水质变化较大时处理效果差。二是反应沉淀过滤为最主要的净化工艺，占比50%以上。三是澄清过滤方案运行效果最好，对水质水量变化适应性较强且占地面积小，工程投资和运行成本低。同时，澄清过滤工艺也是该矿原有的矿井水处理工艺。该矿相关部门对该工艺技术比较熟悉，积累了较多的操作经验，建议选择澄清过滤方案作为矿井水处理改扩建工程。

2.3 过滤池比选

过滤器是移除悬浮固体的主要单元。能将矿井水中的煤粉、石粉等混凝沉淀难以分离的污染物有效分离，可有效降低出水浊度、提高微生物、细菌的去除率。处理低悬浮物矿场水常用的过滤设施有：普通快滤池、虹吸滤池、重力无阀和压力无阀滤池。对这4 种过滤类型的对比见表2。

表2 不同类型滤池的比选

通常根据矿井水的理化性质、水质指标、处理量及净化工艺流程来选择适合的过滤器类型。本项目中，矿井水处理改扩建工程设计水处理能力为4 000 m3/d，4 种过滤器中，重力式无阀过滤器适用于小型（处理量≤10 000 m3/d）矿井水处理工程，且该过滤器可在无阀门情况下自动反冲洗。综合考虑后，选择重力式无阀过滤器为本项目的过滤器。

3 结语

据相关数据统计，我国人均水资源的占有量仅为世界人均占有量的1/4，排在世界第109 位，被列为世界13 个贫水国家之一。且我国淡水资源区域分布不均，北方地区水资源仅占总量的20%，而煤炭资源丰富，占我国总储量的80%以上，矿区缺水现象十分严重。部分地区煤矿生产生活用水极其紧张。然而长期以来受技术、资金和认识的限制，我国矿井水均是未经处理直接排放，回收利用水平极低。不仅对水环境造成了较大污染，还是对水源的极大浪费。因此，采用合理经济的净化工艺对煤矿矿井水进行深度处理，实现水资源的循环利用，对我国煤炭企业的可持续健康发展具有十分重要的意义。