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行業現狀及礦井水污水特征
煤炭是我國重要的基礎能源和原料,在國民經濟中具有重要的戰略地位,在我國一次能源結構中,煤炭占到70%以上,建國57年來,共生產煤炭超過372×108噸,為我國的國民經濟和社會發展做出了巨大的貢獻。在煤炭開采的過程中不可避免地大量排放礦井水和破壞水資源,目前,全國煤礦礦井水排放量約為42億m3,約占整個采礦業(有色冶金、黃金、化工等礦山)的80％,而利用率約為26％。我國大部分富煤地區就是貧水地區,在“十一五”規劃建設的十三個超億噸煤炭基地建設中,有十個就是缺水地區。這些礦區用水短缺十分嚴重,許多煤礦生產用水十分緊張,甚至使用不合格的生產用水,水資源的短缺已嚴重制約了這些煤礦區經濟發展和人們生活水平的提高。
1.1高鐵錳礦井水的水質特征
煤礦含鐵、錳礦井水主要是地層中含鐵、錳地下水滲透形成的,礦井水中鐵、錳是以二價鐵或二價錳形式存在的,由于煤礦開采過程的影響,造成煤礦含鐵、錳礦井水又具有不同于含鐵錳地下水質的特點。
1.2高鐵錳礦井水的利用現狀
目前礦井水處理工程上主要采用天然錳砂作為除鐵、錳的濾料,其成熟期至少在一個月以上。而且,盡管其對錳有一定的去除效果,但經其過濾后的出水,仍不能完全滿足回用水的水質要求。
1.3高鐵錳礦井水利用存在的問題
煤炭行業對含鐵錳的礦井水處理參照地下水除鐵除錳技術進行設計,存在不少的問題。
2.1酸性礦井水的水質特征
不同地區的酸性礦井水的物理和化學性質有較大差異,但共同的特征是PH值較低,一般在2～5之間。由于酸性礦井水是由硫化物,主要是黃鐵礦(FeS2)氧化產生,所以水中的Fe、SO42-的濃度很高。總鐵含量一般在300～800mg/L之間,有些礦井水超過1g/L,其中Fe2+含量一般在200～300mg/L;SO42-含量在幾百至上萬mg/L,有時高達15g/L,大大超過飲用水250mg/L的上限標準。酸性水在演化過程中,對圍巖的溶蝕作用導致水中Ca2+、Mg2+離子的含量增加,從而使水的總硬度偏大。黃鐵礦、煤和圍巖中所含重金屬,如As、Mn、Cu、Zn、Pb、Ni、Co、Cd等,也在酸性條件下溶入水體,以毒性更強的離子狀態存在。由于水中含有大量的煤粉和開采過程中人為活動的影響,導致酸性礦井水的COD值通常很高。
2.2酸性礦井水的利用現狀
我國酸性礦井水基本上是采用中和化學法處理,投加堿性藥劑或以石灰石、白云石為慮料進行過濾中和。此外,人工濕地生態工程處理法處理酸性礦井水是近年來迅速發展起來的一種處理技術,具有很好的推廣前景。
2.3酸性礦井水利用存在的問題常用中和法的設備比較龐雜,噪聲大,環境條件較差,二次污染嚴重。反應產物CaSO4、Fe(OH)3與過剩的石灰石混雜在一起,處理困難。
3.1高濁礦井水的水質特征
(1)煤礦高濁礦井水的懸浮物含量高,感官性狀差。
(2)煤礦高濁礦井水懸浮物粒度小、比重輕、沉降速度慢。
(3)煤礦高濁礦井水混凝過程中礬花形成困難,沉降效果差。
3.2高濁礦井水的利用現狀
高濁礦井水凈化處理通常采用混凝劑,礦井水處理中混凝劑混合方式通常采用水泵混合、管道混合器混合和機械混合,其中水泵混合較常采用。礦井水凈化處理采用沉淀池或澄清池作為主要處理單元。沉淀池采用平流式沉淀、斜管(板)沉淀,其處理能耗小,但存在處理設施占地面積大,沉淀污泥易堵塞造成排泥不暢等缺點。機械加速澄清池、水力循環澄清池都是集混凝反應和沉淀過程于一體的水處理設施,水力循環澄清池具有處理過程中動力消耗低、耐負荷沖擊能力強、設施維護簡單和操作方便等優點。機械加速澄清池占地面積較小,但處理能耗大、設備維護工作量大,實際應用中處理效果不如水力循環澄清池好。
礦井水處理常用的過濾設施有快濾池和重力式無閥濾池。快濾池管路、閥門系統復雜,反沖洗操作繁瑣;重力式無閥濾池能自動反沖洗,操作簡便,管理和維護方便,但處理效果不太穩定。濾池通常采用無煙煤和石英砂雙層濾料。
3.3高濁礦井水利用存在的問題
(1)礦井水中主要含有以煤屑為主的懸浮物,具有加藥后形成的礬花結構松散、沉降速度慢等特點。許多含懸浮物礦井水處理工程,投入運行后,設計水量和水質達不到設計要求,主要是因為反應不充分、平流或斜管沉淀池表面負荷取值不合理所致。
(2)不同煤礦的礦井水中所含懸浮物的濃度差異較大,決定了投加混凝劑種類和數量不盡相同。由于混凝藥劑選擇和投加不當,使得一些煤礦礦井水處理后達不到預期效果。由于不能及時對進水和出水水質、處理流量、加藥量、水池液位等進行監控,許多礦井水處理工程只有水泵和簡易的加藥裝置,因此,礦井水處理后的水量和水質無法得到保證。
(3)煤礦井下生產使用的采掘機械需要使用乳化油和機油,油類物質進入礦井水中,采用常規混凝、斜管沉淀和過濾技術不能有效去除礦井水中的油類物質。
4.1高礦化度礦井水的水質特征
高礦化度礦井水是地下水與煤系地層中碳酸鹽類巖層及硫酸巖層接觸,該類礦物溶解于水的結果。使礦井水中Ca2+、Mg2+、HCO3-、CO32-、SO42-增多,有的酸性礦井水與碳酸鹽類巖層中和,導致礦化度增高。也有的礦區氣候干旱,年蒸發量遠大于降水量,地層中鹽分較高,地下水礦化度相應增高,少數礦區處于海水與礦井水交混分布區,因而礦井水鹽分增多。
4.2高礦化度礦井水的利用現狀
以前在工程中常用電滲析法,但電滲析不能去除水中的有機物和細菌,設備運行能耗大,使其在高礦化度礦井水淡化工程中的應用受到局限,因而原有電滲析裝置在高礦化度礦井水淡化方面逐漸被反滲透裝置所取代。4.3高礦化度礦井水利用存在的問題反滲透膜污染問題是一個亟待解決的問題,它嚴重的影響了高礦化度礦井水的處理與利用。
一般要求處理前后水質
海普歐環保推薦處理簡介及工藝流程
礦井廢水從井下通過水泵提升至調節預沉池，在調節預沉池內存儲廢水，調節水量，以滿足恒量進水的需要；另一方面達到水中懸浮物初沉的目的，大大減少水中的懸浮物，降低后續處理單元負荷，通過行車刮泥機將初沉池底部污泥匯集于一處，定期排泥。
高密度沉淀器是近幾年出現的一種以體外泥渣循環回流為主要特征的凈水新工藝，該設備集機械混合凝聚、機械強化絮凝和斜管沉淀分離為一體，在沉淀區末端設回流泵，將活性泥渣回流至絮凝反應區，從而大大改善和提高絮凝和沉淀效果，對低溫低濁水的處理表現出明顯的優勢。
較其他絮凝沉淀反應器而言，高密度沉淀器具有以下優點：
a、采用合成的高分子有機絮凝劑PAC和助凝劑PAM使反應可以產生較大礬花，污泥回流又進一步增加礬花的密度和沉降性能，加快泥水分離，沉淀后出水水質較高，濁度一般在1NTU以內。
b、從慢速推流反應區到斜板沉淀區，礬花能保持完整，并且產生的礬花顆粒大，密度高。
c、高效的斜板沉淀可保證沉淀區較高的上升流速，絮凝礬花可得到很好的沉淀。
d、集混合、反應和沉淀為一體，結構緊湊，降低了土建造價并節約用地。
經高密沉淀池排出的上清液中，含有極少量的細小懸浮物，水自流入中間水池然后經中間水池提升泵依次泵至多介質過濾器及活性炭過濾器，對廢水中的細小懸浮物進一步進行過濾處理，以滿足超濾的進水水質要求。
多介質過濾器主要原理是利用一種或幾種過濾介質，在一定壓力下把濁度較高的水通過一定厚度的粒狀或非粒材料，從而有效去除懸浮雜質使水澄清的過程。常用的濾料有石英砂，無煙煤，錳砂等，主要用于水處理除濁，本項目用于純水的前級預處理，出水濁度可達3度以下。還可去除水中的泥砂、懸浮物、膠體等雜質和藻類等生物，降低對超濾膜元件的機械損傷及污染。
活性炭過濾器是一種罐體的過濾器械，外殼一般為不銹鋼或者玻璃鋼，內部填充活性炭，用來過濾水中的游離物、微生物、部分重金屬離子，并能有效降低水的色度。活性炭過濾器是一種較常用的水處理設備，作為水處理脫鹽系統前處理能夠吸附前級過濾中無法去除的余氯，可有效保證后級設備使用壽命，提高出水水質、防止污染，特別是防止后級超濾膜、反滲透膜、離子交換樹脂等的游離態余氧中毒污染。
經過長時間的過濾，過濾器砂層表面會有較多的污泥，堵塞砂層，造成運行壓力增大，濾速減慢，過濾液位上升；此時需進行反洗處理，通過大水量的反沖泵，將過濾后的清水從下部泵入過濾器，并伴著高壓空氣，進行氣水混合反沖，將過濾器內的砂層沖松，使砂層膨脹，系統內的細小懸浮物隨著高速氣流和水流掙脫過濾層，并隨著水流從上部流出過濾器，排入調節池再次進行處理；反沖過程結束，過濾器恢復原始通量，再次投入使用。
超濾進水首先進入疊片式過濾器，以保護超濾系統不受到機械性的損傷。超濾系統使用外壓式膜組件，廢水由膜絲外側進入管內側，采用全量過濾方式運行，產水全部進入超濾產水緩沖池。
超濾設置周期性反洗，大約20-40min進行一次反洗。通過UF反洗泵，將超濾產水從UF膜的產水側進入，反向對膜面沉積物進行短時間沖洗，以恢復膜性能。
整個超濾系統設計為全自動控制，設定程序進行正常過濾、氣、水反沖洗和在線化學清洗；反沖洗水可以回反洗水緩存池進行再處理。超濾系統還設置離線化學清洗系統，可以對單個膜組件進行獨立和成組清洗，膜組件不必要拆離設備本體。
超濾膜一種篩孔分離過程，其過濾孔徑范圍在0.1～0.01μm，在壓力作用下，原料液中的溶劑和小的微粒透過膜成為透過液，尺寸大于膜孔徑的大分子及微粒則被膜阻擋、截留，形成濃縮液；一般超濾膜可將溶液中分子量大于數千的懸浮物、大分子膠體、蛋白質、粘泥微粒、細菌等截留。
超濾膜由于其過濾性能優良，因而被廣泛應用于各種水處理系統中，并在自來水處理系統中推廣使用，以替代常規預處理方式。超濾膜分離技術可徹底地去除水中的膠體、細菌、微生物、懸浮物等，出水的SS可達到小于0.1ppm，污染指數（SDI）可小于3。
水處理超濾膜一般采用中空纖維結構型式，如下所示，為避免過多污染物堵塞流道和累積，中空纖維膜的進水一般限定：SS<20mg/L，濁度<100NTU。
中空纖維膜結構示意圖
Ø說明：膜組件結構類似于管式換熱器，中空纖維膜絲即相當于換熱管。（如上圖）并分為內壓式和外壓式兩種，以下為外壓式過程的描述，內壓式則相反。
Ø過濾時：污水在膜絲外側即殼程流動，污染物質截留在膜絲外壁，產水滲透通過管壁進入膜絲內側，方式為外進內出。所有中空膜絲內產水匯集至產水管。
Ø反洗時：反洗流向與過濾相反，即UF產水提升，進入膜絲內側，向膜絲外側反向滲出，將截留在膜外表面的污染物質沖離膜表面，并最終沖出膜組件外，即內進外出。
中空纖維膜內/外壓形式示意圖
² 根據中空纖維濾膜的致密層位置不同，又可分為內壓膜、外壓膜及內、外壓膜三種。外壓式膜的進水流道在膜絲之間，膜絲存在一定的自由活動空間，因而更適合于原水水質較差、懸浮物含量較高的情況；內壓式膜的進水流道是中空纖維的內腔，為防止堵塞，對進水的顆粒粒徑和含量都有較嚴格的限制，因而適合于原水水質較好的工況。
² 超濾的運行方式有全流過濾（死端過濾）和錯流過濾兩種模式。全流過濾時，進水全部透過膜表面成為產水；而錯流過濾時，部分進水透過膜表面成為產水，另一部分則夾帶雜質排出成為濃水。全流過濾能耗低、操作壓力低；而錯流過濾則能處理懸浮物含量更高的流體，處理能力較大，藥劑消耗較小。具體的操作形式根據水中的懸浮物含量和調試情況來確定。
² 膜污染形式
膜污染主要有膜表面覆蓋污染和膜孔內堵塞污染兩種形式。
⑴膜表面污染層大致呈雙層結構，上層為較大顆粒的松散層，緊貼于膜面上的是小粒徑的凝膠層，一般情況下，松散層尚不足以表現出對膜的性能產生大的影響，在水流剪切力的作用下可以沖洗掉，膜表面上的細膩層則對膜性能正常發揮產生較大的影響。因為該污染層的存在，有大量的膜孔被覆蓋，而且該層內的微粒及其他雜質之間長時間的相互作用,極易凝膠成濾餅，增加了透水阻力。
⑵膜孔堵塞是指微細粒子塞入膜孔內，或者膜孔內壁因吸附有機物等雜質，形成沉淀而使膜孔變小或者完全堵塞，這種現象的產生，一般是不可逆過程。
⑶主要污染物質
污染物質因處理料液的不同而各異，無法一一列出，但大致可分下述幾種類型：
a）膠體污染：膠體主要是存在于地表水中，特別是隨著季節的變化，水中含有大量的懸浮物如粘土、淤泥等膠體，均布于水體中，它對濾膜的危害性極大。因為在過濾過程中，大量膠體微粒隨透過膜的產水流涌至膜表面，隨著連續運行，被膜截留下來的微粒容易形成凝膠層，更有甚者，一些與膜孔徑大小相當及小于膜孔徑的粒子會滲入膜孔內部堵塞流水通道而產生不可逆的變化現象。另外，水中鐵、錳以及在流程中加入鐵系、鋁系混凝劑形成的膠體，都有可能在膜表面形成凝膠層。
b）有機物污染：水中的有機物，有的是在水處理過程中人工加入的，如表面活性劑、清潔劑和高分子聚合物絮凝劑等，有的則是天然水中就存在的，如腐殖酸、丹寧酸等。這些物質也可以吸附于膜表面而損害膜的性能。
c）微生物污染：微生物污染對濾膜的長期安全運行也是一個危險因素。一些營養物質被膜截留而積聚于膜表面，細菌在這種環境中迅速繁殖，活的細菌連同其排泄物質，形成微生物粘液而緊緊粘附于膜表面，這些粘液與其他沉淀物相結合，構成了一個復雜的覆蓋層，其結果不但影響到膜的透水量，也包括使膜產生不可逆的污堵。
本案在回收廢水的同時也產生一定量的二次廢水，主要流量及去向為：
二次廢水詳細組成
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序號 |
廢水種類 |
水質特點 |
大致流量（m3/h） |
處理去向 |
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1 |
多介質過濾器、活性炭過濾器反沖洗水 |
懸浮物 |
間歇排放800m3/h，5min/次 |
至礦井廢水調節預沉池重新處理 |
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2 |
超濾反沖洗水 |
懸浮物、膜面沉積物，含一定鐵固體化合物 |
間歇排放300m3/h，2min/次 |
至礦井廢水調節預沉池重新處理 |
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3 |
超濾分散化學清洗水 |
懸浮物、固體鐵、少量NaClO/HCl |
少量，間歇排放 |
至清洗水箱 |
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4 |
超濾強化化學清洗廢水 |
酸、堿等，pH在3－11變化，COD約200mg/l |
1－2個月排放一次。 |
至清洗水箱 |
多介質過濾器、活性炭過濾器、超濾反沖洗水和清洗水等進行混合，混合后的反沖洗水主要污染物為：過濾器截留下懸浮物等，超濾截留的大分子、膠體類物質，以及少量反洗加藥劑。這些懸浮類物質主要是無機膠體等，與原調節池內的污水性狀類似，我方建議處理意見如下：
直接返回原調節池，通過混凝沉淀過濾給予處理。
該方案的主要優點為：利用現有廢水處理系統，對反沖洗水進行有效處理，不但可以脫除截留的懸浮固體類污染物質，而且不對外排放，造成二次污染。
高密度沉淀器內的斜板沉淀工序中的污泥定期排入污泥池，并通過污泥泵泵入污泥濃縮塔進行濃縮處理，污泥濃縮塔內，進行靜止沉淀，根據泥水界面的高度將清水排入調節池再次進行處理；下部的污泥經污泥泵泵入污泥脫水機進行脫水處理。
污泥脫水機采用經濟實用的帶式壓濾機，經過濃縮的污泥與一定濃度的絮凝劑在靜、動態混合器中充分混合以后，污泥中的微小固體顆粒聚凝成體積較大的絮狀團塊，同時分離出自由水，絮凝后的污泥被輸送到濃縮重力脫水的濾帶上，在重力的作用下自由水被分離，形成不流動狀態的污泥，然后夾持在上下兩條網帶之間，經過楔形預壓區、低壓區和高壓區由小到大的擠壓力、剪切力作用下，逐步擠壓污泥，以達到最大程度的泥、水分離，最后形成濾餅排出。
處理工藝：
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