錦界煤礦高濃度井下排水處理工程設計

　　錦界煤礦隸屬中國神華神東煤炭分公司，位于陜西省榆林市神木縣境內，是由國家發(fā)改委批準、中國神華股份公司批復的“西電東輸”錦能煤電一體化建設配套項目。為執行國家建設項目“三同時(shí)”制度，改善錦界煤礦周邊生態(tài)環(huán)境，緩解錦界煤礦及配套電廠(chǎng)水資源短缺等問(wèn)題，神東煤炭分公司在錦界煤礦主井廠(chǎng)區南部1.2 km處建設了1座處理規模為4.32×104 m3/d的井下水污水處理廠(chǎng)，井下水經(jīng)處理后主要回用于錦界煤礦地面生產(chǎn)系統消防灑水、井下消防灑水以及錦界煤礦配套電廠(chǎng)的工業(yè)生產(chǎn)用水。

　　1 井下排水特點(diǎn)

　　錦界煤礦井下排水中的污染物以煤粉、巖粉、乳化油和機油為主，感官性能較差，具有膠粒含量大、粒徑小、比重輕、與絮凝劑親和能力弱等特點(diǎn)，是礦井水凈化處理中較難處理的一種水質(zhì)類(lèi)型〔1, 2, 3〕。受井下煤炭開(kāi)采方式及排水方式等因素影響，錦界煤礦礦井排水同時(shí)還具備水中污染物濃度高、水質(zhì)變化幅度大等特征。神東煤炭分公司近2 a的檢測數據表明，錦界煤礦井下排水中懸浮物質(zhì)量濃度正常為500 mg/L左右，最高時(shí)達到1 350 mg/L,平均為650 mg/L.由于錦界煤礦井下排水方式采用“避峰排水”措施，水量沖擊負荷較大，設計最高時(shí)流量為平均流量的2倍多。

　　2 設計進(jìn)出水水質(zhì)

　　工程設計進(jìn)水水質(zhì)以神東煤炭分公司近2 a的檢測數據為依據，并適當考慮一定安全余地。工程設計出水水質(zhì)指標根據神東煤炭分公司要求，主要指標需滿(mǎn)足錦界煤礦周邊電廠(chǎng)循環(huán)冷卻用水及錦界煤礦井下生產(chǎn)用水對水質(zhì)的要求，其余部分需達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》(GB 3838-2002)中的Ⅴ類(lèi)要求。設計進(jìn)出水主要指標如表 1所示。

　　3 處理工藝

　　3.1 礦井水處理工藝

　　3.1.1 預處理

　　由于錦界煤礦井下排水中的懸浮物濃度高，水質(zhì)和水量沖擊負荷大，采用配備桁架式刮泥機的平流式預沉調節池對礦井水進(jìn)行預處理，并在進(jìn)口配水井內投加高分子絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM),以增強預處理效果。

　　3.1.2 混凝沉淀處理

　　礦井水經(jīng)預處理后，水中的大顆粒懸浮物煤粉得到有效去除，一些細小巖粉及油類(lèi)物質(zhì)在污水中的比例明顯升高，因此采用對細小懸浮物和油類(lèi)物質(zhì)去除效果較好的改良型機械攪拌澄清池對礦井水進(jìn)行混凝沉淀處理，并在改良型機械攪拌澄清池入口處分別投加聚合氯化鋁(PAC)與聚丙烯酰胺(PAM),以增強澄清效果。

　　3.1.3 過(guò)濾處理

　　礦井水在經(jīng)過(guò)改良型機械攪拌澄清池處理后，出水中的污染物為極少的巖粉及油類(lèi)物質(zhì)，因此采用過(guò)濾和反沖洗效果較好的均質(zhì)濾料濾池對礦井水進(jìn)行過(guò)濾處理。

　　3.1.4 消毒處理

　　為減少礦井水在消毒過(guò)程中一些消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，采用二氧化氯消毒劑對礦井水進(jìn)行消毒處理。

　　3.2 煤泥水處理工藝

　　由于礦井水懸浮物濃度高，處理水量大，錦界煤礦的煤泥水處理工藝采用直接離心脫水。煤泥水處理過(guò)程中產(chǎn)生的廢液經(jīng)收集后回流至配水井內，實(shí)現內部循環(huán)零排放。

　　具體的工藝流程如圖 1所示。

圖 1 工藝流程

　　4 主要處理構筑物設計

　　4.1 預沉調節池

　　預沉調節池與配水井為合建式，共2座，呈并聯(lián)運行方式，鋼筋混凝土結構，室外露天布置。預沉調節池平面尺寸為76.70 m×37.55 m,有效水深為4.8～5.4 m,設計平均水平流速為2.57 mm/s,平均水力停留時(shí)間為7.6 h;設計最大水平流速為5.14 mm/s,水力停留時(shí)間為3.8 h.考慮井下排水中懸浮物含量較高及水量波動(dòng)大，設計在配水井內投加高分子粉末狀絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM),井下排水與PAM發(fā)生絮凝反應后，經(jīng)預沉調節池進(jìn)水端設置的配水孔進(jìn)行配水，從整個(gè)斷面均勻進(jìn)入預沉調節池內進(jìn)行絮凝沉淀，沉淀后的煤泥由池內設置的2臺桁架式刮泥機刮至集泥斗內，刮泥機行走速度為1 m/min,最后通過(guò)4臺煤泥提升泵提升至煤泥儲泥池內。煤泥提升泵采用ITT工業(yè)集團HS系列新型泥漿泵，移動(dòng)式軟管安裝，單臺水泵的主要參數：流量為45 m3/h,揚程為25 m,功率為13.5 kW。

　　4.2 提升泵房與加藥間

　　提升泵房與加藥間采用合建式，內設加藥間、儲藥間及提升泵房，平面軸線(xiàn)尺寸為36.00 m×9.50 m.加藥間、儲藥間為單層框架結構，提升泵房為半地下式鋼筋混凝土結構。在提升泵房?jì)仍O置3臺離心泵，2用1備，1臺變頻控制;單臺水泵的主要參數：流量為1 050 m3/h,揚程為13 m,功率為55 kW。

　　在加藥間內設置聚合氯化鋁(PAC)與聚丙烯酰胺(PAM)自動(dòng)投加裝置各2套，單套PAC與PAM自動(dòng)投加裝置最大投加能力為2 500 L/h。

　　4.3 改良型機械攪拌澄清池

　　改良型機械攪拌澄清池共2座，鋼筋混凝土結構，布置在礦井水凈化車(chē)間內。單座改良型機械攪拌澄清池內徑為21.8 m,深為8.2 m,水力停留時(shí)間為2.7 h,其中第一絮凝室水力停留時(shí)間為27 min,第二絮凝室及導流室水力停留時(shí)間為17 min,分離室水力停留時(shí)間為118 min,各室容積比為1∶1.59∶6.94.設計澄清池清水區上升流速為0.89 mm/s,污泥回流比為1∶4。

　　改良型機械攪拌澄清池內設攪拌機和刮泥機各1套。攪拌機主要參數：葉輪直徑為3 500 mm,外緣線(xiàn)速為1.0 m/s,配套減速機功率為5.5 kW;刮泥機主要參數：刮臂直徑為13 m,刮泥耙外緣線(xiàn)速為2 m/min,配套減速機功率為1.5 kW。

　　為增強清水區的泥水分離效果，設計在清水區設置1 m高的斜管沉淀區;斜管主要參數：內徑為35 mm,安裝角度為60°，PP材質(zhì)。

　　4.4 均質(zhì)濾料濾池

　　均質(zhì)濾料濾池采用單排單格形式，鋼筋混凝土結構，平面尺寸為28.73 m×15.08 m,布置在礦井水凈化車(chē)間內。濾池設計共6格，單格過(guò)濾面積為41.84 m2,正常設計濾速為7.17 m/h,強制濾速為8.6 m/h.濾池濾料采用均粒石英砂，粒徑d10=0.9 mm,不均勻系數K80=1.4,濾料厚度為1 200 mm.濾池運行方式采用氣動(dòng)閥門(mén)控制。

　　均質(zhì)濾料濾池采用氣水聯(lián)合反沖洗方式，沖洗周期為24 h.反沖洗水泵共設置3臺，2用1備;單臺水泵的主要參數：流量為418 m3/h,揚程為12 m,功率為22 kW.反沖洗采用羅茨風(fēng)機，共設置2臺，1用1備;單臺風(fēng)機的主要參數：流量為40 m3/min,出口壓力為49 kPa,功率為45 kW。

　　4.5 工業(yè)清水池

　　工業(yè)清水池共2座，單池平面尺寸為20.60 m×16.60 m,有效水深為3.8 m,地埋式鋼筋混凝土結構，室外布置，池頂覆土0.5 m.工業(yè)清水池單座有效容積為1 216 m3,連同清水吸水井的總停留時(shí)間為1.43 h。

　　4.6 供水泵房與消毒間

　　供水泵房與消毒間為合建式，內設加氯間、鹽酸儲庫、氯酸鈉儲庫、配電間及供水泵房，平面軸線(xiàn)尺寸為39.60 m×9.50 m.加氯間、氯庫及配電間為單層框架結構，供水泵房為半地下式鋼筋混凝土結構。供水泵房?jì)仍O4臺供水泵與1臺廠(chǎng)區自用水自動(dòng)給水設備。供水泵3用1備，1臺變頻;單臺水泵的主要參數：流量為650 m3/h,揚程為28 m,功率為75 kW.廠(chǎng)區自用水自動(dòng)給水設備主要參數：供水流量為50 m3/h,揚程為60 m,功率為15 kW。

　　加氯間內設二氧化氯發(fā)生器2臺，單臺加氯量為2 kg/h,并配余氯檢測裝置與機械強制通風(fēng)設備。

　　4.7 廢水回用水池

　　廢水回用水池1座，平面尺寸為24.60 m×12.60 m,有效水深為3.8 m,地埋式鋼筋混凝土結構，室外布置。廢水回用水池內設2臺廢水回流泵及2臺潛水攪拌機。廢水回流泵1用1備;單臺水泵的主要參數：流量為190 m3/h,揚程為23 m,功率為22 kW.潛水攪拌機1用1備;單臺設備的主要參數：葉輪直徑為580 mm,葉輪轉速為475 r/min,功率為10 kW。

　　4.8 煤泥儲泥池

　　煤泥儲泥池1座，平面尺寸為20.00 m×9.50 m,有效水深為3.7 m,地下式鋼筋混凝土結構，布置在煤泥脫水車(chē)間內。煤泥儲泥池設計進(jìn)泥質(zhì)量分數為97.5%,流量為1 200 m3/d,水力停留時(shí)間為11 h.池內設潛水攪拌機2臺及套筒閥1只。單臺潛水攪拌機的主要參數：葉輪直徑為580 mm,葉輪轉速為475 r/min,功率為10 kW;套筒閥的主要參數：最大撇水高度為1 m,手電兩用。

　　4.9 煤泥脫水車(chē)間

　　煤泥脫水車(chē)間為單層鋼混結構，平面軸線(xiàn)尺寸為31.80 m×24.00 m,內設脫水機房、脫水機進(jìn)泥泵坑、煤泥堆間、加藥間及煤泥儲泥池等。煤泥脫水設備設計采用臥式螺旋離心脫水機，共3臺，2用1備;單臺離心脫水機的主要參數：處理煤泥水流量為40 m3/h,功率為55 kW(主)+15 kW(輔).考慮煤泥水濃度高且水中的煤泥顆粒大，設計采用ITT工業(yè)集團N系列泥漿泵，共3臺，2用1備;單臺水泵的主要參數：流量為40 m3/h,揚程為25 m,功率為13.5 kW.離心脫水機的工作時(shí)制為8～12 h/d。

　　煤泥濃縮脫水前需投加絮凝劑，設計選用高分子粉末狀絮凝劑PAM,投加量按干泥量的0.3%計。PAM投加采用自動(dòng)投藥系統，投加流量為6 m3/h,功率為4 kW。

　　煤泥水經(jīng)離心脫水機脫水后，泥餅含水率達到80%,由水平螺旋輸送機及傾斜螺旋輸送機輸送至泥餅收集系統。水平螺旋輸送機的主要參數：螺旋直徑為500 mm,長(cháng)為8 m,配套電機功率為5.5 kW;傾斜螺旋輸送機的主要參數：螺旋直徑為500 mm,長(cháng)為9.5 m,配套電機功率為7.5 kW;泥餅收集系統的主要參數：容積為5 m3,配套液壓泵站功率為2.2 kW。

　　5 設計特點(diǎn)

　　(1)考慮到錦界煤礦井下水懸浮物濃度高、波動(dòng)大，在預沉調節池進(jìn)水端投加高分子絮凝劑PAM,增強了預沉調節池中懸浮物的去除效果，減輕了后續處理單元的負荷。

　　(2)預沉調節池采用桁架式刮泥機和ITT工業(yè)集團新型HS型泥漿泵的組合排泥方式，提高了工程煤泥水的整體排出濃度，進(jìn)一步減少了后續煤泥水濃縮處理單元的設置，使工程煤泥水處理系統得到簡(jiǎn)化。

　　(3)選用自動(dòng)化程度較高的PAC與PAM自動(dòng)投加裝置。該裝置根據原水濁度的變化自動(dòng)調整加藥量，解決了因進(jìn)水懸浮物濃度波動(dòng)大而帶來(lái)的水質(zhì)沖擊負荷，保證了處理效果，降低了日常運行過(guò)程中的勞動(dòng)強度。

　　(4)針對礦井水懸浮物濃度高及混凝性能差等特點(diǎn)，采用改良型機械攪拌澄清池進(jìn)行井下排水的混凝處理，強化了井下排水的絮凝效果，降低了清水區的上升流速。通過(guò)在分離室設置1 m高度的斜管區，進(jìn)一步提高了改良型機械攪拌澄清池的沉淀效果。改良型機械攪拌澄清池通過(guò)大流量的泥渣回流，使礦井排水中的油類(lèi)物質(zhì)被吸附而去除。

　　(5)均質(zhì)濾料濾池對澄清出水中殘余的細小巖粉顆粒和油類(lèi)物質(zhì)去除效果良好。均質(zhì)濾料濾池反沖洗效果優(yōu)良，有效克服了煤礦井下排水處理過(guò)程中濾池濾料易板結等問(wèn)題。

　　(6)煤泥水的脫水處理采用臥式螺旋離心脫水機，占地面積小，處理效率高，工作環(huán)境優(yōu)良。臥式螺旋離心脫水機的進(jìn)泥泵采用ITT工業(yè)集團N系列泥漿泵，設備故障率低，使用壽命長(cháng)。

　　(7)采用預處理投加PAM,混凝處理投加PAC+PAM的藥劑組合投加方式，節約了藥劑用量，提高了井下排水處理的穩定性和處理效果，降低了處理成本。

　　6 運行效果及經(jīng)濟分析

　　6.1 運行效果

　　錦界煤礦井下排水處理工程于2010年5月開(kāi)工建設，2011年8月建成后進(jìn)行調試試運行。試運行期間運行效果良好，出水水質(zhì)完全達到設計要求。試運行期間的主要進(jìn)出水水質(zhì)如表 2所示。

　　6.2 經(jīng)濟分析

　　錦界煤礦井下水污水處理廠(chǎng)設計占地面積22 400 m2,總投資4 724 萬(wàn)元。

　　主要經(jīng)濟技術(shù)指標：投資1 094 元/m3,占地0.52 m2/m3,藥耗成本0.218 元/m3,綜合處理成本0.697 元/m3。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　7 結語(yǔ)

　　錦界煤礦井下排水處理工程的實(shí)施減少了錦界煤礦礦井污水的排放量，保護了地區地表水的自然平衡，并為電廠(chǎng)及井下生產(chǎn)提供了大量?jì)?yōu)質(zhì)水資源，解決了礦區用水量日益增加和水資源逐漸短缺的矛盾，促進(jìn)了礦區的可持續發(fā)展，環(huán)境、經(jīng)濟和社會(huì )效益顯著(zhù)。