【深度阅读】锦界煤矿高浓度井下排水处理工程设计

摘要：锦界煤矿井下排水处理工程设计规模为4.32×10⁴ m³/d,针对原水胶粒含量大、粒径小、比重轻等特点, 矿井水处理采用预沉调节池+改良型机械搅拌澄清池+V型滤池的组合工艺, 煤泥水处理采用直接离心脱水工艺, 出水主要用作锦界煤矿周边电厂循环冷却用水及井下生产用水。介绍了该工程的工艺流程、设计参数及工艺特点, 以期为同类煤矿井下排水处理工程的设计提供参考和借鉴。

关键词：工程设计，煤矿，高浓度井下排水

锦界煤矿隶属中国神华神东煤炭分公司，位于陕西省榆林市神木县境内，是由国家发改委批准、中国神华股份公司批复的“西电东输”锦能煤电一体化建设配套项目。为执行国家建设项目“三同时”制度，改善锦界煤矿周边生态环境，缓解锦界煤矿及配套电厂水资源短缺等问题，神东煤炭分公司在锦界煤矿主井厂区南部1.2 km处建设了1座处理规模为4.32×10⁴ m³/d的井下水污水处理厂，井下水经处理后主要回用于锦界煤矿地面生产系统消防洒水、井下消防洒水以及锦界煤矿配套电厂的工业生产用水。

1 井下排水特点

锦界煤矿井下排水中的污染物以煤粉、岩粉、乳化油和机油为主，感官性能较差，具有胶粒含量大、粒径小、比重轻、与絮凝剂亲和能力弱等特点，是矿井水净化处理中较难处理的一种水质类型^{〔1, 2, 3〕}。受井下煤炭开采方式及排水方式等因素影响，锦界煤矿矿井排水同时还具备水中污染物浓度高、水质变化幅度大等特征。神东煤炭分公司近2 a的检测数据表明，锦界煤矿井下排水中悬浮物质量浓度正常为500 mg/L左右，最高时达到1 350 mg/L,平均为650 mg/L.由于锦界煤矿井下排水方式采用“避峰排水”措施，水量冲击负荷较大，设计最高时流量为平均流量的2倍多。

2 设计进出水水质

工程设计进水水质以神东煤炭分公司近2 a的检测数据为依据，并适当考虑一定安全余地。工程设计出水水质指标根据神东煤炭分公司要求，主要指标需满足锦界煤矿周边电厂循环冷却用水及锦界煤矿井下生产用水对水质的要求，其余部分需达到《地表水环境质量标准》（GB 3838-2002）中的Ⅴ类要求。设计进出水主要指标如表 1所示。

表 1 设计进出水水质

3 处理工艺3.1 矿井水处理工艺3.1.1 预处理

　　由于锦界煤矿井下排水中的悬浮物浓度高，水质和水量冲击负荷大，采用配备桁架式刮泥机的平流式预沉调节池对矿井水进行预处理，并在进口配水井内投加高分子絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）,以增强预处理效果。

3.1.2 混凝沉淀处理

矿井水经预处理后，水中的大颗粒悬浮物煤粉得到有效去除，一些细小岩粉及油类物质在污水中的比例明显升高，因此采用对细小悬浮物和油类物质去除效果较好的改良型机械搅拌澄清池对矿井水进行混凝沉淀处理，并在改良型机械搅拌澄清池入口处分别投加聚合氯化铝（PAC）与聚丙烯酰胺（PAM）,以增强澄清效果。

3.1.3 过滤处理

矿井水在经过改良型机械搅拌澄清池处理后，出水中的污染物为极少的岩粉及油类物质，因此采用过滤和反冲洗效果较好的均质滤料滤池对矿井水进行过滤处理。

3.1.4 消毒处理

为减少矿井水在消毒过程中一些消毒副产物的产生，采用二氧化氯消毒剂对矿井水进行消毒处理。

3.2 煤泥水处理工艺

由于矿井水悬浮物浓度高，处理水量大，锦界煤矿的煤泥水处理工艺采用直接离心脱水。煤泥水处理过程中产生的废液经收集后回流至配水井内，实现内部循环零排放。

　　具体的工艺流程如图 1所示。

图 1工艺流程

4 主要处理构筑物设计

4.1 预沉调节池

预沉调节池与配水井为合建式，共2座，呈并联运行方式，钢筋混凝土结构，室外露天布置。预沉调节池平面尺寸为76.70 m×37.55 m,有效水深为4.8～5.4 m,设计平均水平流速为2.57 mm/s,平均水力停留时间为7.6 h;设计最大水平流速为5.14 mm/s,水力停留时间为3.8 h.考虑井下排水中悬浮物含量较高及水量波动大，设计在配水井内投加高分子粉末状絮凝剂聚丙烯酰胺（PAM）,井下排水与PAM发生絮凝反应后，经预沉调节池进水端设置的配水孔进行配水，从整个断面均匀进入预沉调节池内进行絮凝沉淀，沉淀后的煤泥由池内设置的2台桁架式刮泥机刮至集泥斗内，刮泥机行走速度为1 m/min,最后通过4台煤泥提升泵提升至煤泥储泥池内。煤泥提升泵采用ITT工业集团HS系列新型泥浆泵，移动式软管安装，单台水泵的主要参数：流量为45 m³/h,扬程为25 m,功率为13.5 kW。

4.2 提升泵房与加药间

提升泵房与加药间采用合建式，内设加药间、储药间及提升泵房，平面轴线尺寸为36.00 m×9.50 m.加药间、储药间为单层框架结构，提升泵房为半地下式钢筋混凝土结构。在提升泵房内设置3台离心泵，2用1备，1台变频控制；单台水泵的主要参数：流量为1 050 m³/h,扬程为13 m,功率为55 kW。

在加药间内设置聚合氯化铝（PAC）与聚丙烯酰胺（PAM）自动投加装置各2套，单套PAC与PAM自动投加装置最大投加能力为2 500 L/h。

4.3 改良型机械搅拌澄清池

改良型机械搅拌澄清池共2座，钢筋混凝土结构，布置在矿井水净化车间内。单座改良型机械搅拌澄清池内径为21.8 m,深为8.2 m,水力停留时间为2.7 h,其中第一絮凝室水力停留时间为27 min,第二絮凝室及导流室水力停留时间为17 min,分离室水力停留时间为118 min,各室容积比为1∶1.59∶6.94.设计澄清池清水区上升流速为0.89 mm/s,污泥回流比为1∶4。

改良型机械搅拌澄清池内设搅拌机和刮泥机各1套。搅拌机主要参数：叶轮直径为3 500 mm,外缘线速为1.0 m/s,配套减速机功率为5.5 kW;刮泥机主要参数：刮臂直径为13 m,刮泥耙外缘线速为2 m/min,配套减速机功率为1.5 kW。

为增强清水区的泥水分离效果，设计在清水区设置1 m高的斜管沉淀区；斜管主要参数：内径为35 mm,安装角度为60°，PP材质。

4.4 均质滤料滤池

均质滤料滤池采用单排单格形式，钢筋混凝土结构，平面尺寸为28.73 m×15.08 m,布置在矿井水净化车间内。滤池设计共6格，单格过滤面积为41.84 m²,正常设计滤速为7.17 m/h,强制滤速为8.6 m/h.滤池滤料采用均粒石英砂，粒径d₁₀=0.9 mm,不均匀系数K₈₀=1.4,滤料厚度为1 200 mm.滤池运行方式采用气动阀门控制。

均质滤料滤池采用气水联合反冲洗方式，冲洗周期为24 h.反冲洗水泵共设置3台，2用1备；单台水泵的主要参数：流量为418 m³/h,扬程为12 m,功率为22 kW.反冲洗采用罗茨风机，共设置2台，1用1备；单台风机的主要参数：流量为40 m³/min,出口压力为49 kPa,功率为45 kW。

4.5 工业清水池

工业清水池共2座，单池平面尺寸为20.60 m×16.60 m,有效水深为3.8 m,地埋式钢筋混凝土结构，室外布置，池顶覆土0.5 m.工业清水池单座有效容积为1 216 m³,连同清水吸水井的总停留时间为1.43 h。

4.6 供水泵房与消毒间

供水泵房与消毒间为合建式，内设加氯间、盐酸储库、氯酸钠储库、配电间及供水泵房，平面轴线尺寸为39.60 m×9.50 m.加氯间、氯库及配电间为单层框架结构，供水泵房为半地下式钢筋混凝土结构。供水泵房内设4台供水泵与1台厂区自用水自动给水设备。供水泵3用1备，1台变频；单台水泵的主要参数：流量为650 m³/h,扬程为28 m,功率为75 kW.厂区自用水自动给水设备主要参数：供水流量为50 m³/h,扬程为60 m,功率为15 kW。

加氯间内设二氧化氯发生器2台，单台加氯量为2 kg/h,并配余氯检测装置与机械强制通风设备。

4.7 废水回用水池

废水回用水池1座，平面尺寸为24.60 m×12.60 m,有效水深为3.8 m,地埋式钢筋混凝土结构，室外布置。废水回用水池内设2台废水回流泵及2台潜水搅拌机。废水回流泵1用1备；单台水泵的主要参数：流量为190 m³/h,扬程为23 m,功率为22 kW.潜水搅拌机1用1备；单台设备的主要参数：叶轮直径为580 mm,叶轮转速为475 r/min,功率为10 kW。

4.8 煤泥储泥池

煤泥储泥池1座，平面尺寸为20.00 m×9.50 m,有效水深为3.7 m,地下式钢筋混凝土结构，布置在煤泥脱水车间内。煤泥储泥池设计进泥质量分数为97.5%,流量为1 200 m³/d,水力停留时间为11 h.池内设潜水搅拌机2台及套筒阀1只。单台潜水搅拌机的主要参数：叶轮直径为580 mm,叶轮转速为475 r/min,功率为10 kW;套筒阀的主要参数：最大撇水高度为1 m,手电两用。

4.9 煤泥脱水车间

煤泥脱水车间为单层钢混结构，平面轴线尺寸为31.80 m×24.00 m,内设脱水机房、脱水机进泥泵坑、煤泥堆间、加药间及煤泥储泥池等。煤泥脱水设备设计采用卧式螺旋离心脱水机，共3台，2用1备；单台离心脱水机的主要参数：处理煤泥水流量为40 m³/h,功率为55 kW（主）+15 kW（辅）.考虑煤泥水浓度高且水中的煤泥颗粒大，设计采用ITT工业集团N系列泥浆泵，共3台，2用1备；单台水泵的主要参数：流量为40 m³/h,扬程为25 m,功率为13.5 kW.离心脱水机的工作时制为8～12 h/d。

煤泥浓缩脱水前需投加絮凝剂，设计选用高分子粉末状絮凝剂PAM,投加量按干泥量的0.3%计。PAM投加采用自动投药系统，投加流量为6 m³/h,功率为4 kW。

煤泥水经离心脱水机脱水后，泥饼含水率达到80%,由水平螺旋输送机及倾斜螺旋输送机输送至泥饼收集系统。水平螺旋输送机的主要参数：螺旋直径为500 mm,长为8 m,配套电机功率为5.5 kW;倾斜螺旋输送机的主要参数：螺旋直径为500 mm,长为9.5 m,配套电机功率为7.5 kW;泥饼收集系统的主要参数：容积为5 m³,配套液压泵站功率为2.2 kW。

5 设计特点

（1）考虑到锦界煤矿井下水悬浮物浓度高、波动大，在预沉调节池进水端投加高分子絮凝剂PAM,增强了预沉调节池中悬浮物的去除效果，减轻了后续处理单元的负荷。

（2）预沉调节池采用桁架式刮泥机和ITT工业集团新型HS型泥浆泵的组合排泥方式，提高了工程煤泥水的整体排出浓度，进一步减少了后续煤泥水浓缩处理单元的设置，使工程煤泥水处理系统得到简化。

（3）选用自动化程度较高的PAC与PAM自动投加装置。该装置根据原水浊度的变化自动调整加药量，解决了因进水悬浮物浓度波动大而带来的水质冲击负荷，保证了处理效果，降低了日常运行过程中的劳动强度。

（4）针对矿井水悬浮物浓度高及混凝性能差等特点，采用改良型机械搅拌澄清池进行井下排水的混凝处理，强化了井下排水的絮凝效果，降低了清水区的上升流速。通过在分离室设置1 m高度的斜管区，进一步提高了改良型机械搅拌澄清池的沉淀效果。改良型机械搅拌澄清池通过大流量的泥渣回流，使矿井排水中的油类物质被吸附而去除。

（5）均质滤料滤池对澄清出水中残余的细小岩粉颗粒和油类物质去除效果良好。均质滤料滤池反冲洗效果优良，有效克服了煤矿井下排水处理过程中滤池滤料易板结等问题。

（6）煤泥水的脱水处理采用卧式螺旋离心脱水机，占地面积小，处理效率高，工作环境优良。卧式螺旋离心脱水机的进泥泵采用ITT工业集团N系列泥浆泵，设备故障率低，使用寿命长。

（7）采用预处理投加PAM,混凝处理投加PAC+PAM的药剂组合投加方式，节约了药剂用量，提高了井下排水处理的稳定性和处理效果，降低了处理成本。

6 运行效果及经济分析6.1 运行效果

锦界煤矿井下排水处理工程于2010年5月开工建设，2011年8月建成后进行调试试运行。试运行期间运行效果良好，出水水质完全达到设计要求。试运行期间的主要进出水水质如表 2所示。

表 2 试运行期间的主要进出水水质

6.2 经济分析

锦界煤矿井下水污水处理厂设计占地面积22 400 m²,总投资4 724 万元。

主要经济技术指标：投资1 094 元/m³,占地0.52 m²/m³,药耗成本0.218 元/m³,综合处理成本0.697 元/m³。

7 结语

　　锦界煤矿井下排水处理工程的实施减少了锦界煤矿矿井污水的排放量，保护了地区地表水的自然平衡，并为电厂及井下生产提供了大量优质水资源，解决了矿区用水量日益增加和水资源逐渐短缺的矛盾，促进了矿区的可持续发展，环境、经济和社会效益显着。

（来源：《工业水处理》2015年第6期，作者单位为煤科集团杭州环保研究院）