行业现状及矿井水污水特征(cnshangu.com)
煤炭是我国重要的基础能源和原料,在国民经济中具有重要的战略地位,在我国一次能源结构中,煤炭占到70%以上,建国57年来,共生产煤炭超过372×108吨,为我国的国民经济和社会发展做出了巨大的贡献。在煤炭开采的过程中不可避免地大量排放矿井水和破坏水资源,目前,全国煤矿矿井水排放量约为42亿m3,约占整个采矿业(有色冶金、黄金、化工等矿山)的80％,而利用率约为26％。我国大部分富煤地区就是贫水地区,在“十一五”规划建设的十三个超亿吨煤炭基地建设中,有十个就是缺水地区。这些矿区用水短缺十分严重,许多煤矿生产用水十分紧张,甚至使用不合格的生产用水,水资源的短缺已严重制约了这些煤矿区经济发展和人们生活水平的提高。
高浊矿井水现状及存在的问题(cnshangu.com)
1.1高铁锰矿井水的水质特征
煤矿含铁、锰矿井水主要是地层中含铁、锰地下水渗透形成的,矿井水中铁、锰是以二价铁或二价锰形式存在的,由于煤矿开采过程的影响,造成煤矿含铁、锰矿井水又具有不同于含铁锰地下水质的特点。
1.2高铁锰矿井水的利用现状
目前矿井水处理工程上主要采用天然锰砂作为除铁、锰的滤料,其成熟期至少在一个月以上。而且,尽管其对锰有一定的去除效果,但经其过滤后的出水,仍不能完全满足回用水的水质要求。
1.3高铁锰矿井水利用存在的问题
煤炭行业对含铁锰的矿井水处理参照地下水除铁除锰技术进行设计,存在不少的问题。
2.1酸性矿井水的水质特征
不同地区的酸性矿井水的物理和化学性质有较大差异,但共同的特征是PH值较低,一般在2～5之间。由于酸性矿井水是由硫化物,主要是黄铁矿(FeS2)氧化产生,所以水中的Fe、SO42-的浓度很高。总铁含量一般在300～800mg/L之间,有些矿井水超过1g/L,其中Fe2 含量一般在200～300mg/L;SO42-含量在几百至上万mg/L,有时高达15g/L,大大超过饮用水250mg/L的上限标准。酸性水在演化过程中,对围岩的溶蚀作用导致水中Ca2 、Mg2 离子的含量增加,从而使水的总硬度偏大。黄铁矿、煤和围岩中所含重金属,如As、Mn、Cu、Zn、Pb、Ni、Co、Cd等,也在酸性条件下溶入水体,以毒性更强的离子状态存在。由于水中含有大量的煤粉和开采过程中人为活动的影响,导致酸性矿井水的COD值通常很高。
2.2酸性矿井水的利用现状
我国酸性矿井水基本上是采用中和化学法处理,投加碱性药剂或以石灰石、白云石为虑料进行过滤中和。此外,人工湿地生态工程处理法处理酸性矿井水是近年来迅速发展起来的一种处理技术,具有很好的推广前景。
2.3酸性矿井水利用存在的问题
常用中和法的设备比较庞杂,噪声大,环境条件较差,二次污染严重。反应产物CaSO4、Fe(OH)3与过剩的石灰石混杂在一起,处理困难。
3.1高浊矿井水的水质特征
(1)煤矿高浊矿井水的悬浮物含量高,感官性状差。
(2)煤矿高浊矿井水悬浮物粒度小、比重轻、沉降速度慢。
(3)煤矿高浊矿井水混凝过程中矾花形成困难,沉降效果差。
3.2高浊矿井水的利用现状
高浊矿井水净化处理通常采用混凝剂,矿井水处理中混凝剂混合方式通常采用水泵混合、管道混合器混合和机械混合,其中水泵混合较常采用。矿井水净化处理采用沉淀池或澄清池作为主要处理单元。沉淀池采用平流式沉淀、斜管(板)沉淀,其处理能耗小,但存在处理设施占地面积大,沉淀污泥易堵塞造成排泥不畅等缺点。机械加速澄清池、水力循环澄清池都是集混凝反应和沉淀过程于一体的水处理设施,水力循环澄清池具有处理过程中动力消耗低、耐负荷冲击能力强、设施维护简单和操作方便等优点。机械加速澄清池占地面积较小,但处理能耗大、设备维护工作量大,实际应用中处理效果不如水力循环澄清池好。
矿井水处理常用的过滤设施有快滤池和重力式无阀滤池。快滤池管路、阀门系统复杂,反冲洗操作繁琐;重力式无阀滤池能自动反冲洗,操作简便,管理和维护方便,但处理效果不太稳定。滤池通常采用无烟煤和石英砂双层滤料。
3.3高浊矿井水利用存在的问题
(1)矿井水中主要含有以煤屑为主的悬浮物,具有加药后形成的矾花结构松散、沉降速度慢等特点。许多含悬浮物矿井水处理工程,投入运行后,设计水量和水质达不到设计要求,主要是因为反应不充分、平流或斜管沉淀池表面负荷取值不合理所致。
(2)不同煤矿的矿井水中所含悬浮物的浓度差异较大,决定了投加混凝剂种类和数量不尽相同。由于混凝药剂选择和投加不当,使得一些煤矿矿井水处理后达不到预期效果。由于不能及时对进水和出水水质、处理流量、加药量、水池液位等进行监控,许多矿井水处理工程只有水泵和简易的加药装置,因此,矿井水处理后的水量和水质无法得到保证。
(3)煤矿井下生产使用的采掘机械需要使用乳化油和机油,油类物质进入矿井水中,采用常规混凝、斜管沉淀和过滤技术不能有效去除矿井水中的油类物质。
4.1高矿化度矿井水的水质特征
高矿化度矿井水是地下水与煤系地层中碳酸盐类岩层及硫酸岩层接触,该类矿物溶解于水的结果。使矿井水中Ca2 、Mg2 、HCO3-、CO32-、SO42-增多,有的酸性矿井水与碳酸盐类岩层中和,导致矿化度增高。也有的矿区气候干旱,年蒸发量远大于降水量,地层中盐分较高,地下水矿化度相应增高,少数矿区处于海水与矿井水交混分布区,因而矿井水盐分增多。
4.2高矿化度矿井水的利用现状
以前在工程中常用电渗析法,但电渗析不能去除水中的有机物和细菌,设备运行能耗大,使其在高矿化度矿井水淡化工程中的应用受到局限,因而原有电渗析装置在高矿化度矿井水淡化方面逐渐被反渗透装置所取代。
4 .3高矿化度矿井水利用存在的问题
反渗透膜污染问题是一个亟待解决的问题,它严重的影响了高矿化度矿井水的处理与利用。
一般要求处理前后水质(cnshangu.com)
居峰环境推荐处理简介及工艺流程(cnshangu.com)
1.1. 处理工艺简介
1.1.1. 调节预沉池
矿井废水从井下通过水泵提升至调节预沉池，在调节预沉池内存储废水，调节水量，以满足恒量进水的需要；另一方面达到水中悬浮物初沉的目的，大大减少水中的悬浮物，降低后续处理单元负荷，通过行车刮泥机将初沉池底部污泥汇集于一处，定期排泥。
1.1.2. 高密度沉淀器
高密度沉淀器是近几年出现的一种以体外泥渣循环回流为主要特征的净水新工艺，该设备集机械混合凝聚、机械强化絮凝和斜管沉淀分离为一体，在沉淀区末端设回流泵，将活性泥渣回流至絮凝反应区，从而大大改善和提高絮凝和沉淀效果，对低温低浊水的处理表现出明显的优势。
较其他絮凝沉淀反应器而言，高密度沉淀器具有以下优点：
a、采用合成的高分子有机絮凝剂PAC和助凝剂PAM使反应可以产生较大矾花，污泥回流又进一步增加矾花的密度和沉降性能，加快泥水分离，沉淀后出水水质较高，浊度一般在1NTU以内。
b、从慢速推流反应区到斜板沉淀区，矾花能保持完整，并且产生的矾花颗粒大，密度高。
c、高效的斜板沉淀可保证沉淀区较高的上升流速，絮凝矾花可得到很好的沉淀。
d、集混合、反应和沉淀为一体，结构紧凑，降低了土建造价并节约用地。
1.1.3. 多介质过滤 活性炭过滤
经高密沉淀池排出的上清液中，含有极少量的细小悬浮物，水自流入中间水池然后经中间水池提升泵依次泵至多介质过滤器及活性炭过滤器，对废水中的细小悬浮物进一步进行过滤处理，以满足超滤的进水水质要求。
多介质过滤器主要原理是利用一种或几种过滤介质，在一定压力下把浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒材料，从而有效去除悬浮杂质使水澄清的过程。常用的滤料有石英砂，无烟煤，锰砂等，主要用于水处理除浊，本项目用于纯水的前级预处理，出水浊度可达3度以下。还可去除水中的泥砂、悬浮物、胶体等杂质和藻类等生物，降低对超滤膜元件的机械损伤及污染。
活性炭过滤器是一种罐体的过滤器械，外壳一般为不锈钢或者玻璃钢，内部填充活性炭，用来过滤水中的游离物、微生物、部分重金属离子，并能有效降低水的色度。活性炭过滤器是一种较常用的水处理设备，作为水处理脱盐系统前处理能够吸附前级过滤中无法去除的余氯，可有效保证后级设备使用寿命，提高出水水质、防止污染，特别是防止后级超滤膜、反渗透膜、离子交换树脂等的游离态余氧中毒污染。
经过长时间的过滤，过滤器砂层表面会有较多的污泥，堵塞砂层，造成运行压力增大，滤速减慢，过滤液位上升；此时需进行反洗处理，通过大水量的反冲泵，将过滤后的清水从下部泵入过滤器，并伴着高压空气，进行气水混合反冲，将过滤器内的砂层冲松，使砂层膨胀，系统内的细小悬浮物随着高速气流和水流挣脱过滤层，并随着水流从上部流出过滤器，排入调节池再次进行处理；反冲过程结束，过滤器恢复原始通量，再次投入使用。
1.1.4. 超滤
超滤进水首先进入叠片式过滤器，以保护超滤系统不受到机械性的损伤。超滤系统使用外压式膜组件，废水由膜丝外侧进入管内侧，采用全量过滤方式运行，产水全部进入超滤产水缓冲池。
超滤设置周期性反洗，大约20-40min进行一次反洗。通过UF反洗泵，将超滤产水从UF膜的产水侧进入，反向对膜面沉积物进行短时间冲洗，以恢复膜性能。
整个超滤系统设计为全自动控制，设定程序进行正常过滤、气、水反冲洗和在线化学清洗；反冲洗水可以回反洗水缓存池进行再处理。超滤系统还设置离线化学清洗系统，可以对单个膜组件进行独立和成组清洗，膜组件不必要拆离设备本体。
超滤膜一种筛孔分离过程，其过滤孔径范围在0.1～0.01μm，在压力作用下，原料液中的溶剂和小的微粒透过膜成为透过液，尺寸大于膜孔径的大分子及微粒则被膜阻挡、截留，形成浓缩液；一般超滤膜可将溶液中分子量大于数千的悬浮物、大分子胶体、蛋白质、粘泥微粒、细菌等截留。
超滤膜由于其过滤性能优良，因而被广泛应用于各种水处理系统中，并在自来水处理系统中推广使用，以替代常规预处理方式。超滤膜分离技术可彻底地去除水中的胶体、细菌、微生物、悬浮物等，出水的SS可达到小于0.1ppm，污染指数（SDI）可小于3。
水处理超滤膜一般采用中空纤维结构型式，如下所示，为避免过多污染物堵塞流道和累积，中空纤维膜的进水一般限定：SS<20mg/L，浊度<100NTU。
中空纤维膜结构示意图(cnshangu.com)
Ø说明：膜组件结构类似于管式换热器，中空纤维膜丝即相当于换热管。（如上图）并分为内压式和外压式两种，以下为外压式过程的描述，内压式则相反。
Ø过滤时：污水在膜丝外侧即壳程流动，污染物质截留在膜丝外壁，产水渗透通过管壁进入膜丝内侧，方式为外进内出。所有中空膜丝内产水汇集至产水管。
Ø反洗时：反洗流向与过滤相反，即UF产水提升，进入膜丝内侧，向膜丝外侧反向渗出，将截留在膜外表面的污染物质冲离膜表面，并最终冲出膜组件外，即内进外出。
中空纤维膜内/外压形式示意图(cnshangu.com)
根据中空纤维滤膜的致密层位置不同，又可分为内压膜、外压膜及内、外压膜三种。外压式膜的进水流道在膜丝之间，膜丝存在一定的自由活动空间，因而更适合于原水水质较差、悬浮物含量较高的情况；内压式膜的进水流道是中空纤维的内腔，为防止堵塞，对进水的颗粒粒径和含量都有较严格的限制，因而适合于原水水质较好的工况。
超滤的运行方式有全流过滤（死端过滤）和错流过滤两种模式。全流过滤时，进水全部透过膜表面成为产水；而错流过滤时，部分进水透过膜表面成为产水，另一部分则夹带杂质排出成为浓水。全流过滤能耗低、操作压力低；而错流过滤则能处理悬浮物含量更高的流体，处理能力较大，药剂消耗较小。具体的操作形式根据水中的悬浮物含量和调试情况来确定。
膜污染形式:
膜污染主要有膜表面覆盖污染和膜孔内堵塞污染两种形式。
⑴膜表面污染层大致呈双层结构，上层为较大颗粒的松散层，紧贴于膜面上的是小粒径的凝胶层，一般情况下，松散层尚不足以表现出对膜的性能产生大的影响，在水流剪切力的作用下可以冲洗掉，膜表面上的细腻层则对膜性能正常发挥产生较大的影响。因为该污染层的存在，有大量的膜孔被覆盖，而且该层内的微粒及其他杂质之间长时间的相互作用,极易凝胶成滤饼，增加了透水阻力。
⑵膜孔堵塞是指微细粒子塞入膜孔内，或者膜孔内壁因吸附有机物等杂质，形成沉淀而使膜孔变小或者完全堵塞，这种现象的产生，一般是不可逆过程。
⑶主要污染物质
污染物质因处理料液的不同而各异，无法一一列出，但大致可分下述几种类型：
a）胶体污染：
胶体主要是存在于地表水中，特别是随着季节的变化，水中含有大量的悬浮物如粘土、淤泥等胶体，均布于水体中，它对滤膜的危害性极大。因为在过滤过程中，大量胶体微粒随透过膜的产水流涌至膜表面，随着连续运行，被膜截留下来的微粒容易形成凝胶层，更有甚者，一些与膜孔径大小相当及小于膜孔径的粒子会渗入膜孔内部堵塞流水通道而产生不可逆的变化现象。另外，水中铁、锰以及在流程中加入铁系、铝系混凝剂形成的胶体，都有可能在膜表面形成凝胶层。
b）有机物污染：
水中的有机物，有的是在水处理过程中人工加入的，如表面活性剂、清洁剂和高分子聚合物絮凝剂等，有的则是天然水中就存在的，如腐殖酸、丹宁酸等。这些物质也可以吸附于膜表面而损害膜的性能。
c）微生物污染：
微生物污染对滤膜的长期安全运行也是一个危险因素。一些营养物质被膜截留而积聚于膜表面，细菌在这种环境中迅速繁殖，活的细菌连同其排泄物质，形成微生物粘液而紧紧粘附于膜表面，这些粘液与其他沉淀物相结合，构成了一个复杂的覆盖层，其结果不但影响到膜的透水量，也包括使膜产生不可逆的污堵。
2.1.1. 二次废水的详细情况
本案在回收废水的同时也产生一定量的二次废水，主要流量及去向为：
2.1.2. 反冲综合废水处理
多介质过滤器、活性炭过滤器、超滤反冲洗水和清洗水等进行混合，混合后的反冲洗水主要污染物为：过滤器截留下悬浮物等，超滤截留的大分子、胶体类物质，以及少量反洗加药剂。这些悬浮类物质主要是无机胶体等，与原调节池内的污水性状类似，我方建议处理意见如下：
直接返回原调节池，通过混凝沉淀过滤给予处理。
该方案的主要优点为：利用现有废水处理系统，对反冲洗水进行有效处理，不但可以脱除截留的悬浮固体类污染物质，而且不对外排放，造成二次污染。
2.1.3. 污泥处理系统
高密度沉淀器内的斜板沉淀工序中的污泥定期排入污泥池，并通过污泥泵泵入污泥浓缩塔进行浓缩处理，污泥浓缩塔内，进行静止沉淀，根据泥水界面的高度将清水排入调节池再次进行处理；下部的污泥经污泥泵泵入污泥脱水机进行脱水处理。
污泥脱水机采用经济实用的带式压滤机，经过浓缩的污泥与一定浓度的絮凝剂在静、动态混合器中充分混合以后，污泥中的微小固体颗粒聚凝成体积较大的絮状团块，同时分离出自由水，絮凝后的污泥被输送到浓缩重力脱水的滤带上，在重力的作用下自由水被分离，形成不流动状态的污泥，然后夹持在上下两条网带之间，经过楔形预压区、低压区和高压区由小到大的挤压力、剪切力作用下，逐步挤压污泥，以达到最大程度的泥、水分离，最后形成滤饼排出。
处理工艺：
