馬 騁,宋 燾,張孝斌,宋奇波

(1.陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司,陜西 延安 727307;2.應(yīng)急管理部煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新中心,陜西 延安 727307)

0 引言

我國(guó)煤炭資源近 80%分布在西北和華北地區(qū),由于煤炭開(kāi)采及其產(chǎn)業(yè)鏈迅速發(fā)展,導(dǎo)致水資源匱乏。將礦井水進(jìn)行處理利用是解決礦區(qū)缺水問(wèn)題的主要途徑之一[1]。早期礦井水資源在井下處理復(fù)用大多采用清濁分流、井下水倉(cāng)預(yù)沉等措施,但未對(duì)礦井涌水進(jìn)行深度處理,且處理后的水大部分用于井下灑水滅塵等[2-3],不能有效進(jìn)行水資源循環(huán)利用,礦井涌水排至地面,在地面水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理后再返回井下,需要專門鋪設(shè)管路,費(fèi)用成本極高。神東礦區(qū)結(jié)合礦井污水和采空區(qū)及其充填物的特點(diǎn),已經(jīng)開(kāi)發(fā)了礦井污水采空區(qū)過(guò)濾凈化技術(shù)[4-6],但采空區(qū)涌水仍含有大量礦化物,同時(shí)各礦區(qū)井下地質(zhì)條件不同,因此不能大面積進(jìn)行推廣應(yīng)用[7-10]。

目前,地面水處理技術(shù)已較為成熟,將地面水成熟的處理技術(shù)應(yīng)用至煤礦井下采空區(qū)涌水處理過(guò)程中,建立煤礦井下采空區(qū)涌水處理復(fù)用系統(tǒng),研究開(kāi)發(fā)模塊化、工藝流程更加簡(jiǎn)潔的礦井水井下處理系統(tǒng),使部分礦井采空區(qū)涌水在井下就地實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用,在技術(shù)上是可行的。同時(shí),處理后的水可以直接在井下接入礦井主供水系統(tǒng),可節(jié)省大量的礦井供排水費(fèi)用,對(duì)開(kāi)采年限久、供水系統(tǒng)距離較長(zhǎng)的礦井來(lái)說(shuō),其經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。

1 井下涌水情況

黃陵一號(hào)煤礦目前礦井井下的正常涌水量為360 m3/h,其中來(lái)自采空區(qū)涌出清水245 m3/h,生產(chǎn)污水120 m3/h。本系統(tǒng)建立后主要處理的礦井涌水為北一盤區(qū)、三盤區(qū)采空區(qū)自流水。礦井采空區(qū)涌水主要是地下水,水質(zhì)情況復(fù)雜,無(wú)法直接用于生產(chǎn)。根據(jù)采空區(qū)水量統(tǒng)計(jì)情況,北一區(qū)域涌水量為125 m3/h,因此整體水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理能力為3 000 m3/d。設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)以實(shí)際檢測(cè)結(jié)果確定,具體指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 進(jìn)水水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果反映,進(jìn)水水質(zhì)特點(diǎn)為硬度高,氯離子含量、硫酸根離子含量高,含鹽量高,無(wú)法直接作為生活飲用水,也無(wú)法直接采用反滲透技術(shù)[8-10]。由于大量硫酸根和鈣、鎂離子的存在,使反滲透裝置(RO)濃水測(cè)的CaSO4濃度積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出關(guān)于反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則中 CaSO4≤230%的規(guī)定,極易生成 CaSO4結(jié)垢。

2 處理工藝流程

處理工藝流程如圖1所示。礦井涌水經(jīng)管道收集后進(jìn)入污水處理站調(diào)節(jié)池,在調(diào)節(jié)池內(nèi)均勻水質(zhì)水量后進(jìn)入混凝分離系統(tǒng),在混凝分離系統(tǒng)前端加藥調(diào)節(jié)廢水pH值,再經(jīng)混凝分離池進(jìn)行固液分離,通過(guò)膜的過(guò)濾作用將污水中的各類污染物去除,出水后進(jìn)入中間水池,出水通過(guò)中轉(zhuǎn)泵泵入保安過(guò)濾器,再經(jīng)高壓泵泵入RO系統(tǒng),RO系統(tǒng)產(chǎn)水進(jìn)入成品水池,回用于主供水系統(tǒng),成品水進(jìn)入主供水管網(wǎng),RO系統(tǒng)濃水進(jìn)入濃水池再排入井下主水倉(cāng)后排至地面污水處理站進(jìn)行二次處理。該工藝出水回用率可達(dá)60%及以上,主要出水指標(biāo)可達(dá):SS≤10 mg/L、氯化物≤250 mg/L、TDS≤1 000 mg/L、硫酸鹽≤250 mg/L、總硬度(CaCO3計(jì))≤450 mg/L等。

圖1 工藝流程

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

3.1 整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)池、配水池、混凝分離系統(tǒng)、RO膜反滲透系統(tǒng)、成品水池、濃水池以及控制系統(tǒng)組成,整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3.2 井下組合池

組合池主要為半地埋水池,設(shè)配電點(diǎn)一處,總長(zhǎng)344.53 m,寬度4.9 m,深度2.70～4.10 m。包括調(diào)節(jié)池、反應(yīng)池、配水池、混凝分離池、中間水池、成品水池、濃水池。

組合池結(jié)構(gòu)主體為一層,水池上部凸出地面最大高度約2.50 m,池體最大深度4.1 m,箱體結(jié)構(gòu),主要為污水處理構(gòu)筑物。結(jié)合工藝建(構(gòu))筑物布置。地下水池底板板厚平均為300 mm,部分巷道變形點(diǎn)做加厚調(diào)整。水池壁板壁厚平均為200 mm,根據(jù)不同受力情況做加厚調(diào)整。組合池頂梁截面為250 mm×500 mm;一層池頂板厚150 mm,采用主次梁現(xiàn)澆梁板結(jié)構(gòu)。為避免池內(nèi)采用20厚1∶2防水砂漿粉刷,墊層材料采用C20混凝土(厚100 mm)。盛有腐蝕性溶液的水池內(nèi)部采用玻璃鋼環(huán)氧樹(shù)脂防腐措施。

3.3 混凝分離系統(tǒng)

混凝分離系統(tǒng)由反應(yīng)池、配水池、混凝分離池組成。原水經(jīng)過(guò)收集,通過(guò)泵和管路排入調(diào)節(jié)池,調(diào)節(jié)池的曝氣系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行曝氣處理后,由提升泵排入混凝分離系統(tǒng),通過(guò)加藥調(diào)節(jié)水中的pH值,再經(jīng)混凝分離器進(jìn)行固液分離,將水中各類污染物、雜質(zhì)進(jìn)行初步過(guò)濾?；炷蛛x池中采用了特種集成膜分離技術(shù),該技術(shù)是在不添加鐵鹽、鋁鹽、PAM等混凝劑的情況下,先利用微濾膜對(duì)污水中的懸浮物、微顆粒進(jìn)行物理分離,后出水進(jìn)一步通過(guò)反滲透系統(tǒng),去除分離水中鹽分離子,實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)出水[11-12]。由于原水經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)池后水質(zhì)水量較為均勻,水質(zhì)成分較簡(jiǎn)單,有機(jī)物濃度較低,多為懸浮物質(zhì)、鹽分,可采用物理分離作用實(shí)現(xiàn)有效治理。特種集成膜分離工作原理如圖3所示。

圖3 特種集成膜工作原理示意

3.4 RO反滲透系統(tǒng)

3.4.1 保安過(guò)濾器

為保證混凝分離系統(tǒng)產(chǎn)水可以滿足反滲透進(jìn)水要求,同時(shí)防止超濾出水至反滲透進(jìn)水段管路水質(zhì)受到污染。因此,在RO反滲透系統(tǒng)前設(shè)置保安過(guò)濾器,過(guò)濾精度 5 μm,濾芯采用熔噴式聚丙烯材質(zhì)。

3.4.2 RO膜反滲透系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)6套反滲透裝置,包含90支杜邦8040抗污染型聚酰胺復(fù)合膜。膜面積37.16 m2,膜組件一級(jí)二段式,一段與二段按2∶1排列,設(shè)計(jì)回收率70%,處理能力3 000 m3/d;回收率60%;產(chǎn)水量為1 800 m3/d;產(chǎn)生濃水量為1 200 m3/d。

3.4.3 清洗裝置

反滲透系統(tǒng)設(shè)2套清洗裝置,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線清洗與離線清洗,在線清洗時(shí)采用0.5%～1%亞硫酸氫鈉溶液為介質(zhì)。離線清洗時(shí)采用0.1%～0.2%氫氧化鈉溶液、0.5%～0.8%鹽酸溶液、1%～2%亞硫酸氫鈉溶液為介質(zhì),充分保證系統(tǒng)清潔,同時(shí)有效提升RO膜使用壽命。

3.5 恒壓供水系統(tǒng)

系統(tǒng)配備2臺(tái)流量110 m3/h立式多級(jí)離心泵以及2臺(tái)流量25 m3/h臥式離心泵接入礦井供水系統(tǒng)。同時(shí),配備了變頻系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了恒定壓力接入礦井主供水管網(wǎng)。

3.6 集中控制系統(tǒng)

系統(tǒng)配置選用西門子S7-1500為主要控制系統(tǒng),操作系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程、就地、調(diào)試3種控制模式,操作人員可采用不同的方式控制設(shè)備啟停。同時(shí)配置了KXJ5-1140/660型隔爆兼本安型控制箱、隔爆型工藝儀表、本安型觸摸屏級(jí)外圍傳感器、高清攝像儀等智能監(jiān)控設(shè)備,并通過(guò)礦井主環(huán)網(wǎng)將井下控制系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至地面控制中心上位機(jī),實(shí)現(xiàn)了地面控制中心遠(yuǎn)程實(shí)施監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)界面如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)界面

4 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果及效益分析

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

2022年9月黃陵一號(hào)煤礦礦井水復(fù)用水站所有設(shè)備均已完成安裝并正常投入使用。截至目前,所有設(shè)備均正常穩(wěn)定運(yùn)行,出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。同時(shí)委托第三方檢測(cè)公司對(duì)成品水水質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果顯示所有指標(biāo)均符合飲用水要求。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后,運(yùn)行期間,調(diào)節(jié)池進(jìn)水量約為2 000 m3/d,成品水產(chǎn)水量約為1 150 m3/d,濃水產(chǎn)水量約為850 m3/d,并對(duì)電費(fèi)、藥劑費(fèi)和人工費(fèi)進(jìn)行按實(shí)核算,膜和濾芯更換費(fèi)用、維修保養(yǎng)費(fèi)和折舊費(fèi)按使用期限核算,處理成本約為1.55元/t,處理費(fèi)用為5 100元/d,外購(gòu)自來(lái)水需要4.9元/m3,每年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為(4.9-1.55)×1 150×365/10 000=140.6萬(wàn)元。

5 結(jié)論

(1)采用混凝分離系統(tǒng)無(wú)需設(shè)置砂濾、碳濾,不產(chǎn)生反沖廢水、濾層流失,維護(hù)管理簡(jiǎn)單;不加混凝劑,污泥排放量少,采用機(jī)械排泥,便于操作;該系統(tǒng)不加入絮凝劑,減少了對(duì)RO膜的堵塞問(wèn)題,延長(zhǎng)了膜使用壽命。

(2)通過(guò)將水處理復(fù)用系統(tǒng)建設(shè)在煤礦井下,可以大大減少井下水排至地面后處理的管路建設(shè)等費(fèi)用,同時(shí)將處理后的清水作為井下供水系統(tǒng)的補(bǔ)充水源,可以減少礦井自來(lái)水消耗,有效節(jié)約水資源的同時(shí)緩解礦井用水壓力。

(3)該工藝組合具有流程簡(jiǎn)單、出水水質(zhì)穩(wěn)定、能耗低、占地面積小、建設(shè)周期短、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),適合煤礦井下建設(shè)。