矿井水现状及处理技术

矿井水现状及处理技术（共7篇）

矿井水现状及处理技术 篇1

摘要：近些年来, 随着井下采掘巷道不断延伸, 水中的煤泥越积越多, 井下的水质越变越差, 即使净化后有时也不能达到生产、生活、安全用水标准, 而且目前, 我国矿井水处理及综合利用技术并不成熟, 还不能有效解决矿井水资源利用的问题。因此, 本文从研究矿井水质出发, 总结出了针对不同矿井水进行处理的方式方法, 并在此基础上, 为更好地利用矿井水提出了一些意见和建议。

关键词：矿井水,处理,综合利用

0 引言

长期以来, 矿井水一直被认为是严重污染水资源, 造成工业和生活用水短缺, 且在煤炭生产过程中排放量最多的废水。而且随着煤炭企业的进一步发展, 其排放量还将与日俱增。由于人们对矿井水的认识不足以及受矿井水处理、综合利用技术的限制, 矿井水被当做水害加以预防和治理, 大量的矿井水不能被综合利用而被白白排掉。随着科学的不断进步和人们环境保护意识的进一步提高, 人们对矿井水的认识也产生了新的改变, 开始研究矿井水处理及综合利用技术, 将矿井水作为一种水资源加以处理利用来满足工业生产和生活用水要求。

1 矿井水处理技术

矿井水是因为采矿导致邻近水文地质单元隔水构造和系统的破坏, 进而使地表水与地下水的径流方式与方向出现变化, 最终聚集在采动场所, 且在进行聚集的时候由于流向采煤巷道以及工作面, 其它有机物、煤粉、岩粉等掺入其中形成污染。结合矿井水水质的特性, 能够划分矿井水为下面一些种类。

(1) 洁净矿井水处理。大部分指的是矿区煤系地层当中的老空积水、砂岩裂隙水、奥灰水等。如此的水质含有非常少的有害和有毒物质, 矿化度低、浊度低, 跟生活用水的指标导致相符合, 能够设置专门的输水管道加以应用, 在充当生活用水的时候注重消毒。

(2) 含悬浮物矿井水处理。含悬浮物矿井水当中存在非常多的悬浮物, 例如粉、岩、煤粒等, 通常的颜色是黑色, 然而其总矿化度和硬度比较低。悬浮物的一个重要特性是在动水当中的状态是悬浮的, 然而能够由静水当中加以分离, 重的下沉, 轻的上浮。结合悬浮物的特点, 沉淀和混凝是净化处理工业用水的关键技术策略。在处理水的工艺当中, 混凝这个环节非常关键, 混凝剂的选择原则是强、重、大矾花的形成, 能够实现理想的静水效果, 不会影响到水质, 价格低廉, 且具备充足的货源。铁盐与铝盐混凝剂是经常用到的混凝剂。混合的过程是在水中均匀地分散药剂, 需要尽快地跟原始均匀地混合, 确保水当中的所有胶体杂质都可以跟药剂产生反应。加入混凝剂的原水在混合之后, 聚集在水当中的胶体杂质能够使比较大的矾花颗粒形成, 去除是在沉淀池当中。在过滤与消毒之后能够跟生活用水的指标相符合。山西不少煤矿的井下水就是这样的矿井水。

(3) 矿化度较高的矿井水处理。又被叫做含盐矿井水的高矿化度矿井水含有钠离子、钾离子、硫酸根离子、钙离子等, 以及大于1OOOmg/L的可溶性固体含量, 大部分水质是偏碱性与中性, 其味道苦涩, 为此也被叫做苦咸水。这样的水质由于较高的含盐量而不能够被饮用。在对矿化度较高的矿井水进行处理的情况下, 除实施沉淀和混凝等预处理技术之外, 脱盐十分重要。脱盐的技术有反渗透、电渗析、蒸馏、离子交换等等。其中, 当今矿井水处理非常成熟并且比较经济的一种技术是电渗析技术, 这也是当今我国矿化度较高的矿井水的关键处理技术。

(4) 酸性矿井水处理。酸性矿井水是由于硫化物存在于围岩或者是煤层当中, 硫化物接触到氧气跟水之后, 通过氧化分解转变成为游离酸, 在煤中含有的碳酸盐跟其它碱性物质不能够完全中和的情况下, 矿井水是酸性的。这样的矿井水PH值通常在2—5间, 并且水中具备高浓度的铁离子和硫酸根离子。酸性水能够溶出岩石与煤当中的金属元素, 增加重金属的含有量, 游离酸还能够跟一些碳酸盐矿物进行反应, 为此, 水也具备高的矿化度与硬度。酸性矿井水的关键处理技术是中和, 一般应用电石渣、石灰石、石灰乳等作为价格便宜的中和剂。结合不同的工艺要求, 能够实施石灰石中和滚筒法和投加石灰石法等。除此之外, 还应用粉煤灰处理、微生物处理、人工湿地处理等一系列的技术。

(5) 其它矿井水处理。其它的矿井水指的是特殊的污染物涵盖其中, 像是含有放射性的矿井水、含有油的矿井水、含有重金属离子的矿井水, 以及含有氟的矿井水。当今, 这样的矿井水发现量比较少。结合污染物的差异, 这样的矿井水各自具备一系列相符合的处理技术。例如, 通过气浮的技术处理含有油的矿井水, 通过膜处理 (反渗透、电渗析) 、吸附、离子交换等技术处理含氟矿井水。

2 矿井水综合利用技术

2.1 矿井水的收集以及净化

矿井采区老塘水经过水管或者是水沟以自流的形式直接性地到达采取的关键巷道, 最后的时候, 向采区水仓汇集, 且实施一次沉淀净化, 这个时候, 矿井水当中有悬浮固体物, 汇集到的水通过采区水仓经由水泵或者是水沟向开凿的专门性的井底车场水仓排放, 且实施第二次的沉淀净, 这个时候, 悬浮固体物基本不会在矿井水当中, 通过二级沉淀的水经由中央泵房向地面的水池和水厂排放, 将一定量的消毒剂 (含氯漂白剂) 加入到水厂水池当中, 就能够对矿井水当中细菌实施更加综合性的消毒。在如此反复的沉淀与消毒净化之后, 原先比较浑浊的矿井水就变得能够实现生活应用水的水质指标。

2.2 综合利用

经由处理之后的矿井水除了通过自压到达矿井供煤矿采煤生产的要求之外, 剩余的水量能够用在卫生用水与浴池。在进行收集与净化的时候, 针对一部分比较清洁的老塘水, 在经由一级净化之后就可以借助水风包或者是自压等加压方式直接性地应用于实际生产。

3 结语

矿井水处理及综合利用技术的探索和应用, 不仅大大减少了矿井直接排放污水的频率和数量, 还降低了对环境的污染程度, 起到了保护环境的积极作用。与此同时, 还增加了可利用水资源的数量, 对进一步保证矿区的安全生产以及生活用水, 实现矿井的长治久安具有十分重要的意义。

参考文献

[1]张先.矿井水利用规划与资源化技术研究.中国矿业大学 (北京) 图书馆:中国矿业大学 (北京) 图书馆, 2007:1-3.

[2]王彦, 赵勇.煤矿矿井水主要处理技术[J].能源环境保护, 2005, 19 (06) :14-18.

[3]陆士良, 汤雷, 杨新安.锚杆锚固力与锚固技术[M].北京:煤炭工业出版社, 1998:185-191.

矿井水现状及处理技术 篇2

水是人类生存的基本条件，又是国民经济的生命线。随着人口和经济的增长，一方面人类对水的需求量和品质要求越来越高，另一方面，水污染的范围和程度也越来越大。这一对日益严重的矛盾已经成为制约社会经济环境可以持续发展的主要因素。

我国是一个水资源匮乏的国家，总量不足，时空分布不均，污染较严重。据估算，我国人均水资源量约为世界平均水平的1/4，是美国的1/6，巴西的1/19，加拿大的1/58。.北方河流断流现象日益严重，海河已变成季节性的河流，黄河面临断流和污染双重压力，从1972年到1997年的25年中，黄河断流发生19年，进入20世纪90年代后愈演愈烈，1995年断流122天，1996年断流136天，1997年断流226天，断流河段长度706km。西北地区面积占全国1/3，水资源量仅占全国的4.6%，黄河、淮河、海河三大流域河川径流量不到全国的6%、而耕地面积却占全国的40%，海河流域耕地亩均水量，低于以干旱著称的以色列。沿海地区则由于经济快速增长和污染增加，局部缺水现象日益突出，水患更是频繁发生。我国七大水系、一些淡水湖泊和近岸海域都收到不同程度的污染。

解决水资源短缺和水污染的一个主要途径在于水处理。很多地方并不是没有水，而是水质不合用。如果能够通过人工和自然的处理，使得水满足用户和环境的各种要求，并循环使用，则缺水问题将不复存在。当然现有的技术经济条件下，除了处理途径，还有其他解决办法可以选择。

矿井水现状及处理技术 篇3

【关键词】PLC集中控制系统；水处理；应用

随着全球能源供应紧张和自动化程度要求的不断增加，我国的水处理站必然向高度自动化和无人职守的方向发展。通过PLC集中控制系统色连矿井矿井水及污水处理站各工艺流程的设备实现自动化检测与控制、保护，实现对设备的远程监控操作。所有设备工况、电气参数实现实时采集，并实现信息处理自动化、事件提示及故障报警智能化、查询网络化，具备先进性、可靠性、实用性、经济性。

1.水处理系统概述

色连矿井矿井水及污水处理站监控系统采用计算机控制技术，核心部分采用西门子S7-300PLC，由PLC对矿井水处理系统、污水处理系统的所有设备的各项工艺参数进行采集、处理，并通过设于集控室的上位机进行远程控制、工作状况监视和动态画面显示。监控系统配置与上级管理系统的通讯接口。当调试、现场检修或集控系统出现故障时，设备可由就地按钮箱或现场配电柜上按钮进行操作。监控系统采用设备分散控制，故障分散处理，全站集中监控，提高了系统安全可靠性，为水处理站安全高效的生产建设提供有力的保证。

2.监控系统功能

（1）采集、显示污水处理、矿井水处理各设备运行的工艺参数、电气参数、电气设备运行的状况。

（2）实现各设备与工艺参数之间以及设备相互之间工艺要求的闭锁。

（3）在现场控制站显示污水处理、矿井水处理动态流程图、工艺参数表、电气参数、设备运行状态（工作、停止、故障）以及报警参数表等。

（4）自动建立数据库，对于重要的工艺参数、电气参数自动生成趋势曲线。

（5）打印运行报表（班、日、月、年）和报警、故障实时报表。

（6）报警：具备实时报警和历史报警，实时报警可实时显示每个测点参数（如超限）及系统工况（如设备状态、系統通讯故障等情况），同时发出声、光或语音报警信号。历史报警允许用户随时查询、打印所有报警记录。

（7）显示：具有良好的人机界面，实时动态显示系统工艺流程画面、设备工况、工艺及电气参数等，实现各参数及设备开停工况的历史趋势显示，并进行相应的数据处理、记录、显示等。

（8）系统具备先进的综合诊断功能，能快速正确地识别模块配置错误、模拟量超程、线路断线等故障，并在上位机上自动报告故障。

（9）通讯：系统与矿井综合自动化系统联网，实现在矿井调度指挥中心全方位监视。

3.监控系统的软、硬件构成

监控管理系统由监控管理计算机及相关辅助仪表、设备等组成。PLC控制系统的输入/输出回路及电源系统具有可靠的抗干扰隔离措施，系统的抗干扰指标符合GB/T13926第二严酷等级以上要求，能确保系统安全可靠。

3.1硬件

监控系统由一台2kVA的山特UPS不间断电源供电，采用一台P4级研华工控机做主机、监视器选用22寸宽屏液晶显示器。监控系统配置与上级管理系统的通讯接口。

3.2软件平台

系统选用西门子WINCCv6.2版工控组态软件进行上位监控软件的组态开发，概念简单，操作显示画面简洁直观，带有标准的Windows风格的图形界面和动画效果便于管理人员的操作。

下位PLC控制软件采用西门子STEP7v5.3，编制采用模块化结构，能确保数据采集的实时性、可靠性和真实性，对瞬动信号采取有效的处理措施确保动作可靠。

3.3显示

实时监控画面分为矿井水处理系统流程图、污水处理系统流程图2个主画面，以实物模拟形式和动态方式，实时跟踪监视水处理站内工艺过程的设备运行状况，并对设备的各种状态通过变换颜色的方式加以区分，辅以数值形式直观显示各工艺参量；当系统出现故障或参量越限时，自动弹出画面提示信息或以故障点处色彩变化引起管理操作人员的注意。

模拟屏用于动态显示矿井水处理各在线监测数据和各动力设备的运行工况。

4.监测仪表

矿井水及污水处理系统的监测仪表包含：

（1）荧光法溶氧仪：选用天健创新LDO10AC型。

（2）浊度仪：选用天健创新TSS10AC型。

（3）超声波液位计：选用德菲ULI600型。

（4）超声波流量计：选用深圳建恒DCT1158型。

（5）PH计：选用国内专业生产分析仪表的苏州立天机电TITOP20-MP型。

（6）余氯仪：选用国内专业生产分析仪表的苏州立天机电TITOCL10-M型。

（7）压力变送器：选用美国麦克MPM型。

5.矿井水处理及污水处理监控系统的操作

5.1矿井水处理系统监控的范围包括

生产泵房、煤泥泵房内的水泵设备状态的监测和控制；初沉调节池吸泥机、水力循环澄清池电动排泥阀的状态监测和控制；初沉调节池进水管、泥浆搅拌站供水泵出水管、选煤厂供水泵出水管各安装一台电磁流量计，检测各进出水管的流量；初沉调节池、生产水池、煤泥浓缩池、排水池各安装一套超声波液位计，检测各水池的液位；在生产泵房的吸水管、初沉调节池的进水管各安装一套在线浊度仪，检测进水浊度。

污水处理系统监控的范围包括：污水处理综合池至污水调节池水管安装一台电磁流量计，检测水管的流量；污水调节池安装一套超声波液位计，检测水池的液位。

5.2水处理的流程及监测

矿井水处理及生活污水处理系统按预先编制的控制程序，对各控制系统和各设备进行控制和操作指导。

在操作站显示矿井水处理及生活污水处理系统动态流程图、各控制系统的控制流程图、供电系统图、工艺参数表、电气参数、设备运行状态以及报警参数表等。用户可以点击图上的水处理设施，以获取详尽的资料和信息。

系统自动建立数据库，对于重要的工艺参数如：各水池水位、矿井水进、出水浊度、流量以及污水处理综合池的溶解氧和污水出水的流量等自动生成趋势曲线。打印运行报表（班、日、月、年）和报警、故障实时报表。

当变送器发生断线故障时，控制系统便会自动识别和判断，发出报警音响信号，并在监视器显示变送器断线故障的名称。

6.结语

高浊度矿井水处理技术研究 篇4

悬浮物含量高是矿井水普遍存在的主要问题。此类水分布较广,全国大多数矿井水均属此类型,表1是对全国128个主要煤矿矿井水中SS含量的统计。

针对高浊度矿井水的水化学特点,笔者将通过试验研究水力条件对混凝效果的影响及搅拌最优G值和GT值,为确定高浊度矿井水回用处理工艺的科学性、合理性及经济性提供参考。

1 高浊矿井水的水化学性质研究

1.1 矿井水中悬浮物的粒径分布

矿井水中悬浮物的粒径分布,特别是微细颗粒的含量,对矿井水的处理效果具有重要影响。图1是用Mastersizer2000激光粒度分析仪对几个矿井水水样的悬浮的粒度分析结果,从中可以看出,排到地面的矿井水总悬浮物中平均88%的粒径在50 μm以下,而粒径大于80 μm的部分不超过5%,这些细小的颗粒物用自然沉降的方法很难去除。

1.2 矿井水中煤—水界面的电化学性质

要把悬浮物从水中分离出来,就必须考察矿井水中煤—水界面的电化学性质。表2是用ZC-2000型ξ电位仪对取自皖北、介休、牛马司、大同、平顶山等矿区具有代表意义的8个水样进行表面电动势测定的结果。可以看出矿井水悬浮物的ξ电位在-19.14～-30.15 mV,均表现出不同程度的负电性。矿井水中胶体能长期处于稳定状态,这也是矿井水中悬浮物不能自然沉降的一个重要原因。

1.3 煤的润湿性

煤的润湿性直接影响混凝剂与矿井水中悬浮物的亲和能力。表3为用JY-82型接触角测定仪测得不同煤种的润湿接触角,可以看出含悬浮物矿井水中煤粉表面与水和无机混凝剂的亲和能力要比地表水中泥砂颗粒物差。在处理矿井水时必须向原水中投加适量的混凝剂,以破坏水中胶体的稳定性,使细微颗粒聚积成较大的絮团,加快沉降速度,提高净化效果。

2 高浊度矿井水的混凝特性研究

2.1 试验条件及方法

2.1.1 试验水质及回用目标

试验原水为山西长治煤矿矿井水,回用水目标为GB 50335—2002《污水再生利用工程设计规范》中的再生水用作冷却水水质控制指标。水质指标如表4所示。

2.1.2 试验装置及方法

混凝试验采用MY3000-6K智能型六联搅拌仪;上清液浊度采用GDS-3型散射式浊度仪。试验中取相同水质的6个水样,通过分别改变混凝剂的种类、投加量、pH值、G值等参数进行混凝试验,随后取其上清液测定浊度,以确定最佳水力参数。

G值:指单位时间内单位体积颗粒的碰撞次数,s-1,其大小与实验的设备、水质等有关,在设计实验时就确定了G值。GT值:指在絮凝的整个时段内单位体积颗粒的碰撞次数,GT=G·T(T为搅拌时间,s)。

2.2 试验结果与讨论

2.2.1 混凝剂的选择和最佳投药量的确定

选取矿井水处理中常用的3 种混凝剂:聚合氯化铝( PAC),复合铝铁盐和三氯化铁进行试验,试验条件为混合时间t1=1 min、转速n=150 r/min、G=37.6 s-1、GT=2 256;反应时间t2=15 min、转速n=50 r/min、G=7.7 s-1、GT=6 930。试验结果见图2,可以看出PAC对矿井水的混凝效果最佳,投药量为20 mg/L时上清液浊度为1.5 NTU。

2.2.2 配合投加助凝剂PAM最佳量的确定

试验发现煤粉与无机混凝剂形成的矾花较为细小,沉降速度较慢。为了提高混凝效果,试验采用PAC加助凝剂PAM,试验方法同上,结果如图3所示。由图3可知,当PAC投药量为5 mg/L时投加0.4 mg/L的PAM,混凝效果最好,上清液余浊降至1.2 NTU。

2.2.3 pH值对混凝效果的影响

试验条件同上,调节不同pH值对混凝效果的影响,结果如图4所示,可以看出pH=7时混凝效果最佳。当pH值过低(小于5)时所投加的混凝剂的水解反应受到限制,其主要产物中没有足够的羟基(—OH)进行桥联作用,不容易产生较大的絮体,絮凝作用较差;当pH值过高(大于9)时PAC又会溶解生成带负电荷的络合离子而不能很好地发挥混凝作用。

2.2.4 最佳GT值的确定

混凝过程由于水解、脱稳速率远远大于混凝剂在水中的扩散速率,故扩散作用成为胶体颗粒能否迅速脱稳的决定性因素,因此适宜的水力条件是混凝剂发挥效力的前提。试验条件:水温24 ℃,PAC投加量5 mg/L,沉淀时间15 min,快速搅拌转速为200 r/min,慢速搅拌转速为50 r/min,对应G值分别为50 s-1和7.3 s-1,沉淀时间为15 min,结果如图5—6所示。可知快速搅拌时间为60 s时,对应的GT值为3 000,慢速搅拌时间为600 s时,对应的GT值为4 380,单独采用快速搅拌和慢速搅拌处理效果都不理想。

试验采用两级减速搅拌操作,先快速搅拌(快速混合),然后慢速搅拌(絮凝)的水力条件。试验条件同上,进行正交试验L9(34),结果如表5所示。由表5可确定最佳水力条件:混合转速120 r/min,混合时间0.5 min;反应转速50 r/min,反应时间25 min。此时,混凝反应较充分,混凝沉淀效果最好,所对应的G值和GT值:混合G值28.9 s-1,GT值867;反应G值7.3 s-1,GT值10 950。

3 结论

1) 矿井水中SS平均88%的粒径在50 μm以下,而粒径大于80 μm的部分不超过5%。

2) 矿井水悬浮物的ξ电位在-19.14～-30.15 mV,均表现出不同程度的负电性。

3) PAC=5 mg/L,PAM=0.4 mg/L,pH=7时的混凝效果最佳。

4) 水力条件在混合转速=120 r/min、混合时间=0.5 min,反应转速=50 r/min、反应时间=25 min,对应的混合G值=28.9 s-1,GT值=867,反应G值=7.3 s-1,GT值=10 950时,混凝沉淀效果最好。

摘要：为实现矿井水资源化,解决高浊度矿井水回用处理,分析了高浊度矿井水的水化学特性,通过混凝沉淀烧杯搅拌试验,研究了混凝剂种类、投加量、pH值、搅拌速度及时间对混凝效果的影响,结果表明:PAC为5mg/L,PAM为0.4mg/L,pH值为7,混合转速为120r/min,混合时间为0.5min,反应转速为50r/min,反应时间为25min,对应的混合G值为28.9s-1、GT值为867,反应G值为7.3s-1、GT值为10950时,混凝沉淀效果最好。

关键词：高浊度矿井水,水化学特性,混凝,GT值

参考文献

[1]何绪文,肖宝清,王平.废水处理与矿井水资源化[M].北京:煤炭工业出版社,2002:156-160.

[2]胡文容.煤矿矿井水及废水处理利用技术[M].北京:煤炭工业出版社,1998:208-210.

矿井水现状及处理技术 篇5

根据联合国统计, 到2025年, 2/3的世界人口可能会面临水资源短缺, 因此水处理技术将会越来越得到重视, 这包括了高效率的水资源管理和污水处理。例如:在北美尤其在加拿大, 水管理及污水处理设施的面临的问题十分急切。63%的目前运行的设施都在超期运行, 他们的平均运行时间已经达到18.3年。其中52%污水处理设施在超期运行。在美国的干旱地区, 对海水淡化技术的需求越来越高。海水淡化技术主要局限在于效率, 而随着淡水的短缺, 这些局限逐渐被淡化和忽视。水处理技术的发展拥有巨大的前景, 许多国家都在实施水处理的政策和项目。根据全球知名增长咨询公司Frost&Sullivan的预测, 至2010年, 全球水资源管理和污水处理技术市场规模预计将达到3 500亿美元。

目前先进的水管理和污水处理技术及其发展趋势包括了循环用水、反渗透海水淡化和臭氧化等。例如, 反渗透海水淡化技术正在迅速占领的大型设施市场, 而这一领域过去主要以热工过程设备为主。处理效率的提升和渗透膜价格的回落, 促使反渗透海水淡化市场在过去5年中迅速发展, 现在应用反渗透海水淡化技术的已不再是小规模的工厂, 大型反渗透海水淡化厂已是司空见惯。

在污水处理方面, 澳大利亚的研究人员在生物发电领域提出了一种新的旋转生物电化学接触器, 这项技术能够将已经运用于污水处理行业30年的旋转生物污水处理技术的效率提高15%;此外, 一种能够处理高污染废水的技术也已经问世, 这种技术能够处理污染物浓度超过300 000 ppm的污水, 而处理成本仅有原先通过储存和化学处理方法的1/10。这种技术目前被认为是最简单、最易于使用及经济的处理技术, 每吨污水的处理成本约为1美元。

中国目前同样也面临巨大的淡水短缺和水污染的问题。作为一个人均拥有水资源量最小的国家, 必须采取措施以避免未来严重危机的发生。中国北方缺水问题极度严重, 因此国家启动了浩大的“南水北调”工程, 整个工程耗资达到几十亿美元, 预计2050年建成。污水问题同样困扰着中国, 估计有3亿人口的饮用水是被污染的。2004—2008年, 污水排放量年增长率达到18%, 从482亿t增长至572亿t。Frost&Sullivan预计在2010年, 中国的污水排放将达到640亿t。中国持续的工业化、城市化进程和经济的快速增长, 是导致污水排放量连年上升的主要原因;而与此相对的是, 中国的污水处理厂却基本上未能实现满负荷的运行。以2008年为例, 中国污水处理厂的处理污水量仅仅达到的设计负荷的64%, 主要的原因在于运营费用过高。在这种情况下, 中国的污水处理行业将需要更多的投资和更先进的技术。在第11个5年计划之间 (2006—2010年) , 政府预计在水处理方面投入超过3 000亿元人民币。截至2009年, 中国一共有1 572座污水处理厂, 同时有2 063家在建。

矿井水现状及处理技术 篇6

目前普遍采用的矿井水处理技术大多是传统的混凝沉淀、过滤工艺, 在实际运行中存在占地面积很大, 水力停留时间较长, 煤泥含水率高等弊端。超磁分离工艺是近几年发展起来的一项矿井水处理技术, 其处理后的水质可达到中水回用标准。与常规工艺比较, 超磁分离技术工艺具有装置体积小、占地面积小, 运行成本低的特点。

1 超磁分离工艺流程

超磁分离技术在煤矿水处理中应用属于起步阶段, 目前应用较少。国内采用该技术处理矿井水的煤矿主要分布在山东和内蒙古, 其主要工艺流程为矿井水进入混凝系统后, 在混凝系统中投加重介磁种、PAC和PAM, 通过搅拌混凝, 形成以磁种作为“核”的悬浮物絮体, 包含磁种的悬浮物 (也称为磁性絮团) 流经磁分离机 (盘式磁选机) , 利用超磁分离机里的稀土永磁磁盘的高强磁力, 实现磁性絮团与水的快速分离[1]。

超磁分离机分离后的含磁种污泥, 通过缷渣系统输送至磁分离磁鼓, 实现磁种与污泥的有效分离, 并回收循环使用磁种。脱磁后的污泥, 进入污泥池, 通过压滤机脱水后, 泥饼通过矿车运至井下运煤皮带, 输送至地面。

2 处理效果

通过对山东某煤矿采用该工艺的矿井水处理站进出水悬浮物指标进行监测, SS指标进水浓度为308~523mg/L, 经超磁分离系统处理后, 出水浓度为5~10mg/L。超磁分离系统对SS的平均去除效率为98.1%, 去除效果较好。

3 与传统工艺经济技术指标对比

通过对山东某煤矿矿井水处理站运行情况为期20天的统计, 对其能源、药剂消耗情况进行统计, 并与国内煤矿矿井水处理中的常见工艺进行对比, 对比情况详见表1。

4 工艺特点

通过对超磁分离技术的原理和实际应用情况进行分析可知, 本工艺主要特点有:

4.1 药剂投加量少

该工艺采用磁力吸附实现分离, 仅需要少量药剂使水体中的悬浮物形成微絮凝。与传统工艺相比, 最多可降低60%的药剂使用量。

4.2 节省占地

与传统工艺相比, 该工艺所需水力停留时间较短, 相应的所需占地和空间较传统工艺减少83%。

4.3 污泥含水率低

磁分离设备通过磁力吸附实现絮团和水的完全分离, 污泥含水率较传统工艺降低5~6%, 可以有效降低污泥池的池容, 节省占地。

4.4 超磁分离井下与地面布置优劣势分析

由于该工艺具有占地面积小这一显著特点, 目前已建成的采用超磁分离技术的矿井水处理站均位于井下, 井下排水自流进入处理站后, 通过排水渠进入井下水仓, 目前尚没有地面处理的应用。

由于将矿井水处理站布置在井下存在一定的制约条件, 在井下不具备建设条件时需将处理站布置在地面, 对一座处理规模为1000m3/h的矿井水处理站布置在井下和地面两种形式分别进行模拟设计, 对比分析两种布置形式的优劣势, 详见表2。

根据表中两种布置形式的优劣势分析结果, 如果煤矿项目属于地面用地制约大或矿井水量大并且变化不大的项目, 或者是改扩建项目井下有可利用的废弃巷道, 可以优先考虑采用井下布置的形式;如果属于水文地质条件复杂, 水量随季节或采区变化较大或者后续需进行深度处理的项目, 则可以优先考虑采用地面布置的形式。

5 结语

与传统工艺相比, 超磁分离工艺具有药剂投加量少、节省占地、污泥含水率低等特点。由于其具有节省占地这一显著特点, 其可以直接布置在井下巷道中。该工艺布置形式较为灵活, 煤矿可根据自身条件选择井下、地面两种布置形式。采用超磁分离工艺为我国煤矿矿井水处理克服传统工艺的弊端提供一个方向。

摘要：我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国, 在采煤过程中不可避免的产生大量的矿井水。矿井水中含有大量的悬浮物, 必须经处理后方可排放或进行综合利用。矿井水处理传统工艺存在占地面积很大, 水力停留时间较长, 煤泥含水率高等弊端。我们对采用超磁分离工艺的矿井水处理站进行统计分析其工艺特点, 并分析其井下与地面两种布置形式的优劣势。

关键词：超磁分离,煤矿,工艺特点,节能形式

参考文献

[1]牛明礼, 单绍磊, 刘佳.超磁分离净化技术在矿井水井下处理站中的应用.能源环境保护, 2013, 27 (3) :34.

矿井水现状及处理技术 篇7

生物活性炭技术是在活性炭技术的基础上发展起来的, 它以活性炭为载体, 通过富集或人工固定微生物, 在适当的温度、营养条件和生长环境下, 使微生物在活性炭表面聚集、生长和繁殖, 形成BAC;它的最大优点就是可同时发挥活性炭的物理吸附作用和微生物的降解作用, 提高了活性炭的吸附容量, 增强了对水中有机物的降解能力, 且延长了活性炭的使用寿命[5]。这使得它从上世纪中期开始, 在德国、法国、瑞士、荷兰等欧洲国家得到广泛的应用, 日本等国也对它进行了深入的研究[6]。我国研究及应用生物活性炭技术也已有二十多年的历史。生物活性炭技术作为水处理最有效的新型技术之一, 目前已在许多国家成功地应用于微污染源水净化、工业废水处理和深度净化等[7]。本研究对近年来生物活性炭水处理组合工艺在国内外的应用研究现状进行了总结归纳, 以期为水的深度处理技术的研究与发展提供一定的理论依据。

1生物活性炭技术的作用机理

生物活性炭对废水中有机物的去除机理主要由以下7 方面组成[8,9]:

⑴ 外扩散:污染物通过液膜达到活性炭表面;

⑵ 内扩散:污染物从活性炭表面进入微孔道和中孔道, 进而扩散至中孔和微孔表面;

⑶ 吸附:进入微孔、中孔表面的污染物被活性炭吸附相对固定;

⑷ 水解:污染物与菌胶团分泌的胞外酶反应, 水解成分子量较小的物质;

⑸ 内反应:水解后的化合物由中孔道和微孔道扩散至外表面生物膜吸附区;

⑹ 生物降解:水解化合物进入细胞内, 在酶作用下进行氧化分解;

⑺ 外反扩散:降解产物通过液膜扩散至污水中。

与常规生物膜工艺相比, 生物活性炭法 (BAC) 在低浓度、难降解的有机废水的处理方面有较大优势。

有报道[10]认为, 生物活性炭技术的优势主要是活性炭的吸附功能, 将有机物富集在炭粒表面, 延长了有机物与微生物的接触时间, 为微生物的驯化提供了有利条件, 使得难降解物质得以去除;但Scholz等[11]认为, 生物活性炭技术的优势在于活性炭的吸附提高了炭粒周围有机物浓度, 有利于生物降解。

Nishijima等[12]在分析对比GAC与无烟煤作为生物载体的特性后, 认为具有吸附作用的GAC作为生物载体能刺激生物活性, 反应器内的微生物具有更高活性, 能够有效代谢难降解、难吸附有机物, 有机物的生物降解速率由无烟煤的1.7 提高到4.9。Alexander等[13]的研究表明, 活性炭的存在减轻了水中有害物质对微生物的影响。这可能是由于附着微生物能够抵制难降解化合物的毒害以及自身的快速内源呼吸, 并拥有不断增强的新陈代谢能力。

2活性炭的生物再生机理

目前关于活性炭生物再生比较公认的机理主要有Andrews等人提出的浓度梯度假说和Rodman等人提出的胞外酶再生假说两种[14]:

(1) 浓度梯度假说

大多数中孔或微孔活性炭的孔径 (<0.05 μm) 比细菌 (大多数为103 nm) 小, 故细菌主要集中于炭颗粒的外表及邻近大孔中。加之活性炭表面和液相主体中吸附质存在浓度梯度, 这使得吸附质可以从活性炭上脱附下来并向液相主体扩散, 扩散到液相主体中的吸附质又被微生物的代谢所消耗, 从而维持活性炭和液相主体之间的吸附质浓度梯度, 吸附质不断地解吸进入液相主体而被微生物利用[15]。该假说还认为, 吸附质从吸附剂上的解吸是生物再生发生的前提, 而对于那些不能发生解吸的物质, 则不能进行生物再生[16]。

(2) 胞外酶假说

微生物细胞分泌的胞外酶和因细胞解体而释放出的酶类进入到活性炭的孔道中, 与孔隙内吸附的有机物质发生代谢反应, 使其从原吸附位上解脱下来, 扩散到生物膜表面, 并被炭表面上的细菌所分解, 构成了吸附和降解的协同作用[17]。

Zhao等[18]认为微生物在降解过程中可能分泌了某种物质, 这种物质可被活性炭吸附, 但不可解吸, 从而导致活性炭吸附能力降低。另外, Zhang等[19]认为, 微生物的细胞外酶是生物大分子, 要扩散到活性炭的孔道内并进行反应, 分子尺寸对扩散速度的限制会使反应速度非常慢, 而这与平常观察到的生物再生速度并不相符合, 胞外酶的分子直径通常为3~4 nm, 难以扩散进入活性炭的微孔孔隙 (孔径d <2 nm) , 所以活性炭吸附与生物降解只是简单组合。而支持细胞外酶假设的研究者们认为, 细胞外酶不能进入活性炭的微孔, 这与细胞外酶能够进入活性炭的中孔 (孔径d=2~50 nm) 或大孔 (孔径d > 50 nm) 并不矛盾[20];有研究者用活性炭吸附- 生物再生方法处理水溶液中的农药污染物, 试验结果表明:孔径稍大的活性炭更容易生物再生, 包括介孔和大孔的活性炭, 而微孔的活性炭则较难生物再生, 吸附剂的孔隙结构直接影响了活性炭的生物再生效率[21]。还有研究者认为BAC的生物再生过程是生物降解与吸附的协同作用而不是简单的组合, 生物再生的基础是由于浓度梯度造成的吸附质的解吸, 活性炭微孔中发生的解吸是由于吸附剂和液相主体中吸附质的浓度梯度, 这一梯度由液相主体中微生物的活动造成并维持, 而在中孔和大孔中发生的解吸, 细胞外酶的作用也不能忽视[13]。

3 生物活性炭技术在水处理中的应用

3.1饮用水

有学者[22]评价了生物强化活性炭 (BAC) 的生物降解与吸附作用协同对消毒副产物前体物质 (DBPFP) 的控制效果。在控制BAC的空床接触时间 (EBCT) 为20 min时, BAC对卤乙酸生成势 (HAAFP) 的去除率达到59%, 而在相同条件下, 普通颗粒炭 (GAC) 对其去除率只有27%;BAC工艺中微生物数量和微生物活性均明显高于GAC工艺, 通过微生物降解作用和活性炭吸附作用的协同, BAC对HAAFP的去除率与EBCT具有明显的线性相关性 (R2= 0.9069) , BAC出水中指标UV254 与HAAFP也表现出一定的线性相关性 (R2=0.7702) 。另有研究表明[23]:新鲜活性炭对溴酸盐的去除率为57.1%, 在活性炭向生物活性炭转化的过程中, 随着活性炭表面生物量的增加, 炭柱对溴酸盐的去除效果逐渐提高;经过8 个月的中试模型连续运行, 溴酸盐的去除率提高至75.4%, 成熟生物活性炭对溴酸盐的去除效果稳定, 从而证明生物活性炭比活性炭更有利于溴酸盐的去除。

3.2微污染水源水

研究发现, 将TiO2光催化臭氧氧化- 生物活性炭组合工艺用于处理水源水, 在优化工艺参数的条件下, 该工艺对水源水中溶解性有机碳 (DOC) 的平均去除率为46.5%, 而UV/O3-BAC工艺对DOC的平均去除率仅为41.6 %;TiO2/UV/O3-BAC工艺对有机物去除的协同效应较强, TiO2/UV/O3过程将水中的大分子有机物氧化成小分子, 提高了出水的可生物降解性, 从而有利于后续的BAC对有机污染物的去除;TiO2/UV/O3-BAC工艺对持久性有机污染物的去除非常有效, 其中酞酸酯的去除率均大于94%, 但随着烷基链长度的增加而降低多溴联苯的去除率均超过89%, 但随着溴原子取代数目的增加而降低[24]。有人以广州东江水源为原水, 研究了臭氧生物活性炭深度处理工艺对污染物的去除效果, 炭滤出水高锰酸盐指数、NH4+-N、NO2--N和浊度指标平均值分别为1.09 mg/L、0.04 mg/L、0.003 mg/L和0.42 ntu, 平均去除率达65.34%、96.03%、98.24%和96.33%;臭氧和活性炭联用使得炭滤池对污染物有着非常好的去除效果[25]。

3.3纺织印染废水

在国外, 有人采用连续搅拌固定床反应器填充生物活性炭, 在厌氧条件下脱除酸性橙7, 与不搅拌的固定床反应器相比, 适当的搅拌可在短时间内将偶氮染料的转化率提高到96%, 这是因为搅拌使活性炭表面的生物膜不致过厚而阻碍活性炭对染料的吸附, 并且连续搅拌固定床反应器能为酸性橙生物降解的动力学模型提供更多的数据[26]。在国内, 有学者在多级折流板反应器生物处理装置中采用活性炭为载体人工固定化生物处理合成染料废水, 出水水质稳定, 出水中的烷烃肽链变短;其对CODCr和BOD5的去除率可达96.46%、99.77%;对SO42-和钙镁总量的去除效率超过80.37%、78.66%;折流板反应器的容积负荷率Nv可达2.8 kg COD/ (d·m3) ;活性炭经生物固定化后, 不仅不会影响它的处理效果, 还会延长活性炭的使用寿命;当冲击性有机负荷发生时, 固定化生物活性炭能够承受并能很快恢复[27]。

3.4石化废水

有外国学者作了生物活性炭脱除石油废水中的多环芳烃和脂肪族烃的研究[28]。结果表明, 多环芳烃的去除率能达到96.9%~99.7%。另外, 研究发现多环芳烃的去除主要是靠活性炭的吸附而不是生物降解, 而脂肪族烃的去除则倾向于生物活性与工艺条件。针对我国石化行业污水回用处理设施很快失效的现状, 有人开发了“集成式悬浮载体生物氧化-砂滤-臭氧活性炭处理-超滤反渗透”的组合工艺对炼油厂外排水进行深度处理[29]。连续7 个月的中试结果表明, 处理后外排水中COD、NH3-N、BOD5、油和浊度等均优于回用水标准, 可作为工业循环冷却水、绿化用水和办公等用水;常规深度处理的出水经过超滤反渗透处理后, 电导率稳定在35~40μS/cm, 可作为动力车间的新鲜水, 不会发生膜污染和堵塞问题。尽管外排水的水质波动很大, 但是组合工艺运行稳定、可靠, 具有突出的抗冲击性能。

3.5制药废水

有学者[30]将假单包杆菌ADP固定在非无菌流化床反应器中的颗粒活性炭上, 在无氧条件下用于降解阿特拉津 (除草剂的一种成分) , 并与表面积相同的非吸附炭颗粒 (未经活化) 和烧结玻璃粉作比较。结果表明:在初期阶段, 非吸附炭颗粒反应器的阿特拉津脱除效率高达90%, 随后由于脱氮细菌的侵入降到20%, 但此种现象未在生物颗粒活性炭 (BGAC) 反应器中出现。在BGAC反应器中观察到阿特拉津最大容量为 (0.820±0.052) g/ (dm3·d) , 最大降解速度是 (1.7±0.4) g/d, 并且表明阿特拉津的生物降解和解吸是同时发生的;Utrilla等[31]研究了生物活性炭处理废水中硝基咪唑的过程, 考察活性炭表面化学性质、溶液pH值、电解质浓度的影响, 结果表明, 活性炭表面化学性质影响最大。活性炭表面的微生物不分解硝基咪唑, 但增加了活性炭的吸附能力;国内有学者以絮凝-厌氧-好氧-生物活性炭工艺处理精氨酸生物制药废水, 研究各部分工艺最佳参数及动态变化。结果表明:采用此工艺能有效降低废水中的CODCr和氨氮, 去除率均达到90%以上, 处理后的出水COD <80.0 mg/L, 氨氮<10.0mg/L, 总磷<0.5 mg/L, 达到国家GB-1907-2008 所规定的新建企业水污染物排放限值要求。研究发现, 该处理工艺运行稳定, 且出水能够回用于农业灌溉, 具有推广价值[32]。

3.6制革废水

L. John Kennedy等[33]选取由谷糠制备而成的活性炭, 在其上人工固定化厌氧和好氧菌, 处理制革废水。废水原水COD、BOD、SO42-、S2-浓度分别为1716±392、393±114、940±217、193±56 mg/L。在水力停留时间2 h时, 对它们的去除率分别为87%、96%、40%和100%。此外, 刘锐等[34]开展了规模为36m3/d的臭氧/ 生物活性炭工艺深度处理某印染制革工业园区污水厂生化处理出水的中试研究。结果表明, 在生物活性炭挂膜启动期间, 系统对COD的去除率先下降后上升, 32 d后稳定在50%左右;在生物活性炭稳定运行期间, 系统进水COD和色度平均值分别为100 mg/L和112.5 倍, 出水值则分别降至50 mg/L和5 倍, 达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 中的一级B标准。余彬等[35]采用臭氧氧化- 生物活性炭滤池组合工艺深度处理制革厂的生化出水。结果表明, 在臭氧加入量为25 mg/L、氧化时间为25 min、生物活性炭滤池HRT为1 h的条件下, 处理后废水平均COD为51 mg/L, 平均TOC为15.1 mg/L, 平均UV254 (波长254 nm处单位比色皿光程下的吸光度) 为0.12, 平均氨氮质量浓度为0.51 mg/L, 出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》 (GB 18918-2002) 中的一级B排放标准。

4存在的问题和发展方向

生物活性炭技术弥补了传统活性炭在水处理中的不少缺陷, 尤其是对一些消毒副产物 (如三卤甲烷和卤乙酸) 和制药废水中有机物的去除具有较好的效果, 但这种技术也存在一些问题和不足, 归纳起来主要有以下几方面:

⑴ 生物活性碳技术的机理研究尚不充分。不同研究人员由于所研究的基质、活性炭的种类、浓度以及运行条件的不同而得出了不同的结论, 不管是哪种假说, 到目前为止都缺乏实验数据的支持, 还仅仅停留在理论推导阶段。为此, 在今后的研究工作中应加强BAC机理的进一步研究, 得出确切的理论。

⑵ 活性炭的生物再生问题。目前, 公认的活性炭生物再生机理主要有胞外酶假说和浓度梯度假说两种, 但也不是很完善。活性炭被生物再生主要取决于微生物的生物降解能力以及在降解吸附质的过程中是否会产生不可解吸的副产物。生物活性炭技术既不是单纯的物理吸附或生物降解, 也不是这二者的简单加和。为此, 我们应加强BAC对有机物去除机理的探讨、研究。

⑶ 生物活性炭的运行效果受各种条件, 如水温、pH值、菌种等的影响, 运行不稳定, 效果差, 特别是在活性炭挂膜期间。因此, 应加强寻求活性炭生物膜的适宜生长条件、控制生物膜生长的方法及对优势菌种的筛选。

⑷ 在给水处理中, 微生物的繁殖带来滤料的堵塞, 增加了反应器内的水头损失, 反冲洗频率升高。反冲洗需要水力反冲与气体冲刷共同作用, 增加运行与管理难度[36]。