（矿物加工工程专业论文）利用煤矿井下水生产饮用水的试验研究.pdf

摘要 摘要 唐山市水资源短缺，供需矛盾十分尖锐。唐山市工业产业结构以煤炭、钢铁、 水泥、陶瓷、电力等行业为主，这些行业都是用水大户。但是，唐山市每年却要排 入环境大量的废水。仅开滦集团每年排放矿井井下水达2 0 0 0 多万吨。在煤炭开采大 量排放和破坏水资源的同时，矿区工农业用水短缺却十分严重。水资源短缺已严重 制约煤矿区经济发展和人民生活水平的提高，它己成为制约唐山市经济发展的一个 重要因素。因此，合理开发利用现有水资源、节约地下水资源，解决唐山市严重缺 水的问题，是唐山市国民经济发展的关键。针对这种情况，依赵各庄矿为例研究了 煤矿井下水生产饮用水的技术问题。根据煤矿矿井水水质情况，通过理论分析和技 术比较确定了主要由混凝、沉淀、过滤和消毒四个处理单元组成的工艺流程，并重 点对各个处理单元的主要影响因素进行了理论分析和大量的试验研究。 在混凝阶段利用s c 2 0 0 0 一6 b 型混凝试验搅拌器进行混凝试验，确定混凝剂选 择p f s ，最佳加药量为1 0 m g ，l ，并确定了快速搅拌3 0 0 r m i n 搅拌o 7 m i n 、1 0 0 r m i n 搅拌4 m i n 、6 0 r m i n 搅拌1 0 m i n 的搅拌条件；在沉淀阶段，通过沉淀柱试验分析了 沉淀时间对沉淀效果的影响，确定出最适宜的沉淀时间为7 0 l i n ：在过滤阶段，过 滤后的水通过用酸洗、中和、焙烧及1 5 的硝酸铵改型2 0 m i n 的斜发沸石滤料过滤 后，水的硬度由4 7 2 m l 下降到3 8 5 m l 左右；消毒阶段确定了氯的最适宜投加量 为0 7 5 o 9 5 m l 。通过设计的试验流程的处理，最终出水的各项水质指标均优于 城市供水水质标准。 研究结果表明，赵各庄矿井水类型的煤矿井下水经过处理后完全可以作为饮用 水，并且，试验采用的工艺流程及处理方法可为矿井水生产饮用水的实际操作提供 理论依据。 图1 6 表1 7 参6 1 关键词：矿井水；饮用水；沸石；混凝；过滤；消毒 分类号：x 7 5 2 河北理l a 学硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e fr e s o u r c ci sh a r du pi nt a n g s h a l i m es u p p l ya n dd e m a n dc o n 打a d i c t o r yi s e x t f e m e l yj n c j s i v e 1 _ h et a n 铲h a l li n d u s t f yi n d u s t f i a ls t n l c t l l r eb yp r o f c s s i o na n ds oo nc o a l ， s t e da n di r o n ，c e m e n t ，c e r a m i c s ，e l e d r i cp o w e rp r i m a 打l y ，t h e s 。p r o f c s s i o n sa l li st h ew a t e r 1 i s e dw 曲l t h ya n dp o w e r f u lb m 订y ，b u ti td 阳j n so u t p u t1 3 9 e rw a s f ew a i e re v e r yy e a r j u s t k a i l u a i lg m u pd r a i n so u t p 毗m u c hm o r cl h a n2m j l l i o nl o n se a c hy e a r m a s s v e l y d i s c 上i a r g e sw h j l ec o a lm i i n g 、v i t hb r o k e nd i | i yt r i c kr b s o u r c e s ，t h em i n i n ga r e ai i l d u s t r y 蛐da 窑r i c u n u r ew 砒c ru s e ds h o ne x 仃e m e l vi sa c t u a l i ys e r i o u s t h ew a t e rf e s o u r c e sa r e s h o nh a v es 州o u s l yr c s t r i c i e dt h ec o a lm i l l i l l ga r c ae n o m vd e v e l o p m e n ta n dt h el i v e so f t h ep c o p l ee n h a n c c m e n t ，i th a sb e m e 趾j l n p 咖tf a c | o rw h i c hr e s 仃i c t st h ec c o n o m y d w e l o p m e mo f t a n g s h a n ，t h e 他f o r c ，r e a s o n 曲1 yd e v e l o p s t l l eu s e e x i s 石n g w a c rr 髓o t c e s ， ( h ef m g a l 伊0 u n dw a t e rr e s 伽r c c s ，s o l v e st 蛐g s h 锄s d o u s l yt ol a c km ew a t e rq s t i o n ，i s t l l et a n g s h a nn a t i o n a le c o n o m yn a t i o n a le c o n o m yd c v c l o p m e n tk e y t h j si h e s i ss t u d i 瞒l h e t e c h b i q u ep r o b l e m so fm a k j n gt b e a lm i n ed r a i l l a g ea sd r i n k i n gw a t e ri v j e wo f “s c a s e ，w h i c ht a k e sz h a og e z h u a n ga st h ee x a m p i e a c c o r d i n gt ot h ec o a lm i i l ed r a i n a g e w a t e rq u a l i t yo fm ez h a og e z h u a l l 娶at e c h n o l o 垂c a ip r o c c 鹪w h i c hi sc o m p e do f c o a g l l l a t i 伽，s e t n e m e n t ，6 l 啦l i 伽a 芏l dd i s j n f c c t ；f o l l r 加弧i sd 啦e 删i n e d 打o mt h et h e o f y a i l a l y s i sa n dt h et c c h n i c a lc o m p a r i s o n ，a n dal o lo ft h e o r y 锄a l y s i sa n de l p e r i m e t ss t u d y h a v cb e e nc a 州e do u tm a i n l yf o rt l l ei m p o n a n ti n 王l u e n c cf a c t o r so fe a c ht r e a t m e n tu i l i t h lc o a g u l a t i o ns t a g e ，t h e c o a g i l l a t ee x p c r i m e n i i sb ed o n eb yc o a g i l l a t i o ns t i r r e ro f s c 2 0 0 06 b ，w h i c hd e c i d e st h a tt h eo p t j m u mc o a g u l 蚰ti sp f s ，i t sop l j m u i nd o s a g ci s 1 0 m li h a t l h es t i rc o n d j t i o ni s3 0 0 r m i ns t i r0 7 m i n ，】 x 州m i ns t 打4 m i na n d6 0 l 佃l j ns t i f 1 0 m i n ；i ns e t l e m e n ts t a g e ，t h ee x p e r i m e n t so fs e t t l i n gb a fa n a l y z el h ei n n u e n c eo fs e i g p e r i o de f f e c t ，w h i c hd e c i d e sm eo p t i m u m t u 即心n td m ei s6 0 r n i n - i nf i n 珥t i o s t a g e ，t h c r i 百d n yo f t h ew a t e rd e c r e a s e st 0a b o u t3 8 5 m l 打o m 4 7 2f n g 厂lt h eq u a l i t yo ft l ew a t e ri s b e t t e rt h a nd r i n k i n gw a t e lt h ez e o u t ef i h r a t j o nm e d i u mi s d i s p o s a l e db ya d dw a s k n e u t r a u z a t i o n ， b a k i n g蝴dr e m o d l e d2 0 m i nb y1 5 a m m o n i u mn i t r a t el i q o r ； 王n d i s i n f c c t j o ns t 8 9 e ，w h i c hd e c i d e st 1 1 eo p t i m u md o s a g eo fc h l o r i n ej s0 7 5 0 9 5 m g ，l i n t b j st h c s j s ，t h ee a c hj n d e xo ft h ep u r i f y i n gw a t e fi sb e t t c ii h a 吲n k i n gw a t e rt h r o u 曲t h e d i s p d s a lo f d c s j g 口e de x a m i a t i o nf l o w n es t u d ys h o w st h a t t h ec o a lm i n ed f a i n a g e k ez h a og e z h u a gc a nb eu s i n ga s d i i k i “gw a l e rt h r o u g l lp u r i f y ”g ，m o r e o v e lt h et e c h n i c sn o wa n dp u r j f y i u gm e t h o d so f t h i st a s kc a np r o v j d ea c a d e m i c 舀s tf o rp r a c t i c a l i yd i s p o s 8 lf o rm a k i n gc o a l 删n ed r a i n a g e a sd r i n “n gw a t e r f 远u r c1 6 ；t a b l c1 7 ；r c f c r c n c e6 1 k e y w o r d s ： m i n e d r a i n a g c ；“i l k i g w a t er ； z e o n t e ； c o a g u i a t i o n ；f i l i r a i i o n ； d j s i n f c c t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a i o g ：x 7 5 2 玎 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理工大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：盔鱼盂一日期：上型磊尘月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：磕f 丝益导师签名：写控弛日期：垫堑i ，鱼月笪日 引言 引言 我国是一个严重缺水的国家，淡水资源人均占有量2 7 0 0 m 3 ，只相当于世界人均 水量的1 4 ，居世界第8 8 位，被联合国列为世界上1 3 个贫水国家之一。目前，我国 水资源供需矛盾严重，在全国6 4 0 个城市中，缺水城市达3 0 0 多个，其中，严重缺水 的城市1 1 4 个，只缺水量1 6 1 0 7 i ；每年因缺水造成的直接经济损失达2 0 0 0 亿元，全 国每年因缺水少产粮食7 0 0 8 0 0 1 0 8 k 一2 1 。随着工农业生产的发展和人口的增加， 水资源缺乏问题将越来越突出。 唐山是一个用水量大、且缺水严重的城市，但每年却要排入环境大量的废水。 以煤炭行业为例，按每生产1 吨煤，排放0 7 1 o 吨废水来计算，仅开滦集团每年 排放矿井井下水达2 0 0 0 多万吨。在煤炭开采大量排放和破坏水资源的同时，矿区工 农业用水短缺却十分严重。水资源短缺已严重制约煤矿区经济发展和人民生活水平 的提高，它已成为制约唐山市经济发展的一个重要因素。 因此，加速矿井水资源的开发和利用，寻求先进而又经济可行的工艺和技术处 理矿井水作为生产和生活用水，己成为保证煤炭工业正常生产经营，实现可持续发 展的重要途径；是唐山市经济建设的需要，也是生态环境保护的需要，对煤矿企业 及周边地区的可持续发展具有重要的战略意义。 目前，开滦矿区矿井水的利用率比较低且处理后几乎均未达到饮用水标准，本 课题通过对开滦矿区矿井水的试验研究，确定最适宜的工艺流程，最适宜的处理方 法及试验处理装置，建立开滦矿区生产用水、生活饮用水的合理方案，从而降低成 本，争取使矿井水全部得到综合利用，满足矿区生产、生活饮用水水质、水量，并 为社会提供用水，缓解矿井周边工农业和生活用水的紧张局面，为实际生产提供可 靠的理论依据。 河北理j 人学硕十学位论文 1 文献综述 煤炭是我国的主要能源，占我国一次性能源消耗量的7 5 左右，这种以煤为主 的能源结构在今后相当长时期内不可能发生根本性变化。煤炭开采作为一种地下活 动，不可避免地对地下含水系统造成局部破坏和污染。据不完全统计，我国矿井年 总排水量在2 2 亿m 3 以上，而其利用率目前只有2 2 左右，水资源浪费十分惊人 【3 】。在煤炭开采大量排放和破坏水资源的同时，矿区工农业用水短缺却十分严重。 水资源短缺已严重制约煤矿区经济发展和人民生活水平的提高，它已成为制约唐山 市经济发展的一个重要因素。因此，加速矿井水资源的开发和利用，寻求先进而又 经济可行的工艺和技术处理矿井水作为生产和生活用水，已成为保证煤炭工业正常 生产经营，实现可持续发展的重要途径。 1 1 矿井水的特征和类型 矿井水是伴随煤炭资源开发进入矿井且必须排出的一种工业废水。它主要由伴 随矿井开采而产生的地表渗透水、岩石孔隙水、矿坑水、地下含水层的疏放水，以及 井下生产防尘、灌浆、充填污水组成【4 j ，其特性取决于成煤的地质环境和煤系地层 矿物的化学成分，其中井田水文地质条件及充水因素对矿井水的水质、水量有决定 性的影响。 我国矿井水主要含悬浮物和可溶性无机物，极少或不含有机物和可溶性毒物。 从矿井水资源化的角度，根据其物理化学性质，可将矿井水划分为洁净矿井水、含 悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和特殊污染型( 含微量元素或放射性 元素) 矿井水五种类型【3 j 。 1 洁净矿井水：一般是指奥灰水、砂岩裂隙水、第四纪冲积层及老空积水等。 主要分布在我国的东北、华北等地。 2 含悬浮物矿井水：是指除悬浮物、细菌及感官性状指标外，其它理化指标不 超过我国生活饮用水卫生标准的矿井水。 3 高矿化度矿井水：指的是溶解性总固体高于1 0 0 0 m l 的矿井水，其往往还 含有较高的悬浮物、细菌；感观性状指标般也不能达到生活饮用水的标淮。 4 酸性矿井水：是指p h 值小于6 0 的矿井水。酸性矿井水，除呈酸性外，还 含有较高的铁、悬浮物、细菌等。 2 l 文献综述 5 ，含特殊污染物的矿井水：主要有含氟水、含铁、锰及某些重金属离子( 如 铜、锌、铅) 水及含放射性元素水【5 一。 1 2 矿井水的处理利用现状 1 2 1 国外矿井水的处理及利用现状 国外煤矿都把处理矿井水作为环境保护工作的重点，而且认为矿山排水是煤炭 开采过程中的一种伴生资源而不是负担，矿井水愈大，盈利愈多，经济效益也就愈 大f _ 7 引。7 0 年代以来，开展了区域综合治理规划，寻求在环境整体上的最佳治理方 案，以达到经济上合理、技术上可行和环保上可靠的目标。经过多年的实践研究， 取得了较大的成绩。据统计，美国早在8 0 年代初期，煤矿井下水的利用率就达到 8 1 ，俄罗斯顿巴斯矿区1 9 8 8 年矿井水利用率就己超过9 0 【9 l a 俄罗斯的煤炭工业居世界领先地位，对矿井水的处理技术及其利用的研究起步 较早、成果显著，居世界领先地位。俄罗斯煤矿环僳研究院研制了用气浮法净化矿 井水，采用净化水部分循环工作方式，循环水在压力箱中剩余压力作用下充满空 气，较好地形成轻浮选剂【l 。俄罗斯采煤建井和劳动组织所研究的电絮凝法，是以 直流电通过金属电极处理矿井水，在电化学、电物理综合作用下，使矿井水杂质颗 粒、水和微气泡形成松散团粒，凝聚后漂浮在水面上，形成一层泡沫后用刮板排 除。此法可使杂质团粒的沉淀速度提高数倍，并对排除乳化于水中的石油产物和其 污染物有效。近年来主要进行了以下三个方面的工作： 1 矿井水进行初步的澄清和消毒后排入水体； 2 净化处理后作为洗煤厂和矿区综合防尘用水； 3 净化处理后作为矿区和城市的生活杂用水。 2 0 世纪8 0 年代前后，美国和一些欧洲国家先后开展了采用人工湿地处理矿井水 的实验研究【1 1 1 2 】，取得了一些可喜的成果，目前己逐步应用于生产，并收到了良好 的效果。此法具有投资省、运行费用低、易于管理等突出的优点【1 3 】，引起了人们的 极大兴趣。 目前，国外矿井水的主要用途有：选煤、水力运输、水采及水力充填用：俄罗 斯利用的矿井水有5 0 用于选煤；锅炉、冷却、灭尘用；生活饮用，这主要是利用从 排水钻孔中抽出的水；利用矿井水作热泵来调节建筑物室内温度。为此国外很多煤 f f l 重视矿井排出水和矿区各含水层的地下水水层以及处理方法和工艺的研究。如波 3 。 河北理_ _ l 人学硕士学位论文 兰上西里西亚煤田通过水质研究，根据用途不同把矿井水分为四类：生活用、工业 用、生产用和不能利用。并且提出不同的水质应用不同的管路从井下排出1 1 4 j 。 总之，世界上不少国家在矿井水的处理和利用方面，进行了广泛的研究和实 践，己取得了许多成果，积累了不少经验，但由于煤炭矿井水成份的复杂性和地域 的特点等因素，现有的处理与回用工艺技术还不够完善和成熟，有待进一步提高。 1 2 2 国内矿井水的处理及利用现状 早在解放前，我国的一些煤矿就注意矿井水的利用，例如将井下排水赢接用于 煤的洗选，或者经过自然沉淀、过滤后用于洗澡。解放后，一些煤矿在井下集取未 受污染的巷道水或井筒淋水以供矿区生活饮用。六十年代以后，我国与英国、日本 等国家的交往增加，煤矿开采技术有新的发展，水处理技术也在提高。一九六八年 北京给水排水设计院及北京煤矿设计院在大台煤矿进行了井下排水净化后供给生活 饮用水的试验研究，主要进行了混凝、沉淀、过滤及混凝、直接过滤试验。使出水 达到了饮用水标准【1 4 j 。 我国煤矿矿井水净化站大多是八十年代以后建立的，如大同、平顶山、徐州、 淮北等矿区的矿井水净化站u ”。到目前为止，我国煤矿己陆续建造了六十余座矿井 水处理站。净水工艺及方式上，一般都能做到因地制宜。但是我国煤矿矿井水的利 用率还很低，平均仅为2 2 。虽然我国有意识的矿井水综合利用起步较晚，但就目 前来说，随着各矿水资源的紧张，各矿区越来越重视矿井水不同程度的综合利用。 根据不同的情况，我国矿井水的综合利用现状如下： 1 矿井水不经处理直接利用。这种情况的前提条件是矿井水中不含有毒有害元 素，或含有少量，但不超过外排标准，只是悬浮物、细菌超标。 2 矿井水经过常规的混凝、沉淀和过滤处理，处理后或者供工业使用或者饮用 或者外排。这种情况下矿井水中必须不含有有毒有害元素( 或含量小于饮用标 准) ，p h 值接近中性、含盐量也不高。 3 矿井水必须首先进行特殊处理，才能进行常规处理，进一步处理为工业或饮 用水。这种情况是指对酸性矿井水的处理。酸性矿井水在我国分布较广，而且酸性 矿井水的危害较大，必须经过处理才能排放。 4 高矿化度矿井水的综合利用。只有少数几种工业用水能直接用高矿化度水。 在多数的情况下必须经过脱盐处理。脱盐处理之前必须经过常规处理去除大部分除 盐之外的污染物，才能进入脱盐设备。由于脱盐设备造价较高，运行费用也高，所 4 - 1 文献综述 以脱盐工序只是在淡水极度缺乏的矿区得到了应用。 随着经济增长和人们环保意识的提高，许多煤矿已将煤矿废水处理利用作为重 点指标纳入了考核体系和生产建设计划之中，加大了投资力度，科技人员研究丌发 了多种合理可行的煤矿废水处理利用技术，特别是在煤矿矿井水处理利用上发展较 快。据统计，目前全国矿井水外排达标率为8 5 ，但回收利用率仅为2 2 左右，山 西省也只有4 0 1 1 。因此，矿井水的资源化就显得更加重要。它既可以使污水变废 为宝，为我所用，缓解矿区供排水矛盾，又可以防止由矿井水的直接外排所造成的 环境污染，保护生态环境，保证矿区的可持续发展。 1 2 3 矿井水作为饮用水的研究现状 在我国，煤矿矿井水资源化的研究虽已有二三十年的历史，但矿井水经过处理 后达到饮用水标准的还较少。目前，我国煤矿矿井水净化后供生活饮用的水量仅5 x 1 0 5 m 3 d 。矿井水处理后一般都是作为井下用水、工业用水或f i 常生活用水，可借 鉴的经验较少，因此，将煤矿矿井水净化后作为饮用水，真正实现矿井水资源化， 对我国矿井水资源化的研究的进展有十分重要的意义。 矿井水处理后作为饮用水，在我国比较成功的是鲍店煤矿、杨村煤矿、平顶山 煤业集团、阜新矿区。兖州矿业( 集团) 公司鲍店煤矿于1 9 9 6 年投资5 0 0 多万元设 计实施了矿井水三级处理扩建工程，从日本引进了具有国际先进水平的迷宫斜板式 污水处理设备，使水质也得到了提高，达到了饮用水的标准。至此，这个矿达到了 每日处理1 3 1 0 4 m 3 矿井污水的能力【1 7 。 平顶山煤业( 集团) 公司通过对矿井水进行净化处理，走出了一条矿井水资源 化的道路，此举在全国煤炭系统处于领先位置。到目前，平煤集团共建成1 6 座矿井 水净化处理厂，每年有3 8 1 0 。7 m 3 的矿井水经过处理后达到生活饮用水标准，成为 矿区生产和生活的主要水源。经过多年的探索，平煤集团建立了以净化处理为主的 全面利用矿井水系统工程。矿井水净化处理后，水质达到生活饮用水卫生标准 要求。现在，二矿、：h 矿、十三矿等1 1 个生产矿都建成了矿井水净化处理厂，不仅 满足了这些单位的生产和生活用水，还让附近农村的农民也用1 了自来水【1 8 。 1 3 矿井水处理的基本方法 矿井水的处理不同于其它污水，由于有机污染物含量较少，处理过程较为简 单。为了最有效地净化矿井水，得到符合使用条件的水资源，必须在综合考虑技术 河北理一：大学硕十学位论文 经济指标及矿井水的类型和所含污染物的成份、工艺流程的特性、净化指标的要求 及最终用途的基础上，选择技术上可行、经济上合理、运行简单、稳定的净化工艺 流程。不论采用什么样的工艺流程，其流程中最基本的工艺单元是类似的。 1 3 1 矿井水处理的一般方法 中和、沉降、氧化、混凝、过滤、消毒和辅助处理七部分是普通矿井水处理最 常用的方法【1 9 捌。 1 中和 对于显酸性的矿井水，这是必不可少的一个单元。酸性矿井水可用任何碱性物 质中和，选用何种碱性物质，取决于价格、反应性、适用性、运输方便、产生的泥 状沉积物性质及所要求的净水质量。最常用的碱性物质是石灰或熟石灰，石灰对含 三价铁的矿井水处理效果最好( 可连带三价铁一起除掉) 【2 ”。 2 沉降 在矿井水处理过程中，悬浮固体的去除一般是靠重力沉降来实现的，这些单元 被称为沉降( 淀) 池。这是一种最经济实用的方法。沉降效果取决于池深、水在池 内停留时间和溢流率等因素。为了增强沉降效果，多在沉降池中投加石灰或石灰石 作为沉降剂。 3 氧化 氧化进行的方式有空气氧化、化学氧化、电解氧化三种。空气氧化主要是曝气 和充氧；化学氧化是利用氧化剂( 如高锰酸钾) 氧化水中污染物；电解氧化是指在 任何氧化一还原剂作用下( 不一定含氧) 发生的氧化作用。矿井水净化中主要用到 的是自然曝气充氧过程。在此过程中可降低c o d 、去除f c “。 4 混凝 矿井水混凝阶段所处理的对象主要是煤粉、岩粉等悬浮物及胶体杂质，它是矿 井水处理工艺中一个十分重要的环节。目前用于水处理的混凝剂种类很多，絮凝与 混凝的理论和工艺也发展的比较完善。为了增强凝聚效果，常常将助凝剂与其一起 投入所处理的矿井水中。助凝剂能形成较大絮体的内核，加速凝聚和沉降作用，但 投加助凝剂将加大污泥量。 5 过滤 在煤矿矿井水处理过程中，过滤一般是指以石英砂等粒状滤料层截留水中悬浮 杂质，从而使水获得澄清的工艺过程，它是去除浓度比较低的悬浊液中微小颗粒的 6 1 文献综述 一种有效方法，在矿井水处理中具有重要的作用。它不仅能迸一步降低水的浊度， 而且水中有机物、细菌乃至病毒等将随浊度的降低而被去除。至于残留于滤后水中 的细菌、病毒等在失去浑浊物的保护或依附时，在滤后消毒过程中也将容易被杀 灭，这就为滤后消毒创造了良好条件。所以，在矿井水处理成生活饮用水中，过滤 是不可缺少的，它是保证矿井水处理成生活饮用水卫生安全的重要措施。 目前常用的滤池有重力无阀滤池、虹吸滤池、移动罩滤池和压力滤池。 6 消毒 水的消毒处理一般是生活饮用水处理工艺中的最后一道工序。消毒的目的在于 杀灭水中的有害病原微生物( 病原菌、病毒等) ，防止水传染病的危害。其方法分 化学法和物理法两类。化学法是在水中投加化学药剂，如氯、臭氧、重金属、其它 氧化剂等。物理法是在水中不加药剂，而进行加热消毒、紫外线消毒等。在以煤矿 矿井水为生活水源水处理中，目前主要采用的是加氯消毒法。 7 辅助处理 在矿井水净化处理工艺中，各单元均产生大量的污泥，对这些污泥必须妥善处 理。一般采用板框式压滤机、自动清料间歇式压滤机、连续旋转压滤机等机具进行 固液分离处理。处理后的污泥，根据其成份特性，或做水泥原料、或做肥料、或做 煤泥燃料、或填埋处理。 1 _ 3 2 矿井水的深度处理 经初级处理后的矿井水仍可能有一些无机盐类、金属和有毒物质超标，达不到 用水标准，通常采取有针对性地增加一些深度处理单元【2 2 】，解决这一问题 1 高硬度、高矿化度的去除：对于暂时硬度( 碳酸盐类含量高) 的矿井水，可 采用石灰或石灰苏打灰软化法。在不需要彻底去除硬度的场合，该方法可将硬度降 低到8 0 1 0 0 m g ，l ，远低于生活饮用水标准。本方法的运行费用比电渗析法和离子 交换树脂法便宜得多，反应如下： 碳酸盐硬度： c a ( h c 0 3 ) 2 + c a ( 0 h ) 2 呻c a c 0 3 + h2 0 ( 1 ) 非碳酸盐硬度： m g ( h c 0 3 ) 2 + 2 c a ( 0 h ) 2 2 c a c 0 3 + m g ( o h ) 2l + h 2 0 ( 2 ) 对于永久硬度( 可溶性盐类含量高) 的矿井水采用膜分离技术或电磁法或蒸馏 法淡化处理。 7 河北理工大学硕士学位论文 2 除铁单元：初级处理后的铁、锰超标，可利用高锰酸钾处理池，去除铁、 锰。铁、锰的氧化速度随着水温升高，搅拌强度增加而加快，反应发生后，锰盐就 沉析出来，形成矾花沉淀并能网捕其他胶体物质。该方法还能漂白水，去除水中臭 味，并能去除9 0 的酚，是一种经济高效的处理单元【2 3 】。 此外，生物化学处理法处理含铁酸性水是目前国内外研究比较活跃的处理方 法。在美国、同本等国家已进行了实际应用。该方法的原理是利用氧化亚铁硫杆菌 r r h i o b a c i l l u sf e r r o o x i d a n s ) 在酸性条件下，将水中f f + 氧化成f e “，然后用石灰石再 进行中和，以实现酸性矿井水的中和及除铁。 3 脱硫单元：电渗析脱硫是一种成熟的技术，其它如离子交换法，反渗透法等 均可有效的去除硫酸盐，但其造价高，运行费用大、维护复杂、限制了它们的使用 和推广。生物法脱硫，对环境条件要求苛刻，限制了实际使用1 2 4 ，吲。 4 脱氟单元：对于氟含量高的矿井水可利用铝盐沉降法或石灰乳沉淀法除氟。 由于铝盐的处理效果受水的p h 值影响很大，且处理费用较高，一般很少使用。除 氟的主要方法是加入石灰，生成氟化钙沉淀而去除。反应如下： 2 h f + c a ( o 哪2 - c a f 2i + 2 h 2 0 ( 3 ) 1 - 3 _ 3 矿井水的高级处理 在矿井水资源化过程中，经过一般处理和深度处理，仍达不到用水标准可采用 更高级的处理单元来处理i 矧。主要有： 1 电渗析法( 简称e d ) 在直流电场的作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性( 与 膜电荷相反的离子透过膜，同名离子则被截留) ，把电介质从溶液中分离出来的一 种膜过程。电渗析法在我国已得到广泛的应用阶2 8 1 。 2 反渗透法( 简称r o ) 反渗透脱盐也是一种膜处理技术，由于其操作压力高，设备复杂，在系统运转 和设备维护上要求更加严格，因而反渗透脱盐技术目前在国内仍处于深入研究和试 用阶段。 3 离子交换法 借助于离子交换剂上的离子和水中的离子进行交换反应而除去水中有害离子的 方法。 4 蒸馏法 8 1 文献综述 加热废水，使水分子大量气化逸出，废水中的溶质被浓缩进一步回收利用，水 蒸汽冷凝后得到水的一种方法。 5 生物脱硝单元； 这些工艺，技术先进，脱除效率高，可成为矿井水终极处理方法。但一般来讲 这些高级处理单元往往是工程造价高、运行费用高，维护维修复杂，会使处理后的 矿井水成本增加。 矿井水的各种处理方法结合使用，合理选择工艺流程，能较好的去除水中的污 染物质，使井下排水达到利用水质的要求而得以利用。 1 4 矿井水处理存在的问题 煤矿区水污染问题是煤矿环境保护的一个突出问题。自1 9 8 7 年以来，煤矿企业 虽然加大环保投资，煤矿矿井水及废水处理利用每年达2 1 0 8 m 3 ，但从总体上来 晚，矿井水处理利用技术仍维持在较低水平，其主要原因如下： 1 处理方法不完善 从国内处理矿井水的情况来看，常规矿井水的处理方法均采用混凝、沉淀、过 滤、消毒工艺。该系统虽然具有技术成熟、工艺简单等优点，但它占地面积大，处 理微细悬浮物效率不高，不易实现自动化管理，缺乏成熟的与之配套的先进设备并 存在严重的煤泥二次污染问题。 2 资金短缺 水处理是一项耗资巨大的工程，一般要建一座废水处理站，少则二三十万元， 多则几百万元甚至上千万元，对经济条件不太好的煤矿来说投资兴建水处理站是很 难的。 3 依靠科技进步不足 环保工作是专业性、综合性、科学技术性很强的工作。我国绝大部分煤矿位于 农村，目前从事煤矿环保工作的管理人员有相当部分是从与环保没有关系的其他行 业转行的，受工作时间限制，无法抽出时问进行系统培训，再加上许多煤矿废水处 理工程有非煤炭系统单位承担，缺乏对煤矿生产情况的深入了解，导致一些煤矿废 水处理站建成后难以达到处理目标1 2 9 l 。 4 历史欠帐多 过去在计划经济体制下一些煤矿走生产一生活一环保的发展路子，采用劳动密 集型生产经营方式，国营煤矿多数简易投产，乡镇煤矿土法上马、手工生产，造成 9 河北理l ：大学硕士学位论文 人多、效率低、亏损大、污染严重等问题。近年来，虽然加大环保投资，但由于历 史欠帐太多，所以收效甚微例。 5 行业内部发展不平衡 总体上国有重点煤矿环保管理比较好，新污染源得到控制，老污染源逐步治 理，地方矿差一些，乡镇矿则是空白。我国国有重点煤矿、地方国营煤矿、乡镇集 体煤矿产量维持在3 9 1 8 4 3 的比例，从总体上造成了煤炭工业环境保护工作的艰巨 性和复杂性1 3 1 习。 1 5 课题研究的目的及意义 1 5 1 唐山市水资源概况及利用现状 唐山市淡水资源总量为2 6 2 6 1 0 9 m 3 ，人均水资源量为3 9 5 m 3 ，仅相当于全国 人均的1 9 1 1 0 。参照有关国际标准衡量，唐山市人均水资源量已降到危机线 5 m 3 以下。随着城市化速度的加快和工业的迅速发展，用水量在逐年增加。由 于水量严重不足，每年大量超采地下水满足工农业和城市生活用水需要，造成地下 水位下降，并出现三个较大漏斗区，漏斗区面积达3 1 9 3 1 0 9 m 2 ，区内水位下降最 高达3 0 m 以上。并且地下漏斗不断扩大，市区出现多处塌陷，水的矿化度增加，水 质恶化，给人们的生存环境造成极大危害【3 4 】。 唐【 j 市水资源短缺，供需矛盾十分尖锐。该市工业产业结构以煤炭、钢铁、水 泥、陶瓷、电力等行业为主，这些行业都是用水大户。因此，合理开发利用现有水 资源、节约地下水资源，解决唐山市严重缺水问题，是唐山市国民经济发展的关 键。 1 5 2 研究的目的 针对唐山市严重缺水、开滦矿区矿井水的利用率比较低且处理后几乎均未达到 饮用水标准的现状，进行煤矿井下水生产饮用水的试验研究。本课题研究的目的就 是通过对开滦矿区矿井水的试验研究，确定出最适宜的工艺流程；最适宜的处理方 法及试验处理装置；最佳药剂及各个处理单元的最佳工艺参数，以便降低成本，为 丌滦矿区建立生产用水、生活饮用水的合理方案提供理论依据，争取使矿井水全部 得到综合利用，满足矿区生产、生活饮用水水质、水量，并为社会提供用水，缓解 矿井周边工业和生活用水的紧张局面。 1 0 1 文献综述 1 5 3 研究的意义 我国煤矿矿井水的资源化利用率仅有2 2 左右，大量未经处理的矿井水直接排 放，不仅污染了环境，也造成矿井水水资源的大量浪费。因此，矿井水的再生利用 十分必要，它不仅可以减少废水排放量，免交排污费，而且节省大量自来水，节约 水资源费和提升电费，为矿区创造明显的经济效益；矿井水资源化开辟了新水源， 减少了淡水资源开采量；实现了“优质水优用，差质水差用”的原则，减轻或避免 长距离输水问题；解决矿区严重缺水状况，解决职工吃水难，用水难的问题，缓解 城市供水压力，也使水资源的利用更加经济合理。矿井水资源化将会减除矿井水对 地表水系的污染，堵住污染源，保护美化矿区环境，保护地表水资源，实现经济效 益、社会效益和环境效益的统一【3 5 1 。因此，矿井水资源化是解决煤矿缺水和矿井水 污染环境问题的最佳选择，有利于煤炭工业的可持续发展。 河北理j ：大学硕士学位论文 2 1 研究内容 2 研究内容与试验方案的确定 以开滦矿区赵各庄矿矿井水为例，根据矿并水处理目前存在的问题、唐山市水 资源概况及利用现状、课题研究的目的，确定试验的主要内容为： 1 通过现场凋研、实验室测定确定矿井水的水质，并对矿井水水质进行分析； 2 对不同矿井水的不同处理方法进行对比，针对所选取矿区的矿井水水质特 点，选择适宜、经济的试验方案； 3 进行混凝试验：对比各种药剂，选择最佳药剂及最佳投药量； 4 确定出适宜的沉淀时间； 5 自制过滤试验装置进行过滤试验：引入沸石滤料，选择合适的粒料级配，通 过活化处理改善其吸附性能，确定出过滤单元的各个最优参数； 6 选出适宜的消毒剂，确定出消毒剂的最佳用量： 7 进行全流程优化试验，结合以上试验结果，确定最佳工艺流程并进行经济核 算。 2 2 试验条件 2 2 1 试验用原水来源 试验用水取自开滦矿区赵各庄矿巷道排出的废水，其主要来源是煤层顶底板砂 岩裂隙水、奥陶系石灰岩岩溶裂隙水、老塘积水及地表渗漏水，属c 0 3 一c a 、m g 型水，其水质基本稳定，只是在雨后出水发黄。 2 2 2 试验仪器及设备 试验所用仪器设备如表1 所示。 1 2 2 研究内容与试验方案的确定 表1 试验仪器设备 ! ! ! ! ! ! 兰翌! 塑翌! ! 型! 理! ! ! ! 竺 仪器设备 型 号精度生产厂家 2 _ 3 试验方案的确定 2 3 1 原水水质分析及测定 试验所用水样取自赵各庄矿巷排出的废水，其水量主要由产煤量决定，虽然各 季不尽相同，但由于赵各庄地处半干旱地区，所以受季节的影响不大，其水质也就 基本稳定。由水的来源可以看出，巷道所排废水是很好的地下淡水，均为近中性、 低矿化度废水，基本不含有毒、有害物质，只是在采煤、掘进、开拓生产过程中溶 解混杂了一些矿物质、煤粉、岩粉及其它杂物，致使浊度、色度及细菌学指标等一 些常规指标超标。因此，处理后可作为生产、生活用水及饮用水。 根据原水水质分析，对原水水质作了一系列测定，主要的检测项目有：浊度、 色度、p h 值、高锰酸盐指数( c o d m 。) 、总硬度、细菌总数和大肠菌群数等。常规 分析及检验按照国家环保总局编写的水和废水监测分析方法( 第四版) 进行， 各指标的测定结果如表2 所示： 1 3 河北理：大学硕十学位论文 表2 试验用原水水质 一! ! 坐! 垒! ! ! i 壁垡! ! ! 竺! ! ! ! ! 竺堡! 序号检测项目单位 含量序号检测项目 单位含颦 1 可见物无 1 9 砷ml未检出 2 色度度1 82 0 镉 m l 术检山 3 浊度 n t u儿4 2 1 铬( 六价) n 唱l 未检出 4 温度 1 4 52 2 氰化物 m l朱检山 5 臭和味无2 3 氟化物m g 几朱检出 6 电导率 m v c m 7 82 4 铅 m l 0 0 5 7 氯化物m g l 1 3 5 1 72 5 汞 m g l未检出 8 铝 m g l o 0 22 6 硝酸盐( 以n 计)m l 4 f 3 1 9 铜m g l 0 0 62 7 总硬度( 以c a c 0 3 计) m g l 5 9 3 9 1 0 锌m g i 0 12 8 耗氧量( c 0 d m 。，以0 2 计) m l 8 0 4 1 1 铁m g l o 0 52 9 挥发酚( 以苯酚计) i 叫l 未检出 1 2 锰m g l 0 0 53 0 阴离子合成洗涤剂m lo 0 2 1 3p h 8 0 63 1 溶解性总固体m l5 0 9 1 4 硫酸盐 m g l 1 5 7 5 53 2 磷酸盐m g l0 0 0 0 7 1 5 硒 m g l n h 4 + k + n a + l i + b a 2 + m f + 【4 2 1 。 2 吸附性能 沸石的孔道结构使之具有很大的内表面积( 5 0 0 1 0 0 0 m ) ，因而能产生较大 的扩散力，故司用作出色的吸附剂。沸石晶格内部有很多大小均匀的孔穴和通道， 且尺寸固定、形状规则，孔穴之间通过开口的通道彼此相连，并与外界沟通。孔穴 和通道的体积占沸石晶体总体积的5 0 以上，因此与一般的固体相比，它的吸附量 特别大【。 一2 3 - 河北理t 大学硕士学位论文 选择性吸附是沸石吸附性能的一个重要特征。沸石内部的孔穴和通道，在一定 的物理化学条件下，具有精确而固定的直径，孔径小( 一般孔穴直径为6 1 5 a ，孔道 为3 1 1 a 1 ，小于这个直径的分子可进入孔穴，能被其吸附，而大于这个直径的分子 则被排除在外，沸石的这种吸附性能也被称为分子筛。与活性炭不同的是活性炭的 吸附力完全是色散力沸石的强吸附力是色散力和静电力加和产生的。沸石孔穴中阳 离子的存在给出一个强的局部电场。正是由于这种静电力的关系，使得沸石对极性 不饱和易极化分子具有优先的选择吸附作用。 天然沸石除具有上述性能外，还有良好的催化性能、热稳定性和耐酸性。 由于以上特点，沸石在废水中的应用一直是国内外环保工作者研究的重点，在 水处理工艺中常用作为吸附剂、离子交换剂和过滤剂。如天然沸石对废水中磷酸盐 和硫酸盐都有良好的去除效果：单组分磷酸盐溶液( 1 0 0 l ) 的去除效率最高可达 6 7 4 2 ，硫酸盐( 1 0 0 0 1 1 1 9 ，l ) 的去除效率最高可达2 0 以上【4 5 】。天然沸石或括化后 的沸石去除废水中的p b “、c p 、c d 2 + 等重金属离子，去除n n h 4 、有机污染物 i 卅，海水淡化【4 8 】以及废水脱色除臭4 9 j 0 1 等方