煤矿矿井废水处理回用工艺比较研究.doc

煤矿矿井废水处理回用工艺比较研究 我国人口众多，淡水资源时空分布不均匀，水资源和社会经济发展不均衡；人口的不断增长又使水资源需求量逐年上升，工业的快速发展使水污染愈加严重，因此造成水资源缺短和水环境污染现象日趋严峻。目前，我国水资源供需矛盾比较突出，全国有300多个城市缺水，其中有114个城市严重缺水。21世纪我国水资源供需形势非常严峻，水资源危机将成为所有资源问题中最为严惩的问题。要解决这一难题，除水资源的科学管理和优化配量之外，充分发挥高新科技手段在水资源利用中的作用也是十分关键的。近年来，我国每年排污水量约400-500亿M3，经处理后排放的仅15-25%，由于污水到处横流，使我国各大水源都产生不同程度的污染，水环境严重恶化4。所以，加强污水深度治理，使之不仅达标排放而且还可大量回用，非常必要，这对改善水环境、缓解水资源的不足，节约宝贵的水资源都是十分重要的。城市及工业污水经过深度处理后可用于农业灌溉、工业生产、城市景观、市政绿化、生活杂用、地下水回灌和补充地表水等方面的应用8。传统水处理技术能够消除部分污染物，将COD、BOD以及重金融等污染物指标降到安全排放标准或杂用（中水）标准，但无法完全消除排水中所含的微量溶解性污染物。采用反渗透膜技术可彻底去除这些污染物，实现严格意义下的污水再生。用传统处理工艺和膜技术集成，可将污水或废水变成不同水质标准的回用水，或使之循环回用，这样即缓解了供求矛盾，又减少了污染，还可促进环保产业的发展6。1 污水废水资源化技术及应用简介水环境质量的严重恶化和经济的高速发展，迫切要求有相应的污水废水资源化的技术。在这一领域中膜分离技术占有重要的位置和作用。膜分离作为一项高新技术在近40年来迅速发展成为产业化的高效节能分离技术过程。40多年，电渗析、反渗透、微滤、超滤、纳滤、渗透汽化，膜接触和膜反应过程相继发展起来，在能源、电子、石化、医药卫生、化工、轻工、食品、饮料行业和日常生活及环保领域等均获得广泛的应用，产生了显著的经济和社会效益。社会的需求使膜技术应允而生，也是社会的需求促使膜技术迅速发展，使膜技术不断创新、技术进步，完善，成为单元操作，成为集成过程中的关键1 9。11连续膜过滤技术（CMC）中空纤维膜由于比表面积大，膜组件的装填密度大，所以设备紧凑；这种膜因纺制而成，工艺简单，所以生产成本一般低于其它的膜：由于没有支撑层均可以反向清洗，特别是一些耐污染性好，对氧化性清洗剂耐受性好的膜的出现，使得在大规模的污水处理工程中，中空纤维膜的应用有独特的优势1 7。CMF技术的核心是高抗污染膜以及与之相配合的膜清洗技术，可以实现对膜的不停机在线清洗清洗，从而做到对料液不间断连续处理，保证设备的连续高效运行。CMF目前主要用于大型城市污水处理厂二沉池生水的深度处理回用，海水淡化或大型反渗透系统的预处理。地表水地下水净化、饮料澄清除浊等。12膜生物反应器（MBR）膜生物反应器是膜分离技术和生物技术结合的新工艺。用在污水废水处理领域，利用膜件进行固液分离，截留的污泥或杂质回流至（或保留）在生物反应器中，处理的清水透过膜排水，构成了污水处理的膜生物反应器系统，膜组件的作用相当于传统污水生物处理系统中的二沉池4。MBR中使用的膜有平板膜、管式膜和中空纤维膜，目前主要以中空纤维膜为主。生活污水经MBR处理后，生水水源已达到很高的水标准。此方法不仅限于处理生活污水，MBR技术也广泛地用于染色废水，洗毛废水、肉类加工污水等水处理系统。MBR系统的另一个特点是规模可大可小，小装置可用于一个家庭，大型装置日处理量可达数万立方米。13反渗透技术（RO）反渗透技术是20世纪60年代初发展起来的以压力为驱动力的膜分离技术。该技术是从海水、苦咸水淡化而发展起来的，通常称为“淡化技术”。由于反渗透技术具有无相变，组件化、流程简单，操作方便，占面积小、投资少，耗能低等优点，发展十分迅速。RO技术已广泛用于海水、苦咸水淡化，纯水、超纯水制备，化工分离、浓缩、提纯，废水资源化等领域。工程遍布电力、电子、化工、轻工、煤炭、环保、医药、食品等行业。废水资源化是有开发增量淡水资源与保护环境双重目的。无机系列废水处理与海水苦咸水淡化采用同类装并具有较多共性工艺技术。RO可使废液中的铜、铅、汞、镍、锑、铍、砷、铬、硒、铵、锌等离子脱除除90-99%。目前，反渗透技术在城市污水深度处理，一些工业废水深度处理方面的应用受到了高度重视，包括中水回用，污水处理厂二级出水的深度处理，经初级处理后的工业废水深度处理制取优质淡水。中东不少缺水国家，在大量采用反渗透海水淡化技术的同时，引入反渗透技技术处理二级污水，出水水质可达TDS 80mg/L，扩大了淡水资源。如中东地区、澳大利亚、新加坡等国都有这方面的大型工程实例9。14集成膜过程污水深度处理方法集成膜过程是将超滤/微滤与反渗透（或纳滤）结合使用，形成能够满足各咱回用目的的污水深度处理工艺。超滤、微滤可以作为独立的高级三级处理方法，也是反渗透过程理想的预处理工艺，抗污染能力强、性能优越的超滤、微滤单元代替了复杂的传统处理工艺，而且出水品质远高于三级出水指标，不但完全可以去除污水中的细菌和悬浮物，对COD、BOD也有一定的却除效果。在超滤、微滤之后使用的反渗透膜，其清洗周期由采用传统预处理工艺的3-4周增加到半年以上，膜寿命可延长到达-6年。膜集成污水再生工艺具有系统稳定、维护少、占地小、化学品用量少、流程简单和运行费用低等优点。新一代中空纤维超滤（微滤）膜与传统产品相比，具有机械强度高、抗氧化、抗污染、高通量等特点，在运行工艺上，采用了低压操作、反冲清洗、气水冲洗等新技术，使得超滤膜装置能够在污染倾向极强的污水介质中保持稳定的性能，超滤膜的使用范围因此扩展到了能适应于多种复杂的介质环境，同时大大扩展了反渗透技术的应用范围，新一代的超滤膜及其系统应用技术的应用范围，新一代的超滤膜及其系统应用技术将膜技术带到了一个全新的时代，彻底改变了膜法水处理技术必须依托于复杂、精细的预处理系统的形象，使膜技术应用于二级出水、三级出水以及多种原废水等许多复杂的水质体系的深度处理。15 传统处理方法传统污水三级处理工艺，主要的工艺单元有石灰澄清、重碳酸化、絮凝、沉降、过滤和气浮等。根据具体污水排入物质的成分的不同，处理方式有所差异。传统处理工艺存在着工艺复杂、水利用率低、化学品消耗量大的弊病，而且由于无法彻底去除生物絮体及胶体物质，致使清洗频繁，影响了出水水质。2 矿井废水处理回用工艺比较 序号方案1设备（常规预处理+RO工艺）方案1设备（盘式过滤器+RO工艺）方案3设备（UF+RO膜组合工艺）1混凝剂加药装置混凝剂加药装置混凝剂加药装置2次氯酸钠加药装置次氯酸钠加药装置次氯酸钠加药装置3还原剂加药装置还原剂加药装置还原剂加药装置4加酸装置加酸装置加酸装置5阻垢剂加药装置阻垢剂加药装置阻垢剂加药装置6膜杀菌剂加药装置膜杀菌剂加药装置全自动盘式过滤器7多介质过滤器综合净水器全自动超滤装置8活性碳过滤器全自动盘式过滤器保安过滤器9保安过滤器活性碳过滤器高压泵10高压泵保安过滤器反渗透装置11反渗透装置高压泵清洗装置12清洗装置反渗透装置控制系统13控制系统清洗装置 14 控制系统 3 矿井废水处理回用工艺经济分析比较序号项目方案1(元/吨)方案2(元/吨)方案3(元/吨)1反渗透膜组件的更换费用0.380.190382超滤膜组件的更换费用 0.13 3耗电量0.630.630634混凝剂的费用0.120.120125次氯酸钠的费用0.070.070.076还原剂的费用0.100.100.107加酸的费用0.020.020.028阻垢剂的费用0.3750.3750.3759膜杀菌剂的费用0.1 0.110反渗透膜清洗酸碱费用0.010.0100111超滤膜清洗酸碱费用 0.01 12设备折旧费用0.370.303113设备维修保养费用0.040.0500414预处理费用0.10.0501015系统操作人工费0.10.10116滤芯的更换费用0.050.0500517系统总投资116.2万元111万元101万元18综合运行费用2.4652.1852.4054 结论（1） 煤矿矿井废水处理回用的综合运行费用为：2.185-2.465元/吨。其中膜法的处理费用最低为:2.185元/吨。这样的价格对干旱缺水的西北地区是很有吸引力的。 （2）用膜法处理煤矿矿井废水并回用在技术上是完全可靠的，国内外都有成功经验。（3）随着工业的快速发展，水资源的污染日益严重，缺水现象会越来越严重，工业废水的回收利用将会提到议事日程。（4）从环境保护方面讲，对矿井废水进行回收再利用具有非常重要的环境意义。（5）对矿井废水进行回收再利用，不但可以减少废水排放量，又可以使废水资源化，应该说，它是一种水资源再生的希望方法，也是我国实现水资源可持续利用的有效途径之一。（6）膜法处理煤矿矿井废水并回用，不但在技术上和经济上都是可行的，经济和环境效益都非常显著。煤矿矿井废水处理中混凝沉淀过滤技术的应用一、 概述煤炭在我国能源结构中占70以上，煤炭开采过程中排放大量废水，若不经处理直接排放，势必对环境造成严重污染，同时造成水资源的大量浪费，无法实现循环经济的目标。据统计我国40的矿区严重缺水，已制约了煤炭生产的发展。西北矿区多处于山区，水资源更为缺乏，地表水又多为间歇性河流，枯洪水季节流量相当悬殊，常年流量稀释能力差，排入河流的污水造成严重污染。甘肃华亭矿区是我国十三个重要能源基地之一，上世纪八十年代，拥有很好的水生态环境，水资源较充沛，地表水系水质也较好，基本上保证了当地居民的正常生活和工农业生产用水。但随着华亭矿区对煤炭资源大规模的开发，地下水严重超采，地下水为大幅下降，地表水系全面污染，五大河流（黄河二级支流泾河）的中下游河段几乎全年都是浊流、黑水。因此，开发、管理、利用好煤矿水资源，对煤炭工业可持续发展具有重要意义。矿井废水经治理后综合利用，对矿区与华亭地区乃至甘肃省经济的发展起到至关重要的作用。二、矿井废水主要处理技术我国煤矿矿井水处理技术起始于上世纪70年代末，大多污水治理工作都只停留在为排放而治理。然而回用才是当今污水治理发展的必然趋势，将防治污染和回用结合起来，既可缓解水源供需矛盾，又可减轻地表水体受到污染。现国内使用的处理技术主要有：沉淀、混凝沉淀、混凝沉淀过滤等。处理后直接排放的矿井水，通常采用沉淀或混凝沉淀处理技术；处理后作为生产用水或其它用水的，通常采用混凝沉淀过滤处理技术；处理后作为生活用水，过滤后必须再经过除酚等对人体有害物质及消毒处理；有些含悬浮物的矿井水含盐量较高 ，处理后作为生活饮用水还必须在净化后再经过淡化处理。本文主要介绍混凝沉淀过滤法处理煤矿矿井废水。由甘肃经纬环境工程技术有限公司负责设计、加工的设备为GJWWS型，华亭煤业集团新柏煤矿等三对大型矿井废水处理站，都成功的应用了该项处理技术，并取得了良好的处理效果。三、矿井水处理回用的条件1、矿井废水的产生及特点煤矿矿井废水包括：煤炭开采过程中地下地质性涌渗水到巷道为安全生产而排出的自然地下水，井下采煤生产过程中洒水、降尘、灭火灌浆、消防及液压设备产生的含煤尘废水。因此，它既具有地下水特征，但又受到人为污染。矿井废水的特性取决于成煤的地质环境和煤系低层的矿物化学成分，其中井田水文地质条件及充水因素对于矿井开采过程矿井废水的水质、水量有决定性的影响。因此，对矿井废水处理要考虑开采过程中水质、水量的变化。华亭矿区新柏煤矿矿井废水水质取矿井正常排水时井口水样，结果见表1。新柏煤矿矿井废水污染物监测表表1 单位：mg/L序号监测项目日均值浓度范围序号监测项目日均值浓度范围1肉眼可见物微粒悬浮物9总氮5.6005.8542PH值8.418.5510砷(ng/L)3.45.23CODcr66.4131.711总磷0.0850.1044硫化物1.091.6712粪大肠菌2603935悬浮物36050013铜0.02070.02946酚0.0060.05114铅-7BOD514.1024.7315镉-8LAS0.1980.22016锌0.03810.0407通过现场调查和资料查找，收集了多年来华亭矿区有关矿井水和地下水的化验数据资料，以及平凉市环境监测站监测数据（表1）综合分析，该煤矿矿井废水含煤泥为主要悬浮物，有机物略有超标，粪大肠菌群超标，挥发酚超标。2、矿井废水回用途径煤矿矿井水处理后可作生产用水或生活用水，矿井生产用水主要是井下采掘设备液压用水、消防降尘洒水，生活用水主要是冲厕、洗浴水以及深度处理后用于饮用水。水质标准分别为：1、防尘洒水煤矿工业矿井设计规范（GB5021594）SS150mg/L，粒径d0.3mm；PH值为69；大肠菌群3个/L。2、空压机、液压支柱用水水质SS10200mg/L，粒径d 0.15mm；硬度（碳酸盐）27mg/L；pH值为6.59；浊度20。3、矿井洗浴水水质达到地表水环境质量标准（GB3838-2002）的类水体标准。4、中水水质达到生活杂用水水质标准（CJ/T 48-1999）。5、生活饮用水达到生活饮用水卫生标准（GB5749-85）。四、处理工艺新柏煤矿矿井废水处理工程的设计处理能力为8001000m3/d，处理后作为生产和生活用水，采用混凝反应、过滤、活性炭吸附及消毒工艺，流程见图1。图1矿井废水处理工艺流程矿井废水由井下排水泵提升至灌浆水池，部分用于黄泥灌浆，其余废水自流进入曝气池，气浮除油后进入斜板沉淀池进行初步沉淀，由提升泵提升进入混凝沉淀设备，同时加入混凝剂，经过斜管沉淀后，将絮状物沉淀到底部而被去除，清水从上部溢流出水自流进入砂滤罐，出水自流进入清水池，清水池前投加二氧化氯进行杀菌消毒。砂滤罐的反冲冼水自流进入污泥池，上清液自流进入曝气池，以提高矿井废水资源的利用率。出水若用作生活用水，则砂滤罐出水进入活性炭吸附装置处理后流入清水池用作生活用水。五、主要处理单元1、预沉池曝气矿井废水中含有少量的有机物，通过曝气接触氧化去除废水中的有机物。另外，井下液压支柱等设备产生少量油类，通过气浮除油，使废水中油类达标。2、混凝沉淀煤矿矿井水主要污染物为悬浮物，处理悬浮物主要采用混凝沉淀法，用铝盐或铁盐做混凝剂，混凝剂混合方式采用管道混合器混合。混凝沉淀装置采用倒喇叭口作为反应区，水流在反应区中流速逐渐降低，使废水和混凝剂药液的反应在反应器中逐渐全部完成。完全反应的废水流出反应区后开始形成混凝状物质，经过布水区进入斜管填料，由于斜管填料采用PVC六角峰窝状填料，利用多层多格浅层沉淀，提高了沉淀效率。将絮状物沉淀到底部而被去除，清水从上部溢流排出。3、砂滤净化矿井废水经混凝沉淀后，水中还含有较小颗粒的悬浮物和胶体，利用砂滤设备将悬浮颗粒和胶体截留在滤料的表面和内部空隙中，它是混凝沉淀装置的后处理过程，同时也是活性炭吸附深度处理过程的预处理。砂滤罐为重力式无阀滤池，采用自动虹吸原理达到反冲洗，不需要人工单独管理，操作简便，管理和维护方便。砂滤罐通常采用不同等级的石英砂多层滤料。4、活性炭吸附该煤矿矿井废水主要含有挥发酚，酚类属于高毒物质，它可以通过皮肤、粘膜、口腔进入人体内，低浓度可使细胞蛋白变性，高浓度可使蛋白质沉淀。长期饮用被酚污染的水源，会引起蛋白质变性和凝固，引起头晕、出疹、贫血及各种神经症状，甚至中毒。处理中水用作生活饮用水，必须用活性炭吸附装置处理。活性炭的比表面积可达8002000m2/g，具有很强的吸附能力。该装置采用连续式固定床吸附操作方式，活性炭吸附剂总厚度达3.5m，废水从上向下过滤，过滤速度在415m/h，接触时间一般不大于3060min。随着运行时间的推移，活性炭吸附了大量的吸附质，达到饱和丧失吸附能力，活性炭需更换或再生。5、消毒废水中含有一定的病菌、大肠菌群，处理后回用于洗浴时，若不经过消毒，对人体皮肤伤害严重。所以矿井废水处理后作为生活用水必须经过消毒处理，本工艺采用二氧化氯消毒，现场用盐酸和氯酸钠反应产生二氧化氯，二氧化氯无毒、稳定、高效、杀菌能力是氯的5倍以上。六、处理工艺特点1、华亭矿区新柏煤矿矿井废水处理工程是根据矿井水水质特点确定工艺技术参数，采用一次提升到混凝沉淀装置，再自流进入后续各处理构筑物，出水水质稳定可靠，动力设备较少，能耗较低。2、采用混凝沉淀装置与砂滤罐相结合的工艺技术，主要处理构筑物采用组合式钢结构，具有占地面积小、使用寿命长、工程投资省、工艺简单、操作管理方便、运行成本低等特点。砂滤罐设计采用重力式无阀滤池，反冲洗完全自动，操作管理方便。3、该煤矿矿井废水处理系统实现了自动加药、自动反冲洗的全过程监控，包括电控系统、上位监控系统和仪表检测系统。仪表检测系统包括加药流量、处理流量 、水池液位和加药箱液位、进水和出水浊度等连续自动检测。七、设备安装运行调试中的问题1、安装环境设计并实施的设备体积不能太大，若体积太大不便于运输，也不利于废水的均匀分配，故GJWWS型系列污水设备的设计采用模块式组合。设备置于地面建筑物内，易于控制、管理，操作简单。设备埋于地下不易观察，不便于检修，对配套设备的质量要求高，故除特殊要求外，一般GJWWS型系列产品均置于地面安装。2、运行中应注意的问题混凝剂发挥混凝作用的是各种形态的水解聚合物，在水解过程中不断产生H+必将使水的pH值下降。当原水中碱度不足或混凝剂投加量较大时，水的pH值将大幅度下降，影响混凝效果。此时，应投加石灰或重碳酸钠以保持水中pH值。水温对混凝效果有明显的影响，当水温低于5时，混凝剂水解速度非常缓慢，处理效率降低。混凝剂的投加时计量设备采用电磁流量计，可以随时调节投加量。混凝剂的投加量过大或水温低，混凝剂粘度大，不利于胶粒相互絮凝，影响混凝剂的混凝效果。八、效益分析1、经济效益分析该煤矿矿井水处理工程实施之前，全矿生产和生活用水主要靠抽取地下深井水，抽取地下水成本为1.6元/m3，煤矿矿井废水外排，吨水排污费为0.30元/m3。矿井水处理工程实施以后每年可处理回用的矿井水量为30104 m3/a，年处理回用矿井水