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全自动自清洗过滤器:煤矿矿井废水处理问题的分析与解决方法

[日期:2011-09-24] 来源:  作者: [字体: ]

    煤矿矿井水既是一种具有行业特点的污染源,又是一种宝贵的水资源。目前我国很多煤矿一方面严重缺水,另一方面未经处理直接外排,造成大量水资源的浪费,并且污染环境,在相当程度上制约了煤炭生产和矿区经济的可持续发展。因此,将煤矿矿井水处理后作为煤矿工业用水或生活用水,不仅解决了矿区缺水问题,而且充分利用了矿井水水资源,节省了地下水资源,具有明显经济、环境和社会效益。全自动自清洗过滤器矿井水处理技术在其它煤矿区应用,会有广阔的推广前景。

 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。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。

1、煤废水污染严重

据包括10多位院士在内的专家学者鉴定通过的一项课题研究表明,山西每年挖5亿吨煤,使12亿立方米的水资源受到破坏。这相当于山西省整个引黄河水入晋工程的总引水量。专家呼吁,应当从技术、人才、资金投入和经营机制等多方面解决这一世纪难题,帮助山西省等煤炭主产区摆脱“产煤致旱、因煤致渴”的困扰。

这项关于山西省煤炭产业可持续发展的研究表明,山西省采煤造成严重的水资源破坏,加剧了水资源短缺问题。这项课题研究表明,山西每挖1吨煤损耗2.48吨的水资源。每年挖5亿吨煤,使12亿立方米的水资源受到破坏。这相当于山西省整个引黄工程的总引水量。因此,这对于山西这个人均水资源量仅占全国平均水平不到五分之一的地区来说是个非常严重的问题。

目前,由于煤炭开采对地下水系破坏非常严重。据统计,山西采煤对水资源的破坏面积已达20352平方公里,占全省总面积的13%。山西省大部分农村人畜吃水靠煤系裂隙水,而煤矿开采恰好破坏了该层段的含水层。据统计,全省由于采煤排水引起矿区水位下降,导致泉水流量下降或断流,使近600万人及几十万头大牲畜饮水严重困难。

2、煤炭采掘业废水治理技术问题

99%的采煤项目废水没有进行治理,从主观上应该说是环保监管不力。从客观上说是我们环保部门对采煤项目废水治理技术持谨慎态度。采煤废水治理技术多如牛毛,那种技术最适用、工艺最成熟、操作管理最方便、投资最省、运行费用最低,一直是我们环保部门在寻求的。由于采煤废水复杂多变,在同一矿井废水中,同时含有铁、锰等重金属,硫、氟、氯等非金属及有机污染物和悬浮物,有的矿井废水呈弱酸性(如织金县珠藏、凤凰山等),再就是即使是同一矿井,所采层不同,废水性质也不同,甚至是差别很大。这就给煤矿废水治理技术的选用带来很大的困难。通常情况是某一技术只能有效处理某一污染物,不可能把所有超标的污染物都处理好。一个煤矿不可能投入很多资金对污染物进行单项处理,这就是采煤废水治理在技术上的难点。有的业主自行修了一两个池子,把矿井废水往池子一放,就是对废水进行处理了。事实上不是这样简单,可能连悬浮物也处理不了,金属和非金属就更不可能处理了。

3、煤矿废水处理要求

    1.1煤矿废水包括矿井涌水、煤场和矸石场淋溶废水等。在进行处理前,应先委托地区环境监测站进行监测,以监测资料作为废水处理工程设计的依据。DFMC煤矿废水治理技术和成套设备是目前经实践证明的实用技术,50万吨以下、小时涌水量50m3以下的煤矿可采用此技术和设备。对于酸性煤矿废水还需新增设备和药剂。煤矿废水经处理达标后尽可能循环使用,循环使用率不低于50%,经处理后排放的废水列为总量控制指标进行考核。

    1.2新建煤矿必须执行“三同时”规定,试产三个月必须申请地区环保局验收,验收达标的发给排污许可证,不达标的停产治理。

  1.3原有煤矿分期分批进行治理,2005年50%左右的原有煤矿治理完工并通过达标验收。列入家2005年治理计划的煤矿不治理的,依法予以处罚;治理不达标的,停产治理。治理计划由各县市环保局商煤炭局提出,报地区环保局综合平衡后以治理计划下达执行。

表1 某A煤矿废水处理监测结果 单位:mg/l

 指数

 排放 

标准

 处理前

浓度

 超标倍数(倍)

 处理后

浓度

 比排放标准低(%)

悬浮物

 70

 258

 2.7

 11.5

 83.6

 1

 2.58

 1.6

 0.68

 32

 

硫化物

 1

 2.8

 1.8

 0.5

 50

COD

 100

 281.9

 1.8

 7

 93

 

 2

 0.13

 未超标

 0.1

表2某B煤矿废水处理监测结果单位:mg/ l

指标

 排放

标准

 处理前

浓度

 超标 倍数 (倍)

 处理后

浓度

 比排放标准低(%)

悬浮物

 70

 318

 3.5

 4.5

 93.6 

 1

 2.28

 1.3

 0.74

 26

硫化物

 1

 3.21

 2.2

 0.5

 50

COD

 100

 228.4

 1.3

 18.8

 81.2

 2

 0.37

 未超标

 0.18

  1.4、煤矿废水中铁含量高,如浓度大于100mg/l,其处理设备投资和运行费用将要增加。因为铁含量过高,要达到1mg/l的排放标准,一级除铁是不行的,必须三至四级除铁。

    1.5、酸度高的煤矿废水应使达标(6~9)。

  1.6、煤矿要对煤场、矸石场进行硬化处理,建导流沟,把因大气降水产生的这一部分淋溶水引入废水处理系统进行处理。

    1.7、 预防事故和自然因素引起的非正常排放

    为预防因降暴雨致使废水次理池溢流,工程设计必须考虑废水处理池有足够的容积。为防止事故性排放,必须建事故调节池。四、煤矿生活废水处理要求洗煤厂和煤矿生活废水处理采用深圳开发研制的微型生活废水处理装置进行处理。生活废水经处理达标后可排放。五、煤矿废水治理技术选用

  实践证明是可行的 DFMC煤矿废水治理技术和成套设备可选用。未经试点的技术只能试点,不能推广。经试点并由A地区环境监测站监测、提出监测报告,从治理效果、投资、运行费用等全面评价后由地区环保局决定是否推广。

二、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,通常采用混凝沉淀再经水过滤器过滤处理技术;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。  

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。某矿区M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。

M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

 5.600~5.854

2

 PH值

 8.41~8.55

 10

 砷(ng/L)

 3.4~5.2

3

 CODcr

 66.4~131.7

 11

 总磷

 0.085~0.104

4

 硫化物

 1.09~1.67

 12

 粪大肠菌

 260~393

5

 悬浮物

 360~500

 13

 铜

 0.0207~0.0294

6

 酚

 0.006~0.051

 14

 铅

7

 BOD5

 14.10~24.73

 15

 镉

8

 LAS

 0.198~0.220

 16

 锌

 0.0381~0.0407

  通过网络调查和资料查找,收集了多年来某矿区有关矿井水和地下水的化验数据资料,以及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:

  a、防尘洒水《煤矿工业矿井设计规范》(GB50215-94)

  SS≤150mg/L,粒径d<0.3mm;PH值为6~9;大肠菌群≤3个/L。

b、空压机、液压支柱用水水质SS≤10~200mg/L,粒径d <0.15mm;硬度(碳酸盐)2~7mg/L;pH值为6.5~9;浊度<20。

  c、矿井洗浴水水质达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)的Ⅲ类水体标准。

  d、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

  从上表可知,M煤矿矿井废水处理工程的设计处理能力为800~1000m3/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800~2000m2/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4~15m/h,接触时间一般不大于30~60min。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。(由于今年多发纯净水,桶装水污染事件水过滤消毒中超声波紫外线杀菌器逐步取代化学药剂消毒)

六、处理工艺特点

  1、以上可知A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GJW-WS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GJW-WS型系列产品均置于地面安装。

2、运行中应注意的问题

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、矿井废水处理回用工艺的比较

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]。

1.1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。

1.2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。

1.3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]。

1.4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。

1.5 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

(全自动自清洗过滤器+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

 全自动自清洗过滤器

 

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

 全自动过滤器

 保安过滤器

 

9

 保安过滤器(超声波全自动反冲洗过滤器)

 活性碳过滤器

 高压泵

 

10

 高压泵

 全自动反冲洗过滤器

 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

 由于传统的化学水处理消毒方法有很多弊端,容易化学药不够量或者药物残留对机械和人造成不利影响,超声波紫外线杀菌器污水处理消毒装置逐步的替代了化学消毒。矿井水净化处理后作为生产和生活用水可以减少地下深井水的开采量,节约地下水资源,保护矿区地下水和地表水的自然平衡;可以解决过度开采地下深井水带来的环境问题,避免因污染引起的与当地农民的纠纷,从而可促进工农关系,也有利于当地经济的发展;可以解决矿区用水量日益增加和水资源越来越短缺的矛盾,保证煤矿企业的正常生产和经营,提高煤矿企业的综合效益,促进矿区的可持续发展。因而也有较好的社会效益。

 

 

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