陜西中科博宇環??萍加邢薰?/p>
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一、高懸浮物礦井水科研課題的背景與意義
水資源危機是21世紀人類面臨的最嚴峻的問題之一。而煤炭是我國重要的基礎能源和原料,在國民經濟中具有重要的戰略地位,在我國一次能源結構中,煤炭占到70%以上。在我國,煤炭生產以地下開采為主,為了確保井下安全,必須排除大量的礦井水。據統計我國每年礦井水排放量高達45億m3,約占整個采礦業(有色冶金、黃金、化工等礦山)的80%,而利用率僅為43.8%。其中大部分礦井水未經處理就直接排放到江河湖泊,造成嚴重的環境污染,從而也加重了水資源的短缺問題,已影響到我國煤炭工業的進一步發展。據統計,全國約有70%的礦區面臨缺水,有40%的煤礦嚴重缺水,國有煤礦缺水達69~86萬m3/d,其中生活用水缺33~60萬m3/d。煤礦排出的礦井水水質差異非常大,少量礦井水質較好,無需處理,即可達到飲用水標準。目前,全國有70%的煤礦缺水,其中40%的煤礦嚴重缺水。由于水資源的嚴重不足,影響了我國煤炭工業的進一步發展。事實證明,礦井水資源化利用,不僅是推行煤炭行業清潔生產、發展循環經濟的主要內容,也是煤炭生產持續發展的需要。據相關資料顯示,2005年,全國煤礦礦井涌水量約為45.4億m3,噸煤涌水量平均為2.07m3,利用率為43.8%。但大量的礦井水受水文地質及采煤過程的影響,含有大量懸浮物、高礦化度、顯酸性、甚至含重金屬離子,有的還含氟、有機污染物和放射性物質等污染物,這些礦井水污染程度低,資源化相對容易,成本較低,經處理后有多方面的用途。因此礦井水的資源化對于緩解礦區面臨的資源和環境問題,提高人民生活質量,實現礦區的科學發展具有重要戰略意義。
二、高懸浮物礦井水科研課題的設計與過程
(一)科研課題的理論與基礎
1、高懸浮物礦井水的來源
(1)采礦污水:主要來源于采礦過程中,鑿巖、爆破灑水、液壓支柱等設備排水和巷道降塵灑水等工序產生的污水。井下液壓支柱等設備會產生少量油類。
(2)井下涌水:主要來源于礦井開采過程中產生的地表滲透水、巖石孔隙水、礦坑水、地下含水層的疏放水等,煤礦礦井的井下涌水水質成份較為簡單,水體較為干凈,主要污染物為煤粉塵懸浮物(SS)。
對于高懸浮物礦井水在我國北方礦區分布較廣,如平頂山、焦作、開灤、峰峰、邯鄲、及華東、東北部分礦井的礦井排水多屬該類水質。對這類礦井水從處理技術來說不成問題, 只要采取常規的混凝、沉淀、過濾、消毒工藝,即可使出水水質達到飲用水標準要求, 關鍵是如何根據懸浮物含量的高低、水量的大小選擇合理的凈水設備,簡化工藝,以便經濟地實現礦井水資源化。對于這類礦井水由于比較容易處理,處理成本也較低,是目前礦區凈化利用最普遍的一類礦井水。
2、高懸浮物礦井水的水質特點
(1)懸浮物含量很不穩定,懸浮物濃度差異很大。
含懸浮物礦井水中,懸浮物含量為每升幾十至幾百毫克,有時超過2000毫克。且在井下水清倉時,懸浮物含量有時每升高峰值可達上萬毫克,所以在處理過程中需考慮較好的耐負荷沖擊能力和通暢的排泥系統。
礦井水中懸浮物的主要成分是煤粉和巖粉,盡管有時礦井水懸浮物不算很高,可黑色卻十分明顯,感官性狀很差。
(2)懸浮物粒度小、比重輕、沉降速度慢。
礦井水中懸浮顆粒直徑較小,平均只有2-8μm,總懸浮物中約85%以上的粒徑在50μm以下。煤粉的平均密度一般只有1.3-1.5g/cm3,遠遠小于地表水系中泥砂顆粒物的平均密度2.4-2.6g/cm3。
(3)混凝過程中礬花形成困難,混凝沉降比地表水系中泥砂顆粒的效果差一些。
礦井水中懸浮固體物質多為有機物(煤粉)和無機物(巖粉)的復合體,且不同煤化階段的煤分子結構大不相同,煤粒表面所帶電荷數量也不相同,因而其親水程度各異,低階段煤的大分子芳香縮合環周邊有較多極性基團(-COOH,-OH等),隨著煤化程度增高而逐漸減少,最后完全失去這些極性基團而成憎水物質。因此含懸浮物礦井水中煤粉表面與水和無機混凝劑的親和能力要比地表水系中泥砂顆粒物差一些。
3、高懸浮物礦井水的利用途徑
礦井水凈化處理后回用于生產和生活中,可以減少深井水的開采量,節約地下水資源, 保護礦區地下水和地表水的自然平衡。處理后的礦井水一般先用于煤炭生產加工,其次用于生態、礦區生活用水,如仍有剩余,則要根據礦井水水質、水量大小,或達標排放,或作其他用水。
(1)礦區井下用水:煤礦井下生產用水一般不需要作凈化處理,只需經簡單的混凝、沉淀、過濾、消毒等即可直接供井下使用,滿足生產需要。
(2)生活用水:凈化后的礦井水如果達到國家飲用水水質標準,可以作為飲用水直接供應用戶,彌補自來水供應的不足。此類用水需要對礦井水進行深度處理。
(3)工業用水:礦井水做工業用水時,只需要去除礦井水的懸浮物即可滿足要求,凈化過程只需要加人混凝劑,不需再加液氯消毒,即可直接用于浴室、鍋爐房或沖刷廁所及地面澆花、打掃衛生等。
(4)農業用水:用于農業灌溉、水產養殖等,可減輕農民負擔。
(5)旅游用水:建立水上樂園,旅游景區等。
(6)礦井回灌水:把多余的礦井水回灌到地下,補充地下水資源,降低采煤引起的地表沉陷。
(二)高懸浮物礦井水科研課題的目標
1、解決高懸浮物礦井水懸浮物含量很不穩定,懸浮物濃度差異很大的問題。
2、解決高懸浮物礦井水懸浮物粒度小、比重輕、沉降速度慢的問題。
3、解決高懸浮物礦井水混凝過程中礬花形成困難的問題。
4、使高懸浮物礦井的懸浮物濃度降低到30mg/l以下。
(三)高懸浮物礦井水科研課題的內容
利用漸開線原理和螺旋線原理將污水凈化中的混凝反應、離心分離、泥層流態過濾、污泥濃縮等處理技術有機組合集成在一起,在同一罐體內短時間(10-15分鐘)完成污水的多級凈化,出水水質懸浮物濃度小于30mg/l,實現高懸浮物礦井水快速連續高效處理。
三、高懸浮物礦井水科研課題成果
我公司利用漸開線原理和螺旋線原理研發出一套高效旋流離心凈化工藝,高效旋流離心凈化工藝是利用旋流閃混、常壓旋流、二級旋流離心分離、紊態造粒污泥層過濾、旋流濃縮的原理,將污水凈化中的混凝反應、離心分離、泥層流態過濾、污泥濃縮等處理技術有機組合集成在一起,在同一罐體內短時間(10-15分鐘)完成污水的多級凈化,出水水質懸浮物小于30mg/l,較大程度優于回用及排放標準。
本設備技術集成、工藝先進,通過高新技術和特殊工藝,將旋流閃混技術、常壓旋流、二級旋流離心分離、紊態造粒污泥層流態過濾原理等過程有機融合為一體,在同一罐體內完成廢水的多級凈化,實現了快速連續高效處理。
⑴旋流閃混技術
旋流閃混技術,利用旋流的軌跡螺旋上升,運動路線長,旋流時紊流強度大,混合效率高,一般只需10-30秒即可實現高效混合,取代了傳統混凝反應池等
⑵ 常壓節能旋流技術
獨特設計的漸開線或螺旋線導流技術,在管道或進水密閉渠道內形成旋流的慣性,在某一點斷開時,水流能利用余壓靠慣性自然形成旋流,節約了動力能耗。
⑶二級旋流離心分離技術
水體在罐體內,設計了先向下旋流然后有導流板導入向上旋流的二級旋流離心分離模式。含懸浮物的廢水在進入罐體內,利用漸開線或螺旋線導流技術,先形成下旋流方向的旋流,在離心力的作用下廢水中形成的懸浮顆粒及礬花被甩向器壁,并隨下旋流及自身重力作用沿罐內壁下滑至錐形污泥濃縮區,從而去除大部分的懸浮物。廢水向下作螺旋運動到一定程度后向中心靠攏,在導流槽的作用下形成向上的旋流,繼續利用旋流產生的離心力,分離剩余的小顆粒等雜物。導流槽、板的設置,使下旋流和上旋流分別再不同區域獨立運行,避免了傳統旋流器產生的短流現象。
⑷紊態造粒污泥層過濾
上旋流的同時,水中較輕的顆粒,相互碰撞,在藥劑的作用下相互粘結,形成一定厚度的污泥過濾層,對水質進一步過濾,到達一定厚度后,會脫落沉至泥斗,形成流態過濾。
⑸旋流濃縮
整個罐體內的水流為旋轉狀態,泥斗內的污泥隨著水流旋轉,在整體水流壓力的作用下,像擰緊螺絲般實現污泥的濃縮,從而排泥濃度大,排泥量少,后續污泥處理不需要像沉淀池還需建污泥濃縮池。
四、高懸浮物礦井水科研課題成果的應用
我公司研發的高效旋流離心凈化工藝現已應用于高懸浮物煤礦水處理,出水水質穩定并且多次得到業主單位的好評。
高效旋流離心凈化工藝是將高懸浮物礦井水先進入調節池進行緩沖。通過調節池內提升泵將水注入高效混凝器,污水在PAC藥劑的配合作用下在混凝器中完成旋流混凝,壓縮雙電層等過程,實現煤塵顆粒劑膠體與水的分離。在PAM藥劑的作用下把小膠粒聚集成大膠粒團。
利用調節池內潛水泵的余壓將污水沿著器壁打入旋流凈化器,經過常壓旋流、二級旋流離心分離、紊態造粒污泥層流態過濾等過程,在同一罐體內完成廢水的多級凈化。
清水從旋流器頂部流出進入清水池,作為反洗或回用水源;從高效旋流凈化器底部排出的污泥排入污泥池中,提升至污泥脫水機進行脫水,污水重新流入調節池,干泥通過礦車外運。高效旋流離心凈化工藝如下圖所示:
高效旋流離心凈化工藝流程圖