露天煤矿疏干水复用水处理工艺研究

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以神胜华利一号露天矿疏干水达标排放处理和深度处理回用中的水处理工艺为例,通过对经典污水处理理论的阐述和应用,提出针对污染物成分复杂、高悬浮颗粒物疏干水的可行的处理工艺流程;通过对废水的“无害化、资源化"处理,实现了疏干水的达标排放和资源化复用。
1.概述
对于水资源匮乏区域,露天矿疏干水资源化利用是必需的。国家发展和改革委员会通过的发改能源[2004]864号文明确规定“坑口电站项目首先考虑使用矿井疏干水"。提高露天矿疏干水的复用率有利于保护该地区的水资源,能够提高企业的经济效益,同时也能够达到较好的环境效益。
疏干水是在露天煤矿采煤过程中从煤层中涌出的污水,污水中污染物很多,其中包括:地表渗透水及地下水层的水,被砂泥颗粒、粉尘、溶解盐、酸和碱、煤炭颗粒、油脂等多种污染物。处理工艺的科学性对污水的资源化的经济效益和环境效益具有极其重要的影响。
2.主要工艺原理及特点
2.1混凝机理
1)压缩双电层作用。水中粘土胶团含有吸附层和扩散层,合称双电层。双电层中正离子浓度由内向外逐渐降低,最后与水中的正离子浓度大致相等,因此双电层有一定的厚度。如向水中加入大量电解质,则其正离子就会挤入扩散层而使之变薄,进而挤入吸附层,使胶核表面的负电性降低。这种作用称压缩双电层。当双电层被压缩,颗粒间的静电斥能就会降低,当降至小于颗粒布朗运动的动能时,颗粒就能相互吸附凝聚。凝聚颗粒在水的紊流中彼此易碰撞吸附,形成絮凝体(亦称绒体或矾花)。絮凝体具有强大吸附力,不仅能吸附悬浮物,还能吸附部分细菌和溶解性物质。絮凝体通过吸附,体积增大而下沉。
2)电中和作用。以上是同种胶粒间的凝聚。而电中和作用,是指混凝剂在水中形成带正电的胶粒,它能和水中带负电的胶粒相互吸引从而使彼此的电性中和而凝聚。为此,要求两者的电荷量要大致相等。
3)吸附架桥作用。一些呈线型结构的高分子混凝剂,以及金属盐类混凝剂在水中形成线型高聚物后,均能强烈吸附胶体微粒。当吸附的微粒增多时,上述线型分子会弯曲变形和成网,从而起到桥梁的作用,使微粒间的距离缩短而相互粘结,逐渐形成粗大的絮凝体。这种作用称吸附架桥作用。
4)网捕作用。三价铝盐或铁盐等水解而生成沉淀物,这些沉淀物在自身沉降过程中,能集卷、网捕水中的胶体等微粒,使胶体粘结。
2.2重力式无阀过滤器的原理及特点
1)工作原理。原水由进水管送入滤池,经过滤池层自上而下地过滤,清水即从连通管注入存水箱内贮存,水箱充满后,水通过出水管入清水池管入清水池。滤层不断截留悬浮物,造成滤层阻力的逐渐增加,因而促使虹吸管内的水位不断升高。当水位达到虹吸辅助管管口时,水自该管中落下,通过抽气管借以带走虹吸下降管中的空气,当真空度达到一定值时,便发生虹吸作用。这时水管中的水自下而上地通过滤层,对滤料进行反冲洗。当冲洗水箱水面下降至虹吸破坏管时,空气进入虹吸管,破坏虹吸作用,滤池反冲洗结束,进入下一周期工作。因此重力式无阀过滤器无需象其它过滤器那样,必须设置反冲洗泵和反冲洗水塔。
2)设备特点。
①本重力式无阀过滤器是国内最早不用阀门和控制仪表,巧妙地利用虹吸原理实现自动运行的无阀过滤装置,可以自动冲洗,相比其他过滤设备,具有不用人工操作、能耗少、运行费用低、安全可靠、管理方便等优点。
②重力式无阀过滤器设备由配水箱、过滤器、U型进水水管、排水箱等组装成一体,结构紧凑,用户只需要按要求做好设备基础和接通进出水管后,即可投入运行。
③重力式无阀过滤器设备由碳钢制造(或根据用户要求),防腐严格,加工精度高,安装方便。
④不需要水压、电力和压缩空气等提供动力,所有的工作环节都由过滤器自行控制。
⑤无阀滤池内设有强制冲洗系统,如果滤池水头的损失还未达到允许值,而因某种原因需要提前冲洗时,可进行人工强制冲洗。
⑥无阀滤池免维护,没有磨损。
2.3污泥浓缩原理及特点
污泥中含有大量的水分,初次沉淀池污泥含水率介于95%~97%,剩余活性污泥达99%以上。通过浓缩能够减少污泥体积,减小污泥处理构筑物的池容积和处理所需的药剂量,缩小用于输送污泥的管道尺寸和污泥泵的能耗,节省污泥处理处置费用。污泥浓缩的目的在于减量化。污泥浓缩的方法主要有重力浓缩法、气浮浓缩法、带式重力浓缩法和离心浓缩法,还有微孔浓缩法、隔膜浓缩法和生物浮选浓缩法等。其中,重力浓缩法用于污泥处理是广泛采用的一种方法,已有50多年历史。
重力浓缩:利用重力作用的自然沉降分离方式,不需要外加能量,是一种最节能的污泥浓缩方法。重力浓缩只是一种沉降分离工艺,它是通过在沉淀中形成高浓度污泥层达到浓缩污泥的目的,是目前污泥浓缩方法的主体。单独的重力浓缩是在独立的重力浓缩池中完成,工艺简单有效,但停留时间较长时可能产生臭味,而且并非适用于所有的污泥;如果应用于生物除磷剩余污泥浓缩时,会出现磷的大量释放,其上清液需要采用化学法进行除磷处理。重力浓缩法适用于初沉污泥、化学污泥和生物膜污泥。
3.疏干水处理工艺
3.1原水主要污染物指标及处理水水质标准分别对第四系疏干排水及5#煤疏干排水(含采场中央积水仓排水)水样进行收集,并采用理化分析法收集水样进行了水质检测,检测结果见水质监测表1。

处理水水质必须达到《煤炭工业污水排放标准》及《城市污水再生利用城市杂用水水质标准》的要求方可进行达标排放和资源化复用。通过对比可知,疏干水中的SS含量与SS≤50mg/L的排放标准和SS≤5mg/L复用标准差距较大,为主要处理对象。
3.2工艺流程选择
根据处理出水水质要求,全部疏干水必须经过处理,以达到排放(回用)水水质标准要求,即需要将原水中悬浮物浓度降低至50mg/L(50mg/L)以下。
1)混凝+沉淀处理。采用混凝沉淀工艺去除水中的悬浮物,通过投加絮凝剂使水中的细小悬浮颗粒和胶体物絮凝形成粒径大而密实的絮体在沉淀池中泥水分离,使水澄清。絮凝剂采用聚合氯化铝(PAC),并投加聚丙烯酰胺(PAM)作为助凝剂,减少絮凝剂投加量,改善絮凝体结构,促进絮凝沉淀。絮凝沉淀池出水悬浮物(SS)设计值:SS≤50mg/L,浊度不大于10NTU,特殊情况下不大于20NTU。此时,处理水已达到排放标准。
2)过滤处理。复用部分疏干水经混凝+沉淀处理后通过过滤提升水泵加压后进入重力式无阀过滤器。无阀过滤器出水可送入处理水储水池进行储存复用。过滤处理后的疏干水水质达到SS≤5mg/L的水质要求。
3)污泥处理。疏干水处理的混凝反应池设置自动排泥设备,污泥自流排至污泥处理间污泥浓缩池内,污泥经浓缩后上清液溢流。浓缩后的污泥经带式压滤机压滤后形成泥饼,并进行外运。污泥在压滤前通过管道混合器进行加药。其图1为疏干水处理工艺流程图。

4.结论
对于污染物成分复杂、高悬浮颗粒的疏干水进行处理时采用污水及污泥分别处理是行之有效的方式。经典处理理论及工艺中“加药→混凝→沉淀→"的处理工艺对于疏干水是有效的,通过此工艺处理后的疏干水能够满足生产用水水质的要求,并实现疏干水的达标排放。污泥经脱水处理所形成的泥饼亦可掺入原煤中出售,提高经济效益。

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