申請日2014.11.04
公開(公告)日2015.03.25
IPC分類號C02F9/02
摘要
本發明提供了一種井下處理礦井水的方法，包括首先將礦井水引入到井下水倉中進行沉淀處理;對所述沉淀后的礦井水進行固液分離處理，去除其中的微細懸浮物;對第一粗凈化水進行油水分離處理，去除其中的溶解油和乳化油，得到第二粗凈化水;對第二粗凈化水進行超濾處理，去除其中的有機物，得到凈水。本發明另一方面提供一種井下處理礦井水的裝置，包括井下水倉，固液分離裝置，油水分離裝置，超濾裝置和控制裝置。本發明方法對礦井廢水中的各項有機物去除效果明顯，經本發明處理后的礦井廢水各項污染物濃度均有明顯下降，去除率較高。本發明裝置和直接布置在煤礦礦井下，礦井水經處理后直接用于井下回用，極大地節省了廢水處理的投資和運行費用。
權利要求書
1.一種井下處理礦井水的方法，其特征在于，包括：
將礦井水引入到礦井中的由廢棄巷道改造成的井下水倉中進行沉淀處理，去 除礦井水中的大顆粒固體物質，得到粗水;
通過對所述粗水進行固液分離處理，去除礦井水中的微細懸浮物，得到第一 粗凈化水;
通過對所述第一粗凈化水進行油水分離處理，去除第一粗凈化水中的溶解油 和乳化油，得到第二粗凈化水;
通過對所述第二粗凈化水進行超濾處理，去除第二粗凈化水中的有機物，得 到凈水;
其中，所述固液分離處理是對礦井水進行旋轉過濾處理。
2.如權利要求1所述的井下處理礦井水的方法，其特征在于，所述旋轉過濾處 理包括：
沉淀后的礦井水從上向下流動時，其下方的旋轉式過濾器將礦井水中的微細 懸浮物截留并收集去除了所述微細懸浮物的粗凈化水;
所述旋轉式過濾器通過旋轉將截留的所述微細懸浮物與其分離。
3.如權利要求1所述的井下處理礦井水的方法，其特征在于，所述旋轉式過濾 器包括：
用于收集去除了微細懸浮物的粗凈化水的轉筒式集水器;
連接所述轉筒式集水器的旋轉驅動裝置;
其中，轉筒式集水器的筒壁上密集分布可截留所述微細懸浮物的多個孔道， 其每個孔道的出口尺寸小于其入口尺寸。
4.如權利要求3所述的井下處理礦井水的方法，其特征在于，所述孔道其入口 的孔徑為2-5mm，其出口的孔徑為0.5-1mm。
5.如權利要求1所述的井下處理礦井水的方法，其特征在于，所述油水分離處 理是通過納米陶系膜對所述第一粗凈化水進行過濾處理，去除其中的溶解油和乳 化油，得到第二粗凈化水。
6.如權利要求5所述的井下處理礦井水的方法，其特征在于，所述納米陶瓷膜 的平均跨膜壓力為1-5bar，過濾孔徑為0.05μm，平均膜通量為100-150L/m2/h。
7.如權利要求1所述的井下處理礦井水的方法，其特征在于，所述超濾處理是 通過管式膜組件對所述第二粗凈化水進行超濾處理，去除其中的有機物，得到凈 水。
8.如權利要求8所述的井下處理礦井水的方法，其特征在于，所述管式膜的截 留分子量為1.5×105μ，運行壓力為0.1-0.16MPa。
9.一種井下處理礦井水的裝置，其特征在于，包括：
井下水倉，由礦井中的廢棄巷道改造而成，用于對礦井水進行沉淀處理，去 除礦井水中的大顆粒固體物質，得到粗水;
固液分離裝置，用于對所述粗水進行固液分離處理，去除礦井水中的 微細懸浮物，得到第一粗凈化水;
油水分離裝置，用于對第一粗凈化水進行油水分離處理，去除其中的溶解油 和乳化油，得到第二粗凈化水;
超濾裝置，用于對第二粗凈化水進行超濾處理，去除第二粗凈化水中的有機 物，得到凈水;
其中，所述固液分離裝置為旋轉過濾器。
10.如權利要求9所述的井下處理礦井水的裝置，其特征在于，所述旋轉過濾器 包括：
用于收集去除了微細懸浮物的粗凈化水的轉筒式集水器;
連接所述轉筒式集水器的旋轉驅動裝置;
其中，轉筒式集水器的筒壁上密集分布可截留所述微細懸浮物的多個孔道， 其每個孔道的出口尺寸小于其入口尺寸。
說明書
一種井下可移動式模塊化礦井水處理系統
技術領域
本發明涉及煤礦廢水在井下的處理與回用，尤其涉及一種井下處理礦井水的方法和裝置。
背景技術
煤礦井下礦井水廢水主要是由巷道揭露和采空區塌陷波及地下水源所致，其來源主要是大氣降水、地表水、斷層水、含水層水、采空區水等。煤礦井下礦井水由于沖刷煤層、受井下工作人員生活污水影響。因此，既具有生活污水的特點，又具有煤炭行業廢水特性的污染源，主要有以下特性：廢水中懸浮物含量高，濁度高;懸浮物粒度小、密度小、沉降性能較差;混凝效果差，混凝過程中難以形成礬花，一般需要投加混凝劑和助凝劑來改善廢水的沉降性能;含有較高的乳化油、溶解油類物質。
煤礦礦井水處理工藝流程一般為：礦井水-調節池-提升泵-混凝沉淀反應沉淀池-過濾-消毒-達標排放。若需要使礦井水達到回用或飲用水用途，還需要對礦井水進行進一步脫除有機污染物、除鹽等深度處理。目前常用的深度處理工藝包括超濾、納濾和反滲透等技術。
目前，對于煤礦礦井水處理的主要問題是礦井水的預處理部分，主要是調節池沒有起到很好的調節作用，容積一般偏小，耐沖擊負荷能力較差。通常而言，礦井水一般會設有混凝沉淀反應單元。混凝劑一般采用聚合氯化鋁(PAC)、助凝劑一般采用聚丙烯酰胺(PAM)。由于礦井水中的懸浮物濃度較高，PAC和PAM等藥劑的投藥量較大，若處理流程中含有超濾、反滲透等深度處理系統，上述藥劑將對超濾等膜系統造成嚴重的堵塞，使超濾等膜系統的通量大幅降低，嚴重影響深度處理系統的運行效果和處理效率。另外，煤礦礦井水中一般含有較高的乳化油、溶解油類物質。普通煤礦礦井水處理系統并不包括除油系統。這使得經過預處理后的礦井水流至后續的膜處理系統時，也會對膜系統造成嚴重的膜污染，嚴重影響過流速率。更加突出的問題是，煤礦礦井水的處理與利用的常規方法往往是將井下礦井水提升至地面進行處理后，部分在地面利用或外排，部分再返回 到井下利用，存在的主要問題除提升費用較高，需要較大的占地面積，還存在施工難度和工程量大、相應管路鋪設費用高等缺點。
發明內容
本發明是針對現有煤礦礦井水的含油、含油懸浮物高，礦井水處理技術中存在的投藥量高、無除油措施、處理費用高等問題，提供了一種井下處理礦井水的方法和裝置，應用本發明的處理方法和裝置處理礦井水，簡單便捷，不添加化學藥劑，處理后的礦井水可直接用于井下回用，極大地節省了廢水處理的投資和運行費用。
本發明一方面提供一種井下處理礦井水的方法，包括：
將礦井水引入到礦井中的由廢棄巷道改造成的井下水倉中進行沉淀處理，去除礦井水中的大顆粒固體物質，得到粗水;
通過對所述粗水進行固液分離處理，去除礦井水中的微細懸浮物，得到第一粗凈化水;
通過對所述第一粗凈化水進行油水分離處理，去除第一粗凈化水中的溶解油和乳化油，得到第二粗凈化水;
通過對所述第二粗凈化水進行超濾處理，去除第二粗凈化水中的有機物，得到凈水;
其中，所述固液分離處理是對礦井水進行旋轉過濾處理。
其中，所述沉淀處理是將礦井水引入到礦井中的由廢棄巷道改造成的井下水倉中進行沉淀處理，去除礦井水中的大顆粒固體物質，得到粗水。
在沉淀處理中，待處理的礦井水經過一段時間的預沉淀，粗水中的SS顆粒物質被沉淀下來，極大地減輕了后續處理單元的處理負荷。
特別是，所述沉淀處理的水力停留時間為5-30h，優選為10h。
其中，旋轉過濾處理包括：
沉淀處理后的粗水從上向下流動時，其下方的旋轉式過濾器將礦井水中的微細懸浮物截留并收集去除了所述微細懸浮物的粗凈化水;
所述旋轉式過濾器通過旋轉將截留的所述微細懸浮物與其分離。
其中，所述旋轉式過濾器包括：
用于收集去除了微細懸浮物的粗凈化水的轉筒式集水器;
連接所述轉筒式集水器的旋轉驅動裝置;
其中，轉筒式集水器的筒壁上密集分布可截留所述微細懸浮物的多個孔道，其每個孔道的出口尺寸小于其入口尺寸。
特別是，所述孔道優選為圓錐形孔道。
尤其是，所述孔道其入口的孔徑為2-5mm，其出口的孔徑為0.5-1mm。
特別是，所述孔道入口的孔徑優選為3mm，出口的孔徑優選為1mm。
經過沉淀處理的礦井水從上向下流動時，流經其下方的旋轉式過濾器，礦井水中直徑大于3mm的SS直接被筒壁上的孔道截留，直徑<3mm的懸浮物進入到孔道內，而因為孔道的出口端直徑較小，直徑≥1mm的懸浮物也被留在孔道內，不會進入到下一步的處理中，與普通等直徑濾孔相比，圓錐型孔道可使SS(懸浮顆粒)在孔道內最大限度地聚集;之后旋轉過濾器經過旋轉，通過離心力和重力的作用將孔道內截留的部分微細懸浮物與其分離，而過濾后得到的第一粗凈化水經由轉筒式集水器收集，進入下一處理步驟。
其中，所述井下處理礦井水的方法還包括，對所述旋轉過濾器進行反洗處理，通過高壓水反沖洗將旋轉過濾器內殘留的微細懸浮物去除。
特別是，當過濾通量減小25-35%左右時，開啟反洗。
其中，所述油水分離處理是通過納米陶系膜對所述第一粗凈化水進行過濾處理，去除其中的溶解油和乳化油，得到第二粗凈化水。
特別是，所述納米陶瓷膜由高純的a-Al2O3材料在800-1200℃高溫下真空燒結而成，孔徑為10nm-2.0μm。
尤其是，所述納米陶瓷膜的平均跨膜壓力為1-5bar，過濾孔徑為0.05μm，平均膜通量為100-150L/m2/h。
煤礦井下采掘作業過程中，采掘機液壓支架需要使用并排放大量的冷卻液。這些冷卻液最終排入礦井水中，含有大量溶解油和乳化油。溶解油完全溶解于水中，乳化油在水中呈乳狀液。常規的物理、化學和物理化學方法均難以將上述溶解油和乳化油去除。陶瓷膜具有分離效率高、效果穩定、化學穩定性好、耐酸堿、耐有機溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、膜再生性能好、分離過程簡單、膜使用壽命長等眾多優勢;納米陶瓷的產生，可以改善陶瓷材料的脆性問題，使陶瓷具有 像金屬似柔韌性和可加工性，納米級氧化鋁粉體粒徑小,表面原子比例高,具有獨特的體積效應、表面效應,是開發新一代高強度,高韌性,多功能陶瓷的理想原料。因此，本發明采用納米陶瓷膜對溶解油和乳化油進行處理。
其中，所述井下處理礦井水的方法還包括，對所述納米陶瓷膜進行反洗處理，通過高壓水反沖洗將納米陶瓷膜上的溶解油和乳化油去除。
特別是，當膜通量減小25-35%左右時，開啟反洗。
其中，所述超濾處理是通過管式膜組件對所述第二粗凈化水進行超濾處理，去除其中的有機物，得到凈水。
特別是，所述管式膜的材質為高分子材料。
尤其是，所述管式膜優選為平板管式膜，所述管式膜的材質優選為聚偏氟乙烯。
特別是，所述管式膜的截留分子量為1.5×105μ，運行壓力為0.1-0.16MPa。
經超濾深度處理系統處理后，礦井水中DOC的去除率在40-60%之間，UV254的去除率在30-50%，表明礦井水中小于1000μ的小分子量有機物的絕大部分被去除。
其中，所述井下處理礦井水的方法還包括，對所述管式膜組件進行反洗處理，通過高壓水反沖洗將管式膜組件上的有機物去除。
特別是，當膜通量減小35-45%左右時，開啟反洗。
本發明另一方面提供一種井下處理礦井水的裝置，包括：
井下水倉，由礦井中的廢棄巷道改造而成，用于對礦井水進行沉淀處理，去除礦井水中的大顆粒固體物質，得到粗水;
固液分離裝置，用于對所述粗水進行固液分離處理，去除礦井水中的微細懸浮物，得到第一粗凈化水;
油水分離裝置，用于對第一粗凈化水進行油水分離處理，去除其中的溶解油和乳化油，得到第二粗凈化水;
超濾裝置，用于對第二粗凈化水進行超濾處理，去除第二粗凈化水中的有機物，得到凈水;
其中，所述固液分離裝置為旋轉過濾器。
其中，所述井下水倉預處理系統是由井下廢棄巷道改造而成，用于貯存所述 礦井水，并對所述礦井水進行沉淀處理，得到粗水。
煤礦井下有很多廢棄的巷道，數量多，體積大。因此，本發明利用井下廢棄巷道，稍作改造為貯水的井下水倉。
在井下水倉內，待處理的礦井水經過一段時間的沉淀，水中的SS顆粒物質被沉淀下來，極大地減輕了后續處理單元的處理負荷。
其中，所述旋轉過濾器包括：
用于收集去除了微細懸浮物的粗凈化水的轉筒式集水器;
連接所述轉筒式集水器的旋轉驅動裝置;
其中，轉筒式集水器的筒壁上密集分布可截留所述微細懸浮物的多個孔道，其每個孔道的出口尺寸小于其入口尺寸。
特別是，所述旋轉驅動裝置位于所述轉筒式集水器的中心，其一端與電機相連，由電機驅動所述旋轉驅動裝置進而帶動轉筒式集水器旋轉。
尤其是，所述轉筒式集水器的一端封閉，其中心與所述旋轉驅動裝置鏈接，另一端敞開，用于使收集的所述粗凈化水流出所述集水器。
特別是，所述孔道優選為圓錐形孔道。
尤其是，所述孔道其入口的孔徑為2-5mm，其出口的孔徑為0.5-1mm。
特別是，所述孔道入口的孔徑優選為3mm，出口的孔徑優選為1mm。
經過沉淀處理的礦井水從上向下流動時，流經其下方的旋轉式過濾器，礦井水中直徑大于3mm的SS直接被筒壁上的孔道截留，直徑<3mm的懸浮物進入到孔道內，而因為孔道的出口端直徑較小，直徑≥1mm的懸浮物也被留在孔道內，不會進入到下一步的處理中，與普通等直徑濾孔相比，圓錐型孔道可使SS(懸浮顆粒)在孔道內最大限度地聚集;之后旋轉過濾器經過旋轉，通過離心力和重力的作用將孔道內截留的部分微細懸浮物與其分離，而過濾后得到的第一粗凈化水經由轉筒式集水器收集，進入下一處理裝置。
其中，所述井下處理礦井水的裝置還包括固液分離反洗裝置。
特別是，所述過濾反洗裝置包括反洗水儲水罐、反洗泵和噴嘴。
尤其是，所述反洗泵的進口通過管道與所述反洗水儲水罐相連，所述反洗泵的出口通過管道與所述噴嘴相連。所述過濾器反洗裝置位于所述過濾裝置的上方，反洗水儲水罐內的反洗水經由反洗泵通過噴嘴噴出，對過濾裝置進行反沖洗。
特別是，當過濾系統的膜通量降低30%左右時，開啟反洗裝置對過濾裝置進行反沖洗。
其中，所述油水分離裝置為納米陶瓷膜組件
特別是，所述納米陶瓷膜由高純的a-Al2O3材料在800-1200℃高溫下真空燒結而成，孔徑為10nm-2.0μm。
尤其是，所述納米陶瓷膜的平均跨膜壓力為1-5bar，過濾孔徑為0.05μm，平均膜通量為100-150L/m2/h。
煤礦井下采掘作業過程中，采掘機液壓支架需要使用并排放大量的冷卻液。這些冷卻液最終排入礦井水中，含有大量溶解油和乳化油。溶解油完全溶解于水中，乳化油在水中呈乳狀液。常規的物理、化學和物理化學方法均難以將上述溶解油和乳化油去除。陶瓷膜具有分離效率高、效果穩定、化學穩定性好、耐酸堿、耐有機溶劑、耐菌、耐高溫、抗污染、膜再生性能好、分離過程簡單、膜使用壽命長等眾多優勢;納米陶瓷的產生，可以改善陶瓷材料的脆性問題，使陶瓷具有像金屬似柔韌性和可加工性，納米級氧化鋁粉體粒徑小,表面原子比例高,具有獨特的體積效應、表面效應,是開發新一代高強度,高韌性,多功能陶瓷的理想原料。因此，本發明采用以納米陶瓷管為主要過濾單元的納米陶瓷膜除油系統對溶解油和乳化油進行處理。
其中，所述井下處理礦井水的裝置還包括油水分離反洗裝置。
特別是，所述油水分離反洗裝置包括反洗水儲水罐、反洗泵和噴嘴。
尤其是，所述反洗泵的進口通過管道與所述反洗水儲水罐相連，所述反洗泵的出口通過管道與所述噴嘴相連。所述反洗裝置位于所述油水分離裝置的上方，反洗水儲水罐內的反洗水經由反洗泵通過噴嘴噴出，對油水分離裝置進行反沖洗，將富集在陶瓷膜表面的含油污染物經反洗去除。
特別是，當除油系統的膜通量降低30%左右時，開啟反洗裝置對油水分離裝置進行反沖洗。
其中，所述超濾裝置為管式膜組件。
特別是，所述管式膜的材質為高分子材料。
尤其是，所述超濾裝置的膜組件優選為平板管式膜，所述管式膜的材質優選為聚偏氟乙烯。
特別是，所述管式膜的截留分子量為1.5×105μ，運行壓力為0.1-0.16MPa。
經超濾裝置處理后，礦井水中DOC的去除率在40-60%之間，UV254的去除率在30-50%，表明礦井水中小于1000μ的小分子量有機物的絕大部分被去除。
其中，所述井下處理礦井水的裝置還包括超濾反洗裝置。
特別是，所述超濾反洗裝置包括反洗水儲水罐、反洗泵和噴嘴。
尤其是，所述反洗泵的進口通過管道與所述反洗水儲水罐相連，所述反洗泵的出口通過管道與所述噴嘴相連。所述過濾反洗裝置位于所述過濾裝置的上方，反洗水儲水罐內的反洗水經由反洗泵再通過噴嘴噴出，對超濾裝置進行反沖洗。
特別是，當超濾系統的膜通量降低30%左右時，開啟反洗裝置對超濾裝置進行反沖洗。
其中，所述井下處理礦井水的裝置還包括控制裝置。
特別是，所述控制裝置為防爆PLC控制裝置。
尤其是，所述控制裝置與上述各裝置相連，自動控制整個裝置安全正常的運行。
特別是，所述控制裝置的電氣元件設有防塵、防濕和防爆裝置，保證裝置能安全用于煤礦井下。
本發明的優點和有益技術效果如下：
1、本發明井下處理礦井水的方法和裝置通過井下水倉對待處理的礦井水首先進行沉淀處理，將水中的SS顆粒物質沉淀下來，極大地減輕了后續處理的處理負荷。
2、本發明井下處理礦井水的方法和裝置采用旋轉過濾對礦井水進行固液分離處理，不僅可以最大限度的截留礦井水中的微細懸浮物，而且在旋轉過濾器在旋轉的過程中，通過離心力和重力將截留的微細懸浮物去除，在過濾的同時增大了過濾器的過濾通量，延長了過濾器的反洗周期和使用壽命。
3、本發明井下處理礦井水的方法和裝置采用納米陶瓷膜去除礦井水中的乳化油和溶解油，常規的物理、化學和物理化學方法均難以將上述溶解油和乳化油去除，陶瓷膜分離效率高、效果穩定，可以很好的將其去除，避免了后續處理的膜污染和膜堵塞問題。
4、本發明井下處理礦井水的方法對礦井廢水中的各項有機物去除效果明顯，處理后的礦井廢水各項污染物濃度均有明顯下降，懸浮物(SS)去除率可達89-92.2%，濁度去除率可達94.3-96.6%，油類去除率可達94.8-95.8%，DOC去除率可達93.5-94.9%，UV254去除率可達92.3-94.7%，去除率較高。
5、本發明井下處理礦井水的方法和裝置在整個處理過程中，不添加PAC和PAM等化學藥劑，在處理的過程中，不增加水中的污染并且不增加處理壓力。
6、本發明井下處理礦井水的裝置首先是一個有機整體，為本發明首次提出。但各個裝置都是獨立的，可實現自由拆卸、移動方便，極大地便于井下使用。
7、本發明井下處理礦井水的裝置在礦井井下環境下使用，所用電氣元器件均采用隔爆安全型，保證井下工作條件下的安全使用。
8、本發明井下處理礦井水的裝置直接布置在煤礦礦井下，礦井水經處理后直接用于井下回用，極大地節省了廢水處理的投資和運行費用。
