錦界煤礦隸屬中國神華神東煤炭分公司，位于陜西省榆林市神木縣境內(nèi)，是由國家發(fā)改委批準(zhǔn)、中國神華股份公司批復(fù)的“西電東輸”錦能煤電一體化建設(shè)配套項(xiàng)目。為執(zhí)行國家建設(shè)項(xiàng)目“三同時”制度，改善錦界煤礦周邊生態(tài)環(huán)境，緩解錦界煤礦及配套電廠水資源短缺等問題，神東煤炭分公司在錦界煤礦主井廠區(qū)南部1.2 km處建設(shè)了1座處理規(guī)模為4.32×104 m3/d的井下水污水處理廠，井下水經(jīng)處理后主要回用于錦界煤礦地面生產(chǎn)系統(tǒng)消防灑水、井下消防灑水以及錦界煤礦配套電廠的工業(yè)生產(chǎn)用水。

　　1 井下排水特點(diǎn)

　　錦界煤礦井下排水中的污染物以煤粉、巖粉、乳化油和機(jī)油為主，感官性能較差，具有膠粒含量大、粒徑小、比重輕、與絮凝劑親和能力弱等特點(diǎn)，是礦井水凈化處理中較難處理的一種水質(zhì)類型〔1, 2, 3〕。受井下煤炭開采方式及排水方式等因素影響，錦界煤礦礦井排水同時還具備水中污染物濃度高、水質(zhì)變化幅度大等特征。神東煤炭分公司近2 a的檢測數(shù)據(jù)表明，錦界煤礦井下排水中懸浮物質(zhì)量濃度正常為500 mg/L左右，最高時達(dá)到1 350 mg/L,平均為650 mg/L.由于錦界煤礦井下排水方式采用“避峰排水”措施，水量沖擊負(fù)荷較大，設(shè)計(jì)最高時流量為平均流量的2倍多。

　　2 設(shè)計(jì)進(jìn)出水水質(zhì)

　　工程設(shè)計(jì)進(jìn)水水質(zhì)以神東煤炭分公司近2 a的檢測數(shù)據(jù)為依據(jù)，并適當(dāng)考慮一定安全余地。工程設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)根據(jù)神東煤炭分公司要求，主要指標(biāo)需滿足錦界煤礦周邊電廠循環(huán)冷卻用水及錦界煤礦井下生產(chǎn)用水對水質(zhì)的要求，其余部分需達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)中的Ⅴ類要求。設(shè)計(jì)進(jìn)出水主要指標(biāo)如表 1所示。

　　3 處理工藝

　　3.1 礦井水處理工藝

　　3.1.1 預(yù)處理

　　由于錦界煤礦井下排水中的懸浮物濃度高，水質(zhì)和水量沖擊負(fù)荷大，采用配備桁架式刮泥機(jī)的平流式預(yù)沉調(diào)節(jié)池對礦井水進(jìn)行預(yù)處理，并在進(jìn)口配水井內(nèi)投加高分子絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM),以增強(qiáng)預(yù)處理效果。

　　3.1.2 混凝沉淀處理

　　礦井水經(jīng)預(yù)處理后，水中的大顆粒懸浮物煤粉得到有效去除，一些細(xì)小巖粉及油類物質(zhì)在污水中的比例明顯升高，因此采用對細(xì)小懸浮物和油類物質(zhì)去除效果較好的改良型機(jī)械攪拌澄清池對礦井水進(jìn)行混凝沉淀處理，并在改良型機(jī)械攪拌澄清池入口處分別投加聚合氯化鋁(PAC)與聚丙烯酰胺(PAM),以增強(qiáng)澄清效果。

　　3.1.3 過濾處理

　　礦井水在經(jīng)過改良型機(jī)械攪拌澄清池處理后，出水中的污染物為極少的巖粉及油類物質(zhì)，因此采用過濾和反沖洗效果較好的均質(zhì)濾料濾池對礦井水進(jìn)行過濾處理。

　　3.1.4 消毒處理

　　為減少礦井水在消毒過程中一些消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，采用二氧化氯消毒劑對礦井水進(jìn)行消毒處理。

　　3.2 煤泥水處理工藝

　　由于礦井水懸浮物濃度高，處理水量大，錦界煤礦的煤泥水處理工藝采用直接離心脫水。煤泥水處理過程中產(chǎn)生的廢液經(jīng)收集后回流至配水井內(nèi)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部循環(huán)零排放。

　　具體的工藝流程如圖 1所示。

圖 1 工藝流程

　　4 主要處理構(gòu)筑物設(shè)計(jì)

　　4.1 預(yù)沉調(diào)節(jié)池

　　預(yù)沉調(diào)節(jié)池與配水井為合建式，共2座，呈并聯(lián)運(yùn)行方式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，室外露天布置。預(yù)沉調(diào)節(jié)池平面尺寸為76.70 m×37.55 m,有效水深為4.8～5.4 m,設(shè)計(jì)平均水平流速為2.57 mm/s,平均水力停留時間為7.6 h;設(shè)計(jì)最大水平流速為5.14 mm/s,水力停留時間為3.8 h.考慮井下排水中懸浮物含量較高及水量波動大，設(shè)計(jì)在配水井內(nèi)投加高分子粉末狀絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM),井下排水與PAM發(fā)生絮凝反應(yīng)后，經(jīng)預(yù)沉調(diào)節(jié)池進(jìn)水端設(shè)置的配水孔進(jìn)行配水，從整個斷面均勻進(jìn)入預(yù)沉調(diào)節(jié)池內(nèi)進(jìn)行絮凝沉淀，沉淀后的煤泥由池內(nèi)設(shè)置的2臺桁架式刮泥機(jī)刮至集泥斗內(nèi)，刮泥機(jī)行走速度為1 m/min,最后通過4臺煤泥提升泵提升至煤泥儲泥池內(nèi)。煤泥提升泵采用ITT工業(yè)集團(tuán)HS系列新型泥漿泵，移動式軟管安裝，單臺水泵的主要參數(shù)：流量為45 m3/h,揚(yáng)程為25 m,功率為13.5 kW。

　　4.2 提升泵房與加藥間

　　提升泵房與加藥間采用合建式，內(nèi)設(shè)加藥間、儲藥間及提升泵房，平面軸線尺寸為36.00 m×9.50 m.加藥間、儲藥間為單層框架結(jié)構(gòu)，提升泵房為半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。在提升泵房內(nèi)設(shè)置3臺離心泵，2用1備，1臺變頻控制;單臺水泵的主要參數(shù)：流量為1 050 m3/h,揚(yáng)程為13 m,功率為55 kW。

　　在加藥間內(nèi)設(shè)置聚合氯化鋁(PAC)與聚丙烯酰胺(PAM)自動投加裝置各2套，單套PAC與PAM自動投加裝置最大投加能力為2 500 L/h。

　　4.3 改良型機(jī)械攪拌澄清池

　　改良型機(jī)械攪拌澄清池共2座，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，布置在礦井水凈化車間內(nèi)。單座改良型機(jī)械攪拌澄清池內(nèi)徑為21.8 m,深為8.2 m,水力停留時間為2.7 h,其中第一絮凝室水力停留時間為27 min,第二絮凝室及導(dǎo)流室水力停留時間為17 min,分離室水力停留時間為118 min,各室容積比為1∶1.59∶6.94.設(shè)計(jì)澄清池清水區(qū)上升流速為0.89 mm/s,污泥回流比為1∶4。

　　改良型機(jī)械攪拌澄清池內(nèi)設(shè)攪拌機(jī)和刮泥機(jī)各1套。攪拌機(jī)主要參數(shù)：葉輪直徑為3 500 mm,外緣線速為1.0 m/s,配套減速機(jī)功率為5.5 kW;刮泥機(jī)主要參數(shù)：刮臂直徑為13 m,刮泥耙外緣線速為2 m/min,配套減速機(jī)功率為1.5 kW。

　　為增強(qiáng)清水區(qū)的泥水分離效果，設(shè)計(jì)在清水區(qū)設(shè)置1 m高的斜管沉淀區(qū);斜管主要參數(shù)：內(nèi)徑為35 mm,安裝角度為60°，PP材質(zhì)。

　　4.4 均質(zhì)濾料濾池

　　均質(zhì)濾料濾池采用單排單格形式，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面尺寸為28.73 m×15.08 m,布置在礦井水凈化車間內(nèi)。濾池設(shè)計(jì)共6格，單格過濾面積為41.84 m2,正常設(shè)計(jì)濾速為7.17 m/h,強(qiáng)制濾速為8.6 m/h.濾池濾料采用均粒石英砂，粒徑d10=0.9 mm,不均勻系數(shù)K80=1.4,濾料厚度為1 200 mm.濾池運(yùn)行方式采用氣動閥門控制。

　　均質(zhì)濾料濾池采用氣水聯(lián)合反沖洗方式，沖洗周期為24 h.反沖洗水泵共設(shè)置3臺，2用1備;單臺水泵的主要參數(shù)：流量為418 m3/h,揚(yáng)程為12 m,功率為22 kW.反沖洗采用羅茨風(fēng)機(jī)，共設(shè)置2臺，1用1備;單臺風(fēng)機(jī)的主要參數(shù)：流量為40 m3/min,出口壓力為49 kPa,功率為45 kW。

　　4.5 工業(yè)清水池

　　工業(yè)清水池共2座，單池平面尺寸為20.60 m×16.60 m,有效水深為3.8 m,地埋式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，室外布置，池頂覆土0.5 m.工業(yè)清水池單座有效容積為1 216 m3,連同清水吸水井的總停留時間為1.43 h。

　　4.6 供水泵房與消毒間

　　供水泵房與消毒間為合建式，內(nèi)設(shè)加氯間、鹽酸儲庫、氯酸鈉儲庫、配電間及供水泵房，平面軸線尺寸為39.60 m×9.50 m.加氯間、氯庫及配電間為單層框架結(jié)構(gòu)，供水泵房為半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。供水泵房內(nèi)設(shè)4臺供水泵與1臺廠區(qū)自用水自動給水設(shè)備。供水泵3用1備，1臺變頻;單臺水泵的主要參數(shù)：流量為650 m3/h,揚(yáng)程為28 m,功率為75 kW.廠區(qū)自用水自動給水設(shè)備主要參數(shù)：供水流量為50 m3/h,揚(yáng)程為60 m,功率為15 kW。

　　加氯間內(nèi)設(shè)二氧化氯發(fā)生器2臺，單臺加氯量為2 kg/h,并配余氯檢測裝置與機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)備。

　　4.7 廢水回用水池

　　廢水回用水池1座，平面尺寸為24.60 m×12.60 m,有效水深為3.8 m,地埋式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，室外布置。廢水回用水池內(nèi)設(shè)2臺廢水回流泵及2臺潛水?dāng)嚢铏C(jī)。廢水回流泵1用1備;單臺水泵的主要參數(shù)：流量為190 m3/h,揚(yáng)程為23 m,功率為22 kW.潛水?dāng)嚢铏C(jī)1用1備;單臺設(shè)備的主要參數(shù)：葉輪直徑為580 mm,葉輪轉(zhuǎn)速為475 r/min,功率為10 kW。

　　4.8 煤泥儲泥池

　　煤泥儲泥池1座，平面尺寸為20.00 m×9.50 m,有效水深為3.7 m,地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，布置在煤泥脫水車間內(nèi)。煤泥儲泥池設(shè)計(jì)進(jìn)泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.5%,流量為1 200 m3/d,水力停留時間為11 h.池內(nèi)設(shè)潛水?dāng)嚢铏C(jī)2臺及套筒閥1只。單臺潛水?dāng)嚢铏C(jī)的主要參數(shù)：葉輪直徑為580 mm,葉輪轉(zhuǎn)速為475 r/min,功率為10 kW;套筒閥的主要參數(shù)：最大撇水高度為1 m,手電兩用。

　　4.9 煤泥脫水車間

　　煤泥脫水車間為單層鋼混結(jié)構(gòu)，平面軸線尺寸為31.80 m×24.00 m,內(nèi)設(shè)脫水機(jī)房、脫水機(jī)進(jìn)泥泵坑、煤泥堆間、加藥間及煤泥儲泥池等。煤泥脫水設(shè)備設(shè)計(jì)采用臥式螺旋離心脫水機(jī)，共3臺，2用1備;單臺離心脫水機(jī)的主要參數(shù)：處理煤泥水流量為40 m3/h,功率為55 kW(主)+15 kW(輔).考慮煤泥水濃度高且水中的煤泥顆粒大，設(shè)計(jì)采用ITT工業(yè)集團(tuán)N系列泥漿泵，共3臺，2用1備;單臺水泵的主要參數(shù)：流量為40 m3/h,揚(yáng)程為25 m,功率為13.5 kW.離心脫水機(jī)的工作時制為8～12 h/d。

　　煤泥濃縮脫水前需投加絮凝劑，設(shè)計(jì)選用高分子粉末狀絮凝劑PAM,投加量按干泥量的0.3%計(jì)。PAM投加采用自動投藥系統(tǒng)，投加流量為6 m3/h,功率為4 kW。

　　煤泥水經(jīng)離心脫水機(jī)脫水后，泥餅含水率達(dá)到80%,由水平螺旋輸送機(jī)及傾斜螺旋輸送機(jī)輸送至泥餅收集系統(tǒng)。水平螺旋輸送機(jī)的主要參數(shù)：螺旋直徑為500 mm,長為8 m,配套電機(jī)功率為5.5 kW;傾斜螺旋輸送機(jī)的主要參數(shù)：螺旋直徑為500 mm,長為9.5 m,配套電機(jī)功率為7.5 kW;泥餅收集系統(tǒng)的主要參數(shù)：容積為5 m3,配套液壓泵站功率為2.2 kW。

　　5 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　　(1)考慮到錦界煤礦井下水懸浮物濃度高、波動大，在預(yù)沉調(diào)節(jié)池進(jìn)水端投加高分子絮凝劑PAM,增強(qiáng)了預(yù)沉調(diào)節(jié)池中懸浮物的去除效果，減輕了后續(xù)處理單元的負(fù)荷。

　　(2)預(yù)沉調(diào)節(jié)池采用桁架式刮泥機(jī)和ITT工業(yè)集團(tuán)新型HS型泥漿泵的組合排泥方式，提高了工程煤泥水的整體排出濃度，進(jìn)一步減少了后續(xù)煤泥水濃縮處理單元的設(shè)置，使工程煤泥水處理系統(tǒng)得到簡化。

　　(3)選用自動化程度較高的PAC與PAM自動投加裝置。該裝置根據(jù)原水濁度的變化自動調(diào)整加藥量，解決了因進(jìn)水懸浮物濃度波動大而帶來的水質(zhì)沖擊負(fù)荷，保證了處理效果，降低了日常運(yùn)行過程中的勞動強(qiáng)度。

　　(4)針對礦井水懸浮物濃度高及混凝性能差等特點(diǎn)，采用改良型機(jī)械攪拌澄清池進(jìn)行井下排水的混凝處理，強(qiáng)化了井下排水的絮凝效果，降低了清水區(qū)的上升流速。通過在分離室設(shè)置1 m高度的斜管區(qū)，進(jìn)一步提高了改良型機(jī)械攪拌澄清池的沉淀效果。改良型機(jī)械攪拌澄清池通過大流量的泥渣回流，使礦井排水中的油類物質(zhì)被吸附而去除。

　　(5)均質(zhì)濾料濾池對澄清出水中殘余的細(xì)小巖粉顆粒和油類物質(zhì)去除效果良好。均質(zhì)濾料濾池反沖洗效果優(yōu)良，有效克服了煤礦井下排水處理過程中濾池濾料易板結(jié)等問題。

　　(6)煤泥水的脫水處理采用臥式螺旋離心脫水機(jī)，占地面積小，處理效率高，工作環(huán)境優(yōu)良。臥式螺旋離心脫水機(jī)的進(jìn)泥泵采用ITT工業(yè)集團(tuán)N系列泥漿泵，設(shè)備故障率低，使用壽命長。

　　(7)采用預(yù)處理投加PAM,混凝處理投加PAC+PAM的藥劑組合投加方式，節(jié)約了藥劑用量，提高了井下排水處理的穩(wěn)定性和處理效果，降低了處理成本。

　　6 運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)分析

　　6.1 運(yùn)行效果

　　錦界煤礦井下排水處理工程于2010年5月開工建設(shè)，2011年8月建成后進(jìn)行調(diào)試試運(yùn)行。試運(yùn)行期間運(yùn)行效果良好，出水水質(zhì)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。試運(yùn)行期間的主要進(jìn)出水水質(zhì)如表 2所示。

　　6.2 經(jīng)濟(jì)分析

　　錦界煤礦井下水污水處理廠設(shè)計(jì)占地面積22 400 m2,總投資4 724 萬元。

　　主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)：投資1 094 元/m3,占地0.52 m2/m3,藥耗成本0.218 元/m3,綜合處理成本0.697 元/m3。具體參見http://www.dongaorq.cn更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　7 結(jié)語

　　錦界煤礦井下排水處理工程的實(shí)施減少了錦界煤礦礦井污水的排放量，保護(hù)了地區(qū)地表水的自然平衡，并為電廠及井下生產(chǎn)提供了大量優(yōu)質(zhì)水資源，解決了礦區(qū)用水量日益增加和水資源逐漸短缺的矛盾，促進(jìn)了礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。