旋流净化技术在矿井水处理中的应用

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1工程概况

目前某矿井矿井水处理采用斜管沉淀法，设计处理能力为400m3/h。矿井水由中央泵房排水泵提升至地面集水池，集水池内的水经过初沉淀后由泵提升通过管道混合器，在管道混合器前后分别投加PAC和PAM，混合反应后进入斜管沉淀池，沉淀池的上清液流入清水池经砂滤、消毒后外排，沉淀后的原水经回流管回至集水池重新进行处理。

2现状分析

该矿矿井水属于含悬浮物矿井水。矿井水中悬浮物（SS）的主要成分是煤粉和岩粉，含量为1200mg/L左右。在井下水仓清仓时，悬浮物含量最高可达上万mg/L。由于煤粉的作用，矿井水黑色十分明显，感官性状差，同时煤粉中的碳原子具有还原性，能被重铬酸钾等强氧化物氧化，显示有较高浓度的CODcr。CODcr浓度随着悬浮物含量和煤粉占悬浮物的比例而变化，它将随着悬浮物的去除而消失不需要进行生化处理。矿井水的主要污染物为悬浮物，而且悬浮物中的煤粉是构成矿井水CODcr的主要成分，所以，矿井水要达标排放，必须对矿井水中的悬浮物进行去除。该矿现有构筑物布局紧凑，且基本布满处理站现有面积，为扩容改造预留的用地严重不足，这就要求扩容改造时选用工艺要尽量减少占地，多利用已有设备/构筑物，尽量避免破坏矿井水处理站现有布局，节省土建费用，选用自动化程度高的设备，不增加运营人员，节省人工费用，同时保证处理效率高、出水稳定达标。综上所述，选择高效旋流污水净化器一体化设备，设计处理量260m3/h，分2套设备，单套处理量130m3/h。

3高效旋流净化技术原理

矿井废水经原调节初沉池后进入原调节池，进行水质水量的均衡，然后通过提升泵进入高效混凝器，混凝器进水端添加PAC混凝剂，混凝器出水端添加PAM絮凝剂，经充分混合后进入高效旋流污水净化器，通过高效固液泥水分离后，上清液排入清水池，达标排放。沉淀污泥在净化器内已经过充分浓缩，由净化器底部排出后，可直接进入污泥压滤机，压滤后污泥外运。滤液进入调节池进行再处理。

4实施方案

4.1处理工艺方案选择

本方案采用旋流净化工艺处理矿井水。工艺流程主要为：待处理矿井污水通过调节池内提升泵将矿井水提升至闪混器，矿井水在PAC药剂的配合作用下在闪混器中完成完成直流混凝，压缩双电层，实现煤尘颗粒剂胶体与水的分离。利用调节池内提升泵的余压将矿井水提升至旋流净化器，在PAM药剂的作用下，经过常压旋流、二级旋流离心分离、紊态造粒污泥层流态过滤等过程，把小胶粒聚集成大胶粒团，完成废水的多级净化。完成净化后的矿井水从旋流器顶部流出第一路进入反洗水池作为反洗水源；第二路进入清水池外排；第三路进入调节池。反冲洗过后的第一股水优先进入调节池，带出水稳定后再通过清水池外排。旋流器的反洗排水排放至调节池。经过处理沉淀后的煤泥从旋流罐底部排出至污泥收集池，污泥收集池内的污泥通过污泥泵排至压滤机内，经压滤机压滤后通过皮带运至指定煤泥收集地点。本方案设计中充分利用原有调节池、产水池、污泥收集池。

4.2平面布置

主要考虑旋流净化器主体布置位置与压滤/加药/配电等辅助设备/设施的布置位置。结合现场情况，主罐体设备的布置位置及煤泥池（全地下、无盖护栏维护）、旋流净化器、加药系统顺序摆放，板框压滤下部对接煤泥导料斗是、输送配皮带，对接外运车拉走外运。旋流净化工艺的流程见下图，矿井来水进入调节池缓冲，通过旋流器进水泵提升加压，进入混凝器，混凝器采用旋流闪混技术，取代混凝反应池，在罐体前几罐体后分别加混凝和絮凝药剂，通过混凝器产生对流，交叉混合和反向旋流三个作用，完成药剂的水解、混合、压缩双电层，矿井水得到净化，出水达标排放或进一步深度处理回用。从旋流净化器底部排出的污泥排入污泥池中，经过污泥处理系统进行处理后，泥饼通过车辆外运。

4.3调节池

矿井水处理站现有调节池2座，单座尺寸为长×宽×高=30m×16m×5.5m，容积为2640m3，处理量扩容至460m3后，调节淀池水力停留时间仍大于5h，满足本次扩容改造需求，故调节池可利用，无需新建，在原有调节初沉淀池处安装2台旋流净化器进水提升泵，一用一备。

4.4高效混凝器

矿井水中悬浮物粒度小、密度低、沉降效果差。在中央泵房水仓前方设置一座初沉淀池，使用压滤机将初沉淀池内矿井水通过泵排至压滤机内进行压滤，将煤、岩粉压滤后，排至水仓，这样排到地面的矿井水总悬浮物的平均密度低，为12~1.3g/cm3，且均表现出不同程度的带负电，这使得矿井水中的悬浮物表现为胶体微粒的性质能在水中长期保持分散状态，难以自由沉降。高效混凝器采用旋流闪混技术，取代混凝反应池，在罐体前几罐体后分别加混凝和絮凝药剂，通过混凝器产生对流，交叉混合和反向旋流三个作用，完成药剂的水解、混合、压缩双电层，使矿井水得到净化。

4.5高效旋流净化器

高效旋流净化技术是通过旋流、混凝、沉淀、悬浮泥渣层过滤等多种技术组合，充分利用离心分离、絮体循环、泥渣过滤等工艺原理，将高悬浮物井下水中不同粒度、密度的悬浮颗粒进行高效分离。向水中投入絮凝剂和混凝剂，将污水净化中的混凝反应、泥水分离沉淀、过滤、污泥浓缩等水处理环节有机融合集成为一体，在同一罐体内短时间（20~35min）完成污水的多级净化。悬浮物颗粒沉积在下端泥斗，通过排泥管道将污泥排放至污泥池。该工艺简化了井下水处理工艺，通过旋流分离可大幅度预沉悬浮物，减少了对后续工序的冲击负荷，扩大了处理井下水悬浮物浓度的适用范围。该技术及装备具有适应性强、抗冲击负荷范围广、出水水质稳定、占地面积少、处理成本低、工艺简单等优点。旋流净化器，布置于新建基础上。

4.6加药单元

本方案混凝剂采用PAC（聚合氯化铝），固体粉末，氧化铝的质量分数≥28%，药剂其他成分需满足《水处理剂聚氯化铝》GB/T22627—2014。本方案助凝剂采用PAM（聚丙烯酰胺），本项目需1套PAC加药装置和1套PAM加药装置，装置主要包括药液配药系统、计量投加系统等。

4.7电气负荷选择

本项目用电负荷均为0.4kV用电设备，属于三类负荷，采用的所有传动电机为低压0.38kV交流电机，总装机功率122.45kW，使用功率100.45kW。矿井水处理装置配电间内设置动力配电屏，向站内所有动力设备配供电。配电装置采用抽屉柜为供电装置。电源进线为1路、单母线分段供电。电机控制采用自动/手动两种操作。自动控制采用集控操作，在站内控制室统一操作。在厂区主控室内能监控主要电气的运行状态、参数、电气设备故障报警。

4.8电缆敷设及选型

（1）电缆敷设。引出地面和引出桥架的电缆，相应引出部分加电缆保护管（镀锌）保护，穿墙电缆须密封以防潮或虫蛀。低压电缆与仪控电缆最小间距标准为200mm，动力电缆、控制电缆均没有中间接头。在污水站区域内采用挖设电缆沟和搭设电缆桥架使电缆构筑物整齐、美观。（2）电缆选型。a.低压电缆：0.4kV动力电缆选用ZR-YJV-0.6/1kV等级的铜电缆，阻燃等级为C类。b.测量和控制电缆：测量和控制电缆选用C级阻燃型，并且最小导体截面为1.5mm2。弱电信号选用带屏蔽层的电缆。不同的建筑物之间的连接，选用有一条公共屏蔽线用以防止感应电压的电缆。

4.9保护方式

（1）继电保护。低压配电柜进线总开关设置过负荷、短路速断保护、漏电等保护。（2）接地保护。低压接地型式采用TN-S制，配电间内设置集中接地装置，接地电阻小于2Ω。低压线缆敷设距离超过50m时设重复接地装置，接地电阻不应大于4Ω。（3）程控监视。现场电机大于45kW的电机均要在现场安装电流表显示电流，对变频控制的电机和高压及大流量的水泵电机要求在中控电脑上显示电流、运行状态、故障报警等信号参数，变频电机能程控设定参数。

4.10仪表和控制系统选择

（1）控制系统。本控制系统选用西门子中型PLC控制系统：优先采用Siemens的工业自动化系统的S7-1500系列，以及数字量、模拟量I\O单元，组成分散集中控制系统，设置于站内操作室。本系统设开关量I/O点用于泵和阀门的控制，设模拟量为仪表检测控制信号，并留有不少于10%余量。CPU与CPU间，CPU与PC间采用以太网络通讯。CPU与分布式I/O，VSD以及阀岛间的现场总线，须采用Profinet网络。以太网卡的IP地址遵循工厂规定。模拟量模件不超过8通道，数字量模件不超过32通道，所有I/O模块都为带电热插拔卡件。在整个运行环境温度范围内，卡件精度满足如下要求：模拟量输入信号±0.1%；模拟量输出信号±0.15%。模拟量输入4~20mA，输入阻抗为250Ω。可连接2线制或4线制变送器。模拟量输出4~20mA，具有驱动回路阻抗大于750Ω的负载能力。数字量输入可以接收干接点信号和电子信号，并提供查询电压24VDC，并具有防抖动滤波处理。数字量输出：数字量输出模件采用隔离输出，通过中间继电器驱动控制回路等。中间继电器的工作电源由输出卡件提供。所有中间继电器应至少提供两副SPDT接点，接点电流容量满足实际需求。（2）流量仪表。流量测量采用法兰取压同心孔板，根据工艺对控制及管理的要求，本设计对高效旋流出水浊度、调节池液位，反洗水池液位、高效旋流进水管流量等工艺参数进行连续检测。仪表检测值除供现场显示外，所有信息经PLC同时送入电脑屏。（3）液位仪表。a.液位计选用超声波液位计；根据使用的区域和介质特性选择磁翻转液位计。b.液位报警来自变送器的模拟信号或液位开关的接点信号。c.用于联锁系统的信号由单独安装的开关或变送器提供。

5结语

（1）本次扩容改造采用合同能源管理模式，项目前期设计、采购、施工监测等费用均有第三方服务公司承担，减少了单位一次性资金投入；项目建成后，设备的维护、运营由第三方服务公司承担，单位降低了技术风险和经验风险；合同能源管理模式合同结束后，环保设备和效益均归企业所有。（2）运行费用低，主要体现在PAC和PAM用药量方面，传统的处理工艺处理1t水所需用药量费用约为0.4元左右，使用高效旋流净化技术用药量费用为0.17元左右，是传统工艺的1/2~1/3，按照目前每天处理矿井水量为6000t左右计算，每年节约的费用为6000×（0.4-0.17）×365≈50.4万元。（3）处理效率高，占地面积小，占地面积只有传统工艺的1/8~1/4，废水停留时间≤30min，出水SS为5~30mg/L，处理后的水可直接回用、达标排放。（4）新污水处理站建造后污水排放标准达到煤炭工业污染物排放标准》（GB20426—2006）表2新建（扩、改）生产线排放标准，且污染物浓度降低，外排水各污染物指标量降低。

参考文献

［1］靳学林.牛海军.王世海.高效旋流技术在矿井水处理中的应用［J］.山西煤炭，2008，（9）：28-30.

作者:李光华 单位:安阳市主焦煤业有限责任公司