復雜成分礦井水處理工藝的研究與應用論文
目前我國很多煤礦一方面嚴重缺乏生產、生活用水，另一方面卻又將礦井水簡單處理直接外排，對周邊水環境造成污染，也造成大量水資源的浪費。因此，將煤礦礦井水處理后作為煤礦工業用水不僅解決了礦區缺水問題，同時又有效利用了礦井水，節省了地下水資源，具有明顯經濟和社會效益。
1 礦井水概況及水質特征
煤礦生產工藝所產生生產廢水及巖(煤)層裂隙水共同組成了礦井排水，多呈灰黑色，觀感性狀差、濁度高，其中固體懸浮物(SS)含量在150~450mgL-1之間，同時，礦井排水的水質還受到水文地質條件、水動力學、地質化學、礦床地質構造條件和開采條件的影響，使得其與普通地表水水質有著明顯的差異。
礦井水中顆粒通常表現為負電性，顆粒之間的靜電斥力阻止其彼此接近而聚合成較大的顆粒，同時帶電荷的膠體能與周圍的水分子發生水化作用，形成水化膜，進一步阻礙了各膠體的聚合。
影響礦井水中懸浮顆粒與混凝劑親和力的重要因素是懸浮顆粒的潤濕性。煤都具有疏水性，其實質是煤表面的氣體被水取代的難易程度，一般用接觸角的大小來表示。煤表面為非均相結構，無機物與有機物復雜的結合在一起，共同影響著煤的潤濕性，根據資料統計，幾種典型的煤化階段煤種的煤粉潤濕接觸角為：褐煤 40~63° , 長焰煤 60~63°，氣煤 65~72°，肥煤 71~75°，焦煤 86~90°，無煙煤 84~93°。由此可以看出，隨著煤化階段的增高，表面極性官能團的數量逐漸減少，芳香度增加，潤濕性下降，接觸角逐漸變大，所以，一旦煤種確定，則確定了礦井水與混凝劑的親和能力。
2 礦井水處理工藝現狀
煤礦生產企業常用的礦井水處理工藝多采用物理化學沉淀法，即通過混凝反應產生絮團，通過斜管(斜板)沉淀，以達到去除懸浮物的目的。沉淀構筑物大多采用平流式沉淀池、輻流式沉淀池和集混合、反應、沉淀于一身的機械加速澄清池(水力加速澄清池)。設施具有運行成本低、可操作性強、耐沖擊負荷的特點，針對以往單一的煤(巖)塵顆粒的巖層裂隙水處理，處理水質可以達到 COD ≤ 45mg/L、SS ≤ 20mg/L。不過，這只是在煤炭生產企業采用高檔普采采煤工藝的時期，隨著礦井發展和機械化水平的提高，礦井生產工序有著明顯的變化：大采深、高效率、整體機械化的作業模式使得礦井井下支護設備、通風降塵設施的規模和數量大幅提高，大型液壓支架、工作面降塵及大型運輸、轉載設備的冷卻等諸方面的用水最終進入礦井排水系統，帶來的結果是礦井排水中夾雜大量的乳化液、煤粉和礦物油等成分，這與先期礦井排水成分有著巨大的區別。
原有的水處理構筑物在處理現有水質的礦井排水時，大多會出現加藥量大幅增加、絮團松散難沉降甚至產生大量上浮的現象，同時，礦井水中的礦物油、乳化液等成分原有構筑物無法去除，致使出水水質中污染物成分 COD 居高不下，大大降低了出水水質，直接影響到中水利用范圍，外排至周邊水環境也加重水體的污染。
3 研究目的與設計理論依據
本著處理成本最小化、處理水質最優化的原則，引入前段曝氣生物降解處理工序，先期降解和沉降可溶性有機物及微粒化礦物油，實現處理出水水質的進一步提高。
設計是以傳統的活性污泥法為模板，典型的活性污泥法是由曝氣池、沉淀池、污泥回流系統和剩余污泥排除系統組成。污水和回流的活性污泥一起進入曝氣池形成混合液，同時，由空氣壓縮機站提供的壓縮空氣，通過鋪設在曝氣池底部的空氣擴散裝置，以細小氣泡的形式進入污水中，以增加污水中的溶解氧含量，供給微生物所需氧氣，還使混合液處于劇烈攪動的狀態，呈懸浮狀態。溶解氧、活性污泥與污水互相混合、充分接觸，使得污水中的有機污染物被活性污泥顆粒吸附在菌膠團的表面上，微生物在氧氣充足的條件下，吸收這些有機物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，經過活性污泥凈化作用后的混合液進入二次沉淀池，混合液中浮的活性污泥和其他固體物質在這里沉淀下來與水分離。
4 水處理構筑物概況
(1)處理工藝水流流向
雙向循環曝氣池為由兩道廊道擋墻分割為三部分，底部設曝氣裝置，礦井水由底部配水進水，層流進入廊道，經廊道下部布水口進入中心廊道主曝氣區，污水在主曝氣區經活性污泥好氧生物處理，吸附消化水中有機污染物，然后進入沉淀區沉淀，水流末端設溢流堰溢流出水。
經過一個循環的處理流程，水流轉換為二次水流方向進水，由溢流堰側底部進水，經過主曝氣區處理，由上個循環處理流程進水側溢流堰出水。
(2)構筑物結構
雙向循環曝氣池確定為整體鋼砼結構，將整個池體由廊道擋墻分割為三部分，中間部分為主曝氣區，生物好氧處理的主要區域，兩側為沉淀區，內敷蜂窩斜管，為活性污泥的沉淀區，沉淀區末端池底設集泥斗，多余活性污泥及無機顆粒由管路排出。
5 水處理構筑物設計及建設
煤礦生產企業礦井水處理系統通常建設以調節沉淀池(預沉池)來去除大顆粒固體懸浮物，以達到均勻水質的目的，經過了預沉淀工序，工業廢水中固體懸浮物細小，均勻，伴有溶解性有機物及懸濁狀態的礦物油成分。作為專門針對影響物理化學沉淀效果的含油礦井排水的水處理構筑物，生物處理接觸消化時間決定著構筑物的有效容積，考慮到新增加構筑物的建設場地問題，占地面積200~300m2。
6 水處理構筑物運行及處理效果
雙向循環曝氣池沉淀區進水于與曝氣系統同步，主曝氣區始終曝氣，三條廊道切換時間為30min, 保證活性污泥始終呈懸浮狀態，沉淀區末端集聚固體懸浮物及超齡活性污泥由排泥管路排出。
雙向循環曝氣池并入礦井水處理系統后，水質均勻，處理設施運行穩定，混凝劑投加量減少 45%,處理后水質 COD ≤ 20mg/L，SS ≤ 10mg/L。
7 效益分析
古城煤礦每年產生礦井廢水 70 萬 m，增設雙向循環曝氣池后的礦井水處理系統，每年減少 COD排放量 7.1t，減少混凝劑用量 600t(液態)，累計減少運行成本 39 萬元。
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