复杂成分矿井水处理工艺的研究与应用

目前我国很多煤矿一方面严重缺乏生产、生活用水，另一方面却又将矿井水简单处理直接外排，对周边水环境造成污染，也造成大量水资源的浪费。因此，将煤矿矿井水处理后作为煤矿工业用水不仅解决了矿区缺水问题，同时又有效利用了矿井水，节省了地下水资源，具有明显经济和社会效益。

1 矿井水概况及水质特征

煤矿生产工艺所产生生产废水及岩层裂隙水共同组成了矿井排水，多呈灰黑色，观感性状差、浊度高，其中固体悬浮物含量在150~450mgL-1之间，同时，矿井排水的水质还受到水文地质条件、水动力学、地质化学、矿床地质构造条件和开采条件的影响，使得其与普通地表水水质有着明显的差异。

矿井水中颗粒通常表现为负电性，颗粒之间的静电斥力阻止其彼此接近而聚合成较大的颗粒，同时带电荷的胶体能与♋周围的水分子发生水化作用，形成水化膜，进一步阻碍了各胶体的聚合。

♫影响矿井水中悬浮颗粒与混凝剂亲和力的重要因素是悬浮颗粒的润湿性。煤都具有疏水性，其实质是煤表面的气体被水取代的难易程度，一般用接触角的大小来表示。煤表面为非均相结构，无机物与有机物复杂的结合在一起，共同影响着煤的润湿性，根据资料统计，几种典型的煤化阶段煤种的煤粉润湿接触角为：褐煤 40~63 , 长焰煤 60~63，气煤 65~72，肥煤 71~75，焦煤 86~90，无烟煤 84~93。由此可以看出，随着煤化阶段的增高，表面极性官能团的数量逐渐减少，芳香度增加，润湿性下降，接触角逐渐变大，所以，一旦煤种确定，则确定了矿井水与混凝剂的亲和能力。

2 矿井水处理工艺现状

煤矿生产企业常用的矿井水处理工艺多采用物理化学沉淀法，即通过混凝反应产生絮团，通过斜管沉淀，以达到去除悬浮物的目的。沉淀构筑物大多采用平流式沉淀池、辐流式沉淀池和集混合、反应、沉淀于一身的机械加速澄清池。设施具有运行成本低、可操作性强、耐冲击负荷的特点，针对以往单一的煤尘颗粒的岩层裂隙水处理，处理水质可以达到 COD 45mg/L、SS 20mg/L。不过，这只是在煤炭生产企业采用高档普采采煤工艺的时期，随着矿井发展和机械化水平的提高，矿井生产工序有着明显的变化：大采深、高效率、整体机械化的作业模式使得矿井井下支护设备、通风降尘设施的规模和数量大幅提高，大型液压支架、工作面降尘及大型运输、转载设备的冷却等诸方面的用水最终进入矿井排水系统，带来的结果是矿井排水中夹杂大量的乳化液、煤粉和矿物油等成分，这与先期矿井排水成分有着巨大的区别。

原有的水处理构筑物在处理现有水质的矿井排水时，大多会出现加药量大幅增加、絮团松散难沉降甚至产生大量上浮的现象，同时，矿井水中的矿物油、乳化液等成分原有构筑物无法去除，致使出水水质中污染物成分 COD 居高不下，大大降低了出水水质，直接影响到中水利用范围，外排至周边水环境也加重水体的污染。

3 研究目的与设计理论依据

本着处理成本最小化、处理水质最优化的原则，引入前段曝气生物降解处理工序，先期降解和沉降可溶性有机物及微粒化矿物油，实现处理出水水质的进一步提高。

设计是以传统的活性污泥法为模板，典型的活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统组成。污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液，同时，由空气压缩机站提供的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中，以增加污水中的溶解氧含量，供给微生物所需氧气，还使混合液处于剧烈搅动的状态，呈悬浮状态。溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触，使得污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的表面上，微生物在氧气充足的条件下☒，吸收这些有机物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池，混合液中浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离。

4 水处理构筑物概况

处理工艺水流流向

双向循环曝气池为由两道廊道挡墙分割为三部分，底部设曝气装置，矿井水由底部配水进水，层流进入廊道，经廊道下部布水口进入中心廊道主曝气区，污水在主曝气区经活性污泥好氧生物处理，吸附消化水中ง有机污染物，然后进入沉淀区沉淀，水流末端设溢流堰溢流出水。

经过一个循环的处理流程，水流转换为二次水流方向进水，由溢流堰侧底部进水，经过主曝☏气区处理，由上个循环处理流程进水侧溢流堰出水。

构筑物结构

双向循环曝气池确定为整体钢砼结构，将整个池体由廊道挡墙分割为三部分，中间部分为主曝气区，生物好氧处理的主要区域，两侧为沉淀区，内敷蜂窝斜管，为活性污泥的沉淀区，沉淀区末端池底设集泥斗，多余活性污泥及无机颗粒由管路排出。

5 水处理构筑物设计及建设

煤矿生产企业矿井水处理系统通常建设以调节沉淀池来去除大颗粒固体悬浮物，以达到均匀水质的目的，经过了预沉淀工序，工业废水中固体悬浮物细小，均匀，伴有溶解性有机物及悬浊状态的矿物油成分。作为专门针对影响物理化学沉淀效果的含油矿井排水的水处理构筑物，生物处理接触消化时间决定着构筑物的有效容积，考虑到新增加构筑物的建设场地问题，占地面积200~300m2。

6 水处理构筑物运行及处理效果

双向循环曝气池沉淀区进水于与曝气系统同步，主曝气区始终曝气，三条廊道切换时间为30min, 保证活性污泥始终呈悬浮状态，沉淀区末端集聚固体悬浮物及超龄活性污泥由排泥管路排出。

双向循环曝气池并入矿井水处理系统后，水质均匀，处理设施运行稳定，混凝剂投加量减少 45%,处理后水质 COD 20mg/L，SS 10mg/L。

7 效益分析

古城煤矿每年产生矿井废水 70 万 m，增设双向循环曝气池后的矿井水处理系统，每年减少 COD排放量 7.1t，减少混凝剂用量 600t，累计减少运行成本 39 万元。