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煤礦廢水處理工藝及應(yīng)用分析論文
長期以來，大規(guī)模的煤炭開發(fā)利用給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重破壞，尤其在煤礦開采過程產(chǎn)生大量廢水，對周邊自然水體和土壤構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。據(jù)調(diào)查，不考慮廢水利用，我國每年外排礦井廢水約22 × 108m3。大量煤礦廢水排放不僅給水資源缺乏的當(dāng)?shù)貛砭薮蠊┧畨毫�，而且對周邊地下水、地表水和土壤造成�?yán)重污染。因此，對煤礦廢水的治理勢在必行。
1 煤礦廢水來源及分類
1. 1 煤礦廢水的來源
煤礦廢水在煤礦建井和煤炭開采過程中，由地下涌水、防塵灑水、設(shè)備冷卻水等匯集而成。其水質(zhì)取決于礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境和煤層礦物成分。一般而言，煤礦廢水主要來源于地下涌水，因此污染程度較輕，水質(zhì)與一般城市污水性質(zhì)類似，但其中含大量懸浮物和礦化物。
1. 2 煤礦廢水的分類
煤礦廢水按其污染程度可以分為潔凈廢水、懸浮物廢水和高礦化度廢水三種。潔凈廢水水質(zhì)較好，經(jīng)過簡單的消毒處理后可直接作為工業(yè)用水或生活飲用水，甚至經(jīng)過深度處理后制成礦泉水; 含懸浮物廢水通過混凝沉淀、過濾消毒等處理工藝后才可排放或回用; 高礦化度廢水含有大量無機(jī)鹽，礦化度一般在1000mg /L 以上，且硬度較高，須經(jīng)過脫鹽處理。
煤礦廢水按pH 值可以分為酸性廢水( pH < 6. 5)、中性廢水(6. 5 < pH < 8. 5)、堿性廢水( pH > 8. 5) 三大類。我國中部和北方地區(qū)煤礦廢水多呈中性或弱堿性，南方地區(qū)存在一定的酸性廢水。酸性煤礦廢水中鐵、錳等重金屬含量較高，總硬度和礦化度較高。其傳統(tǒng)處理方法采用聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺( PAM) 進(jìn)行石灰中和沉淀法，另外，利用高分子生物絮凝劑處理酸性廢水也是目前的研究熱點(diǎn)之一。
2 煤礦廢水常見處理工藝
20 世紀(jì)70 年代末，我國開始對煤礦廢水進(jìn)行處理，常見的處理工藝流程為混凝、沉淀、過濾、脫鹽和消毒等，處理出水作為生產(chǎn)或生活用水。
2. 1 潔凈廢水、含懸浮物廢水的處理
潔凈廢水、含懸浮物廢水常見的處理工藝流程如圖1所示。廢水經(jīng)調(diào)節(jié)池去除廢水中較大顆粒懸浮物，經(jīng)泵房提升后進(jìn)入澄清池或沉淀池，在池前投加混凝劑和絮凝劑以去除廢水中膠體態(tài)懸浮物，經(jīng)沉淀后自流進(jìn)入濾池過濾，然后消毒，出水回用或達(dá)標(biāo)排放; 調(diào)節(jié)池、澄清池和濾池產(chǎn)生的底泥經(jīng)污泥濃縮后壓濾成泥餅外運(yùn)。
處理中混凝劑和絮凝劑的選擇至關(guān)重要。PAC 效果好，且成本低采用較為廣泛，但因其對生物體的毒害作用，從而推進(jìn)了鐵鹽的應(yīng)用。聚合鋁鐵(PAF) 和聚合氯化鋁鐵(PAFC)是目前較為常見的鐵鹽。前者腐蝕性較強(qiáng)且出水帶褐色，故需慎重選取，而后者各方面具有較好的效果，成為聚鋁和聚鐵的替代品。PAM 良好的吸附和架橋作用成為目前首選的絮凝劑。
沉淀池(澄清池)和過濾是處理流程中的主要處理單元。常見的沉淀池有斜板( 管) 式沉淀池和平流式沉淀池。常見的澄清池有機(jī)械加速澄清池和水力循環(huán)澄清池。常見過濾設(shè)施有普通快濾池和重力式無閥濾池。各種構(gòu)筑物在其負(fù)荷、占地、水質(zhì)適應(yīng)性、施工容易度、造價(jià)等方面各有利弊，在選用時(shí)宜根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件進(jìn)行選取。
2. 2 高礦化度廢水的處理
高礦化度煤礦廢水一般在圖1 處理工藝流程基礎(chǔ)上增加脫鹽工藝，其關(guān)鍵在于脫鹽。硫酸鹽和硬度的去除是除鹽的難點(diǎn)。常見的脫鹽方法有離子交換法、熱力法和膜分離法等。常見的3 種脫鹽方法的原理、適應(yīng)范圍及其優(yōu)缺點(diǎn)見。
各種脫鹽方法使用條件不同，實(shí)際處理過程中可根據(jù)廢水水質(zhì)、當(dāng)?shù)刈匀�、地理和�?jīng)濟(jì)等條件進(jìn)行合理選用。
2. 3 酸性煤礦廢水的處理
酸性煤礦廢水危害礦井安全、嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境和處理困難，一直為環(huán)境工作者研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，針對酸性煤礦廢水的處理主要有中和法、微生物法和人工濕地法。
3 工程案例分析
實(shí)際的煤礦廢水中，懸浮物、礦化度、酸性等水質(zhì)常常表現(xiàn)為2 ～ 3 種同時(shí)出現(xiàn)，因此在處理此種較為復(fù)雜的煤礦廢水時(shí)需要引起足夠重視。
3. 1 含懸浮物和高礦化度礦井水的處理
銀洞溝煤礦位于寧夏回族自治區(qū)固原市六盤山下的彭陽縣境內(nèi)，屬于水資源相對較匱乏地區(qū)，將礦井水凈化處理后可作為礦井的生產(chǎn)、生活水源。該工程自2012 年11月完工投產(chǎn)以來，每天可產(chǎn)出2000m3 脫鹽產(chǎn)品水，基本上解決了礦井生產(chǎn)和生活用水的需求。銀洞溝煤礦廢水采取間歇排放，水量為3000m3 /d，其水質(zhì)指標(biāo)見表3。該廢水懸浮物含量不穩(wěn)定，懸浮物濃度差異也較大，懸浮物粒度小、比重輕、沉降速度慢。懸浮物顆粒粒徑較小，平均只有2 ～ 8μm，約85% 的粒徑在50μm以下，煤粉平均密度僅有1. 3 ～ 1. 5g /cm3 ，遠(yuǎn)低于地表水系中泥沙顆粒物平均密度(2. 4 ～ 2. 6g /cm3 )。該廢水中礦化度(無機(jī)鹽總含量) 大于1000mg /L， 主要含SO2 -4 、Cl -、Ca2 +、Mg2 +、K +、Na +、HCO -3等離子，硬度相應(yīng)較高，水質(zhì)多數(shù)呈中性或偏堿，帶苦澀味。另外，由于井下綜采設(shè)備的機(jī)油及乳化油等污染，廢水中含有少量的油類。銀洞溝煤礦含懸浮物和高礦化度礦井水的處理工藝流程圖。
其進(jìn)水中顆粒物主要呈膠體態(tài)物質(zhì)且密度較小，2 次投加混凝劑后有利于形成大顆粒礬花，通過斜管沉淀去除，然后輔以多種過濾設(shè)施。對溶解性離子的去除主要通過反滲透工藝單元。經(jīng)上述工藝處理后，其反滲透出水水質(zhì)指標(biāo)。該煤礦廢水處理成本為4. 96 元/m3 ，其中人工費(fèi)0. 55元/m3、電費(fèi)1. 67 元/m3、藥劑費(fèi)1. 20 元/m3、維護(hù)及折舊費(fèi)1. 54 元/m3。
3. 2 高鹽、高鐵酸性礦井水的處理
汾西礦業(yè)集團(tuán)公司下屬煤礦廢水為典型的高鹽、高鐵酸性廢水，其水質(zhì)情況見表5。針對該水質(zhì)情況，提出了礦井水處理工藝。該煤礦廢水為間歇排放，水量為1800m3 /d，pH 值為2. 63。處理中采用純堿(NaCO3) 作為中和藥劑降低其酸性從而有利于Fe2 + 氧化，然后通過混合和斜板沉淀去除Fe3 + ; 通過錳砂過濾去除Mn2 + 和未氧化的部分Fe2 + ; 通過反滲透RO 去除溶解性的離子，水的回收利用率約為75%，出鹽率為99. 5%，最后通過ClO2消毒去除微生物。
酸性廢水直接影響混凝效果，因此工藝開始即對pH 值進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過樣氧化作用使其低價(jià)離子氧化成高價(jià)離子，然后通過混凝沉淀過濾得以去除部分離子，溶解態(tài)離子則通過RO 去除。經(jīng)上述工藝處理后，其出水水質(zhì)。通過上述兩個(gè)工程實(shí)例比較可以看出，銀洞溝煤礦廢水，由于懸浮態(tài)物質(zhì)含量較高，導(dǎo)致其總出水中離子( 主要為懸浮態(tài))含量仍然較高，TDS 的去除率為81. 2%; 汾西礦業(yè)集團(tuán)公司下屬礦礦井廢水，雖然TDS 含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于銀洞溝煤礦廢水中TDS，但其懸浮物含量僅為59mg /L，經(jīng)pH值調(diào)節(jié)后混凝沉淀過濾的效果較好，TDS 的去除率高達(dá)99. 7%。由此看出，實(shí)際廢水中懸浮物形態(tài)含量是影響其脫鹽效果的關(guān)鍵因素，同時(shí)也說明，酸性廢水處理中pH 值的調(diào)節(jié)的重要性。
4 結(jié)語
面對日益嚴(yán)峻的水資源短缺和水環(huán)境惡化問題，采用技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的廢水處理工藝是當(dāng)今污水治理發(fā)展的必然趨勢。煤礦廢水處理應(yīng)充分依據(jù)廢水水質(zhì)，提出相應(yīng)的處理構(gòu)筑物，在選取混凝劑、絮凝劑和中和藥劑時(shí)要綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，最后制定出較為合理可行的工藝處理流程，并在考慮達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)考慮其回用，這樣既為礦區(qū)提供新的水源，減小水資源利用壓力，又可保護(hù)礦區(qū)周邊水體和土壤環(huán)境，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性發(fā)展。
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