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，是由國家發(fā)改委批準、中國神華股份公司批復的“西電東輸”錦能煤電一體化建設配套項目。為執(zhí)行國家建設項目“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，井下水經處理后主要回用于錦界煤礦地面生產系統消防灑水、井下消防灑水以及錦界煤礦配套電廠的工業(yè)生產用水。
1 井下排水特點
錦界煤礦井下排水中的污染物以煤粉、巖粉、乳化油和機油為主，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，是礦井水凈化處理中較難處理的一種水質類型〔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、水質變化幅度大等特征。神東煤炭分公司近2 a的檢測數據表明，錦界煤礦井下排水中懸浮物質量濃度正常為500 mg/L左右，最高時達到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，水量沖擊負荷較大，設計最高時流量為平均流量的2倍多。
2 設計進出水水質
工程設計進水水質以神東煤炭分公司近2 a的檢測數據為依據，并適當考慮一定安全余地。工程設計出水水質指標根據神東煤炭分公司要求，主要指標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用水對水質的要求，其余部分需達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)中的Ⅴ類要求。設計進出水主要指標如表 1所示。
3 處理工藝
3.1 礦井水處理工藝
3.1.1 預處理
由于錦界煤礦井下排水中的懸浮物濃度高，水質和水量沖擊負荷大，采用配備桁架式刮泥機的平流式預沉調節(jié)池對礦井水進行預處理，并在進口配水井內投加高分子絮凝劑聚丙烯酰胺(PAM),以增強預處理效果。
3.1.2 混凝沉淀處理
礦井水經預處理后，水中的大顆粒懸浮物煤粉得到有效去除，一些細小巖粉及油類物質在污水中的比例明顯升高，因此采用對細小懸浮物和油類物質去除效果較好的改良型機械攪拌澄清池對礦井水進行混凝沉淀處理，并在改良型機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),以增強澄清效果。
3.1.3 過濾處理
礦井水在經過改良型機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，因此采用過濾和反沖洗效果較好的均質濾料濾池對礦井水進行過濾處理。
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物的產生，采用二氧化氯消毒劑對礦井水進行消毒處理。
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生的廢液經收集后回流至配水井內，實現內部循環(huán)零排放。
具體的工藝流程如圖 1所示。
圖 1 工藝流程
4 主要處理構筑物設計
4.1 預沉調節(jié)池
預沉調節(jié)池與配水井為合建式，共2座，呈并聯運行方式，鋼筋混凝土結構，室外露天布置。預沉調節(jié)池平面尺寸為76.70 m×37.55 m,有效水深為4.8～5.4 m,設計平均水平流速為2.57 mm/s,平均水力停留時間為7.6 h;設計最大水平流速為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，設計在配水井內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)生絮凝反應后，經預沉調節(jié)池進水端設置的配水孔進行配水，從整個斷面均勻進入預沉調節(jié)池內進行絮凝沉淀，沉淀后的煤泥由池內設置的2臺桁架式刮泥機刮至集泥斗內，刮泥機行走速度為1 m/min,最后通過4臺煤泥提升泵提升至煤泥儲泥池內。煤泥提升泵采用ITT工業(yè)集團HS系列新型泥漿泵，移動式軟管安裝，單臺水泵的主要參數：流量為45 m3/h,揚程為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，內設加藥間、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構，提升泵房為半地下式鋼筋混凝土結構。在提升泵房內設置3臺離心泵，2用1備，1臺變頻控制;單臺水泵的主要參數：流量為1 050 m3/h,揚程為13 m,功率為55 kW。
在加藥間內設置聚合氯化鋁(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 改良型機械攪拌澄清池
改良型機械攪拌澄清池共2座，鋼筋混凝土結構，布置在礦井水凈化車間內。單座改良型機械攪拌澄清池內徑為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.設計澄清池清水區(qū)上升流速為0.89 mm/s,污泥回流比為1∶4。
改良型機械攪拌澄清池內設攪拌機和刮泥機各1套。攪拌機主要參數：葉輪直徑為3 500 mm,外緣線速為1.0 m/s,配套減速機功率為5.5 kW;刮泥機主要參數：刮臂直徑為13 m,刮泥耙外緣線速為2 m/min,配套減速機功率為1.5 kW。
為增強清水區(qū)的泥水分離效果，設計在清水區(qū)設置1 m高的斜管沉淀區(qū);斜管主要參數：內徑為35 mm,安裝角度為60°，PP材質。
4.4 均質濾料濾池
均質濾料濾池采用單排單格形式，鋼筋混凝土結構，平面尺寸為28.73 m×15.08 m,布置在礦井水凈化車間內。濾池設計共6格，單格過濾面積為41.84 m2,正常設計濾速為7.17 m/h,強制濾速為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K80=1.4,濾料厚度為1 200 mm.濾池運行方式采用氣動閥門控制。
均質濾料濾池采用氣水聯合反沖洗方式，沖洗周期為24 h.反沖洗水泵共設置3臺，2用1備;單臺水泵的主要參數：流量為418 m3/h,揚程為12 m,功率為22 kW.反沖洗采用羅茨風機，共設置2臺，1用1備;單臺風機的主要參數：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構，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，內設加氯間、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構，供水泵房為半地下式鋼筋混凝土結構。供水泵房內設4臺供水泵與1臺廠區(qū)自用水自動給水設備。供水泵3用1備，1臺變頻;單臺水泵的主要參數：流量為650 m3/h,揚程為28 m,功率為75 kW.廠區(qū)自用水自動給水設備主要參數：供水流量為50 m3/h,揚程為60 m,功率為15 kW。
加氯間內設二氧化氯發(fā)生器2臺，單臺加氯量為2 kg/h,并配余氯檢測裝置與機械強制通風設備。
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構，室外布置。廢水回用水池內設2臺廢水回流泵及2臺潛水攪拌機。廢水回流泵1用1備;單臺水泵的主要參數：流量為190 m3/h,揚程為23 m,功率為22 kW.潛水攪拌機1用1備;單臺設備的主要參數：葉輪直徑為580 mm,葉輪轉速為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構，布置在煤泥脫水車間內。煤泥儲泥池設計進泥質量分數為97.5%,流量為1 200 m3/d,水力停留時間為11 h.池內設潛水攪拌機2臺及套筒閥1只。單臺潛水攪拌機的主要參數：葉輪直徑為580 mm,葉輪轉速為475 r/min,功率為10 kW;套筒閥的主要參數：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構，平面軸線尺寸為31.80 m×24.00 m,內設脫水機房、脫水機進泥泵坑、煤泥堆間、加藥間及煤泥儲泥池等。煤泥脫水設備設計采用臥式螺旋離心脫水機，共3臺，2用1備;單臺離心脫水機的主要參數：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，設計采用ITT工業(yè)集團N系列泥漿泵，共3臺，2用1備;單臺水泵的主要參數：流量為40 m3/h,揚程為25 m,功率為13.5 kW.離心脫水機的工作時制為8～12 h/d。
煤泥濃縮脫水前需投加絮凝劑，設計選用高分子粉末狀絮凝劑PAM,投加量按干泥量的0.3%計。PAM投加采用自動投藥系統，投加流量為6 m3/h,功率為4 kW。
煤泥水經離心脫水機脫水后，泥餅含水率達到80%,由水平螺旋輸送機及傾斜螺旋輸送機輸送至泥餅收集系統。水平螺旋輸送機的主要參數：螺旋直徑為500 mm,長為8 m,配套電機功率為5.5 kW;傾斜螺旋輸送機的主要參數：螺旋直徑為500 mm,長為9.5 m,配套電機功率為7.5 kW;泥餅收集系統的主要參數：容積為5 m3,配套液壓泵站功率為2.2 kW。
5 設計特點
(1)考慮到錦界煤礦井下水懸浮物濃度高、波動大，在預沉調節(jié)池進水端投加高分子絮凝劑PAM,增強了預沉調節(jié)池中懸浮物的去除效果，減輕了后續(xù)處理單元的負荷。
(2)預沉調節(jié)池采用桁架式刮泥機和ITT工業(yè)集團新型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，進一步減少了后續(xù)煤泥水濃縮處理單元的設置，使工程煤泥水處理系統得到簡化。
(3)選用自動化程度較高的PAC與PAM自動投加裝置。該裝置根據原水濁度的變化自動調整加藥量，解決了因進水懸浮物濃度波動大而帶來的水質沖擊負荷，保證了處理效果，降低了日常運行過程中的勞動強度。
(4)針對礦井水懸浮物濃度高及混凝性能差等特點，采用改良型機械攪拌澄清池進行井下排水的混凝處理，強化了井下排水的絮凝效果，降低了清水區(qū)的上升流速。通過在分離室設置1 m高度的斜管區(qū)，進一步提高了改良型機械攪拌澄清池的沉淀效果。改良型機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被吸附而去除。
(5)均質濾料濾池對澄清出水中殘余的細小巖粉顆粒和油類物質去除效果良好。均質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等問題。
(6)煤泥水的脫水處理采用臥式螺旋離心脫水機，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的進泥泵采用ITT工業(yè)集團N系列泥漿泵，設備故障率低，使用壽命長。
(7)采用預處理投加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 運行效果及經濟分析
6.1 運行效果
錦界煤礦井下排水處理工程于2010年5月開工建設，2011年8月建成后進行調試試運行。試運行期間運行效果良好，出水水質完全達到設計要求。試運行期間的主要進出水水質如表 2所示。
6.2 經濟分析
錦界煤礦井下水污水處理廠設計占地面積22 400 m2,總投資4 724 萬元。
主要經濟技術指標：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://wlmqsb.com更多相關技術文檔。
7 結語
錦界煤礦井下排水處理工程的實施減少了錦界煤礦礦井污水的排放量，保護了地區(qū)地表水的自然平衡，并為電廠及井下生產提供了大量優(yōu)質水資源，解決了礦區(qū)用水量日益增加和水資源逐漸短缺的矛盾，促進了礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境、經濟和社會效益顯著。
