摘要：采用先进的自适应组合净化水处理工艺对井下废水进行处理，解决矿井水直排造成的环境污染问题，实现资源循环利用。
关键词：矿井水；净化处理；循环；利用
一、项目提出的背景
翟镇矿井水属于典型的高矿化度高含盐量的苦咸水，直接排放会给矿区周边环境带来严重污染，同时矿区排放的矿井水也是煤炭资源开采中产生的副产物，对矿区也是―种不可再生的水资源，对其加以循环利用使之回到系统内，可解决未经处理的矿井水直排带来的环境污染问题，缓解水资源短缺矛盾，减少水资源损耗，维持水环境平衡。
二、设计原则
翟镇煤矿废水深度处理回用工程建设，以资源消耗和废物产生的减量化、再利用和资源化作为主要内容，目的是提高资源的利用效率和实现资源的循环利用，设计处理水量为100m3/h。设计原则是：
1.符合环境保护要求，体现资源综合利用原则，以回收资源、节水为重要的设计指标，水处理后用于井下液压设备乳化液配置用水。
2.设施及工艺便于管理、便于操作运行，工艺和设备的选用在满足要求的情况下遵循实用、高效、节能的原则，尽可能节省投资。
3.材料选择适应实际运行条件的需要，考虑适当的腐蚀余量，对易磨损、易腐蚀、易故障设备尽量采用标准化部件，并设计成易更换、检修、维护，减少日常维护检修工作量
三、处理工艺
智能矿井水自适应组合净化系统，主要用于水体中悬浮物的去除，其具有体积小、耗能低、操作简便可做到一键式操作等优点。其主体设备为自适应悬浮物分离器，是集絮凝、沉淀、沉淀分离于一体的水处理装备。
1.工艺原理。
自适应悬浮物分离器分为紊流区、旋流区、上向层流区、下向层流区四个流相区域，分别实现悬浮物凝聚、大粒径矾花有效分离、微矾花有效碰撞、沉淀快速分离，使矿井水悬浮物有效分离，达到矿井水处理的目的。
分离器混凝设计原理：根据周培源对于均匀各向同性紊流提出的旋涡结构理论，其紊动特征在各空间点是一样的，在各方向也是一样的。因此全向流设备设计时要求这种紊流中没有流速梯度，因而没有剪切应力，使混凝反应迅速稳定发生。只需在符合压强的外加动力条件下，在设备内形成高比例紊流，微涡旋的离心惯性效应可有效克服亚微观传质阻力，增加亚微观传质速率。
旋流粗分： 矿井水在经过紊流反应区后，完成了悬浮物凝聚形成了不同粒度的矾花。矿井水沿切线方向进入旋流区，在此区域内流体微团轨迹不规则脉动明显减弱，平均流速与最大流速比<0.3,形成快速且有序的旋流。当已知悬浮物粒径，固液分离速度与主旋半径成正比、与主旋的钻速成平方关系，因此在流体场中特征长度一定、雷诺数Re2300-4000时，粒度>100µm都可被粗分，矾花粒度<100µm的与水流共同进入层流区。
微矾花有效碰撞：全向流分离器是基于絮凝理论中的速度阶梯理论和惯性效应设计，当流体进入层流区后，流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于内壁有规则地流动。固体粒子在粘性液体中运动时受到阻力，在重力场作用下放大速度梯度使颗粒物碰撞次数增多，快速形成凝聚体，再设置速度梯度为零的反应区使凝聚体增大紧密。要达到好的絮凝效果除了要有颗粒大量碰撞之外，还需要控制颗粒合理的有效碰撞，全向流分离器在设计中能有效的控制水力剪切力，控制絮凝过程中水流的剪切力和湍动度，形成易于沉淀的密实矾花。
固液分离：固液分离区是该设备中泥水分离的重要环节，运行状况直接影响出水水质。全向流分离器使高密度矾花进入下向层流区。当悬浮物固相浓度达到一定值后会出现阻滞沉降现象，粒子的沉降速度较自由沉降速度减缓，有效控制颗粒物密度<2.6时，排放污泥效果好，污泥浓度高于普通工艺，减轻了污泥脱水工艺段的负荷。
2.工艺流程。
在井下水处理工艺中，矿井水在井下水仓前汇集水渠位置设立集水池，自集水池用泵将矿井水泵入处理装置中，在泵前加入计量的氯化钡溶液，混合器前加入适量的聚合氯化铝（PAC）及聚丙烯酰胺PAM，在药剂的作用下，矿井水中硫酸盐与钡形成硫酸钡与其它悬浮物质在15-60秒时间内形成较大的混凝沉淀颗粒。当水流在一定压力下从设备进水口以切向进入设备后，产生强烈的旋转运动，由于絮凝后的悬浮物、水密度不同，在离心力、向心力、浮力和流体曳力作用下，密度低的水上升由出水口排出，密度大的悬浮物由设备底部排污口排出，从而达到出水效果，出水悬浮物稳定在15mg/L以下。
本工程利用现有巷道，系统工艺设备和基础设施构筑物建在现有-400米中央水仓巷道内，在巷道做地面和巷道正负零以下两层堆放布置，现上井提升泵系统设施不变，正负零以下主要为集水池，地面为模块智能分离器、泵及控制系统等。矿井水经巷道内沟渠集水后，汇总至现有进水渠内，在渠内设置人工格栅，除去水中大的漂浮悬浮物后自流进入集水池，集水池的水由泵提升至模块分离器，泵前50%自动加入计量的氯化钡，50%在混合器前自动加入计量好的PAC及PAM，共同进入分离器。通过PAC混凝作用形成细小矾花，通过PAM作用使矾化絮凝增大，在分离设备中固液分离，沉淀污泥排入分离设备下的污泥池中，沉淀底泥排入污泥浓缩池中，通过过滤形成干泥通过矿井运输系统送至地面，过滤的清水进水仓。
3.各工艺段功能。
在完善系统功能性又兼顾经济性前提下，智能化系统选择以下设施、设备为标准配置，能使系统运行达到一键启动和无人值守。
智能悬浮物分离系统：包括提升泵、流量计、自适应悬浮物分离器、高频声纳颗粒物密度仪、电动排污阀、控制系统，是本系统中主体工艺环节。为适应不同的水质特点，选择不同设计参数，设备内部结构将有不同的变化。提升泵根据水量大小开启不同数量，进入分离器内流量计将显示当前单个模块的处理量，完成絮凝、沉淀、沉淀分离过程，清水进入清水处理环节，污泥进入污泥池。
配药系统：由配药罐、减速机、放药阀、供水阀、控制系统组成。本系统中必备药剂为聚合氯化铝、聚丙烯酰胺两种，由这两种药剂的溶解特性决定，现有配药环节需要人工撒药，并配合相应钻速的搅拌完成。随矿井水水质不同在配合其他药剂，使之符合使用要求。
加药系统：由加药箱、加药泵、流量控制器、液位计组成、混合器、控制系统。在泵前加入适合量的聚合氯化铝及聚丙烯酰胺PAM，初始药量确定后，流量控制器根据水量大小准确向来水补药，杜绝了药剂的浪费或不足。混合器保证了药剂快速分散，不产生局部富集现象。
清水池排放系统：包括清水池、全自动自清洗过滤器、清水泵、液位计、PH仪、浊度仪、涡轮流量计、控制系统组成。当清水进入清水池后PH仪即显示当前来水的ph值，依据PH值高低调节系统进水PH值，使其达到7-8之间，在清水到达相应液位时清水泵开启经过全自动过滤器再次分离微小颗粒，浊度仪将同时监测到清水的浊度，流量计记录排水量。
污泥处理系统：由污泥池、污泥泵、液位计、全自动板框压滤机、污泥搅拌泵、控制系统组成。污泥由分离器排入污泥池中，到达一定液位时污泥泵开启将污泥泵入板框中进行压滤使之成为便于运输的泥饼。
控制系统：由工业中控机及控制单元组成，是各工作单元协调运行的关键，当某单元发生故障时将故障单元改为手动不影响其他单元的联动，同时可做到远程控制。
4.工艺特点。
关键词：矿井水；净化处理；循环；利用
一、项目提出的背景
翟镇矿井水属于典型的高矿化度高含盐量的苦咸水，直接排放会给矿区周边环境带来严重污染，同时矿区排放的矿井水也是煤炭资源开采中产生的副产物，对矿区也是―种不可再生的水资源，对其加以循环利用使之回到系统内，可解决未经处理的矿井水直排带来的环境污染问题，缓解水资源短缺矛盾，减少水资源损耗，维持水环境平衡。
二、设计原则
翟镇煤矿废水深度处理回用工程建设，以资源消耗和废物产生的减量化、再利用和资源化作为主要内容，目的是提高资源的利用效率和实现资源的循环利用，设计处理水量为100m3/h。设计原则是：
1.符合环境保护要求，体现资源综合利用原则，以回收资源、节水为重要的设计指标，水处理后用于井下液压设备乳化液配置用水。
2.设施及工艺便于管理、便于操作运行，工艺和设备的选用在满足要求的情况下遵循实用、高效、节能的原则，尽可能节省投资。
3.材料选择适应实际运行条件的需要，考虑适当的腐蚀余量，对易磨损、易腐蚀、易故障设备尽量采用标准化部件，并设计成易更换、检修、维护，减少日常维护检修工作量
三、处理工艺
智能矿井水自适应组合净化系统，主要用于水体中悬浮物的去除，其具有体积小、耗能低、操作简便可做到一键式操作等优点。其主体设备为自适应悬浮物分离器，是集絮凝、沉淀、沉淀分离于一体的水处理装备。
1.工艺原理。
自适应悬浮物分离器分为紊流区、旋流区、上向层流区、下向层流区四个流相区域，分别实现悬浮物凝聚、大粒径矾花有效分离、微矾花有效碰撞、沉淀快速分离，使矿井水悬浮物有效分离，达到矿井水处理的目的。
分离器混凝设计原理：根据周培源对于均匀各向同性紊流提出的旋涡结构理论，其紊动特征在各空间点是一样的，在各方向也是一样的。因此全向流设备设计时要求这种紊流中没有流速梯度，因而没有剪切应力，使混凝反应迅速稳定发生。只需在符合压强的外加动力条件下，在设备内形成高比例紊流，微涡旋的离心惯性效应可有效克服亚微观传质阻力，增加亚微观传质速率。
旋流粗分： 矿井水在经过紊流反应区后，完成了悬浮物凝聚形成了不同粒度的矾花。矿井水沿切线方向进入旋流区，在此区域内流体微团轨迹不规则脉动明显减弱，平均流速与最大流速比<0.3,形成快速且有序的旋流。当已知悬浮物粒径，固液分离速度与主旋半径成正比、与主旋的钻速成平方关系，因此在流体场中特征长度一定、雷诺数Re2300-4000时，粒度>100µm都可被粗分，矾花粒度<100µm的与水流共同进入层流区。
微矾花有效碰撞：全向流分离器是基于絮凝理论中的速度阶梯理论和惯性效应设计，当流体进入层流区后，流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于内壁有规则地流动。固体粒子在粘性液体中运动时受到阻力，在重力场作用下放大速度梯度使颗粒物碰撞次数增多，快速形成凝聚体，再设置速度梯度为零的反应区使凝聚体增大紧密。要达到好的絮凝效果除了要有颗粒大量碰撞之外，还需要控制颗粒合理的有效碰撞，全向流分离器在设计中能有效的控制水力剪切力，控制絮凝过程中水流的剪切力和湍动度，形成易于沉淀的密实矾花。
固液分离：固液分离区是该设备中泥水分离的重要环节，运行状况直接影响出水水质。全向流分离器使高密度矾花进入下向层流区。当悬浮物固相浓度达到一定值后会出现阻滞沉降现象，粒子的沉降速度较自由沉降速度减缓，有效控制颗粒物密度<2.6时，排放污泥效果好，污泥浓度高于普通工艺，减轻了污泥脱水工艺段的负荷。
2.工艺流程。
在井下水处理工艺中，矿井水在井下水仓前汇集水渠位置设立集水池，自集水池用泵将矿井水泵入处理装置中，在泵前加入计量的氯化钡溶液，混合器前加入适量的聚合氯化铝（PAC）及聚丙烯酰胺PAM，在药剂的作用下，矿井水中硫酸盐与钡形成硫酸钡与其它悬浮物质在15-60秒时间内形成较大的混凝沉淀颗粒。当水流在一定压力下从设备进水口以切向进入设备后，产生强烈的旋转运动，由于絮凝后的悬浮物、水密度不同，在离心力、向心力、浮力和流体曳力作用下，密度低的水上升由出水口排出，密度大的悬浮物由设备底部排污口排出，从而达到出水效果，出水悬浮物稳定在15mg/L以下。
本工程利用现有巷道，系统工艺设备和基础设施构筑物建在现有-400米中央水仓巷道内，在巷道做地面和巷道正负零以下两层堆放布置，现上井提升泵系统设施不变，正负零以下主要为集水池，地面为模块智能分离器、泵及控制系统等。矿井水经巷道内沟渠集水后，汇总至现有进水渠内，在渠内设置人工格栅，除去水中大的漂浮悬浮物后自流进入集水池，集水池的水由泵提升至模块分离器，泵前50%自动加入计量的氯化钡，50%在混合器前自动加入计量好的PAC及PAM，共同进入分离器。通过PAC混凝作用形成细小矾花，通过PAM作用使矾化絮凝增大，在分离设备中固液分离，沉淀污泥排入分离设备下的污泥池中，沉淀底泥排入污泥浓缩池中，通过过滤形成干泥通过矿井运输系统送至地面，过滤的清水进水仓。
3.各工艺段功能。
在完善系统功能性又兼顾经济性前提下，智能化系统选择以下设施、设备为标准配置，能使系统运行达到一键启动和无人值守。
智能悬浮物分离系统：包括提升泵、流量计、自适应悬浮物分离器、高频声纳颗粒物密度仪、电动排污阀、控制系统，是本系统中主体工艺环节。为适应不同的水质特点，选择不同设计参数，设备内部结构将有不同的变化。提升泵根据水量大小开启不同数量，进入分离器内流量计将显示当前单个模块的处理量，完成絮凝、沉淀、沉淀分离过程，清水进入清水处理环节，污泥进入污泥池。
配药系统：由配药罐、减速机、放药阀、供水阀、控制系统组成。本系统中必备药剂为聚合氯化铝、聚丙烯酰胺两种，由这两种药剂的溶解特性决定，现有配药环节需要人工撒药，并配合相应钻速的搅拌完成。随矿井水水质不同在配合其他药剂，使之符合使用要求。
加药系统：由加药箱、加药泵、流量控制器、液位计组成、混合器、控制系统。在泵前加入适合量的聚合氯化铝及聚丙烯酰胺PAM，初始药量确定后，流量控制器根据水量大小准确向来水补药，杜绝了药剂的浪费或不足。混合器保证了药剂快速分散，不产生局部富集现象。
清水池排放系统：包括清水池、全自动自清洗过滤器、清水泵、液位计、PH仪、浊度仪、涡轮流量计、控制系统组成。当清水进入清水池后PH仪即显示当前来水的ph值，依据PH值高低调节系统进水PH值，使其达到7-8之间，在清水到达相应液位时清水泵开启经过全自动过滤器再次分离微小颗粒，浊度仪将同时监测到清水的浊度，流量计记录排水量。
污泥处理系统：由污泥池、污泥泵、液位计、全自动板框压滤机、污泥搅拌泵、控制系统组成。污泥由分离器排入污泥池中，到达一定液位时污泥泵开启将污泥泵入板框中进行压滤使之成为便于运输的泥饼。
控制系统：由工业中控机及控制单元组成，是各工作单元协调运行的关键，当某单元发生故障时将故障单元改为手动不影响其他单元的联动，同时可做到远程控制。
4.工艺特点。
（1）作用分离时间短，效果好。实际设备水力停留时间仅需1-3分钟，一体化、短流程的设备集成使整个净化过程时间大大缩短，优于传统沉淀法。
（2）设备占地少，处理量大。与传统处理方法相比，设备分离时间短，占地少，2400 m3/d全套设备占地约20-30m2，矿建工程量小。
（3）出渣污泥浓度高。采用污泥浓缩技术，污泥浓缩后浓度达到200-300克/升，大大降低污泥过滤设备的负荷，经过过滤脱水后，污泥含水率小于40%，便于装卸外运。
四、本处理工艺与其它工艺比较
矿井水处理技术主要去除悬浮物,目前去除悬浮物质的技术主要有以下几种：
序号 项目 沉淀+过滤 铁氧体共沉淀+过滤 气浮+过滤 自适应组合净化分离
1 投资总额(元/吨) 500-600 500-600 550-650 450-650
2 运行费用(元/吨) 0.274 0.336 0.368 0.247
3 技术成熟度 成熟，操作简单，稳定 成熟，但需外加磁性物质，操作繁琐 成熟，运行
费用高 成熟，运行
操作简单，费用低
4 占地情况 占地面积大，不适合在井下 占地面积小 占地面积中等，不适合在井下 占地面积小，适合在井下
5 处理工艺 沉淀池+砂滤 铁氧体共沉淀+砂滤 气浮+砂滤 双级物理分离+自动过滤
6 进水固悬物 ≤20000mg/l ≤500mg/l ≤2000mg/l ≤30000 mg/l
7 出水固悬物 ＜50mg/l ＜30mg/l ＜20mg/l ＜15mg/l
8 产水率 95% 97% 97% 98%
9 操作人员 多 多 少 少
五、实施效果
1.先进性。
自适应组合净化分离技术作为最新研发的高浓度污水处理装置，入水悬浮物浓度最高达到ss＞3000mg/ l，入水浓度达到世界先进水平，出水悬浮物浓度最低达到ss＜15mg/ l，达到国内领先水平。该工艺作在全国煤炭系统尚属首例，而在井下实施矿井水处理从源头上根治煤矿水污染，在全国煤炭系统也处于先进水平，在全国煤炭系统具有较好的创新性和示范性。
2.经济性。
目前应用于煤矿井下的水处理工艺主要包括斜板沉降工艺、超磁净化技术及螺旋过滤技术，自适应组合净化分离工艺与上述工艺相比较具有较好的经济效益，处理后50%的矿井水不再排至地面，直接在井下用于防尘和乳化液配水，同时水中大量的悬浮物通过压滤系统污泥成饼，提高了煤炭资源回收率，直接经济效益397.26万元/年。
3.社会性。
本工程实施后，每年可减少SS排放量438吨，减少了酸性矿井水对地面设施的腐蚀，保护了水资源环境，是煤炭企业实现绿色开采和清洁生产、建设生态矿井的示范工程，必将引领煤炭系统矿井水井下处理的发展趋势。
参考文献：
[1]《污水综合排放标准》GB8978-1996中华人民共和国国家标准1996年10月发布.
[2]《地下防水工程技术规范》GB50108-2001国家人民防空办公室主编中国计划出版社出版日期2001.1.1.
（2）设备占地少，处理量大。与传统处理方法相比，设备分离时间短，占地少，2400 m3/d全套设备占地约20-30m2，矿建工程量小。
（3）出渣污泥浓度高。采用污泥浓缩技术，污泥浓缩后浓度达到200-300克/升，大大降低污泥过滤设备的负荷，经过过滤脱水后，污泥含水率小于40%，便于装卸外运。
四、本处理工艺与其它工艺比较
矿井水处理技术主要去除悬浮物,目前去除悬浮物质的技术主要有以下几种：
序号 项目 沉淀+过滤 铁氧体共沉淀+过滤 气浮+过滤 自适应组合净化分离
1 投资总额(元/吨) 500-600 500-600 550-650 450-650
2 运行费用(元/吨) 0.274 0.336 0.368 0.247
3 技术成熟度 成熟，操作简单，稳定 成熟，但需外加磁性物质，操作繁琐 成熟，运行
费用高 成熟，运行
操作简单，费用低
4 占地情况 占地面积大，不适合在井下 占地面积小 占地面积中等，不适合在井下 占地面积小，适合在井下
5 处理工艺 沉淀池+砂滤 铁氧体共沉淀+砂滤 气浮+砂滤 双级物理分离+自动过滤
6 进水固悬物 ≤20000mg/l ≤500mg/l ≤2000mg/l ≤30000 mg/l
7 出水固悬物 ＜50mg/l ＜30mg/l ＜20mg/l ＜15mg/l
8 产水率 95% 97% 97% 98%
9 操作人员 多 多 少 少
五、实施效果
1.先进性。
自适应组合净化分离技术作为最新研发的高浓度污水处理装置，入水悬浮物浓度最高达到ss＞3000mg/ l，入水浓度达到世界先进水平，出水悬浮物浓度最低达到ss＜15mg/ l，达到国内领先水平。该工艺作在全国煤炭系统尚属首例，而在井下实施矿井水处理从源头上根治煤矿水污染，在全国煤炭系统也处于先进水平，在全国煤炭系统具有较好的创新性和示范性。
2.经济性。
目前应用于煤矿井下的水处理工艺主要包括斜板沉降工艺、超磁净化技术及螺旋过滤技术，自适应组合净化分离工艺与上述工艺相比较具有较好的经济效益，处理后50%的矿井水不再排至地面，直接在井下用于防尘和乳化液配水，同时水中大量的悬浮物通过压滤系统污泥成饼，提高了煤炭资源回收率，直接经济效益397.26万元/年。
3.社会性。
本工程实施后，每年可减少SS排放量438吨，减少了酸性矿井水对地面设施的腐蚀，保护了水资源环境，是煤炭企业实现绿色开采和清洁生产、建设生态矿井的示范工程，必将引领煤炭系统矿井水井下处理的发展趋势。
参考文献：
[1]《污水综合排放标准》GB8978-1996中华人民共和国国家标准1996年10月发布.
[2]《地下防水工程技术规范》GB50108-2001国家人民防空办公室主编中国计划出版社出版日期2001.1.1.
