磁窯溝煤業礦井污水處理系統改造工藝
1、概況
煤炭在我國能源結構中占70%以上，煤炭開采過程中排放大量廢水，若不經處理直接排放，勢必對環境造成污染，同時造成水資源的浪費，無法實現環境保護和水資源循環利用。
山西河曲晉神磁窯溝煤業有限公司位于忻州市河曲縣鹿固鄉，該區域處于山地區域，常年干旱少雨，年降水量211.4~714.3mm，年蒸發量1805.7mm，蒸發量一般是降水量的4倍，水資源匱乏，且地表水多為間歇性河流，枯洪水季節流量相當懸殊。因此，在礦井生產過程中處置和利用好煤礦污水資源，對磁窯溝煤業生態環境保護、水資源保護及綜合利用，降低成本以及可持續發展具有重要意義。
磁窯溝煤業原礦井污水處理站處理能力為100m3/h，采用“預沉調節+多介質過濾+陶瓷膜過濾”工藝，執行《煤炭工業污染物排放標準》(GB20426-2006)。根據山西省人民政府辦公廳《關于印發山西省水污染防治2018年行動計劃的通知》(晉政辦發[2018]55號)及《忻州市人民政府辦公廳關于印發忻州市水污染防治2018年行動計劃的通知》(忻政辦發[2018]103號)要求，煤礦外排礦井水2018年12月31日前執行《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅲ類標準，磁窯溝煤業井下污水處理站現有工藝不能滿足新標準要求，需進行提標改造。因此，結合原礦井污水處理站存在的問題等實際因素，對污水處理站重新進行規劃設計并進行改造。
2、礦井污水處理站
磁窯溝煤業礦井污水處理站建設于2012年，設計處理能力100m3/h，10月份建成投用，采用“預沉調節+多介質過濾+陶瓷膜過濾”工藝，執行《煤炭工業污染物排放標準》(GB20426-2006)，如圖1所示。
改造前井下涌水量約為90m3/h，即2160m3/d，井下采掘過程產生的廢水匯集到中央水倉，中央水泵房設置4臺型號為MD280-43x5排水泵，電機功率250kW，1用2備1檢修，涌水經2趟ф219mm水管，排至距地面180m的污水處理站預沉調節池內，相當于200~220m3/h的水量連續運行10~12h，排水量和時間相對集中。
3、原礦井污水處理站存在的問題
3.1 預沉調節池容量偏小
原礦井污水處理站預沉調節池容積為800m3,受水文地質條件的影響，目前井下涌水量較原地質報告有所增大，按200~220m3/h相對集中水量計算，水流停留時間較短，沉淀預處理效果差。目前預沉調節池長深比為25/5.4=4.63，參考平流沉淀池的要求，根據《室外排水設計規范》GB50014規定，為了控制池內的流速與沉降距離，平流沉淀池長度與有效水深之比不宜小于8，否則水流不易均勻平穩，影響沉淀效率。煤礦井下涌水懸浮物濃度較大，由于沉淀效果差、排泥困難，導致未經有效處置的污水進入多介質過濾器和陶瓷膜過濾器，加重了過濾設備的負擔。
3.2 未設置混凝沉淀環節
正常情況下進入多介質過濾器懸浮物不宜超過30mg/L，根據實操經驗，進入過濾處理單元時，礦井水的濁度要<20NTU，否則會造成過濾器頻繁啟動及反沖洗，嚴重時會造成濾料板結。原處理系統沒有設置混凝沉淀段，礦井污水中的懸浮物未經有效預沉處理直接通過多介質過濾器和陶瓷膜過濾器截留，設備負荷嚴重超標，造成過濾器內部嚴重板結、堵塞。
3.3 未設置污泥濃縮裝置
原系統配套有一座污泥濃縮池，泥水分離效果差，未達到進入板壓環節要求條件而直接進入板框壓濾機，造成板框壓濾機工作周期增長且壓泥效果不佳。
3.4 加藥裝置不完善
原系統設置有PAC和PAM加藥裝置各1臺，僅有儲藥箱和簡易攪拌裝置，無流量泵，藥劑靠操作人員經驗投加，自流進入池體，不能實現藥劑的科學配比和計量功能。
3.5 控制系統不完善
原系統投運前沒有形成完整操控系統，有的閥門為氣動，有的為手動，沒有實現原設計方案既定效果，且部分閥門沒有開關可視功能，閥門的開啟度不能保證；指令不暢、存在誤動作。
3.6 反沖洗系統存在問題
由于過濾器前的預處理效率低，過濾器的反沖洗次數頻繁，加之反沖洗水泵選型不當，泵的流量、揚程偏小，整個反沖洗系統運行效率低，濾料沖洗不到位，直接影響系統的正常運行，降低了污水處理站的處理效率。
4、提標改造設計方案
4.1 處理站規模的確定
為確保礦井生產持續穩定發展及正常接序，考慮到后期礦井下水平延深，礦井涌水量增加等因素，提標改造在充分利用現有設施、設備基礎上，處理站規模按240m3/h考慮，其中一期提標改造規模維持現有100m3/h，建(構)筑物按240m3/h設計，預留礦井下水平延深二期工程140m3/h設備位置。提標改造土建考慮了后期水處理站的擴建，在充分利用現有建(構)筑物的基礎上，既考慮了污水處理站的平面布置，又給后期處理站擴建降低了成本。
4.2 設計進水水質
設計進水水質見表1。
4.3 提標改造工藝的確定
提標改造后工藝流程如圖2所示。
4.4 主要生產建(構)筑物改造
4.4.1 擴建預沉調節池
在原800m3預沉調節池前端新建一座容積約為700m3的預沉調節池，新建的調節池長深比為8.5，滿足平流沉淀池長深比的要求。改造后預沉調節池總容積為1500m3，按240m3/h的井下涌水量計算，污水停留時間為6.25h，符合《煤炭工業給水排水設計規范》GB50810-2012第3.4.5要求(調節池按6~10h的正常涌水量計算)，池底設置程控式刮泥裝置，定量、定期清理污泥。解決了原調節池污水停留時間短、預沉效果差，排泥困難等問題。
預沉調節池1座，分二格，單格尺寸為28.6mx4.0mx4.0m，沉淀形式采用平流式，進水端設置污泥斗，污泥斗上寬4.0m，下部寬1m，深度2.6m，共2個。污泥斗內污泥由污泥泵房的渣漿泵提升至污泥池中，污泥泵房內設3臺污泥渣漿泵(2用1備)；集水渠設置潛水提升泵3臺(2用1備)，預沉調節池池底部各設1臺液壓往復式刮泥機。
4.4.2 綜合凈化間(預留遠期設備安裝位置)
凈水車間采用局部二層結構，內設凈化間、污泥脫水間及加藥間、風機房、配電室及集控室，平面尺寸34.5mx12.0m，輕鋼結構。其中藥劑庫設在原污泥脫水間內。
(1)高密度迷宮斜管沉淀池。
根據磁窯溝煤業井下污水初始水質資料化驗結果，結合原系統在實際運行中存在的問題，提標改造在污水進入過濾器前，對污水進行有效的混凝沉淀，在預沉調節池后增設三級高密度迷宮斜板凈化裝置。該裝置集反應、絮凝、破乳除油、沉淀、集泥、排泥、排污等系列工藝于一體，是專門針對煤礦礦井污水處理的高效沉淀裝置，單體采用全自動運行，無需人員操作，是實現礦井水凈化再利用和自動化管理的重要凈水單元。
高密度迷宮斜板凈水器1套(預留1套位置)，單臺處理水量Q=120m3/h，混凝反應時間20min，沉淀表面負荷3.2m3/m2·h，全自動+手動排泥。
(2)污泥脫水間。
將原板框壓濾機和污泥螺桿泵重置安裝在綜合凈化間，設2層，壓濾機安裝于2層，1層為運料間。在綜合凈化車間內增設污泥濃縮罐1臺，與原污泥濃縮池配套使用。罐體直徑2.5m，高5.0m，濃縮上清液回流至預沉調節池內，有效解決了泥水分離問題，提高了板框壓濾機的工作效率。
(3)加藥間。
在新建預沉調節池、高密度迷宮斜板凈化裝置流程環節均設置自動加藥裝置，實現藥劑科學配比和自動計量加藥。考慮到水質可能發生波動等因素，增設應急加藥系統。主要為高錳酸鉀投加裝置1套，粉末活性炭投加裝置1套，NaClO加藥裝置1套，每套加藥裝置均配套有3m3儲藥罐、SS304不銹攪拌器，加藥計量泵等。
4.4.3 新建中間水池
根據增設高密度迷宮斜板凈化裝置實際所需，配套增設中間水池一座，采用鋼筋混凝土結構，有效容積87.5m。高密度迷宮斜板凈化裝置內的出水自流入中間水池，通過提升泵進入多介質過濾器、陶瓷膜過濾器，實現了污水系統化、流程化、規范化達標處理。
4.4.4 原過濾及地下設備間
(1)過濾器濾料的更換及局部改造。
對現有多介質過濾器的濾料進行了更換，對過濾器支撐層、濾盤、濾帽及反沖洗頭進行了改造。對現有陶瓷膜過濾器內部濾管進行了更換，提高了過濾器的工作效率，優化了過濾單元，提高了效率。
(2)反沖洗系統的完善。
原過濾裝置反沖洗水泵流量偏小，濾盤支撐層損壞，濾帽堵塞，反沖洗效率低。提標改造重新更換了反沖洗水泵，將原使用的普通槽鋼托盤支撐架改為雙層焊接高強度工字鋼背靠式，承壓和載重強度提高，延長設備使用壽命；將原厚度為0.8cm的普通鋼制托盤改造為1.2cm厚的錳鋼托盤，強度增加，更加經久耐用；將濾盤上的塑料制過濾帽改造為高強度篩式聚氯乙烯塑料過濾墊層；將原4.1m托盤上使用的160個直徑為3cm的塑料制過濾帽改造為使用260個直徑為2cm厚度為0.2cm的高強度篩式聚氯乙烯塑料過濾墊層，不僅增加了水孔的數量，而且加大了過濾量，提升了反沖洗效率。
4.5 自控系統的改造
對原有氣動門和手動閥門進行了統一更換，常用閥門全部設置為氣動自動閥門，且安裝有開關可視裝置，實現自動化、程序化控制。
4.6 建成后實際運行效果
建成后考察指標均達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅲ類標準要求，見表2。
5、結語
通過采用“混凝+沉淀+迷宮斜板沉淀+多介質過濾+陶瓷膜過濾”處理工藝，提標改造后的礦井污水處理站出水水質達到《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)Ⅲ類標準，同時按照環保要求，建設有巴歇爾槽，排水口處安裝有在線監測系統，與忻州市生態環境局監測系統聯網，數據實時上傳。改造后的系統工藝先進，實用性強，技術可靠，能實現自動化控制和集約化管理，且經濟合理、高效節約，系統實際使用中運行穩定，達到了提標改造的預期效果。
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