五阳煤矿矿井水深度处理：超滤+臭氧+生物活性炭滤池系统设计研究

李 晖

(潞安环能股份公司 五阳煤矿，山西 长治 046205)

煤炭是我国重要的基础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位，在我国一次性能源结构中，煤炭占到60%以上。随着煤炭的不断开采，国家对企业外排水的标准越来越高，如何提高矿井水的资源化利用成为了一个研究热点[1]。矿井水的主要污染物为悬浮物，主要由煤屑、岩粉、粘土等细小颗粒物构成，尤其是煤粉，含量可达几十到几百mg/L。而且煤粉能被重铬酸钾等强氧化剂氧化，出现较高浓度的COD(化学需氧量，Chemical Oxygen Demand的缩写)。由于受到煤、齿轮油、液压油、乳化液等污染，矿井水中还含有一定量的油类。矿井水常见的深度处理工艺主要有电吸附法、各种膜法、臭氧法、生物活性炭滤池法、多介质过滤法、反渗透法等。

五阳煤矿南丰矿井水处理站原有处理工艺为混凝沉淀+自动净水器，排放标准执行《煤炭工业污染物排放标准》(GB20426-2006)表2中新建(扩、改)生产线的要求。根据长治市环境保护局《关于规范煤矿矿井水外排执行标准的通知》《长治市水污染防治工作方案》文件要求，所有煤炭生产企业的外排矿井水，化学需氧量、氨氮、总磷、氟化物、石油类5项控制指标执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类标准。根据第三方监测数据可知，原有处理工艺存在化学需氧量、氟化物、石油类的超标情况，因此需要进行提标改造，增加深度处理环节。综合考虑该矿井水处理站的出水水质情况、工程投资金额、占地面积等因素，设计的深度处理工艺流程为：超滤+臭氧+生物活性炭滤池。

1 五阳煤矿南丰矿井水水量水质特点

五阳煤矿矿井生产废水由井下水仓提升输送至南丰矿井水处理站，实际日处理量约6 000 m3，最高日处理量达到9 000 m3。根据五阳煤矿生产系统优化方案，五阳煤矿对75采区、75-5号区段进行了封闭，原有的75-5号区段排水系统无法再将75-5号区段的水排至+600 m水平排水系统，而流至南丰主排水仓，经南丰主排水泵房，排至南丰污水处理站处理后外排，该区段日产水量3 000多m3。另外，随着80采区开始采掘后，日产生水量约3 000 m3。综上，南丰矿井水处理站未来将达到12 000 m3/d的处理水平。

根据对南丰矿井水处理站的进水口、出水口水样进行采样分析，进水口的COD(268 mg/L)、氟化物(2.94 mg/L)、石油类(0.43 mg/L)、悬浮物(180 mg/L)指标较高，经污水站现有处理设施处理后，悬浮物可以达到9 mg/L，但是COD(31 mg/L)、氟化物(1.85 mg/L)和石油类(0.1 mg/L)等3项指标达不到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中Ⅲ类标准，需要进行深度处理。

2 矿井水原有处理工艺与效果

南丰工区建有一座矿井水处理站，矿井水由井下水仓提升输送至矿井水处理站，设计处理能力为7 680 m3/d，工艺采用的是混凝沉淀+自动净水器，工艺流程见图1。

图1 南丰矿原井水处理站工艺流程

南丰矿井水经过预沉池—平流沉淀池—自动净水器后，其悬浮物浓度和COD浓度明显下降，悬浮物平均值由原来的180 mg/L降为9 mg/L，COD平均值由原来的268 mg/L降为31 mg/L，出水pH值在6～9之间，各指标值见表1。这些指标均达到了《煤炭工业污染物排放标准》(GB20426-2006)的相关规定。

表1 南丰矿井水处理站现有设施处理后水质指标

与地表水Ⅲ类水标准相比，处理后的矿井水COD、氟化物(F-)和石油类的含量仍然偏高，不能满足环保要求，若要使所有污染物指标全部达标，就必须进行深度处理。

3 矿井水深度处理工艺设计

为了使原系统出水进一步得到处理，确保出水化学需氧量、氨氮、总磷、氟化物、石油类等5项污染物指标稳定达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)表中Ⅲ类水标准，根据国内外矿井水深度处理技术发展趋势及相关文献[2-3]，五阳煤矿矿井水深度处理工艺采用“超滤+臭氧+生物活性炭滤池” 工艺，工艺流程见图2。

图2 南丰矿井水处理站深度处理工艺流程

深度处理工艺流程为：经过前端的混凝沉淀+一体化净水器等预处理之后，由清水池中的提升泵提升至超滤车间，首先经过保安过滤器，然后进入超滤系统，超滤系统出水进入臭氧接触池，最后提升进入活性炭滤池，出水达标，部分回用，部分外排。该工艺综合强氧化、活性炭吸附、生物降解等技术的优势于一体，臭氧分解快，基本为低毒无毒，由于臭氧对大分子的分解作用，有机污染物去除效率高，且臭氧和活性炭联合使用，可以延长活性炭的使用寿命，减少运行费用。

3.1 超滤系统的设计

超滤是一种能将溶液进行净化、分离和浓缩的膜法分离技术。从反渗透至微滤过滤范围的连续谱图中，超滤介于纳滤和微滤之间。超滤膜孔径大小为0.002～0.1 μm。

超滤过程通常可理解为一种筛孔分离过程。以膜两侧0.1～0.5 MPa的压力差为推动力利用多孔膜的拦截能力，以物理截留的方式，将溶液中大小不同的物质颗粒分开。在一定的压力下，当水流过膜表面时，只允许水、无机盐及小分子物质透过膜，而阻止水中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质通过，从而达到纯化和浓缩溶液中不同组分的目的。

超滤可用于去除水中的悬浮微粒、胶体、微生物等以保护反渗透设施，尤其在去除胶体方面较其他技术卓越。原水经超滤处理后纯水通常可以保证SDI(淤泥密度指数，Silt Density Index的缩写)≤3，浊度(散射浊度单位，Nephelometric Turbidity Unit的缩写)≤0.1NTU，可明显提高产水水质。

该深度处理系统的超滤处理单元设计总处理水量12 000 m3/d，共设4组膜器，每组40支膜件，型号为AQU250-W，膜丝材质为PVDF(聚偏氟乙烯poly(1,1-difluoroethylene)的缩写)，单组膜件设计产水通量125 m2/h，共设3台进水水泵，两用一备，单泵设计流量为380 m3/h，扬程为32 m，额定功率为55 kW。

反冲洗水来自生物活性碳滤池后清水池，反冲洗出水排入旧系统调节池。超滤单元设专用化学反冲洗间，维护性清洗周期1～7 d，化学清洗周期30～180 d，化学反冲洗水进入中和池处理后排入厂区污水管道，超滤产水进入臭氧接触池。

3.2 臭氧+生物活性炭滤池的设计

臭氧(O3)+生物活性炭(BAC，Biological Activated Carbon的缩写)深度水处理技术是结合臭氧氧化与生物活性炭技术，以臭氧氧化和颗粒活性炭吸附及生物活性炭生物降解为主的净水工艺。其采用臭氧氧化和生物活性炭滤池联用的方法，将臭氧氧化、灭菌消毒、活性炭吸附和生物降解四种技术合为一体，其主要目的是在常规处理之后进一步去除水中有机污染物和氨氮，保证出水的化学稳定性和生物稳定性。

臭氧(O3)是氧(O2)的同素异性体，常温常压下是一种不稳定的具有强刺激性气味的淡蓝色气体，可自行分解为氧气。臭氧的氧化能力很强，氧化能力高于氯和其他常用氧化剂，仅次于氟，具有广泛的杀菌作用。臭氧投加到水中以后，主要有三个作用：一是直接对有机物进行降解，有效降低进入生物活性炭滤池中的有机负荷；二是大分子有机物通过臭氧作用被降解为小分子有机物，水中有机物的分子量分布被改变，提高了水中有机物的可生化性，从而有利于强化后续活性炭工艺对于中小分子量有机物的吸附降解；三是为后续活性炭工艺充氧，利于活性炭中好氧微生物的生长。

生物活性炭技术是20世纪70年代发展起来一种去除水中有机污染物的新技术。目前，已在世界许多国家的污染水源净化、工业废水处理及污水再利用工程中应用。该技术实质是利用粒状活性炭巨大的比表面积及发达的孔隙结构，对水中有机物及溶解氧有很强的吸附特性，以及优良的吸附性能等特点，以活性炭作为载体构建生物膜，从而形成生物活性炭对污染物质进行降解。BAC法常可以去除活性炭和生物法单独使用时不能去除的污染物，且其处理效率也较两者单独使用时高。近年来，生物活性炭技术在国内外水处理领域得到了广泛应用，并取得了较好成果。

臭氧车间下设臭氧接触池1座，工艺平面尺寸12 m×5.8 m，池深7.4 m，设计水深5.5 m，钢筋混凝土结构，池体内壁涂覆卫生级防腐涂料。臭氧池接触单元与过滤车间内其它工艺间以墙体隔离，以保证臭氧单元的独立工作空间。

臭氧接触池分两格，接触时间15 min，每格由两段接触室串联而成，前室接触时间5 min，后室接触时间10 min。接触池出水端设余臭氧监测装置。臭氧单元设臭氧尾气破坏装置。臭氧单元车间内设臭氧浓度预警装置，车间内电器采用防爆型。臭氧发生器装置(空气气源)1套，型号为NLO-A-10K，单台产量10 kg/h，额定功率为160 kW，工作压力为0.2 MPa，设计臭氧浓度为30 mg/L，当冷却水温度为25 ℃时，每产生1 kg的O3的功耗不高于16 kW·h。臭氧尾气破坏装置1套，排放浓度低于0.10×10-6。

生物活性炭滤池过滤总水量为600 m3/h，设两组滤池，每组均可独立运行，池身为钢筋混凝土结构。活性炭滤池设出水池，超滤以及活性炭滤池反冲洗水均取自超滤后清水池。滤池单格面积6 m×6 m，设计总过滤面积72 m2，设计滤速8.3 m/h，接触时间11 min，滤池高度4.8 m，超高0.50 m。承托层采用粗石英砂，有效粒径2～4 mm，滤料层采用活性炭，滤料体积约215 m3，有效粒径1.25～1.8 mm，不均匀系数K80≤1.25，使用寿命约6～12个月。

活性炭滤池反冲洗泵房设4台反冲洗泵，三用一备，设计流量为600 m3/h，扬程为17 m，额定功率为37 kW；鼓风机房设2台罗兹三叶鼓风机，一用一备，全压58.8 kPa，进口流量为36.48 m3/min，额定功率为55 kW。

4 效益及运行成本分析

本提标改造工程采用的方案：超滤+臭氧+生物活性炭滤池处理工艺。工程总投资主要包括建筑工程、设备购置和安装工程三个方面。经过预算，南丰矿井水深度处理系统建设总投资费用为1 126.04万元。该方案工艺稳定、性能可靠、运行灵活，出水水质能够稳定达标，工艺流程较短，受水质、水量的影响较小，场地布局合理，而且投资和运行成本也较为合适。该项目建成后年处理矿井水能力可达438万t，处理后得到的清水可回用于绿化、道路喷洒、井下消防等，节约了大量新鲜水。本工程建成后，每年减少COD排放量13.14 t，悬浮物排放量6 351 t。由以上数据可见，本项目的建设极大地降低了污水对环境造成的影响，环境效益、社会效益可观。由于新增提标改造系统，运行成本相比之前增加0.844元/m3，具体运行成本分析见表2。

表2 南丰矿井水处理站深度处理运行成本分析表(按照12 000 m3/d水量计算)

5 结 语

针对五阳煤矿矿井水的水量和水质，设计出深度处理工艺流程为超滤+臭氧+生物活性炭滤池，本工艺运行稳定、可靠，抗冲击负荷能力强，出水主要污染物指标可稳定达到国家《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)表中Ⅲ类水标准。