浅层气浮处理矿井水工程实践

＊王瑾 王世奕 梁桢 李福勤,2,3*

（1.河北工程大学 能源与环境工程学院 河北 056038 2.河北省水污染控制与水生态修复技术创新中心 河北 056038 3.污水处理及资源化利用河北省工程研究中心 河北 056038）

煤炭作为重要原料和主体能源，发挥着稳定经济健康的资源保障功能[1]。采煤过程中，因采煤层及开拓巷道附近的地下水和部分地表水通过岩层裂隙渗入巷道产生大量矿井水[2]。由于受井下开采和人工干预的影响，而成为具有煤炭行业特色的矿井水[3]。矿井水主要特征为含悬浮物较高，部分矿井水矿化度较高，某些矿井水中含有油类物质，该物质主要来源于采煤过程中挖掘机械的液压系统、机器、机械的润滑剂和冷却系统[4]。油类物质随着矿井水经水泵提升至地面，矿井水中油类物质大部分以乳化状态存在，增加了矿井水的处理难度。目前对于含油污水的处理研究较为广泛，麻博等人[5]在混凝过程中采用无机-有机复合絮凝剂，处理效果良好，最终达到去除浊度和油类物质的目的。当混凝剂（PAC）和助凝剂（PAM）的最佳配比为100:1时，含油矿井水的去除效果最好，去除率可达到80%[6]。

河北某矿矿井水排放量为24000m3/d，矿井水中悬浮物含量较高，并且含有一定的矿物质油，主体采用气浮工艺。矿井水处理站于2019年8月建立，但是自投产以来，运行效果不稳定，出水水质较差，药剂费用较高，为解决上述问题，进行现场调研和混凝实验，提出改进措施，并应用于工程实践。

1.矿井水处理工艺现状

(1)矿井水水质

矿井水表观浑浊，呈灰黑色，含有大量悬浮物，有些悬浮物夹杂少量油类物质浮于水面，且水质变化较大。处理后的矿井水主要用于厂区内道路清扫绿化和附近农田灌溉用水，因此矿井水出水水质需满足《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GBT 18920—2020）和《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》（GB 20922—2007）标准，剩余矿井水将排放至附近水体，执行河北省地方标准《子牙河流域水污染物排放标准》DB 13/2796—2018。

多次现场取样，检测的矿井水原水水质范围见表1。由表1可以看出矿井水水质波动较大，主要是浊度和SS超标，石油类时有超标。

表1 矿井水原水水质

(2)原有工艺流程

针对矿井水中漂浮物较多和含有油类物质，初期设计工艺流程为“调节预沉池+混凝气浮池+纤维转盘过滤”，其中气浮采用浅层气浮池，工艺流程如图1所示。

图1 原有矿井水处理工艺流程

矿井水由井下提升至地面，进入预沉池，池内设有刮泥机，将泥刮至预沉池前端的泥斗内用泵排出，预沉后矿井水由提升泵提升进入浅层气浮池，泵前投加PAM、PAC和表面活性剂，正常投加量为100mg/L的PAC、3mg/L的PAM和1.6mg/L的表面活性剂。气浮出水经过纤维转盘过滤后回用，或由巴氏计量槽排出。

(3)主要构筑物及设备

设计处理水量24000m3/d。

预沉池1座，规格尺寸：12m×37m×6m，有效容积2000m3，池内安装行车式刮泥机1台，池前端设4m×4m×6m混合池，内设混合搅拌机（未投入使用），混合池与预沉池间设有穿孔配水墙；浅层气浮池1座，相关设备参数见表2，气浮系统配置溶气泵2台，一用一备，最大流量为480m3/h，75kW，气浮池最大处理能力为1700m3/h；纤维转盘1座，转盘直径1.8m，共16个盘片。

表2 WQF型浅层气浮设备参数

(4)运行效果及存在问题

原工艺运行各工序出水水质结果见表3。由表3可知，原工艺对悬浮物去除效果较差，出水SS大多在10mg/L以上，主要是浅层气浮池运行不稳定导致。

表3 原工艺各工序出水水质

现场调研矿井水处理运行存在以下问题：①预沉池污泥淤积严重，淤积污泥约2m深，导致刮泥机无法正常使用，恶性循环，调节时间缩短，没有起到预沉作用。②矿井水水质变化较大，气浮池处理效果不稳定，表面活性剂的投加量跟不上悬浮物含量的变化，煤粉比重大于1，浮渣稳定性较差，总体出水水质较差。③气浮池出水悬浮物含量较高，纤维转盘基本无过滤效果。

2.改进措施及效果

(1)改进措施

针对上述问题，结合其他矿井水处理工程，提出改进措施为：①清理预沉池内淤泥，恢复刮泥机正常工作状态。②检修预沉池前混合搅拌机正常工作，加设预沉池前加药泵及管路并投入使用，试验确定一次和二次混凝最佳投药量。③气浮池前（二次）投加PAC和PAM，并确保表面活性剂正常投加，提高气浮池处理效果。④拆除纤维转盘过滤器。⑤气浮后增加二次沉池，提高出水水质。

(2)改进后工艺流程

改造后矿井水处理工艺流程为“调节（一次混凝）预沉池+（二次混凝）气浮池+二次沉淀池”，如图2所示。其中利用厂区空地新建二次沉淀池尺寸为14m×60m×1.8m，有效容积1500m3。

图2 改进后矿井水处理工艺流程

(3)混凝沉淀试验

试验所用聚合氯化铝（PAC）和阳离子聚丙烯酰胺（PAM）均为工业级产品，ZR4-6型混凝试验搅拌机（深圳市中润），浊度测定采用HACH TL2300台式浊度仪。

试验方法：取12份1L的矿井水原水（浊度349NTU），分为两组进行混凝实验，一次加药，快速搅拌1min，转速120r/min，慢速搅拌10min，转速60r/min，静置沉淀10min，取上清液测其浊度。混凝剂PAC投加量对混凝效果的影响，如图3所示。

由图3可以看出，随着投药量的增加，浊度呈先降低后升高的趋势，去除率呈先增加后降低的趋势，当混凝剂PAC投加量为100mg/L时，浊度去除效果最好，此时浊度为16.42NTU。

固定PAC投加量为100mg/L，取实验室阳离子型PAM进行混凝沉淀实验，PAM投加量对混凝效果的影响，如图4所示。

由图4可以看出，随着PAM投加量的增加，浊度呈先降低后增加的趋势，去除率呈现先增加后减少的趋势。当投加量为0.5mg/L时，浊度去除率达到最大，此时浊度为7.26NTU。

混凝剂投药量较高，为减少投药量，降低运行成本，采用二重混凝技术优化混凝剂投加量[7]。减少PAC投加量至60mg/L，PAM投加量为0.5mg/L，具体投药情况和二重混凝沉淀结果见表4。

表4 二重混凝试验投药量情况和混凝沉淀结果

由表4可以看出，随着一次混凝过程中PAC投加量的不断增加，其上清液浊度持续下降，当一次混凝PAC投加量为50mg/L，二次混凝PAC投加量10mg/L，PAM投加量0.5mg/L时，浊度最低为1.14NTU。在一次混凝时，PAC水解后的产物能通过压缩双电子层和电性中和的作用使胶体脱稳而聚集，若同时投加一定量的PAM虽能促进混凝效果，但在二次混凝过程中形成的絮凝体会因搅拌强度较大而破碎[8]。因此只在二次混凝中投加PAM，使其混凝效果达到更好。

(4)运行效果

矿井水处理工艺改进后，采用二重混凝试验结果投加混凝剂，表面活性剂投加量1.5mg/L，在运行中加强预沉池的刮泥机、气浮池前加药设备的管理，系统运行稳定，各工序出水水质见表5。

表5 改进后各工序出水水质

对比表3和表5可知，改进后气浮池出水水质明显提高，二次沉淀池起到了良好的稳定水质作用，出水达到了矿井水回用和排放相关标准。

3.结语

（1）河北某矿矿井水排放量为24000m3/d，原矿井水处理工艺流程为“调节预沉池+混凝气浮池+纤维转盘过滤”，存在运行效果差、出水水质不稳定等问题。（2）提出清理堆积的淤泥，恢复刮泥机，改进处理工艺流程为“调节（一次混凝）预沉池+（二次混凝）气浮池+二次沉淀池”。（3）二重混凝沉淀实验，优化混凝剂、助凝剂最佳投药量为“一次混凝PAC投加量50mg/L，二次混凝PAC投加量10mg/L，PAM投加量0.5mg/L，出水浊度1.14NTU”。（4）改造后气浮池出水水质明显提高，药剂费减少30%以上，二次沉淀池起到了良好的稳定水质作用，出水水质符合矿区回用和排放相关标准。