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科研课题
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一、高悬浮物矿井水科研课题的背景与意义

水资源危机是21世纪人类面临的Z严峻的问题之一。而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,在我国一次能源结构中,煤炭占到70%以上。在我国,煤炭生产以地下开采为主,为了确保井下安全,必须排除大量的矿井水。据统计我国每年矿井水排放量高达45亿m3,约占整个采矿业(有色冶金、黄金、化工等矿山)的80%,而利用率仅为43.8%。其中大部分矿井水未经处理就直接排放到江河湖泊,造成严重的环境污染,从而也加重了水资源的短缺问题,已影响到我国煤炭工业的进一步发展。据统计,全国约有70%的矿区面临缺水,有40%的煤矿严重缺水,国有煤矿缺水达69~86万m3/d,其中生活用水缺33~60万m3/d。煤矿排出的矿井水水质差异非常大,少量矿井水质较好,无需处理,即可达到饮用水标准。目前,全国有70%的煤矿缺水,其中40%的煤矿严重缺水。由于水资源的严重不足,影响了我国煤炭工业的进一步发展。事实证明,矿井水资源化利用,不仅是推行煤炭行业清洁生产、发展循环经济的主要内容,也是煤炭生产持续发展的需要。据相关资料显示,2005年,全国煤矿矿井涌水量约为45.4亿m3,吨煤涌水量平均为2.07m3,利用率为43.8%。但大量的矿井水受水文地质及采煤过程的影响,含有大量悬浮物、高矿化度、显酸性、甚至含重金属离子,有的还含氟、有机污染物和放射性物质等污染物,这些矿井水污染程度低,资源化相对容易,成本较低,经处理后有多方面的用途。因此矿井水的资源化对于缓解矿区面临的资源和环境问题,提高人民生活质量,实现矿区的科学发展具有重要战略意义。

二、高悬浮物矿井水科研课题的设计与过程

(一)科研课题的理论与基础

1、高悬浮物矿井水的来源

(1)采矿污水:主要来源于采矿过程中,凿岩、爆破洒水、液压支柱等设备排水和巷道降尘洒水等工序产生的污水。井下液压支柱等设备会产生少量油类。

(2)井下涌水:主要来源于矿井开采过程中产生的地表渗透水、岩石孔隙水、矿坑水、地下含水层的疏放水等,煤矿矿井的井下涌水水质成份较为简单,水体较为干净,主要污染物为煤粉尘悬浮物(SS)。

对于高悬浮物矿井水在我国北方矿区分布较广,如平顶山、焦作、开滦、峰峰、邯郸、及华东、东北部分矿井的矿井排水多属该类水质。对这类矿井水从处理技术来说不成问题, 只要采取常规的混凝、沉淀、过滤、消毒工艺,即可使出水水质达到饮用水标准要求, 关键是如何根据悬浮物含量的高低、水量的大小选择合理的净水设备,简化工艺,以便经济地实现矿井水资源化。对于这类矿井水由于比较容易处理,处理成本也较低,是目前矿区净化利用Z普遍的一类矿井水。

2、高悬浮物矿井水的水质特点

(1)悬浮物含量很不稳定,悬浮物浓度差异很大。

含悬浮物矿井水中,悬浮物含量为每升几十至几百毫克,有时超过2000毫克。且在井下水清仓时,悬浮物含量有时每升高峰值可达上万毫克,所以在处理过程中需考虑较好的耐负荷冲击能力和通畅的排泥系统。

矿井水中悬浮物的主要成分是煤粉和岩粉,尽管有时矿井水悬浮物不算很高,可黑色却十分明显,感官性状很差。

(2)悬浮物粒度小、比重轻、沉降速度慢。

矿井水中悬浮颗粒直径较小,平均只有2-8μm,总悬浮物中约85%以上的粒径在50μm以下。煤粉的平均密度一般只有1.3-1.5g/cm3,远远小于地表水系中泥砂颗粒物的平均密度2.4-2.6g/cm3。

(3)混凝过程中矾花形成困难,混凝沉降比地表水系中泥砂颗粒的效果差一些。

矿井水中悬浮固体物质多为有机物(煤粉)和无机物(岩粉)的复合体,且不同煤化阶段的煤分子结构大不相同,煤粒表面所带电荷数量也不相同,因而其亲水程度各异,低阶段煤的大分子芳香缩合环周边有较多极性基团(-COOH,-OH等),随着煤化程度增高而逐渐减少,Z后完全失去这些极性基团而成憎水物质。因此含悬浮物矿井水中煤粉表面与水和无机混凝剂的亲和能力要比地表水系中泥砂颗粒物差一些。

3、高悬浮物矿井水的利用途径

矿井水净化处理后回用于生产和生活中,可以减少深井水的开采量,节约地下水资源, 保护矿区地下水和地表水的自然平衡。处理后的矿井水一般先用于煤炭生产加工,其次用于生态、矿区生活用水,如仍有剩余,则要根据矿井水水质、水量大小,或达标排放,或作其他用水。

(1)矿区井下用水:煤矿井下生产用水一般不需要作净化处理,只需经简单的混凝、沉淀、过滤、消毒等即可直接供井下使用,满足生产需要。

(2)生活用水:净化后的矿井水如果达到国家饮用水水质标准,可以作为饮用水直接供应用户,弥补自来水供应的不足。此类用水需要对矿井水进行深度处理。

(3)工业用水:矿井水做工业用水时,只需要去除矿井水的悬浮物即可满足要求,净化过程只需要加人混凝剂,不需再加液氯消毒,即可直接用于浴室、锅炉房或冲刷厕所及地面浇花、打扫卫生等。

(4)农业用水:用于农业灌溉、水产养殖等,可减轻农民负担。

(5)旅游用水:建立水上乐园,旅游景区等。

(6)矿井回灌水:把多余的矿井水回灌到地下,补充地下水资源,降低采煤引起的地表沉陷。

(二)高悬浮物矿井水科研课题的目标

1、解决高悬浮物矿井水悬浮物含量很不稳定,悬浮物浓度差异很大的问题。

2、解决高悬浮物矿井水悬浮物粒度小、比重轻、沉降速度慢的问题。

3、解决高悬浮物矿井水混凝过程中矾花形成困难的问题。

4、使高悬浮物矿井的悬浮物浓度降低到30mg/l以下。

(三)高悬浮物矿井水科研课题的内容

利用渐开线原理和螺旋线原理将污水净化中的混凝反应、离心分离、泥层流态过滤、污泥浓缩等处理技术有机组合集成在一起,在同一罐体内短时间(10-15分钟)完成污水的多级净化,出水水质悬浮物浓度小于30mg/l,实现高悬浮物矿井水快速连续高效处理。

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三、高悬浮物矿井水科研课题成果

我公司利用渐开线原理和螺旋线原理研发出一套高效旋流离心净化工艺,高效旋流离心净化工艺是利用旋流闪混、常压旋流、二级旋流离心分离、紊态造粒污泥层过滤、旋流浓缩的原理,将污水净化中的混凝反应、离心分离、泥层流态过滤、污泥浓缩等处理技术有机组合集成在一起,在同一罐体内短时间(10-15分钟)完成污水的多级净化,出水水质悬浮物小于30mg/l,较大程度优于回用及排放标准。

本设备技术集成、工艺先进,通过高新技术和特殊工艺,将旋流闪混技术、常压旋流、二级旋流离心分离、紊态造粒污泥层流态过滤原理等过程有机融合为一体,在同一罐体内完成废水的多级净化,实现了快速连续高效处理。

⑴旋流闪混技术

旋流闪混技术,利用旋流的轨迹螺旋上升,运动路线长,旋流时紊流强度大,混合效率高,一般只需10-30秒即可实现高效混合,取代了传统混凝反应池等

⑵ 常压节能旋流技术

独特设计的渐开线或螺旋线导流技术,在管道或进水密闭渠道内形成旋流的惯性,在某一点断开时,水流能利用余压靠惯性自然形成旋流,节约了动力能耗。

⑶二级旋流离心分离技术

水体在罐体内,设计了先向下旋流然后有导流板导入向上旋流的二级旋流离心分离模式。含悬浮物的废水在进入罐体内,利用渐开线或螺旋线导流技术,先形成下旋流方向的旋流,在离心力的作用下废水中形成的悬浮颗粒及矾花被甩向器壁,并随下旋流及自身重力作用沿罐内壁下滑至锥形污泥浓缩区,从而去除大部分的悬浮物。废水向下作螺旋运动到一定程度后向中心靠拢,在导流槽的作用下形成向上的旋流,继续利用旋流产生的离心力,分离剩余的小颗粒等杂物。导流槽、板的设置,使下旋流和上旋流分别再不同区域独立运行,避免了传统旋流器产生的短流现象。

⑷紊态造粒污泥层过滤

上旋流的同时,水中较轻的颗粒,相互碰撞,在药剂的作用下相互粘结,形成一定厚度的污泥过滤层,对水质进一步过滤,到达一定厚度后,会脱落沉至泥斗,形成流态过滤。

⑸旋流浓缩

整个罐体内的水流为旋转状态,泥斗内的污泥随着水流旋转,在整体水流压力的作用下,像拧紧螺丝般实现污泥的浓缩,从而排泥浓度大,排泥量少,后续污泥处理不需要像沉淀池还需建污泥浓缩池。

四、高悬浮物矿井水科研课题成果的应用

我公司研发的高效旋流离心净化工艺现已应用于高悬浮物煤矿水处理,出水水质稳定并且多次得到业主单位的好评。

高效旋流离心净化工艺是将高悬浮物矿井水先进入调节池进行缓冲。通过调节池内提升泵将水注入高效混凝器,污水在PAC药剂的配合作用下在混凝器中完成旋流混凝,压缩双电层等过程,实现煤尘颗粒剂胶体与水的分离。在PAM药剂的作用下把小胶粒聚集成大胶粒团。

利用调节池内潜水泵的余压将污水沿着器壁打入旋流净化器,经过常压旋流、二级旋流离心分离、紊态造粒污泥层流态过滤等过程,在同一罐体内完成废水的多级净化。

清水从旋流器顶部流出进入清水池,作为反洗或回用水源;从高效旋流净化器底部排出的污泥排入污泥池中,提升至污泥脱水机进行脱水,污水重新流入调节池,干泥通过矿车外运。高效旋流离心净化工艺如下图所示:

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高效旋流离心净化工艺流程图

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