塔然高勒煤矿矿井水处理工艺设计分析

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塔然高勒煤矿矿井水处理工艺设计分析李晓华（神华杭锦能源有限责任公司塔然高勒煤矿，内蒙古󰀃鄂尔多斯󰀃017400）

摘 要：塔然高勒煤矿矿井水处理站采用“预沉池+调节池+高密度沉淀池+V型滤池+超滤+反渗透”工艺，设计处理能力9600m3/d，根据近年来运行数据显示，其运行效果良好，出水水质能够满足不同用途。本文通过对各处理单元工艺的介绍及运行状况分析，总结了工艺设计方面的经验。关键词：矿井水处理；净化处理；深度处理；膜系统中图分类号：X752󰀃󰀃󰀃󰀃󰀃文献标志码：A󰀃矿井水指在煤矿建井和煤炭开采过程中，由地下涌水、地表渗透水、井下生产排水（防尘、灌浆、设备冷却水等外排水）汇集所产生的废水。为保障矿井安全和良好的作业环境，开采过程中必须进行矿井排水。据不完全统计，全国平均吨煤涌水量为2～4m³，全国全年外排矿井水约为30亿m³。水是社会文明、经济发展和人类生存必不可少的自然资源，我国淡水资源人均占有量只有世界人均的1/4，煤矿矿区所在城市缺水状况更为严重。据统计，2005年全国煤炭矿井水排放量约为42亿m³，矿井水利用量约为11亿m³，全国矿井水利用率约为26.2%。近年来，国家对环保要求日益严格，对矿井水的重复利用成为煤炭生产安全与可持续发展的重要保证。

矿井水通常分为含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水、含铁含锰矿井水及其他污染矿井水。矿井水净化处理是指依靠混凝、沉淀（澄清）、过滤处理工艺去除矿井水中悬浮物、胶体和色度的过程。深度处理是指用物理、化学或者生物方法降低或去除水中的溶解性盐类物质或更深一步去除矿井水中浊度、悬浮物以及有机污染物的工艺技术过程。膜处理是利用特殊膜的悬着透过性，对水或者其液体中的某些微粒及离子性物质进行处理和浓缩的工艺技术过程。

煤矿矿井水应单独处理，有条件的矿井宜实行清污分流，生产、生活用水应利用处理后的矿井水，根据用水需求不同可以采用分质处理。矿井水利用主要包括井下生产、消防用水，地面生产、生活、消防用水，地面绿化、景观用水等。

1 概述

塔然高勒矿井位于东胜煤田塔然高勒矿区之北部，隶属内蒙古自治区鄂尔多斯市杭锦旗及达拉特旗。井田东西长度最大25.23km，南北宽度最大13.4km，面积229.1km2，井田内共查明可采煤层4层（3-1、4-1、4-2、5-1），主采煤层为3-1煤层，煤种为中水分、低灰、低硫、高热值的不粘煤及长焰煤。其地质资源储量15.2亿t，设计可采储量为9.1亿t。矿井年设计生产能力1000万t，服务年限67.8年，配套建设了1000万t/年的选煤厂和全长77.138km的铁路专线。

塔然高勒煤矿矿井水处理站于2014年4月份建成试运行，8月份正式投入运行。矿井水处理站占地面积

作者简介：李晓华（1987—），男，本科，研究方向：煤矿机电管理。

󰀃󰀃文章编号：2096-27（2019）06-0171-03

3537㎡，结构类型为框架+排架结构，建筑层数2层，建筑高度10.1m。近年来系统运行平稳，能够满足设计出水水质要求。

2 设计基础资料

2.1 处理规模

塔然高勒煤矿矿井水处理站设计进水规模为9600m3/d。2.2 进水水质

塔然高勒煤矿的矿井水为含悬浮物矿井水，主要污染物的波动范围及平均值如表1所示。

表1 塔然高勒煤矿矿井水处理工程设计进水水质情况

序号分析项目设计水质1pH值

6～9.52总溶解固体/mg·L-1≤20003总悬浮物/mg·L-1≤12004石油类/mg·L-1

≤5.05F-/mg·L-1≤3.06Cl-/mg·L-1≤600.07SO42-/mg·L-1

≤500.08总硬度（以CaCO-1

3计）/mg·L≤2009CODCr/mg·L-1≤50010SiO2/mg·L-1≤1511

水温/℃

≥12

2.3 出水水质要求

矿井水处理站设计规模9600m3/d，矿井水经处理后可用于不同用途：

（1）3300m3/d的出水达到《煤炭洗选用水标准》(GB 50359-2005)的水质要求，回用于洗煤厂生产补充水。

（2）12m3/d的出水达到《煤矿井下消防洒水水质标准》(GB 50383-2006)的水质要求，回用于井下消防、洒水。

（3）2000m3/d的出水达到《城市污水再生利用城市杂用水水质》（GB 120-2002）和《城市污水再生利用农田灌溉用水水质》（GB 20922-2007）中的较高限值，用于地面绿化与农田灌溉。

（4）2000m3/d的出水达到《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）的水质要求，回用于矿区生活用水和井下设备用水。

（5）剩余出水达到《煤炭工业污染物排放标准》（GB

·172· | 工程设计 | Engineering Design20426-2006）的要求，用于地面景观湖用水。2.4 气象及地震强度矿区气候特征属于干旱-半干旱的温带高原性气候，太阳辐射强烈，日照较丰富，干燥少雨，风大沙多，无霜期短。其冬季漫长寒冷，夏季炎热而短暂，春季回暖升温快，秋季气温下降显著。

据鄂尔多斯市气象局历年资料：当地最高气温36.6℃，最低气温为-27.9℃；年降水量为194.7～531.6mm，平均为396.0mm，且多集中于7月、8月和9月；年蒸发量为2297.4～2833mm，平均为2534.2mm，年蒸发量为年降水量的5～10倍。该区内风多雨少，最大风速为14m/s，一般风速2.2～5.2m/s，且以西北风为主。其冻结期一般从10月份开始至次年5月份，最大冻土深度为1.71m，最大沙尘暴日为40d/年。

井田位于鄂尔多斯台向斜北缘，鄂尔多斯台向斜被认为是中国现存最完整、最稳定的构造单元。根据“中国地震烈度区划图”显示，地震动峰值的加速度（g）为0.05m/s2，勘察区对照地震烈度为6°，属弱震区的预测范围。据调查，其历史上无破坏性地震记载，也未有较大的泥石流、滑坡及塌陷等不良地质灾害现象发生。

3 水处理工艺设计

本工程处理的进水水源为神华杭锦能源有限责任公司塔然高勒煤矿的井下排水。矿井水通过压力流动，其中9600m3/d的水量直接进入本系统。进入本系统的水经预沉池进行初步的沉淀,再进入调节池进行水质水量调节，预沉池污泥进入污泥浓缩系统；调节池污水经泵提升至高密度沉淀池，在高密度沉淀池前端加入絮凝剂、助凝剂等药剂后，通过高效絮凝、沉淀去除水中的固体悬浮物，高密度沉淀池剩余污泥进入贮泥池，高密度沉淀池出水一部分进入V型滤池，另一部分作为洗煤厂生产补充用水；V型滤池出水经消毒后进入中间水池，该部分水一部分作为绿化灌溉、井下消防等用水，另一部分依次进入多介质过滤器、板式换热器、自清洗过滤器和超滤系统，超滤反冲洗排水回到预沉调节池；超滤产水再进入反渗透系统脱盐，并经过消毒，达到生活饮用水标准。贮泥池中的泥水混合物通过离心脱水机脱水后将泥饼外运至煤矿排矸场。

矿井水处理系统主要工艺流程：矿井水—预沉调节池—高密度沉淀池—V型滤池—中间水池—多介质过滤器—板式换热器—自清洗过滤器—超滤系统—超滤产水箱—保安过滤器—反渗透系统—生活用水、井下设备用水。3.1 预沉池

预沉池主要对污水进行初级沉淀，去除水中大量SS等悬浮物，保证后续处理系统正常运行。预沉池配备桁车式刮泥机，将沉降在池底的污泥刮集至集泥槽，通过渣浆泵将污泥输送至离心车间。

预沉池采用矩形半地下钢筋混凝土结构，内框尺寸L×B×H=41m×5m×4.5m，设计处理水量400m3/h，有效容积1722m3，有效水深4.2m，数量2座。其配备2台桁车式刮泥机、3台11kW单螺杆污泥泵，同时配备2套手电两用电动闸门用于预沉池配水。3.2 调节池

预沉池主要用于调节水量，缓冲水流负荷，防止处理系统负荷的急剧变化，同时暂存污水。调节池采

2019年第6期

用矩形半地下钢筋混凝土结构，内框尺寸L×B×H =41m×7.0m×5.5m，设计处理水量462.5m3/h，有效容积1387.5m3，有效水深5.0m，数量2座。其配备15kW卧式离心式提升泵3台，流量为240m3/h；调节池中安设潜水搅拌机4套，防止池中沉淀；配备2套手电两用电动闸门用于调节池配水。3.3 高密度沉淀池

高密度沉淀池是集混凝、污泥循环、斜管分离及污泥浓缩等多种工艺于一体，通过合理的水力和结构设计开发出泥水分离及污泥浓缩功能一体的新一代沉淀工艺。其工作原理是向水中投加混凝剂，使水中的悬浮物及胶体颗粒脱稳，然后投加高分子助凝剂和密度较大的载体颗粒，使脱稳后的杂质颗粒以载体为絮核，通过高分子链的架桥吸附作用和回流污泥的沉积网捕作用，快速生成密度较大的矾花，从而大大缩短沉降时间，提高澄清池的处理能力，并有效应对高冲击负荷。

高密度沉淀池采用组合半地下钢筋混凝土结构，设计处理水量11100m3/d，数量2座，每座配备手电两用电动闸门，用于配水区分流；混合区、絮凝区各安装搅拌机1台；斜管填料规格Φ=80mm，填料垂直高度1300mm，倾斜角度60°，集水槽外形尺寸L×B×H=2500mm×300mm×200mm，每座6套，共12套；4kW污泥回流泵每座2台，共4台；絮凝剂投加系统1套，用于投加絮凝剂，配套计量泵3台；助凝剂投加系统1套，配套计量泵3台。3.4 VV型滤池

型滤池采用较粗、较厚的均匀颗粒的石英砂滤层，采用了不使滤层膨胀的气、水同时反冲洗兼有待滤水的表面扫洗，同时采用了气垫分布空气和专用的长柄滤头进行气、水分配等工艺。它具有出水水质好、滤速高、运行周期长、反冲洗效果好、节能和便于自动化管理等特点。

V型滤池采用矩形地下钢筋混凝土结构，内框尺寸L×B×H=8m×6.2m×4.0m，数量2座，设计处理水量7400m3/d；石英砂滤料有效粒径为1.35mm，数量60m3，单层滤料厚度1.2m；反洗鼓风机2台，反冲洗水泵3台。

3.5 多介质系统

多介质过滤器是利用一种或几种过滤介质，在一定的压力下把浊度较高的水通过一定厚度的粒状或非粒材料，从而有效除去悬浮杂质，使水澄清，延长后面的过滤设备的使用寿命。

多介质过滤器过滤层滤料采用石英砂填料，粒径Φ0.5～1.2mm，高度为800mm；无烟煤填料粒径Φ0.8～1.8mm，高度为400mm；过滤层总填料高度为1200mm。其配备15kW多介质过滤器给水泵3台，流量68m3/h；板式换热器1套，冷侧介质进水13～20℃，出水25℃，热侧介质进水95℃，出水70℃；22kW多介质过滤器反洗水泵2台。3.6 超滤系统

超滤是一种与膜孔径大小相关的筛分过程，以膜两侧的压力差为驱动力，以超滤膜为过滤介质，在一定的压力下，当原液流过膜表面时，超滤膜表面密布的许多细小的微孔只允许水及小分子物质通过而成为透过液，而原液中体积大于膜表面微孔径的物质则被截留在膜的

2019年第6期进液侧，成为浓缩液，因而实现对原液的净化、分离和浓缩的目的。超滤能截留0.002～0.1μm的大分子物质和蛋白质。超滤膜允许小分子物质和溶解性固体（无机盐）等通过，同时截留下胶体、蛋白质、微生物和大分子有机物。用于表示超滤膜孔径大小的切割分子量范围一般在1000～500000，超滤膜的运行压力一般为1～7bar。超滤系统主要目的是去除水中的悬浮物、胶体、色度、浊度、有机物等妨碍后续反渗透运行的杂质。

本系统在超滤装置前设计为2套自清洗网式过滤器，出力80m3/h，过滤精度为100μm，以防止沙子等颗粒进入超滤膜组件，划伤超滤膜表面。超滤系统设计进水水量为3000m3/d，进水水质为CODcr≤60mg/L、TSS≤10mg/L、pH为6～9，回收率≥90%。超滤系统采用外压式中空纤维超滤系统，系统由膜架、膜元件、反洗水泵、反洗加药装置、化学清洗装置、超滤产水罐、废水收集池及阀门仪表等组成，同时配备空气擦洗系统、化学清洗系统。超滤系统每个系列部分能单独运行，也可同时运行。每组膜系统设有完整的维修隔离阀门，可单独进行维修和更换而不影响整套超滤系统的运行。同时，系统设置超滤产水罐1座，有效容积100m3；设置2台超滤反洗泵，流量为110m3/h。3.7 反渗透系统

反渗透就是在有盐分的水中（如原水）施加比渗透压力更大的压力，使水流向相反的方向进行，把原水中的水分子压到膜的另一边，变成洁净的水，从而达到除去盐分的目的。

反渗透系统设计进水水量为2700m3/d，设计进水水质为CODcr≤50mg/L、浊度≤1NTU、TDS≤2000mg/L、T（温度）＞20℃、pH 7～7.5、SDI15≤3、硬度（以CaCO3计）≤600 mg/L、碱度（以CaCO3计）≤200 mg/L。系统脱盐率3年内不低于95%，系统回收率3年内不低于75%，操作温度12～35℃。其设置2套反渗透装置，每套都能单独运行，也可同时运行。反渗透装置设有程序自动启停装置，停用后能延时自动冲洗。通过水处理系统PLC能实现自动和手动操作整个系统的功能。其配备11kW反渗透增压泵3台，流量为56.5m3/h；反渗透保安过滤器2台，流量为56.5m3/h；4支大流量折叠滤芯，精度5μm；反渗透增压泵2台，流量为56.5m3/h。反渗透装置采用132支聚酰胺复合抗污染膜，通量不大于18L/（m2·h）；使用22支反渗透膜壳，每支6芯装；15kW反渗透冲洗水泵1台，流量为63m3/h；反渗透化学清洗装置1套。

配备膜处理间加药装置，整套系统的加药装置包括加酸装置、氧化剂加药装置、还原剂加药装置、阻垢剂加药装置、非氧化性杀菌剂加药装置、絮凝剂加药装置、加药人工平台等。

超滤和反渗透均属于膜系统处理工艺，但将超滤

Engineering Design | 工程设计 |

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作为反渗透预处理主要有以下优点：膜过滤精度远高于传统过滤，可全部去除＞0.1μm的胶体和颗粒物；对悬浮颗粒、胶体、微生物、细菌、病毒的去除率近100%；对有机物的去除率达20%～50%；受原水水质波动影响小，出水水质稳定；运行压力低，节能效果显著；可显著提高反渗透的产水通量，节省反渗透膜用量。3.8 化验室

矿井水处理站设置水质化验室，可对常规水质进行检测、化验，根据检测水质数据，调整系统运行、药物投加量等，指导水处理工艺运行。化验室目前可实现pH值、化学需氧量、溶解氧、溶解性总固体、氨氮、总磷、浊度、悬浮物、总铁、猛、余氯、电导率、总硬度、总碱度、镜检15项水质指标检测。3.9 其他设施

根据系统设计，配置洗煤厂生产清水池、中间水池、浓水池、生活水池等建筑，并配套相应水泵将不同水质水供至各用水地点。配置贮泥池及污泥离心脱水车间，用于预沉池、V型滤池中淤泥进行脱水处理，泥饼排至煤矿排矸场。

4 水处理站运行现状

塔然高勒煤矿矿井水处理站自2014年建成投运以来，水处理系统设计能够满足日常生产、生活用水需求。2018年矿井水处理站进水量为2625m³/d，其中井下消防用水量187m³/d，绿化用水量为1296m³/d，景观湖用水量为747m³/d，地面生活用水量为395m³/d。

5 结束语

塔然高勒煤矿是神华集团首座千万吨级竖井，是国家“十一五”规划重点开工项目。煤矿所处杭锦旗塔然高勒乡水资源极度匮乏，矿井水重复利用可以有效缓解当地缺水状况，同时对周边矿井取水、用水具有示范意义。

煤矿井下用水进入矿井水处理站，经处理后的水，根据用途首先考虑洗煤厂生产补充用水，其次考虑井下生产、消防用水，地面绿化、灌溉、景观用水，最后考虑地面生活用水。根据不同用途经过不同工艺，生产出满足相应水质水，供至各用水点，实现矿井水全部重复利用。

参考文献：

[1]Q/SHJ 0062-2014,煤矿矿井水处理工程技术规范[S].[2]崔玉川,曹昉.煤矿矿井水处理利用工艺技术与设计[M].

北京:化学工业出版社,2016.[3]魏启磊.综合物探技术在矿井防治水中的应用[J].工程技

术研究,2017(7):75-76.[4]张楠,何宏谋,李舒,等.我国矿井水排放水质标准研究初

探[J].中国水利,2019(3):4-7.