宝日希勒露天矿采场水净化系统升级改造工程实践.pdf

宝日希勒露天矿采场水净化系统升级改造工程实践王常建1,马立博1,杨光辉1,李 程1,王海棠2,3(1.国家能源集团 国能宝日希勒能源有限公司,内蒙古 呼伦贝尔 021000;2.北京低碳清洁能源研究院,北京 102209;3.煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室,北京 102209)摘 要:以宝日希勒露天矿采场水净化系统升级改造项目为例,分析了采场水改造前处理现状和采场水水质特点,改造系统采用了“混凝-沉淀-过滤”净化工艺,并介绍了主要设计参数、运行状况及运行费用。实践表明,该系统运行稳定,出水水质同时满足 GB 204262006煤炭工业污染物排放标准 以及 GBT 189202020 城市污水再生利用城市杂用水水质 指标要求,实现了露天矿采场水 100%回用。关键词:露天矿;矿坑水;净化系统;煤炭基地;回用中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1005-8397(2023)06-0090-04Engineering application of upgrading of mine water purification system in mining area of Baorixile Surface MineWANG Chang-jian1,MA Li-bo1,YANG Guang-hui1,LI Cheng1,WANG Hai-tang2,3(1.Guoneng Baorixile Energy Co.,Ltd.,China Energy Investment Corporation,Hulun Buir,Inner Mongolia 021000,China;2.National Institute of Clean-and-Low-Carbon Energy,Beijing 102209,China;3.State Key Laboratory of Water Resource Protection and Utilization in Coal Mining,Beijing 102209,China)Abstract:By taking the upgrading project of mine water purification system in Baorixile surface mine as a case study,the current situation of treatment of mine water before renovation and the characteristics of mine water quality were analyzed in this paper.The purification system of“coagulation-precipitation-filtration”was adopted in this upgrading system,and the main design parameters,operating conditions and operating costs were introduced.The operation results showed that the performance of the integrated treatment process was stable.The effluent water quality met the stand of Emission Standard for Pollutants from Coal Industry(GB 204262006)and the Reuse of Urban Recycling Water-Water Quality Standard for Urban Miscellaneous Use(GBT 189202020).The mine water can be realized 100%reuse in surface miner.Keywords:surface mine;mine water;purification system;coal base;reuse收稿日期:2023-04-21 DOI:10.16200/ki.11-2627/td.2023.06.022基金项目:国能宝日希勒能源有限公司露天煤矿水资源综合利用研究(SZY93002215N)作者简介:王常建(1989),男,辽宁盘锦人,2012 年毕业于辽宁工程技术大学环境科学专业,理学学士,国能宝日希勒能源有限公司水电中心生产技术科副科长,工程师。引用格式:王常建,马立博,杨光辉,等.宝日希勒露天矿采场水净化系统升级改造工程实践 J.煤炭加工与综合利用,2023(6):90-93.煤炭开采过程中由于开采矿床导致地下水产生缝隙,进而让一些含水层的关系变得紧密,例如地表水、大气降水、生活水以及地下水等,这些含水层随着新型以及原始的缝隙进入采掘空间,逐步向采场水转变1。采场水是一种废水,且排放量较大。据统计我国 2019 年吨煤产生废水量为 23 m32-5。这类废水具有高 COD、高矿化度、高浊度、大肠菌群高等特点6,如果不进行净化处理,不仅造成水资源浪费,更有甚者会对地下水造成破坏,造成水资源污染及草原生态破坏。加之近几年来国家对矿井水处理也相应出台了不少政策。2008 年 11 月生态环境部发布了09煤炭加工与综合利用 CAL PROCESSING&COMPREHENSIVE UTILIZATION No.6,2023清沽生产标准煤炭采选业(HJ 4461 宝日希勒露天矿采场水现状 2008),规定矿井水、疏干水在水资源短缺区利用率的一级标准为 100%7-8。2018 年 6 月,国土资源部发布了 煤炭行业绿色矿山建设规范(DZ/T0315 2018)9,规定矿井水、疏干水应采用洁净化、资源化技术和工艺进行合理处置,处置率达到 100%。可见,对矿区采场水进行净化处理并实现资源化利用是政策导向、势在必行。1 宝日希勒露天矿采场水现状 宝日希勒露天矿位于内蒙古自治区东北部的呼伦贝尔草原腹地,矿区于 2000 年 10 月投入生产,原设计生产能力 60 万 t/a。在生产过程中,露天矿煤炭产量不断提升,2010 年改扩建至1 000 万 t/a,2014 年 核 定 生 产 能 力 增 加 至3 500 万 t/a。露天矿区煤炭资源开采过程中会产生大量的采场水,即矿坑水,矿坑涌水量受煤炭开采量、地面降水及地下水位等因素影响较大,表 1 是宝日希勒露天矿近 11 a 来矿坑涌水量统计,涌水量呈现先增后降的趋势。宝日希勒露天矿采场水净化工艺最早在 2009年采用沉淀池+多级串联塘净化工艺,多级串联塘由厌氧塘、兼性塘、好氧塘和综合生态塘串联组成10,具体工艺流程为矿坑水沉淀池耐酸泵排水管厌氧塘兼性塘好氧塘水泵排水管鱼塘闸门水渠排放或工业回用,见图 1。最终经过鱼塘处理的采场水用于矿区洒水降尘、绿化,作为电厂循环冷却用水的水源等;剩余未利用的采场水外排到距养鱼塘不远的大水泡,用于灌溉草场,改善矿区生态环境。表 1 宝日希勒露天矿近 11 年矿坑涌水量统计年度20112012201320142015201620172018201920202021矿坑涌水量/(万 m3a-1)240294286300330285305184190160121图 1 宝日希勒露天矿原多级串联塘工艺 但目前宝日希勒露天煤矿的氧化塘由于多年矿坑排水和雨水冲刷己经变成了一条排水沟,经多级氧化塘处理的水为直排水,水质无法达到回用标准。因此,需要对原有净化工艺进行改造,对采场水进一步净化处理,以实现采场水的资源化利用。2 采场水设计规模及水质根据近几年来矿坑涌水情况,并对未来 5 a矿坑涌水进行预测,最终确定设计宝日希勒露天矿采场水处理规模为 500 m3/h,采场水经净化处理后主要用于矿区内复垦灌溉用水、道路喷洒用水、消防用水及绿化用水等,因此要求净化后出水水质能够同时满足 GB 204262006 煤炭工业污染物排放标准 以及 GBT 189202020 城市污水再生利用城市杂用水水质 指标要求。本次优化改造工程设计进出水水质主要指标见表 2。3 工艺流程根据本工程采场水水质情况及用水资源需求,设计在原有氧化塘工艺后端进行升级改造,主净化工艺即“混凝、沉淀、过滤”工艺,具体工艺流程如图 2 所示。4 主要工艺单体及设计参数4.1 沉砂调节池考虑矿坑内采场水排水煤泥含量多,浊度高,为防止随水携带颗粒物在后级管道或处理设施中累积、堵塞,影响处理设施正常运行,前端设计沉砂调节池进行预处理。原水经穿孔布水墙进入沉砂调节池,经过澄清作用后,悬浮颗粒沉192023 年第 6 期王常建,等:宝日希勒露天矿采场水净化系统升级改造工程实践于池底,沉积的泥砂定期排至集泥池。上部清水通过出水堰进入集水池。废水提升泵将原水提升至高效一体化自冲洗净水器。设计沉砂调节池尺寸为45m6m4m,数量为 2座。集水池尺寸为 6.9m12.4m7m,数量为 1 座。废水提升泵设计3 台,2 用1 备,Q=250 m3/h。表 2 设计进水水质和出水水质指标项目COD/(mgL-1)TDS/(mgL-1)氟化物/(mgL-1)浊度/NTUNH3-N/(mgL-1)Fe/(mgL-1)As/(mgL-1)总 放射性/(BqL-1)总 放射性/(BqL-1)pH进水指标679240.176004.333.070.0020.40.778出水指标501 00010102060.511069图 2 采场水净化处理工艺流程示意4.2 高效一体化自冲洗净水器高效一体化自冲洗净水器为核心专利设备,该设备创造性的集混凝、沉淀、过滤功能为一体,由涡流反应、泥渣回流、泥渣接触过滤、斜管沉淀、沉泥浓缩、高位配水箱、双层滤料过滤、反冲洗水箱等功能集合组装构成,省去了混凝沉淀后的中间水池和中间水泵,只需一次提升即能出水。设计高效一体化自冲洗净水器两台,处理规模为 Q=300 m3/h,直径 10.5 m,分为混凝区、沉淀区和过滤区。混凝区主要发生混凝反应,利用水力和高效紊动装置的搅拌作用,促使混凝絮凝体碰撞、聚并和增重。混凝反应时间18 min 左右。针对原水特点,使用对水中悬浮物、色度、有机物有独特絮凝效果的高效混凝剂聚合氯化铝(PAC),当单独使用混凝剂不能取得预期效果时,投加助凝剂聚丙烯酰胺(PAM)以提高混凝效果11。沉淀区斜管采用卫生级聚丙烯正六角形蜂窝斜管,斜管长 1 m,安装角度 60。清水区上升流速约 2 mm/s,沉淀停留时间 45 min。过滤区采用单阀滤池,设计滤速 910 m/h,采用小阻力滤帽配水。滤料上层为无烟煤,粒径1.21.6 mm,厚度 0.4 m,装填重量 12 000 kg。下层为石英砂,粒径 0.60.9 mm,厚度 0.4 m,重量 16 300 kg。底层为粗砂承托,粒径 1 2 mm,厚度 0.12 m,重量 6 500 kg。过滤出水经冲洗水箱溢流进清水池。滤池反冲洗控制方式有二种:一是定时反冲洗;二是滤池水头损失达到设定值时反冲洗。自控设置根据需要选择以上两种反冲洗方式中的任一方式进行自动反冲洗。反洗方法为虹吸式,无需反洗水泵。每台设置 2 个滤室,水反洗强度15 L/(m2s),反洗时间 6 min,每个滤室一次反洗自耗水量约 110 m3,反洗排水回流至沉砂调节池进入下一个处理循环。4.3 污泥处理系统沉淀于沉砂调节池池底的泥砂定期由行车式提板刮泥机刮至池前泥斗,自压至集泥池后经泥浆泵输送至排泥水调节池,调节后再通过排泥水转送泵送至污泥浓缩池。污泥浓缩池选用有刮泥机及搅拌栅的连续式重力浓缩池,通过向污泥浓缩池投加助凝剂聚丙烯酰胺(PAM)以提高浓缩效果。浓缩后污泥进入带式压滤机,形成滤饼排出。滤液会同污泥浓缩池的上清液与高效一体化净水器的反洗排水一起回流至沉砂调节池。设计集泥池尺寸为 2m6m4m,数量为 2座。排泥水调节池尺寸为 4.5m12.4m4m,数量为 1 座。排泥排水调节池尺寸为 12m8m2.5m,数量为 1 座。污泥浓缩池尺寸为 10.5m3.5m,数量为 1 座。设计带式压滤机处理规模为 25 m3/h,数量为 2 台,互为备用。4.4 消毒与回用杀菌灭藻剂采用持续消毒作用强,操作简单,投加安全、方便的次氯酸钠溶液(NaClO)。处理后29 煤炭加工与综合利用2023 年第 6 期的坑内排水根据回用项目不同,分别选用对应的回用设备或设施,本工程设置电厂用水加压泵、排土场等生产用水变频泵、冲洗生产系统用水变频泵及处理站自身所需的滤带冲洗及配药泵。设计清水池尺寸为 22.8m12.8m4m,数量为 1 座。根据不同用水途径设计回用水泵共 8台,设计 Q=134 m3/h 输送泵 2 台,1 用 1 备;Q=160 m3/h 输送泵3 台,2 用1 备,Q=400 m3/h输送泵 3 台,2 用 1 备。5 运行效果宝日希勒露天矿采场水净化工艺升级改造完成并正式投产以来,运行性能稳定可靠。根据2021 年全年运行数据,采场水进水量在 200 m3/h左右,实际进水水质与设计值基本一致。对采场水净化系统出水进行全年水质监测,关键水质指标如图 3 所示12。净化处理后出水 COD 维持在22 mg/L 左右,出水浊度维持在 2 NTU 左右,出水氨氮维持在 1 mg/L 左右。可见,采场水经净化后出水水质能够同时满足 GB204262006 煤炭工业污染物排放标准 及 GBT189202020 城市污水再生利用城市杂用水水质 指标要求,可直接用作矿区用水。图 3 净化系统优化升级后出水水质情况6 运行成本分析本项目主要的运行费用包括电费、药剂费、人工费、供暖费等,其他折旧、大修等不计。吨水处理成本为 2.66 元,具体详见表 3。7 结论及建议以宝日希勒露天矿采场水为实例,采用混凝沉淀过滤净化工艺对原氧化塘工艺进行了升级改造。根据实际运行数据,处理后出水能够同时满足 GB 204262006 煤炭工业污染物排放标准 及 GBT 189202020 城市污水再生利用城市杂用水水质 指标要求,可用于矿区复垦灌溉、道路喷洒、消防及绿化等,实现了露天矿采场水 100%资源化回用,节约水资源的同时也避免了地下水污染,改善了草原生态系统,具有较高的环境效益及社会效益。表 3 运行费用一览表项目年消耗量单价吨水费用/(元m-3)电费1 766 104.57 kW 0.3911 元/(kWh)0.53PAC295 331 kg2 200 元/t0.50PAM1 512 kg9 800 元/t0.01供暖费348 133.03 元4.5 元/(m2月)0.27人工费177 4801.15 元1.36合计2.66参考文献1 黄玉凯,胡志勇.宝日希勒露天矿采场水资源化利用设计研究 J.山西建筑,2022,48(5):81-84.2 张山山,姬海宏,吴巧玲,等.煤矿矿井水处理零排放技术与工程应用 J.中国给水排水,2022,38(2):98-103.3 徐 京,王雨晨,骆祥波,等.煤矿井下矿井水处理工艺的探索 J.煤炭加工与综合利用,2021,264(7):86-90.4 顾大钊,张 勇,曹志国.我国煤炭开采水资源保护利用技术研究进展 J.煤炭科学技术,2016,44(1):1-7.5 顾大钊,李 庭,李井峰,等.我国煤矿矿井水处理技术现状与展望 J.煤炭科学技术,2021,49(1):11-18.6 李福勤,赵桂峰,朱云浩,等.高矿化度矿井水零排放工艺研究 J.煤炭科学技术,2018,46(9):81-86.7 环境保护部科技标准司.清沽生产标准煤炭采选业:HJ 446-2008 S.北京:中国环境科 学出 版社出 版,2008.8 王庆刚,杨久利,王 锦,等.分盐结晶法处理高盐矿井水的工艺比选与应用 J.煤炭加工与综合利用,2023(4):98-104.9 国土资源部.煤炭行业绿色矿山建设规范:DZ/T0315-2018 S.北京:地质出版社,2018.10 陈玉玖.宝日希勒露天矿采场水氧化塘净化处理试验J.煤炭科学技术,2009,37(4):110-113.11 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