作者:李 晖 ( 潞安环能股份公司 五阳煤矿，山西 长治 046205)

摘 要: 五阳煤矿南丰矿井水处理站处理水部分指标不能达到地表水环境质量Ⅲ类标准，需要进行提标改 造。文章设计的深度处理工艺流程为: 超滤+臭氧+生物活性炭滤池，给出了各环节的设计过程和结果，对 设计的工程投资做出了预算，社会效益、经济效益可观。

关键词: 矿井水; 深度处理; 超滤; 臭氧; 生物活性炭

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。
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。 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 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。


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。