煤矿污水处理站提标改造方案
某煤业有限公司
矿井水处理站提标改造项目
技术方案
2019年10月
目录
一、项目概况及矿井水水质分析.............................
1、项目背景...............................................
2、矿井废水成因...........................................
3、矿井水处理站出水水质指标及分析.........................
二、矿井水提标改造技术介绍................................
1、矿井水现行常见处理工艺.................................
2、矿井水深度处理工艺..................................... （1）生物活性碳工艺（BAC）............................... （2）精密过滤+反渗透有机膜................................ （3）精密过滤+陶瓷无机超滤膜..............................
三、矿井水排放水质提标方案指标对比........................
1、矿井水处理站出水+生物活性炭（BAC）过滤（方案一） .......
2、精密过滤+反渗透膜处理（方案二）........................
3、精密过滤+无机陶瓷膜过滤（方案三）......................
四、矿井水提标改造推荐工艺................................
1、工艺流程...............................................
2、鲨Ⅲ处理系统主要组成...................................
3、现场工程详情...........................................
4、主要设备清单...........................................
5、报价...................................................
6、施工进度...............................................
五、承诺服务.............................................
1、设计阶段...............................................
2、施工阶段...............................................
3、试运行阶段.............................................
4、售后服务...............................................
5、工程承诺...............................................
一、项目概况及矿井水水质分析
1、项目背景
山西某煤业有限公司隶属于西山煤电集团，地处山西省吕梁市，为山西省吕梁市临县的支柱企业之一。
某煤矿现有一座设计处理规模为80m3/h的矿井水处理站，采用“调节+混凝+斜管沉淀+石英砂过滤+消毒”处理工艺，处理后回用或外排。经现场调查，某矿处理后的矿井水经充分回用后，剩余部分外排，外排水量约30-45m3/h，结合甲方要求，考虑一定富余系数，外排水深度处理系统按50m3/h进行设计。
根据《关于印发水污染防治行动2019 行动计划》（晋政发〔2019〕35号）、《山西省“十三五”环境保护规划》、《山西省水污染防治工作方案的通知》（晋政发〔2015〕59号）、《吕梁市水污染防治工作方案》（吕政发[2016 ]11号）等文件的要求，某煤矿为响应环保政策要求，决定对矿井水处理站外排水进行提标改造，提标后出水水质达《煤矿井下消防、洒水设计规范》（G B50 383-2016）中井下消防洒水水质和《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质标准。
2、矿井废水成因
一般的，在煤炭开采过程中，地下水与煤层、岩层接触，加上人类的活动的影响，发生了一系列的物理、化学和生化反应，流入和渗入井筒、巷道和工作面的地表水、地下水和老窑积水不再清澈，成为受到污染的矿井废水。
矿井水本身的成分也受到地质年代、地质构造、煤系伴生矿物成分、环境条件等因素的影响，同时也受到开拓及采煤的影响。
矿井排水水质具有显著的煤炭行业特征：矿井废水的悬浮物含量远远高于地表水，感官性状差，悬浮物主要成分有煤粉、岩粒等，粒度小、比重轻、沉降速度慢、混凝效果差；矿井废水中还含有废机油、乳化油等有机物污染物，且含有的总离子含量比一般地表水高得多，而且很大一部分是SO42-、Cl-、Ca2+等，水质多数呈现中性和偏碱性，带苦涩味，不能直接作为工农业用水和生活用水。当开采含硫高的煤层时，硫化物受到氧化作用产生硫酸，也会使矿井水呈现酸性。
3、矿井水处理站出水水质指标及分析
根据2019年6月2日和2019年9月29日对该污水处理站的出水取样检测，各污染物指标检测结果如下表1.3-1：
表1.3-1现有处理站出水水质检测结果单位：mg/L
根据检测报告及我们对处理类似矿井水项目经验分析，本项目废水具有如下特点：
1、由检测报告可看出，矿井水目前出水水质较好，处理出水除COD、BOD5、汞和粪大肠菌群数类超标外，其他指标均能满足《地表水环境质量标准》GB3 8 38-2002中Ⅲ类标准。
2、矿井水一般就是煤矿伴生水，其水质指标是由于地质条件和在井下受到人为污染影响，地质条件主要影响原水的离子指标，而在井下受到人为污染主要表现在COD、BOD5、SS、NH3-N、石油类等水质指标超标。
（1）从监测数据来看，离子指标除汞外均满足地表水Ⅲ类标准，说明矿井地质条件较好，而且一般离子指标基本不会发生较大变化。故在本次方案设计中，需考虑汞的去除。
（2）原水COD、BOD5、SS主要是由于矿井水在井下流动过程中受到煤粉污染造成的。从监测数据看，矿井水经混凝、沉淀、过滤工艺处理后不能满足标准要求。考虑到水质中SS、COD会随着煤矿开采、地质条件变化、煤层变化等条件而波动，尤其是在井下水仓清仓或者水位较低时，进入矿井水处理站的COD、SS浓度均会有较大变化。故现有工艺并不能保证矿井水能稳定达到地表水Ⅲ类标准，并且根据我们的经验，参照其他煤矿的运行经验，“混凝、沉淀、过滤”工艺也不能稳定达到Ⅲ类水标准，故在这次方案中也应该考虑COD、BOD5、SS 的进一步去除。
二、矿井水提标改造技术介绍
山西某煤矿位于山西西北部，煤矿层涉及多个岩层。目前出水标准执行《煤炭工业污染物排放标准》G B20 426-2006中采煤废水污染物排放限值。
矿井水回用途径为生产用水或生活用水。矿井生产用水主要是井下采掘设备液压用水、消防降尘洒水；生活用水主要是深度处理后用于饮用水，发电站用水和瓦斯抽放泵站补水。水质标准分别为：
（1）井下消防洒水水质执行《煤矿工业矿井设计规范》G B502 15-2015中要求：SS≤50mg/L，粒径<0.3mm，pH值为6.5-9，大肠杆菌≤3个/L。
（2）空压机、液压支柱用水水质：SS≤10mg/L，粒径<0.15mm，硬度2-7mg/L，pH值为6.5-9，浊度<20NUT。
（3）生活用水执行《生活饮用水卫生标准》G B 5749-2006中相关规定。
1、矿井水现行常见处理工艺
煤矿矿井排水呈黑褐色，感官性差。悬浮物中主要是煤屑、岩粉、粘土等细小颗粒物，尤其是煤粉，其含量为几十到几百毫克/升，特点是悬浮物粒度小、比重轻、沉降速度慢。
目前国内常用的处理技术主要有：沉淀、混凝-沉淀、混凝-沉淀-过滤等。根据煤矿矿井水特点及处理后的水质要求，由于悬浮物粒度小、比重轻、沉降速度慢靠自然重力沉淀去除很困难，必须借助混凝剂。
絮凝沉淀：在水中投加混凝剂后，其中悬浮物的胶体及分散颗粒在分子力的相互作用下生成絮状体且在沉降过程中它们互相碰撞凝聚，其尺寸和质量不断变大，沉速不断增加。选用无机絮凝剂和有机阴离子配制成水溶液加入废水中，便会产生压缩双电层作用，使废水中的悬浮微粒失去稳定性，胶粒物相互凝聚使微粒增大，形成絮凝体、矾花。絮凝体长大到一定体积后即在重力作用下脱离水相沉淀，达到固体含量比较高的污泥，排出池外，从而去除废水中的大量悬浮物，从而达到水处理的效果。为提高分离效果，可适时、适量加入助凝剂。
沉淀：沉淀池采用平流式、辐流式沉淀池，将混凝后失稳的小颗粒胶体通过碰撞结合成大颗粒胶体下沉，后固液分离。
过滤：采用虹吸滤池或者无阀滤池，将无法在沉淀池中沉降的小颗粒胶体，
通过砂滤器进一步过滤分离。虹吸滤池和无阀滤池均能实现自动化运行。
目前该矿矿井水处理站采用的即是“混凝—沉淀—过滤”的这种传统工艺，但是此传统工艺处理后的矿井水有部分水质指标，均无法达到新的排放标准。2、矿井水深度处理工艺
国务院2015年4月印发的《水污染防治行动计划》（水十条）中，已经对矿井水的利用提出了要求，因此矿井水的深度处理则成为煤炭企业的必经之路。
目前，对矿井水深度处理工艺中，最常见和常用的是生物活性碳工艺（BAC）、精密过滤+反渗透有机膜、以及精密过滤+陶瓷无机超滤膜这三种工艺。
（1）生物活性碳工艺（BAC）
生物活性炭技术（BAC）是指在活性炭上通过人工或者富集固定微生物，在活性炭外表构成生物膜，提高活性炭的吸附容量，达到水质净化的目的。该技术实质是利用活性炭具有巨大的比表面积、发达的孔隙结构以及优良的吸附性能等特点。
以生物活性炭为基础所形成的处理污水的技术方法叫做生物活性炭法，生物活性碳法是利用活性炭为载体，使炭在处理废水过程中炭表面上生成生物膜，产生活性炭吸附和微生物氧化分解有机物的协同作用的废水生物处理过程。此法提高了对废水中有机物的去除率，增加了对毒物和负荷变化的稳定性，改善了污泥脱水及消化的性能，延长了活性炭的使用寿命，是一种以生物处理为主，同时具有物化处理特点的一项生物处理新技术。活性炭对分子量500～1000规模内的有机物具有较强的吸附能力。活性炭对有机物的吸附受其孔径散布和有机物的极性及分子量的影响。相同分子量的有机物，溶解度越大、亲水性越强，活性炭对它的吸附性越差，反之，对溶解度小，亲水性差、极性弱的有机物如苯类化合物、酚类化合物等具有较强的吸附才能。
一般常用的有粉末炭活性污泥法、固定床催化氧化、流化床吸附、膨胀床吸附氧化等不同工艺流程。这种方法可用于不同的工业废水（化工、印染、合成纤维等）和生活污水处理，效果良好。
生物活性炭法的操作方式分为静态和动态两种。
静态操作（或序批操作）是指将粉末活性炭投入生活污水中不断搅拌，靠活性炭的吸附性和活性炭表面形成的生物膜降解有机物质，当生物活性炭达到吸附
平衡时，再用沉淀或过滤的方法使炭水分离。
动态操作（或连续操作）指废水在连续流方式下进行吸附操作，一般使用粒状炭，在碳粒上接种附着具有特殊降解效果的微生物，使其生长，成为具有净化水质功能的生物膜。有固定床、流化床和移动床三种方式。目前固定床的应用最多，流化床次之，移动床应用较少。
由于生物活性炭技术突出的优越性，这一新工艺已经在国外实际应用于受污染水源净化、工业废水处理及再生等方面。由于生物活性碳技术的影响因素较多、反应过程复杂，到目前为止，在我国的工程运行条件也还不够成熟，工程案例较少。
（2）精密过滤+反渗透有机膜
反渗透法是以大于溶质渗透压的压力为推动力，用半透膜过滤，使溶液中的溶剂和溶质分离的方法。反渗透工艺一般包括预处理、膜分离和后处理。预处理是为了清除和减少原水对膜分离功能有害的各种因素，包括去除悬浮物、调节PH值和温度、去除油类和有机物等；后处理通常是根据出水的使用目的，采取中和、消毒、脱除CO2等。
反渗透膜的主要性能指标—脱盐率，而脱盐率的高低取决于反渗透膜元件表面超薄的脱盐层的致密度，脱盐层越致密脱盐率越高，同时产清水量越低，浓水的产量越高。反复浓缩后，浓盐水的处理则是反渗透膜处理技术的一个无法回避的难点。
由于反渗透膜多数为有机膜，因此适用温度仅在10-40℃之间；反渗透膜为有机结构，表面容易拉丝受损；当膜表面聚集大量有机物或盐类时，通量大幅下降，则需要使用药剂反洗，多次反洗后反渗透膜孔径会发生变化，脱盐率大大降低，直至完全消失，需更换膜件。其维护使用成本较高。常见更换期为2-5年。
反渗透膜的养护要求较高，不用时需用药剂养护清洗，属于精密设备。
工艺原理及流程见图
反渗透有机膜法需要高压设备（图中高压泵），原水为较清洁水时产纯水率只有75-80%。产出的纯水基本不含离子，常用于实验室用水、制药、食品等对
水质要求较高的行业。
（3）精密过滤+陶瓷无机超滤膜
陶瓷膜也称GT膜，是以无机陶瓷原料经特殊工艺制备而成的非对称膜，呈管状或多通道状。陶瓷膜管壁密布微孔，在压力作用下，原料液在膜管内或膜外侧流动，小分子物质(或液体)透过膜，大分子物质(或固体颗粒、液体液滴)被膜截留从而达到固液分离、浓缩和纯化之目的。无机陶瓷膜是一种具有特殊选择性分离功能的无机高分子材料，它能把流体分隔成不相通的两个部分，使其中的一种或几种物质能透过，而将其它物质分离出来。膜分离技术以其高效、节能、环保和分子级过滤等特性，已广泛地应用于医药、水处理、化工、电子、食品加工等领域，成为本世纪分离科学中最重要技术之一，被公认为21世纪最重大产业技术之一的膜技术，是一种新兴的绿色工业科技。
建立于无机材料科学基础上的无机陶瓷膜具有聚合物分离膜所无法比拟的一些优点：耐高温，可实现在线消毒；化学稳定性好，能抗微生物降解。对于有机溶剂、腐蚀气体和微生物侵蚀具有良好的稳定性。机械强度高，耐高压，有良好的耐磨、耐冲刷性能；孔径分布窄，分离性能好，渗透量大，可反复清洗再生，使用寿命长。
陶瓷超滤膜的最大特点就是孔径选择范围大，能够采用10-200nm的孔径，膜过滤能截留极为微小的有机物，它能够在常温的情况下进行分离，运行的能耗低，水的利用率高。
陶瓷超滤膜属于一种无机分离膜，目前占这个领域的80%，能够对物质进行精密过滤分离，所以受到了人们的青睐，目前随着膜技术的不断提升，精密分离膜的研制已经成为了一个独立的发展趋势。所以，陶瓷超滤膜技术在物质分离中的应用趋势仍然在不断的提升中。尤其是德国生产的无机陶瓷膜，更是在全世界
领域内生产技术占领先地位，在加拿大梅丽莎湖饮用水项目、沙特阿拉伯海水淡化等项目上取得了不菲的成绩。
上述三种不同工艺的的优缺点对比见表2.2-1：
表2.2-1不同处理工艺技术对比表
三、矿井水排放水质提标方案指标对比
提标改造技术方案应基于设备实用性、技术合理性和方案可靠性的原则，优选技术成熟、成本低廉和运行维护简单的技术或者设备，为企业量身定制矿井水提标改造技术方案。
1、矿井水处理站出水+生物活性炭（BAC）过滤（方案一）
（1）技术优势
生物活性碳工艺可以针对性的去除矿井废水中的有机质，尤其对分子量500-1000规模内的有机物具有较强的吸附能力。BAC凭借微生物集体的新陈代谢活动，对污染物进行氧化分解获取养分和能量，从而降解了水中污染物。活性炭与微生物的协同效果，进一步增加了微生物的降解功能。活性炭粒的外表成为微生物的杰出培养基，有助于微生物的附着生长；生物炭的外表粗糙不平整还具有遮挡水流剪断力的作用；好氧微生物可以进一步增加活性炭的吸附容量，延伸其使用寿命。
（2）技术缺陷：
1）活性炭为一种吸附剂，存在吸附饱和，饱和之后如不及时更换活性炭，则会出现系统短流。即吸附床表面的活性炭已饱和，丧失吸附功能，来水未经处理直接排放，不能达到相应排放标准。
2）生物活性炭主要吸附对象为原水中COD、NH3-N等物质，对微小的无机物胶体及溶解物质没有吸附作用，对较低含量的COD、NH3-N等吸附作用不明显。
3）微生物活动受到温度影响，当冬季温度低于10℃时，会引起微生物附着无力；水体中COD需要稳定，有机质不足时，可能造成微生物的脱附影响水质。
图3.1-1 生物活性炭工艺流程图
表3.1-1生物活性炭方案设备清单及报价
表3.1-2生物活性炭方案运行成本分析
2、精密过滤+反渗透膜处理（方案二）
（1）技术优势
反渗透膜净化水是长久以来人们认知中水质处理的最高境界，因为其良好的脱盐性能，出水水质优良而被广泛应用于工业水处理中。反渗透膜的孔径≤1nm，理论上可以截留所有离子而只允许水分子通过。出水水质为通常所称的去离子水，
常常应用于食品药品加工行业和实验室用水。
（2）技术缺陷
1）反渗透所需操作压力大，运行成本极高；
2）对原水要求较高，必须经过多层保安过滤器；
3）得水率比较低，只有70％左右，拦截的离子以为30％水量的浓水形式排出，需要再次浓缩和蒸发结晶。
4）有机反渗透膜需要定期更换，一般进口反渗透膜的更换周期为3年；
5) 有机反渗透膜不使用时，需要长期药剂养护。
30%浓水进入MVR蒸发结晶系统
图3.2-1 反渗透工艺流程图
图3.2-2 MVR蒸发结晶工艺流程图
（3）MVR蒸发结晶设备主要组成
1）MVR蒸发结晶器壳体材料：与盐水接触的结构为2205双相不锈钢。
与冷凝水接触的结构全部为304不锈钢，保证冷凝水水质不受污染。蒸发器：钛TA2。
2）换热器壳体材料：与盐水接触的结构为2205双相不锈钢。与冷凝水接触的结构全部为304不锈钢，保证冷凝水水质不受污染。蒸发器：钛TA2。
3）蒸汽压缩机:国产离心式变频压缩机，叶片钛合金，涡壳316L不锈钢，ABB变频器。
4）强制循环泵、离心机、母液罐、稠厚器、缓冲罐。
5）管道、泵、阀：给水、浓水的管道、手动阀均为316L不锈钢；给水泵为氟合金材料；电动阀为316L不锈钢；真空泵为自冷式水环泵，材质为316L 不锈钢。
Ⅲ系统控制：装置的温度、压力、流量、液位等采用PLC可编程序控制器自动控制调节变频调节水泵流量。中控室人机界面为计算机液晶显示器显示操作。
表3.2-1反渗透方案设备清单及报价
表3.2-2反渗透方案运行成本分析
3、精密过滤+无机陶瓷膜过滤（方案三）
（1）技术优势：
无机陶瓷膜具有聚合物分离膜所无法比拟的一些优点：耐高温，可实现在线消毒；化学稳定性好，能抗微生物降解；对无机物的拦截效果好；主体结构为无机物，反复清洗后通量不衰减；不使用时无需药剂养护，只需要清洁膜片后保持干燥即可。并且无机陶瓷膜对于有机溶剂、腐蚀气体和微生物侵蚀表现良好的稳定性。机械强度高，耐高压，有良好的耐磨、耐冲刷性能；孔径分布窄，分离性能好，渗透量大，可反复清洗再生，使用寿命长达25年。
无机陶瓷膜的最大特点就是孔径选择范围大，能够采用10-200nm孔径的膜过滤截留极为微小的有机物，它能够在常温的情况下进行分离，运用的能耗较低，水的利用率高。
（2）缺点：
无机陶瓷膜的主要缺陷是质地脆，操作不慎时容易被应力破坏，膜片破损；其次，因为无机陶瓷膜制作工艺复杂，车间内煅烧温度达1400Ⅲ，采用手工镀膜，精雕细琢，成品率不高，成本较一般有机膜昂贵。
图3.3-1 无机陶瓷膜工艺流程图
表3.3-1无机陶瓷超滤膜方案设备清单及报价
表3.3-2无机陶瓷超滤膜方案运行成本分析
综合以上三种工艺可以看出，膜处理工艺为现阶段矿井水提标改造的主流成熟工艺，能够确保出水水质稳定达到我省要求的特别排放限值（地表Ⅲ类）。反渗透膜由于其膜孔径小，脱盐率高，出水水质高于地表Ⅲ类很多，甚至高于饮用水水质，完全能够达到排放标准，但是反渗透工艺排出25-30%的浓水处理需要更昂贵的系统支撑，且运行成本过高，目前很多已经采用该工艺煤矿矿井水处理系统均处于停机状态。且有机反渗透膜需要至少3年更换一次，高昂的膜的更换费用更让很多企业增加了额外运行成本。
无机陶瓷膜为陶瓷骨架，表面为100-200纳米级别的镀膜，更符合矿井水的污染物的构成。无机陶瓷膜对煤粉煤渣类无机物拦截效果非常好，对石油类污染物及二价离子均有较好的拦截效果，对粪大肠杆菌更有将近100%的拦截率。且无机陶瓷膜为无机膜，具有耐酸碱、耐冲洗、耐高温低温等优势，在我国广泛的应用于自来水厂作为确保饮用水水质一道重要工序。陶瓷膜在清洁状态下不需要任何药剂养护，拥有更长的使用寿命和更佳的通量。
四、矿井水提标改造推荐工艺
本方案基于设备经济实用、技术合理可靠的原则，为企业量身定制矿井水提标改造技术方案。经综合评估后建议贵公司采用：精密过滤+无机陶瓷膜过滤工艺。本次方案设计采用无机陶瓷膜超滤而不建议采用RO反渗透，主要是考虑到：ⅢRO反渗透主要是用来去除原水中的离子，而不是用来去除污染物，污染物会造成RO膜的污堵和使用寿命大大缩短。
ⅢRO反渗透膜一次性投资大，运行成本高，而且会产生大量的浓水无法利用，排放也会造成水体的盐污染。
Ⅲ最主要的是根据监测数据，本项目离子除汞外均不超标，采用超滤完全可以满足处理要求。
本方案设计中考虑到矿井水中重金属汞含量超标，故选用多介质过滤器吸附处理。多介质过滤内包含活性炭、沸石、复合吸附剂等对汞有良好吸附效果的滤料，经过滤后能大幅降低矿井水中汞含量。活性炭对汞的吸附是个多元化的过程，首先是重金属离子在活性炭表面沉积而发生物理吸附；其次是重金属离子在活性炭表面发生离子交换吸附；最后是重金属离子在活性炭表面含氧官能团之间发生化学吸附。沸石具有良好的化学稳定性、多孔或层状结构、较大的比表面积和优良的吸附性能、离子交换性也对汞有良好的吸附效果。华润联盛黄家沟煤矿矿井水中也存在汞超标类似问题，我方通过在多介质过滤器内添加活性炭、沸石、复合吸附剂等滤料，矿井水经过滤后汞含量大幅降低，出水中汞含量稳定小于地表Ⅲ类限值。
采用的鲨Ⅲ处理系统集预过滤、膜过滤、消毒等工艺中的精华之大成，达到单体自动运行的整套系统，是实现水处理自动化管理的重要单元，再配套上自动加药装置及中控系统，即可成为一个具有全部功能的超滤系统。
采用的鲨Ⅲ处理系统，克服了传统有机膜易污染、膜通量低等问题，而且具有耐酸耐碱、耐高温，防火防静电等优点。它不仅适用范围广，处理效果好，出水水质优良，而且自耗水量少，动力消耗省，占地面积小，节水、节电、节人工，是近年来我国大力推广的新型节能新产品。与反渗透法相比它更有水通量高、反洗频率低、运行维护简单、无浓水污染等优势。
1、工艺流程
2、鲨Ⅲ处理系统主要组成
鲨Ⅲ处理系统集预处理、膜过滤、反洗、消毒于一体，采用自动控制，具有净水效果好、运行稳定、工艺布置紧凑合理、管理操作方便等特点。
保温：管道全部采用电伴热，室外管道外裹石棉网加铁丝保温，再加薄铁皮防止冬季雨雪渗入。
过滤：（1）前段过滤采用精密过滤器，材质采用304不锈钢，精度1微米，确保后续设备的更高效的运行；（2）经鲨Ⅲ处理系统净化后，出水悬浮物含量SS≤1mg/L，浊度≤0.2NUT（进水水质要求能够达到提标前排放标准）。
控制：结合触摸式显示屏（选配），PLC控制。
3、现场工程详情
因考虑场地和现场情况决定采用启动工程项目，结合某矿方和我方设备的运行情况决定：新建一座130m3的中间水池作为矿井水处理站的中间水池，同时也是一体化处理设备的进水池；新建一座300m3的清水池储存优质排水，可做为设备的反洗水池，同时可用于井下消防，地面绿化、浇洒、洗车、除尘，景观水等回用。
中间水池体积为130m3，清水池体积约300 m3。
电气设备及膜池需要保温，故需另外建设设备用房和药品存放间。
表4.3-1新增主要建构筑物