CN104692550B - 一种矿井水井下处理工艺与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿井水井下处理工艺与装置。工艺包括井下巷道排水到井下水仓，通过水泵进入自动过滤机和旋流分离器除杂后进入无机膜处理设备进行净化，净化过程中进行循环，循环中定期排出一级泵进水量的5‑15%到污泥浓缩池，上清液回流继续处理，同时利用压力供水罐在线清洗。装置包括自动过滤机、旋流分离器、无机膜处理设备、污泥浓缩池和压力供水罐；自动过滤机、旋流分离器连接无机膜处理设备，包括无机膜元件及容器，容器前端连接进水箱，后端连接集水箱，进水箱和集水箱连接循环设备，其同时连接污泥浓缩池和压力供水罐，压力供水罐同时连接无机膜处理设备。本发明操作简单，易于控制，安全性高，节能减排，大幅节约了电能和水资源。

Description

一种矿井水井下处理工艺与装置

技术领域

本发明属于固液分离领域，具体涉及一种利用无机膜过滤器处理矿井水的工艺与装置。

背景技术

矿井水是在煤矿开采过程中产生的废水，主要含有煤泥、泥沙和采矿过程中产生的人为废水，但人为废水量非常小，对于一个正常涌水的矿井而言几乎可以忽略不计的，矿井水含有大量煤粉、岩石粉尘等悬浮物杂质和微生物，颜色呈灰黑色。如果矿井水不经过处理直接进行排放，则水中含有大量的煤粉和泥沙会给矿区附近的环境造成严重的污染，并造成了严重的水资源浪费，随着环保形势的严峻以及中国最严厉的水资源征收政策的出台，矿井水不处理而造成的经济负担已经影响到煤炭企业正常的利润空间，矿井水处理与回用已经势在必行。

目前，按照处理工艺来分，处理矿井废水的方法主要多种，常见的有(1) 化学絮凝（和或过滤法）沉淀法，在矿井水中加入絮凝剂，静置一段时间，使悬浮的煤粉等杂质絮凝成大的团聚物，然后再沉淀下来。但这种方法不但需要使用大量的絮凝剂，而且处理效果较差，处理周期较长占地面积大，如果管理不善含会导致上清液不能达到直接排放的标准，还需进一步再处理，而且由于需要添加化学药剂，增加了二次污染；(2) 气浮法，通过向矿井水中输入一定的气体并结合絮凝剂，使悬浮的煤粉等杂质絮凝成大的团聚物聚集在气泡上面而悬浮到水面上进行去除，这种工艺占地面积小，但水质不稳定，运行费高；（3）电磁分离法，为近来新兴工艺，在絮凝沉淀的基础上，利用矿井水中污染物磁敏感性的差异，借助外来磁场将物资进行磁化处理从而达到强化分离的技术。该技术水中含有可磁化的杂质越多处理效果越好，具有效率高、设备体积小，可去除细菌病原体以及部分有机物的优点，但需要絮凝剂的加入和外界磁种的加入，导致运行费用居高不下；（4）膜技术，膜技术处理废水技术已经非常成熟，无论是有机膜还是无机膜均应用的十分成功。在矿井水处理采用最多的是无机膜，由于矿井水中含有大量的不溶性微颗粒固体物质会对有机膜产生物理性损伤，而无机膜硬度高不害怕物理性损伤。现有的膜技术处理矿井废水通过循环泵进行错流过滤，流量大、压力高，导致运行耗电量居高不下而且膜的水通量在短时间内大幅降低，导致膜的使用寿命缩短。

按照处理形式来分，矿井水处理分为地面上处理和井下处理。地面上处理是把井下产生的矿井水从几百米甚至一千多米的井下提升到地面上在进行处理，处理方法如上述；井下处理就是直接在矿井下面进行处理，不用提升到地面。煤矿开采过程中需要大量的工业用水，如果对矿井水直接在矿井下进行处理后直接回用，显然能减少大量的提升费用。正常矿井水处理直接费用由两部分构成，一部分为提升费用，另一部分为运行费用，而往往提升费用占到直接费用的90%；另一方面，如果矿井水提升到地面上处理后回用还必须输送到井下使用，这造成了极大的能源浪费。本处理工艺就是从节能减排出发让井下产生的废水在井下处理然后继续用于井下的一种处理工艺，节能减排环保，具有良好的应用和推广价值。

目前矿井水综合利用方向主要有两个，即生产用水和生活用水。井下用水对水质要求不高，主要是悬浮物和pH值的物理指标，井下生产用水主要用在综采机和井下消防喷雾降尘用水，这部分用水为井下用水大户；地面生产用水主要是洗选煤用水、工业锅炉用水和液压乳化系统用水；生活用水主要是地面生活用水，包含生活饮用水和一般生活用水，此外，把多余的矿井水回灌到地下，补充了地下水资源，降低了采煤引起的地表沉陷。

理论上，矿井水井下处理的上述工艺是均可以实现的，但是由于我国矿井的安全管理和井下地理位置决定了只有少数的处理工艺能够适应井下处理。依靠大规模的土建构筑物的处理工艺肯定是不行的，井下构筑物施工难度比地面复杂的很多；没有可靠的防爆设备是行不通的；占地面积大的设备也是行不通的，因为井下的建筑费用很高，另外矿井越深岩层受力越大建设越困难。

发明内容

为了解决上述矿井水井下处理的技术难题并克服现有无机膜在处理矿井水的技术中的不足，本发明提供一种无需添加任何化学药剂，无污染，安全性能好、控制单元简单且自动化程度高、处理效果好的利用陶无机膜来处理矿井水的工艺与装置。

本发明的技术方案为：

一种矿井水井下处理工艺，包括如下步骤：

矿井水自流进入井下水仓，经过给水泵通过自动过滤机和旋流分离器进入到无机膜处理设备进行净化；所述无机膜处理设备采用两级供水泵模式，一级泵即为给水泵，采用潜污泵或离心泵或隔膜泵，将井下水仓的水直接泵入自动过滤机，经过旋流分离器进入无机膜处理设备，浓缩出水进入循环管道，经过二级泵循环泵进行循环处理，在循环的过程中定期排出一级泵进水量的5-10%到污泥浓缩池进行污泥浓缩，上清液回流到自动过滤机继续处理；

同时，利用井下使用最多的气体作为在线反洗动力形成压力供水罐，通过压力供水罐内气体的压力作为动力对无机膜处理设备和循环设备包括循环管道和循环泵进行在线清洗，其原理为高压气体爆破，清洗后膜通量可以恢复到原来的75-90%。

一种用于上述工艺的矿井水井下处理装置，包括旋流分离器、无机膜处理设备、污泥浓缩池和压力供水罐；所述自动过滤机前端连接给水泵，后端通过旋流分离器与无机膜处理设备相连；所述无机膜处理设备包括无机膜元件及容器，所述容器内设置内支撑板和若干个平行的无机膜元件，所述内支撑板和若干个平行的无机膜元件构成膜处理中心，所述容器前端通过法兰I连接进水箱，所述进水箱设置旋流进水口，所述容器后端通过法兰II连接集水箱，所述集水箱设置循环出水口，所述容器壁设置压力表接口和净水出口；所述进水箱和集水箱还设置若干个管道连接口，连接循环设备，从而实现进水箱和集水箱的连接，所述循环设备包括循环管道和循环泵，所述循环泵设置于所述循环管道上，所述循环管道连接污泥浓缩池和压力供水罐，所述压力供水罐还同时连接无机膜处理设备。

进一步，所述的膜处理中心为1个或2个以上串联或并联而成，所述串联或并联的个数优选为1-9，一个膜处理中心及其对应的容器构成一个膜处理单元，每个膜处理单元具有独立的进水口、净水口、循环水出口、排污口以及清洗接口，可以通过调整循环量和排放量来控制净水产量；每个膜处理单元具有独立的循环系统与自动清洗系统。

进一步，所述的容器形状为圆形、方形或椭圆形。

进一步，所述法兰I或法兰II采用回转式结构。

进一步，所述的无机膜元件的孔径为1纳米至50微米。

进一步，所述的无机膜元件的密封采用O型密封与活动的锥管螺纹连接模式。

进一步，所述法兰I靠近进水箱一侧设置漩涡截流板，所述漩涡截流板为涡旋切流式结构。

本发明的装置利用井下专用的智能开关进行控制，智能开关分为1-6路，通过不同的智能开关进行有效的组合从而实现井下矿井水处理设备的自动控制，杜绝了常规的plc/dcs控制系统这些非安全的因素在井下工作，保证电气系统的安全运行，这是组合智能开关在井下水处理设备全自动化控制的先例。

本发明的有益效果在于：

（1）通过经济效益分析，本发明与现有技术相比，节约了大量的电能和水资源，是真正的节能减排造福后代的处理工艺与装置。

（2）本发明在进入自动过滤机前先进行旋流除砂，除去直径大于100微米的无机颗粒物质，从而可防止对下一步系统的堵塞。

（3）本发明的无机膜处理采用两级供水泵模式，一级泵采用潜污泵、离心泵或隔膜泵，直接泵入进行膜处理净化，浓缩出水进入循环管道，经过二级泵循环泵进行循环处理，再循环的过程中定期排出一级进水量的5-15%到污泥浓缩池进行污泥浓缩，上清液回流到自动过滤机继续处理，循环处理，净化效果好，处理效率高。

（4）本发明采用井下使用最多的气体作为在线反洗动力形成压力供水罐，通过压力供水罐内气体的压力作为动力对膜系统进行在线清洗，采用高压气体爆破的原理对膜系统进行清洗，清洗后膜通量恢复到原来的75-90%，安全省事，并且无需人工监控，节省人力。

（5）本发明的无机膜处理设备进水采用旋流进水，保证设备端部不积累杂物，并减少对膜管的冲击，减少事故发生，延长无机膜管的使用寿命。

（6）本发明采用内支撑结构，有利于保护膜的安全运行和安装的便利性。

（7）本发明的端部法兰采用回转式结构，能够减少安装与维护时间，并且准确定位，不需要起吊设施，减少事故发生。

（8）本发明单只无机膜元件的密封采用O型密封与活动的锥管螺纹连接模式，便于设备内膜管的安装与维护。

（9）本发明无机膜设备进水端板采用涡旋切流式设计，使水力负荷分布的更加均匀，并能平衡膜元件外部和中心管的压力。切流式设计保持了原有的多孔端板的特点，该端板可以保护膜元件免受因较大颗粒撞击而造成的损坏。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为本发明的含1个膜处理单元的无机膜处理设备的结构示意图。

图3为本发明的含2个串联的膜处理单元的无机膜处理设备的结构示意图。

图4为本发明的含3个并联的膜处理单元的无机膜处理设备的结构示意图。

图5为本发明的漩涡截流板的结构示意图。

具体实施方式

本发明的矿井水井下处理工艺，包括如下步骤：

矿井水自流进入井下水仓6，经过给水泵7通过自动过滤机1和旋流分离器2首先去除部分泥沙与较大颗粒物质后进入到无机膜处理设备3进行净化；所述无机膜处理设备3采用两级供水泵模式，一级泵即为给水泵7，采用潜污泵或离心泵或隔膜泵，井下水仓6的矿井水直接泵入自动过滤机1，经过旋流分离器2进入无机膜处理设备3，浓缩出水进入循环管道，经过循环泵8进行循环处理，在循环的过程中定期排出一级泵进水量的5-10%到污泥浓缩池4进行污泥浓缩，上清液回流到自动过滤机1继续处理；

同时，利用井下使用最多的气体作为在线反洗动力形成压力供水罐5，通过压力供水罐内气体的压力作为动力对无机膜处理设备3和循环设备包括循环管道和循环泵8进行在线清洗，其原理为高压气体爆破，清洗后膜通量可以恢复到原来的75-90%。

如图1、图2所示，上述的矿井水井下处理工艺所使用的装置，包括自动过滤机1、旋流分离器2、无机膜处理设备3、污泥浓缩池4和压力供水罐5；所述自动过滤机1前端连接给水泵7，后端通过旋流分离器2与无机膜处理设备3相连；所述无机膜处理设备3包括无机膜元件301及圆形、方形或椭圆形容器，所述容器内设置内支撑板302和若干个平行的无机膜元件301，所述内支撑板302和若干个平行的无机膜元件301构成膜处理中心，所述无机膜元件301的孔径为1纳米至50微米，所述无机膜元件301的密封采用O型密封与活动的锥管螺纹连接模式，所述容器前端通过回转法兰I 303连接进水箱304，所述回转法兰I 303靠近进水箱304一侧设置漩涡截流板9，所述漩涡截流板9采用涡旋切流式结构，所述进水箱304设置旋流进水口305，所述容器后端通过回转法兰II 306连接集水箱307，所述集水箱307设置循环出水口308，所述容器壁设置压力表接口309和净水出口310；所述进水箱304和集水箱307还设置若干个管道连接口，连接循环设备，从而实现进水箱和集水箱的连接，所述循环设备包括循环管道和循环泵8，所述循环泵8设置于所述循环管道上，所述循环管道连接污泥浓缩池4和压力供水罐5，所述压力供水罐5还同时连接无机膜处理设备3。

所述的膜处理中心为1个或2个以上串联或并联而成，所述串联或并联的个数优选为1-9，含2个串联的膜处理单元的无机膜处理设备的结构示意图如图3所示，含3个并联的膜处理单元的无机膜处理设备的结构示意图如图4所示。

一个膜处理中心及其对应的容器构成一个膜处理单元，每个膜处理单元具有独立的进水口、净水口、循环水出口、排污口以及清洗接口，可以通过调整循环量和排放量来控制净水产量；每个膜处理单元具有独立的循环系统与自动清洗系统。

本发明的装置利用井下专用的智能开关进行控制，智能开关分为1-6路，通过不同的智能开关进行有效的组合从而实现井下矿井水处理设备的自动控制，杜绝了常规的plc/dcs控制系统这些非安全的因素在井下工作，保证电气系统的安全运行。

矿井水井下处理的经济效益分析

煤矿矿井废水运行费用有井下废水提升费用和地面处理费用两部分组成，其中提升费用基本上站到90%以上。随着矿井采掘面延伸处理费用中提升费用占的比例越来越大，如何选择一个最佳运行高度满足井下用水要求是本技术的经济运行的关键点。

在我国，采矿工作者一般把采深等于及大于800m的矿井称为深井，深部矿井开采随着煤炭资源的减少而越来越多。随着深度增加，岩体储备了较高的能量, 巷道开挖后的卸荷作用, 使岩体中积聚的能量在较短的时间释放出来，深部围岩最大与最小主应力差有增大趋势，致使剪应力增大，加速围岩破坏，工程施工难度增加家，施工成本增高。据有关资料表明，同等条件下煤层巷道从600m开始，埋深每增加100m，巷道变形速度和变形量平均增加20%~ 30%左右，井深1km时的巷道失修率约是600~700m时的3~15倍，所以如何选取一个最佳高度运行平台，必须考虑到上述问题。

按照用水水压要求，水压不小于1.6兆帕即可，这样在井下提升高度不小于200米即可，结合上述因素和现有煤矿深度，一般选取700-800米较为合适,按照现有采掘的矿井深度按照1000米进行经济效益分析的切入点。

1）提升费用的计算

提升1m3水每提升1米约0.0075元（电价0.78元/度，效率57%），原有提升费用7.5元/m3，采用井下处理技术仅需提升到300米，提升费用2.25元/m3；

2）井下输送材料费用计算

采用地面向井下输送，采用管道等级随着井深增压，材质要求越来越高，一般采用减压处理，减压处理增加了减压阀的数量，并增加了阀门的维修量，并且 减压阀对水质要求较高，所以运行成本较高，经粗络计算，每米管道费用约750元/米，若采用井下处理井下回用，正常工作压力2.5兆帕的管道已经足够使用，每米管道费用约350米，管道费用减少近一半多。

3）矿井水处理费用

4）水资源费用（外排水收取资源费）

5）排污费（没有处理的矿井水）

现以设计产水量4500m3/d，设计工程投资2000.0万元，每年经济效益比较如下：

1）工程投资定义

整个工程的设计、施工、设备采购、安装及正常运行的全部投资

2）运行电费节约费用：(7.5-2.25)*4500*360=850.5万元/年；

3）设备基础投资费用减少量：200万元，按照十年分摊，每年20.0万元/年；

4）管道阀门每年维护费用减少量：约计100.0万元/年；

5）水资源费每年150万元/年；

6）排污费用（不计）；

节约费用合计约1120.5万元；

通过上述阐述与技术经济对比，该系统按照日出力量4500m3/d，系统投资2000万元，通过详细计算设备投资回收期约1.78年回收完毕，常规好项目投资回收期也不过是2年，并且节约了大量的电能和水资源，是一个真正的节能减排造福后代的处理工艺与装置。

Claims (9)

1.一种矿井水井下处理工艺，其特征在于包括如下步骤：

巷道排水自流进入井下水仓，经过给水泵进入自动过滤机和旋流分离器到无机膜处理设备进行净化；所述无机膜处理设备采用两级供水泵模式，一级泵即为给水泵，采用潜污泵或离心泵或隔膜泵，将井下水仓的水直接泵入自动过滤机，经过旋流分离器进入无机膜处理设备，浓缩出水进入循环管道，经过二级泵循环泵进行循环处理，在循环的过程中定期排出一级泵进水量的5-10%到污泥浓缩池进行污泥浓缩，上清液回流到自动过滤机继续处理；

同时，利用井下使用最多的气体作为在线反洗动力形成压力供水罐，通过压力供水罐内气体的压力作为动力对无机膜处理设备和循环设备包括循环管道和循环泵进行在线清洗，其原理为高压气体爆破，清洗后膜通量可以恢复到原来的75-90%。

2.一种用于如权利要求1所述工艺的矿井水井下处理装置，其特征在于包括：自动过滤机、旋流分离器、无机膜处理设备、污泥浓缩池和压力供水罐；所述自动过滤机前端连接给水泵，后端通过旋流分离器与无机膜处理设备相连；所述无机膜处理设备包括无机膜元件及容器，所述容器内设置内支撑板和若干个平行的无机膜元件，所述内支撑板和若干个平行的无机膜元件构成膜处理中心，所述容器前端通过法兰I连接进水箱，所述进水箱设置旋流进水口，所述容器后端通过法兰II连接集水箱，所述集水箱设置循环出水口，所述容器壁设置压力表接口和净水出口；所述进水箱和集水箱还设置若干个管道连接口，连接循环设备，从而实现进水箱和集水箱的连接，所述循环设备包括循环管道和循环泵，所述循环泵设置于所述循环管道上，所述循环管道连接污泥浓缩池和压力供水罐，所述压力供水罐还同时连接无机膜处理设备。

3.如权利要求2所述的矿井水井下处理装置，其特征在于：所述的膜处理中心为1个或2个以上串联或并联而成，一个膜处理中心及其对应的容器构成一个膜处理单元，每个膜处理单元具有独立的进水口、净水口、循环水出口、排污口以及清洗接口，通过调整循环量和排放量来控制净水产量；每个膜处理单元具有独立的循环系统与自动清洗系统。

4.如权利要求3所述的矿井水井下处理装置，其特征在于：所述串联或并联的个数为2-9。

5.如权利要求2或3所述的矿井水井下处理装置，其特征在于：所述的容器形状为圆形、方形或椭圆形。

6.如权利要求2或3所述的矿井水井下处理装置，其特征在于：所述法兰I或法兰II采用回转式结构。

7.如权利要求2或3所述的矿井水井下处理装置，其特征在于：所述的无机膜元件的孔径为1纳米至50微米。

8.如权利要求2或3所述的矿井水井下处理装置，其特征在于：所述的无机膜元件的密封采用O型密封与活动的锥管螺纹连接模式。

9.如权利要求2或3所述的矿井水井下处理装置，其特征在于：所述法兰I靠近进水箱一侧设置漩涡截流板，所述漩涡截流板为涡旋切流式结构。