CN112441700A - 一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法及系统，包括调节池、UASB反应器、深度处理单元、复合生态滤床单元，深度处理单元包括一体式的缺氧池、MBR反应器和曝气池，MBR反应器的污泥回流至缺氧池进行反硝化脱氮，复合生态滤床单元包括多介质过滤层和多层级填料过滤区。本发明是为了解决矿井水硫酸盐浓度及氟离子浓度超标的问题，提供一种高效率、低成本地去除矿井水中硫酸根离子及氟离子的处理方法及系统，采用UASB后连接MBR然后进入后端多层级填料过滤区的方法及系统进行矿井水和生活污水的协同处理，减少工艺步骤和反应池面积，MBR产生的微生物泥主要富集在MBR反应池填料内，减少污泥排泥量，最终出水达到地表III类水中的COD，TDS，F‑和SO4 2‑的标准。

Description

一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法及系统
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，具体涉及一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法及系统。
背景技术
我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在大力开展能源结构调整优化的情况下，2019年我国一次能源消费结构中煤炭消费量占比仍然达到57.7％，原煤生产量达到38.5亿吨。而我国煤炭资源集中于内蒙古、陕西、山西、宁夏、甘肃等西北缺水地区，煤矿开采使当地自然水源断流或地下水资源因流入采空区形成矿井水，对水资源影响严重。据统计全国煤炭开采每年损失的矿井水相当于每年工业和民用水量的60％，排水量与缺水量之间的矛盾十分突出，因此煤炭矿区矿井水的回收再利用十分重要。目前煤炭矿区矿井水主要采用混凝、沉淀、过滤、吸附、离子交换等物理化学方法进行处理，处理后的矿井水主要用于矿区生产用水(水力开采、喷淋洗煤、煤炭加工等)、生活用水及矿区绿化等，富余未利用的部分矿井水主要排入地表水系。但矿井水多为高矿化度矿井水，溶解性总固体TDS较高，简单处理后无法利用；现有常规混凝澄清过滤工艺无法达到逐步提高的排水要求，同时由于缺乏受纳水体，随意排放会造成地表水土流失、土壤盐碱化、植被枯萎死亡等问题。因此如何进一步深度处理和净化含盐矿井水以满足排放要求，已成为煤炭矿区能否合理有效处理、回用及排放矿井水最终不可回避的问题。
特定矿区经过常规混凝沉淀工艺处理后的矿井水具有硫酸盐浓度及氟离子浓度超标的特点，在进行回用或达标排放之前需要去除矿井水中多余的硫酸盐及氟离子。在硫酸盐的处理工艺选择上，利用硫酸盐还原菌(SRB)，在严格厌氧的情况下以硫酸盐为最终电子受体来分解有机物是一种高效率、低成本去除矿井水中硫酸盐的方法。这种处理方法要求污水中的COD含量高于硫酸盐含量，因此可以引入矿区生活污水进行同步处理，并通过其后的深度处理去除生活污水中的污染物，从整体上降低矿区矿井水及生活污水的处理费用。在氟离子的处理工艺选择上，目前工业上应用的含氟废水的处理方法主要有沉淀法、电化学法、吸附法、离子交换树脂法及微生物除氟法等，其中吸附法工艺简单、操作简便、吸附容量稳定，可以将废水中的氟离子浓度由10～20mg/L降低到1mg/L，适用于处理含氟量不太高的废水。
发明内容
本发明是为了解决矿井水硫酸盐浓度及氟离子浓度超标的问题，提供一种高效率、低成本地去除矿井水中硫酸根离子及氟离子的处理方法及系统，采用UASB后连接MBR然后进入后端多层级填料过滤区的方法及系统进行矿井水和生活污水的协同处理，减少工艺步骤和反应池面积，MBR产生的微生物泥主要富集在MBR反应池填料内，减少污泥排泥量，最终出水达到地表III类水中的COD，TDS，或某些离子(如F-和SO4 2-)的标准。
本发明提供系统一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法，包括如下步骤：
S1、污水调节：将混凝澄清后的矿井水加入调节池与矿区生活污水进行混合，得到COD与SO4 2-之比改善的待处理污水；
S2、除硫酸盐：将待处理污水引入UASB反应器，利用UASB反应器的硫酸盐还原菌将待处理污水的硫酸根还原为硫化氢，硫化氢以气体形式排出UASB反应器，得到除硫酸盐后的污水；
S3、深度处理：除硫酸盐后的污水从UASB反应器溢出后进入深度处理单元，利用膜分离技术和生物反应技术结合进行固液分离，得到固液分离后的污水；
S4、除氟：固液分离后的污水进入复合生态滤床，经过复合生态滤床前端的多介质过滤层吸附并脱除氟离子后进入复合生态滤床后端的多层级填料过滤区去除杂质，得到可回用的淡水。
本发明所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法，作为优选方式，步骤S1中，待处理污水的COD与SO4 2-之比为1.5-2.0。
本发明所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法，作为优选方式，步骤S2中，UASB反应器的水力停留时间为4-12小时，UASB反应器温度为30-35℃，UASB反应器pH为6.5-8.0；步骤S4中，多介质过滤层的水力停留时间为半小时，多层级填料过滤区的水力停留时间为6小时。
本发明提供一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，包括依次连接的用于改善矿井水COD与SO4 2-之比的调节池、用于去除硫酸盐的UASB反应器、用于固液分离的深度处理单元、用于除氟的复合生态滤床单元；
深度处理单元包括依次连接的缺氧池、MBR反应器和曝气池，MBR反应器的污泥回流至缺氧池进行反硝化脱氮；
复合生态滤床单元包括多介质过滤层和多层级填料过滤区。
本发明所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，作为优选方式，调节池与矿区生活污水排水管相连，调节池中设置潜水搅拌机。
本发明所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，作为优选方式，UASB反应器包括布水器、三相分离器、集气室和集水堰，UASB反应器设置周边加热装置及控制系统。
本发明所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，作为优选方式，缺氧池、MBR反应器和曝气池为一体式。
本发明所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，作为优选方式，曝气池使用浸没式平板膜。
本发明所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，作为优选方式，平板膜材质为PVDF。
本发明所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，作为优选方式，多介质过滤层由无烟煤、石英砂、活性炭、活性氧化铝组成；多层级填料过滤区包括从下至上的煤矸石层、砾石层、煤渣层、河沙层和粉煤灰层。
本发明具有以下优点：
(1)同步处理矿区生活污水，节约了矿区生活污水处理设施建设成本及运行费用。
(2)采用微生物法作为脱硫工艺，打破常规处理工艺的局限性，具有处理效率高、适用性强、无二次污染及处理费用低等优点。
(3)采用MBR技术进行污水深度处理，与传统活性污泥法相比具有占地面积小、出水水质优良、容积负荷高等优点。
(4)在去除氟离子之前对矿井水中的硫酸根离子进行脱除，提高了复合生态滤床中吸附剂的使用效率及寿命。
附图说明
图1为一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法的流程图；
图2为一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统实施例3-6结构图。
附图标记：
1、调节池；2、UASB反应器；3、深度处理单元；31、缺氧池；32、MBR反应器；33、曝气池；4、复合生态滤床；41、多介质过滤层；42、多层级填料过滤区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法，包括如下步骤：
S1、污水调节：将混凝澄清后的矿井水加入调节池1与矿区生活污水进行混合，得到COD与SO4 2-之比改善的待处理污水；
S2、除硫酸盐：将待处理污水引入UASB反应器2，利用UASB反应器2的硫酸盐还原菌将待处理污水的硫酸根还原为硫化氢，硫化氢以气体形式排出UASB反应器2，得到除硫酸盐后的污水；
S3、深度处理：除硫酸盐后的污水从UASB反应器2溢出后进入深度处理单元3，利用膜分离技术和生物反应技术结合进行固液分离，得到固液分离后的污水；
S4、除氟：固液分离后的污水进入复合生态滤床4，经过复合生态滤床4前端的多介质过滤层41吸附并脱除氟离子后进入复合生态滤床4后端的多层级填料过滤区42去除杂质，得到可回用的淡水。
实施例2
如图1所示，一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法，包括如下步骤：
S1、污水调节：将混凝澄清后的矿井水加入调节池1与矿区生活污水进行混合，得到COD与SO4 2-之比改善的待处理污水；待处理污水的COD与SO4 2-之比为1.5-2.0；
S2、除硫酸盐：将待处理污水引入UASB反应器2，利用UASB反应器2的硫酸盐还原菌将待处理污水的硫酸根还原为硫化氢，硫化氢以气体形式排出UASB反应器2，得到除硫酸盐后的污水；UASB反应器2的水力停留时间为4-12小时，UASB反应器2温度为30-35℃，UASB反应器2pH为6.5-8.0；
S3、深度处理：除硫酸盐后的污水从UASB反应器2溢出后进入深度处理单元3，利用膜分离技术和生物反应技术结合进行固液分离，得到固液分离后的污水；
S4、除氟：固液分离后的污水进入复合生态滤床4，经过复合生态滤床4前端的多介质过滤层41吸附并脱除氟离子后进入复合生态滤床4后端的多层级填料过滤区42去除杂质，多介质过滤层41的水力停留时间为半小时，多层级填料过滤区42的水力停留时间为6小时，之后得到可回用的淡水。
实施例3
如图2所示，一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，包括依次连接的用于改善矿井水COD与SO4 2-之比的调节池1、用于去除硫酸盐的UASB反应器2、用于固液分离的深度处理单元3、用于除氟的复合生态滤床单元4；
深度处理单元3包括依次连接的缺氧池31、MBR反应器32和曝气池33，MBR反应器32的污泥回流至缺氧池31进行反硝化脱氮；
复合生态滤床单元4包括多介质过滤层41和多层级填料过滤区42。
实施例4
如图2所示，一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，包括依次连接的用于改善矿井水COD与SO4 2-之比的调节池1、用于去除硫酸盐的UASB反应器2、用于固液分离的深度处理单元3、用于除氟的复合生态滤床单元4；
调节池1与矿区生活污水排水管相连，调节池1中设置潜水搅拌机；
UASB反应器2设置周边加热装置及控制系统；
深度处理单元3包括依次连接的缺氧池31、MBR反应器32和曝气池33，MBR反应器32的污泥回流至缺氧池31进行反硝化脱氮；缺氧池31、MBR反应器32和曝气池33为一体式。曝气池33使用浸没式平板膜，平板膜材质为PVDF；
复合生态滤床单元4包括多介质过滤层41和多层级填料过滤区42，多介质过滤层41由无烟煤、石英砂、活性炭、活性氧化铝组成；多层级填料过滤区42包括从下至上的煤矸石层、砾石层、煤渣层、河沙层和粉煤灰层。
实施例5
如图2所示，一种硫酸盐及氟离子矿井水的处理系统，沿污水流经方向包括：调节池1，UASB反应器2，深度处理单元3，复合生态滤床4。常规混凝澄清处理后的矿井水进入调节池，同时在调节池1内引入生活污水，利用搅拌装置完成污水均质化。调节后的污水COD/SO4 2-比升至1.7左右，SO4 2-浓度约为570mg/L，COD浓度约为971mg/L,pH为7.0～7.5。
调节池1的出水通过离心泵进入UASB反应器2，其内设有布水器、三相分离器、集气室及集水堰。废水以0.5～1.0m/h的上升流速自反应器的底部依次流经污泥床，悬浮污泥床至三相分离器和沉淀区；三相分离器的沉淀器斜壁角度在45O～60O之间，使污泥不致积聚，尽快落入反应区内。污水在UASB反应器2内的停留时间为6h。
UASB反应器2的出水溢流进入深度处理单元3，深度处理单元3为一体式MBR反应池，前端设置缺氧池31，后端为曝气池33，曝气池33内设置PVDF材质的浸没式平板膜，保证出水水质。曝气池33内的混合液部分回流至缺氧池31实现反硝化脱氮，剩余污泥定期排出。
深度处理单元3的出水进入复合生态滤床单元4。复合生态滤床单元4包括多介质过滤层41及多层级填料过滤区42，其中多介质过滤层41由无烟煤、石英砂、活性炭、活性氧化铝组成，多层级填料过滤区42选取煤矸石、砾石、煤渣、河沙、粉煤灰从下至上构建。污水在多介质过滤层41的停留时间为0.5小时，在多层级填料过滤区42的停留时间为6小时。
整体系统处理后硫酸盐去除率达到85％～95％，COD(CODCr)浓度降至20mg/L以下，F-浓度降至1mg/L以下。
实施例6
如图2所示，一种含硫酸盐及氟离子矿井水的处理系统，沿污水流经方向包括：调节池1，UASB反应器2，MBR反应器3，复合生态滤床4。常规混凝澄清处理后的矿井水进入调节池，同时在调节池1内引入生活污水，利用搅拌装置完成污水均质化。调节后的污水COD/SO4 2-比升至1.5左右，SO4 2-浓度约为360mg/L，COD浓度约为540mg/L,pH为6.5～7.0。
调节池1的出水通过离心泵进入UASB反应器2，其内设有布水器、三相分离器、集气室及集水堰。废水以0.5～1.0m/h的上升流速自反应器的底部依次流经污泥床，悬浮污泥床至三相分离器和沉淀区；三相分离器的沉淀器斜壁角度在45O～60O之间，使污泥不致积聚，尽快落入反应区内。污水在UASB反应器2内的停留时间为6h。
UASB反应器2的出水溢流进入深度处理单元3，深度处理单元3为一体式MBR反应池，前端设置缺氧池31，后端为曝气池33，曝气池33内设置PVDF材质的浸没式平板膜，保证出水水质。曝气池33内的混合液部分回流至缺氧池31实现反硝化脱氮，剩余污泥定期排出。
深度处理单元3的出水进入复合生态滤床单元4。复合生态滤床单元4包括多介质过滤层41及多层级填料过滤区42，其中多介质过滤层41由无烟煤、石英砂、活性炭、活性氧化铝组成，多层级填料过滤区42选取煤矸石、砾石、煤渣、河沙、粉煤灰从下至上构建。污水在多介质过滤层41的停留时间为0.5小时，在多层级填料过滤区42的停留时间为6小时。
整体系统处理后硫酸盐去除率达到80％～90％，COD(CODCr)浓度降至20mg/L以下，F-浓度降至1mg/L以下。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、污水调节：将混凝澄清后的矿井水加入调节池(1)与矿区生活污水进行混合，得到COD与SO4 2-之比改善的待处理污水；
S2、除硫酸盐：将所述待处理污水引入UASB反应器(2)，利用所述UASB反应器(2)的硫酸盐还原菌将所述待处理污水的硫酸根还原为硫化氢，所述硫化氢以气体形式排出所述UASB反应器(2)，得到除硫酸盐后的污水；
S3、深度处理：所述除硫酸盐后的污水从所述UASB反应器(2)溢出后进入深度处理单元(3)，利用膜分离技术和生物反应技术结合进行固液分离，得到固液分离后的污水；
S4、除氟：所述固液分离后的污水进入复合生态滤床(4)，经过所述复合生态滤床(4)前端的多介质过滤层(41)吸附并脱除氟离子后进入所述复合生态滤床(4)后端的多层级填料过滤区(42)去除杂质，得到可回用的淡水。
2.根据权利要求1所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法，其特征在于：步骤S1中，所述待处理污水的COD与SO4 2-之比为1.5-2.0。
3.根据权利要求1所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的方法，其特征在于：步骤S2中，所述UASB反应器(2)的水力停留时间为4-12小时，所述UASB反应器(2)温度为30-35℃，所述UASB反应器(2)pH为6.5-8.0；步骤S4中，所述多介质过滤层(41)的水力停留时间为半小时，所述多层级填料过滤区(42)的水力停留时间为6小时。
4.一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，其特征在于：包括依次连接的用于改善矿井水COD与SO4 2-之比的调节池(1)、用于去除硫酸盐的UASB反应器(2)、用于固液分离的深度处理单元(3)、用于除氟的复合生态滤床单元(4)；
所述深度处理单元(3)包括依次连接的缺氧池(31)、MBR反应器(32)和曝气池(33)，所述MBR反应器(32)的污泥回流至所述缺氧池(31)进行反硝化脱氮；
所述复合生态滤床单元(4)包括多介质过滤层(41)和多层级填料过滤区(42)。
5.根据权利要求4所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，其特征在于：所述调节池(1)与矿区生活污水排水管相连，所述调节池(1)中设置潜水搅拌机。
6.根据权利要求4所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，其特征在于：所述UASB反应器(2)包括布水器、三相分离器、集气室和集水堰，所述UASB反应器(2)设置周边加热装置及控制系统。
7.根据权利要求4所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，其特征在于：所述缺氧池(31)、所述MBR反应器(32)和所述曝气池(33)为一体式。
8.根据权利要求7所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，其特征在于：所述曝气池(33)使用浸没式平板膜。
9.根据权利要求8所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，其特征在于：所述平板膜材质为PVDF。
10.根据权利要求4所述的一种处理含硫酸盐及氟离子矿井水的系统，其特征在于：所述多介质过滤层(41)由无烟煤、石英砂、活性炭、活性氧化铝组成；所述多层级填料过滤区(42)包括从下至上的煤矸石层、砾石层、煤渣层、河沙层和粉煤灰层。
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