CN112744957A - 一种矿井水井下与地面协同预处理系统及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿井水井下与地面协同预处理系统及工艺，实现对矿井水井下和地面的协同预处理操作。一种矿井水井下与地面协同预处理系统，包括：在井下监测矿井水进水pH值和流量的监测单元；在井下调节矿井水pH值至7.5以上的多级中和单元；在井下曝气氧化、静置初步沉淀除铁，将矿井水提升至地面并进行药剂投加氧化沉淀除铁的除铁单元；用于接收监测单元得到的pH值和流量数据从而控制多级中和单元进行pH值调节、监测除铁单元的含铁量并控制除铁单元的曝气氧化和药剂投加、监测出水pH值和含铁量的自动控制单元；监测单元、多级中和单元和除铁单元依次连接。本发明占用空间尺寸小、处理效果好、控制简单、自动化程度高、投入成本低。

Description

一种矿井水井下与地面协同预处理系统及工艺

技术领域

本发明涉及一种水处理系统，特别涉及一种矿井水井下与地面协同预处理系统及工艺，属于水处理技术领域。

背景技术

煤炭在我国能源消费中一直是主要的供给者，远远高于其它能源。依据有关资料，我国的煤炭分布主要以中、高硫煤为主，品质较好的低硫煤含量较少。一些中、高硫煤在开采的过程中，煤炭中的硫化亚铁会与空气、水及微生物发生一系列物化和生化反应产生硫酸和亚铁离子，矿井水将含有大量的铁，其pH将处于酸性范围，常规的酸性矿井水pH大多处于3~6之间，部分特殊矿井水的pH则会小于3。酸性矿井水的直接外排会造成大量水资源的浪费，并严重危害周边水体的生态。

针对酸性的矿井水，传统的处理方法是利用物理或者化学地方法将水中污染物去除包括中和法、硫化物沉淀法、硫酸盐还原菌反应器等。目前国内使用较多的是在地面采用中和沉淀法进行处理。然而，采用地面处理需要建设大规模的处理设施，还需铺设大量的专用管线和泵组设备将矿井水运送至地面，并且依然存在管线和泵组腐蚀的现象，投资巨大，尤其针对pH小于3的酸性矿井水，以上的设备腐蚀问题更为突出。

为了有效经济地处理高酸性、高铁含量的矿井水，需要减少酸性矿井水对设备腐蚀的几率和风险，然而井下空间有限，无法像地面一样去建设大规模处理设备，并且许多仪器设备没有井下防爆认证，缺乏可移动式井下预处理系统。因此，目前需要开发一种井下与地面协同进行预处理的矿井水处理系统及工艺，以减少酸性矿井水对设备腐蚀的威胁以及整体处理的经济费用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿井水井下与地面协同预处理系统，实现对矿井水井下和地面的协同预处理操作，可以精确调节矿井水的pH值，同时去除矿井水中大部分的铁，降低地面设备管路酸腐蚀的风险，减少矿井水地面处理单元的负荷。

本发明的另一目的在于提供一种矿井水井下与地面协同预处理工艺。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种矿井水井下与地面协同预处理系统，包括：

在井下监测矿井水进水pH值和流量的监测单元；

在井下调节矿井水pH值至7.5以上的多级中和单元；

在井下曝气氧化、静置初步沉淀除铁，将矿井水提升至地面并进行药剂投加氧化沉淀除铁的除铁单元；

以及，用于接收监测单元得到的pH值和流量数据从而控制多级中和单元进行pH值调节、监测除铁单元的含铁量并控制除铁单元的曝气氧化和药剂投加、监测出水pH值和含铁量的自动控制单元；

所述监测单元、多级中和单元和除铁单元依次连接。

通过采用上述技术方案，使矿井水首先流经监测单元，监测单元对进水水量和pH值进行检测并将数据反馈于自动控制单元，矿井水然后流入多级中和单元，通过多级中和单元依次添加碱液精确调节矿井水的pH值达到7.5以上，矿井水之后进入除铁单元，经过井下初步除铁后使铁含量降至10mg/L，再经过地面除铁后使铁含量降至0.3mg/L以下，经过除铁单元后的污泥进行脱水，最终产生含水率小于60%的泥饼和清水。

作为优选，所述监测单元包括计量明渠、流量计和第一pH值检测装置，计量明渠设有用于矿井水进水的进水口和用于连接多级中和单元的出水口，流量计和第一pH值检测装置设于计量明渠内，流量计和第一pH值检测装置均与自动控制单元电连接。

作为优选，所述多级中和单元包括中和反应池、搅拌装置和加碱装置，中和反应池内设有多个隔水堰，隔水堰将中和反应池的内部沿矿井水处理流动方向依次划分为进水区、混合区和溢流区，搅拌装置设于混合区上部， 加碱装置包括配碱罐和加碱计量泵，加碱装置设于中和反应池上方，搅拌装置和加碱装置均与自动控制单元电连接。

作为优选，所述中和反应池为多个并联的可移动式反应池或多个串联的可移动式反应池。

作为优选，所述搅拌装置包括中和搅拌器、加碱管道和加碱投放口，加碱管道设于中和搅拌器上端，中和搅拌器下部设有叶轮，加碱投放口设于叶轮上，加碱投放口通过加碱管道与加碱装置连接。

作为优选，所述溢流区设有第二pH值检测装置，第二pH值检测装置与自动控制单元电连接。

作为优选，所述除铁单元包括井下初步除铁装置和地面除铁装置，所述井下初步除铁装置包括曝气氧化池、曝气装置和用于矿井水静置沉淀的井下水仓，曝气氧化池底部设有曝气管路，曝气管路与曝气装置相连，曝气氧化池通过井下水仓连接地面除铁装置，所述地面除铁装置包括药剂投加装置、氧化沉淀池和滤池，药剂投加装置设于氧化沉淀池上方，药剂投加装置与自动控制单元电连接。

作为优选，所述曝气装置设有曝气控制阀门，曝气控制阀门与自动控制单元电连接；所述药剂投加装置包括配药罐和加药计量泵，加药计量泵与自动控制单元电连接。

作为优选，所述氧化沉淀池为辐流式沉淀池、竖流式沉淀池或平流式沉淀池，所述药剂投加装置内设有高锰酸钾药剂或双氧水药剂，所述滤池为快滤池、慢滤池或生物滤池。

一种矿井水井下与地面协同预处理工艺，该工艺包括如下步骤：

（1）在井下，监测矿井水进水pH值和流量，反馈至自动控制单元；

（2）在井下，由自动控制单元控制碱液的投加量，通过至少三级的逐级投加碱液来调节矿井水的pH值，其中，

第一级将矿井水pH值调节至5.0±0.2（进水pH值提高0.5-1.5），

第二级将矿井水pH值调节至6.0±0.2，

第三级及以上将矿井水pH值调节至7.5以上，根据进水流量选择是否增加第四级和第五级；

（3）pH值调节至7.5以上的矿井水在井下由自动控制单元控制曝气氧化，静置初步沉淀除铁，使含铁量≤10mg/L，

然后，将矿井水提升至地面并由自动控制单元控制药剂投加进行氧化沉淀除铁，使含铁量<0.3mg/L，

最后，过滤出水，并监测出水pH值和含铁量。对沉淀除铁得到的污泥进行脱水，产生含水率小于60%的泥饼。

由于矿井水的出水pH值有上下浮动，因此，通过逐级投加碱液来精确控制矿井水的pH值，并减少药剂消耗。井下调节pH值是为了减少酸性矿井水对后面管道和设备的腐蚀；在井下曝气氧化、静置初步沉淀除铁，可减少地面矿井水的处理量。

本发明的有益效果是：

本发明的一种矿井水井下与地面协同预处理系统，对水质不稳定的矿井水实现了自动调节加碱的在线流水作业，精确稳定地调节矿井水pH值，并去除矿井水中大部分的铁，使出水总铁量<0.3mg/L，降低地面设备管路的酸腐蚀风险，减少矿井水地面处理单元的负荷，具有占用空间尺寸小、处理效果好、控制简单、自动化程度高、投入成本低等特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明中和反应池的俯视图；

图3是图2中A-A剖面示意图；

图4是图2中B-B剖面示意图。

图中：1、监测单元，2、多级中和单元，3、除铁单元，4、自动控制单元，11、计量明渠，12、流量计，13、第一pH值检测装置，14、进水口，15、出水口，21、中和反应池，22、加碱装置，23、搅拌装置，31、曝气氧化池，32、曝气装置，33、曝气控制阀门，34、井下水仓，35、提升泵，36、氧化沉淀池，37、药剂投加装置，38、滤池，201、进水区，202、混合区，203、溢流区，210、反应池进水口，211、隔水堰，212、反应池出水口，213、第二pH值检测装置，221、配碱罐，222、加碱计量泵，230、搅拌支架，231、中和搅拌器，232、加碱管道，233、加碱投放口，234、叶轮。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。

在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。下述实施例中的部件或设备如无特别说明，均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。

实施例：

如图1所示的一种矿井水井下与地面协同预处理系统，包括监测单元1、多级中和单元2、除铁单元3和自动控制单元4。

监测单元1用于在井下监测矿井水进水pH值和流量，多级中和单元2用于在井下调节矿井水pH值至7.5以上，除铁单元3用于在井下曝气氧化、静置初步沉淀除铁，将矿井水提升至地面并进行药剂投加氧化沉淀除铁，自动控制单元4用于接收监测单元得到的pH值和流量数据从而控制多级中和单元进行pH值调节、监测除铁单元的含铁量并控制除铁单元的曝气氧化和药剂投加、监测出水pH值和含铁量。监测单元1、多级中和单元2和除铁单元3通过管道依次连接，根据实际应用场景，也可选择堰槽连接上述各单元。

通过采用上述技术方案，使矿井水首先流经监测单元1，监测单元1对进水水量和pH值进行检测并将数据反馈于自动控制单元4，矿井水然后流入多级中和单元2，通过多级中和单元2依次添加碱液精确调节矿井水的pH值达到7.5以上，矿井水之后进入除铁单元3，经过井下初步除铁后使铁含量降至10mg/L，再经过地面除铁后使铁含量降至0.3mg/L以下，经过除铁单元3后的污泥进行脱水，最终产生含水率小于60%的泥饼和清水。

监测单元包括计量明渠11、流量计12和第一pH值检测装置13，计量明渠设有用于矿井水进水的进水口14和用于连接多级中和单元的出水口15，流量计12和第一pH值检测装置13设于计量明渠内，流量计12和第一pH值检测装置13均与自动控制单元4电连接，通过第一pH值检测装置13检测进入计量明渠11的矿井水进水流量和pH值，并将上述数值反馈于自动控制单元4以便于对后续单元进行调控。计量明渠11的液位范围为0.03~0.75m，流量计12和第一pH值检测装置13均采用本安型防爆设备。

多级中和单元由中和反应池21、加碱装置22和搅拌装置23组成。

中和反应池21为三个串联的可移动式反应池，分为第一级中和反应池、第二级中和反应池和第三级中和反应池。需要说明的是，根据应用场景的需要，也可以选择为多个并联的可移动式反应池，串联和并联反应池的数量也可以根据需要而进行改变，如根据进水量的选择增加第四级中和反应池和第五级中和反应池。下述为单个中和反应池的结构说明，需要注意的是，多个中和反应池仅是数量的变化，其结构是相同的。

如图2-4所示，每个中和反应池采用钢筋混凝土结构，反应池进水口210位于池体左侧上方，利用两处隔水堰211将池体隔成进水区201、混合区202和溢流区203。

加碱装置设有配碱罐221和加碱计量泵222，加碱计量泵222与自动控制单元4电连接。配碱罐221配置的碱液浓度范围为30%，直接采用液碱配置。

搅拌装置包括中和搅拌器231、加碱管道232和加碱投放口233，加碱管道设于中和搅拌器上端，中和搅拌器下部设有叶轮234，加碱投放口设于叶轮末端，加碱投放口通过加碱管道与加碱装置连接，混合区202上部通过搅拌支架230固定中和搅拌器231，中和搅拌器231与自动控制单元电连接。通过搅拌加碱，保证中和反应池内的矿井水与碱性物质充分混合。

为了更好的监控中和反应池内的pH值调节结果和根据调节结果调整加碱量，在溢流区203的右侧上方反应池出水口212处设置第二pH值检测装置213，第二pH值检测装置213与自动控制单元4电连接。

除铁单元3由井下初步除铁装置和地面除铁装置组成。井下除铁装置包含曝气氧化池31、曝气装置32、井下水仓34，曝气氧化池31底部设有曝气管路，曝气管路与曝气装置32相连，曝气装置32设有多个曝气控制阀门33，曝气控制阀门33与自动控制单元4电连接，自动控制单元4通过曝气控制阀门3对曝气氧化池内的曝气氧化过程进行控制。需要指出的是，曝气装置32可直接利用原井下压风系统供气，曝气管路连接穿孔曝气管直接布气，当然，也可以采用其它形式的曝气源和曝气方式。

井下水仓34用于矿井水的静置沉淀，井下水仓34设有水仓清理机，井下水仓34出水由提升泵35提至地面除铁装置。

地面除铁装置包含药剂投加装置37、氧化沉淀池36和滤池38，药剂投加装置37包括配药罐和加药计量泵，加药计量泵与自动控制单元4电连接，自动控制单元4通过加药计量泵对药剂投加进行控制，氧化沉淀池36底部设有排泥管，滤池38内设有多种滤料。

氧化沉淀池36可以是辐流式沉淀池、竖流式沉淀池或平流式沉淀池，本实施例中选用辐流式沉淀池，药剂投加装置37内设有高锰酸钾药剂或双氧水药剂，也可以设置其它能够氧化沉淀铁的药剂，滤池38为多介质快滤池，当然也可以选用慢滤池或生物滤池，本实施例中的多介质快滤池的介质选用石英砂滤料、锰砂滤料和纤维球。滤池内设置与自动控制单元电连接的监测装置，用于向自动控制单元发送出水pH值和含铁量数据。

为了井下作业的安全，前述提及的处于井下的曝气控制阀门或其它控制阀门，均采用矿用隔爆型电动阀门QMB9。

一种应用于矿井水井下与地面协同预处理系统的处理工艺，其具体步骤如下：

1、矿井水首先通过进水口14进入监测单元的计量明渠11，利用计量明渠11中的流量计12和第一pH值检测装置13对来水水量和pH值进行检测，并反馈到自动控制单元4；

2、接着，矿井水依次进入多级中和单元2中串联的三个中和反应池21，通过自动控制单元4分析前段反馈的pH值和水量数据，控制配碱罐221和加碱计量泵222对矿井水进行多次调节，并通过反应池出口处的第二pH检测装置进行检测和反馈于自动控制单元4，一级将pH提高0.5-1.5，达到5.0，二级将pH提高到6.0，三级之后将pH值提高到7.5以上；

3、然后，矿井水依次进入除铁单元3中的井下初步除铁装置和地面除铁装置，通过井下初步除铁装置中的曝气氧化池31将矿井水中的亚铁离子氧化为铁离子，并在井下水仓34中进行沉淀去除，使得矿井水含铁量降至10mg/L以下，利用提升泵35将矿井水提至地面的氧化沉淀池36，通过加药氧化沉淀进一步降低矿井水中的铁含量，最后矿井水经过滤池38处理后出水，出水铁含量小于0.3mg/L。

对某煤矿的矿井水采用本实施例的系统及工艺进行15天的运行，相对应的水质检测数据如表1所示。

表1主要水质检测数据

序号	检验项目	单位	实测进水值	实测出水值	考核指标
						1	pH值	——	2.65~4.11	7.10~7.55	6~9
2	铁	mg/L	208.3~410.2	<0.3	<0.3

本实施例提供的煤矿井下预处理方法，适用于煤矿井下巷道断面尺寸，具有占用空间尺寸小、处理效果好、控制简单、自动化程度高、投入成本低等特点。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种矿井水井下与地面协同预处理系统，其特征在于：该矿井水井下与地面协同预处理系统包括：

在井下监测矿井水进水pH值和流量的监测单元；

在井下调节矿井水pH值至7.5以上的多级中和单元；

在井下曝气氧化、静置初步沉淀除铁，将矿井水提升至地面并进行药剂投加氧化沉淀除铁的除铁单元；

以及，用于接收监测单元得到的pH值和流量数据从而控制多级中和单元进行pH值调节、监测除铁单元的含铁量并控制除铁单元的曝气氧化和药剂投加、监测出水pH值和含铁量的自动控制单元；

所述监测单元、多级中和单元和除铁单元依次连接。

2.根据权利要求1所述的一种矿井水井下与地面协同预处理系统，其特征在于：所述监测单元包括计量明渠、流量计和第一pH值检测装置，计量明渠设有用于矿井水进水的进水口和用于连接多级中和单元的出水口，流量计和第一pH值检测装置设于计量明渠内，流量计和第一pH值检测装置均与自动控制单元电连接。

3.根据权利要求1所述的一种矿井水井下与地面协同预处理系统，其特征在于：所述多级中和单元包括中和反应池、搅拌装置和加碱装置，中和反应池内设有多个隔水堰，隔水堰将中和反应池的内部沿矿井水处理流动方向依次划分为进水区、混合区和溢流区，搅拌装置设于混合区上部，加碱装置包括配碱罐和加碱计量泵，加碱装置设于中和反应池上方，搅拌装置和加碱装置均与自动控制单元电连接。

4.根据权利要求3所述的一种矿井水井下与地面协同预处理系统，其特征在于：所述中和反应池为多个并联的可移动式反应池或多个串联的可移动式反应池。

5.根据权利要求3或4所述的一种矿井水井下与地面协同预处理系统，其特征在于：所述搅拌装置包括中和搅拌器、加碱管道和加碱投放口，加碱管道设于中和搅拌器上端，中和搅拌器下部设有叶轮，加碱投放口设于叶轮上，加碱投放口通过加碱管道与加碱装置连接。

6.根据权利要求3或4所述的一种矿井水井下与地面协同预处理系统，其特征在于：所述溢流区设有第二pH检测装置，第二pH检测装置与自动控制单元电连接。

7.根据权利要求1所述的一种矿井水井下与地面协同预处理系统，其特征在于：所述除铁单元包括井下初步除铁装置和地面除铁装置，所述井下初步除铁装置包括曝气氧化池、曝气装置和用于矿井水静置沉淀的井下水仓，曝气氧化池底部设有曝气管路，曝气管路与曝气装置相连，曝气氧化池通过井下水仓连接地面除铁装置，所述地面除铁装置包括药剂投加装置、氧化沉淀池和滤池，药剂投加装置设于氧化沉淀池上方，药剂投加装置与自动控制单元电连接。

8.根据权利要求7所述的一种矿井水井下与地面协同预处理系统，其特征在于：所述曝气装置设有曝气控制阀门，曝气控制阀门与自动控制单元电连接；所述药剂投加装置包括配药罐和加药计量泵，加药计量泵与自动控制单元电连接。

9.根据权利要求7或8所述的一种矿井水井下与地面协同预处理系统，其特征在于：所述氧化沉淀池为辐流式沉淀池、竖流式沉淀池或平流式沉淀池，所述药剂投加装置内设有高锰酸钾药剂或双氧水药剂，所述滤池为快滤池、慢滤池或生物滤池。

10.一种矿井水井下与地面协同预处理工艺，其特征在于该工艺包括如下步骤：

（1）在井下，监测矿井水进水pH值和流量，反馈至自动控制单元；

（2）在井下，由自动控制单元控制碱液的投加量，通过至少三级的逐级投加碱液来调节矿井水的pH值，其中，

第一级将矿井水pH值调节至5.0±0.2（进水pH值提高0.5-1.5），

第二级将矿井水pH值调节至6.0±0.2，

第三级及以上将矿井水pH值调节至7.5以上，根据进水流量选择是否增加第四级和第五级；

（3）pH值调节至7.5以上的矿井水在井下由自动控制单元控制曝气氧化，静置初步沉淀除铁，使含铁量≤10mg/L，

然后，将矿井水提升至地面并由自动控制单元控制药剂投加进行氧化沉淀除铁，使含铁量<0.3mg/L，

最后，过滤出水，并监测出水pH值和含铁量。

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