CN107840547A - 一种矿井水深度处理与资源化利用方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种矿井水深度处理与资源化利用的方法及装置，包括超滤***、反渗透***、除重金属装置、潜流湿地、表流湿地和景观湖，其特征在于超滤***连接反渗透***，超滤***和反渗透***与除重金属装置相连，反渗透***的产水进入潜流湿地，潜流湿地连接表流湿地，表流湿地连接景观湖。本发明通过“超滤—反渗透—潜流湿地—表流湿地—景观湖”为主体的深度处理工艺，解决了矿井水的出路问题；兼顾净化水质与生态修复双重功能，能够改善土壤和水环境质量，美化矿区环境；同时有效去除了矿井水中Hg、Pb、Cd、Ni、Sn重金属离子，防止在回用过程中造成对地下水和人体的危害。
Description
技术领域
本发明涉及废水深度处理与资源化利用方法，具体涉及一种矿井水深度处理与资源化利用方法及装置。
背景技术
矿井水是煤矿生产过程中流入或渗入井筒、井下巷道和工作面的大气降水、地表水、地下水和老窑积水的总称。矿井水为煤矿主要废水，传统的处理与资源化利用方法是经混凝、沉淀、过滤、消毒等处理工艺，处理后的矿井水回用于井下注浆、防尘或用于地面洗煤厂、厂区除尘、设备冷却、绿化灌溉等。
由于矿井水产生量大，有些煤矿自身无法消耗掉处理后的矿井水，特别是对于远离工业园区的煤矿，矿井水的利用途径成为亟待解决的难题。有些煤矿企业将处理后尚未达到地表水环境质量标准的矿井水排入周边河流、湖泊甚至水库，对水环境造成了严重的污染。
发明内容
本发明的目的在于针对矿井水产生量大、难以全部综合利用的难题，提出一种矿井水深度处理与资源化利用方法及装置，主要通过“超滤—反渗透—潜流湿地—表流湿地—景观湖”为主体的深度处理工艺，将多余矿井水转化为景观用水，在美化矿区环境的同时，有效解决了矿井水的出路问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种矿井水深度处理与资源化利用的方法及装置，其中一种矿井水深度处理与资源化利用的装置，包括超滤***1、反渗透***2、除重金属装置3、潜流湿地4、表流湿地5和景观湖6，其特征在于超滤***、反渗透***、除重金属装置、潜流湿地、表流湿地***和景观湖的连接关系为：超滤***1连接反渗透***2，超滤***1和反渗透***2的浓水连接除重金属装置3，反渗透***2的产水进入潜流湿地4，潜流湿地4连接表流湿地5，表流湿地***5连接景观湖6。
本发明进一步公开了采用该装置进行矿井水深度处理与资源化利用的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
1）经混凝沉淀或超磁分离处理后的矿井水按照井下和厂区用水要求充分回用后，剩余矿井水进入超滤***；
2）超滤***出水经清水泵、保安过滤器、高压泵打入反渗透***；超滤***进水操作压力控制在0.1-0.5Mpa，出水SDI值要求小于4；反渗透***进水压力控制在1.0-1.2MPa，脱盐率95%-99%，产水率不低于60%；经回用后剩余反渗透产水全部由加压泵房打入潜流湿地；
3）超滤***、反渗透***产生的浓水中如果Hg、Pb、Cd、Ni、Sn重金属离子含量高，则进入除重金属装置，处理后浓水用于井下回灌、防尘、矸石山冲刷等；所述除重金属装置采用离子交换设备，选择对废水中需去除重金属离子具有较高选择性且抗氧化性和抗有机物玷污的阳离子交换树脂或富含羟基、胺基、羧基、巯基等能与重金属结合的螯合树脂，接触时间控制在5-120min；其中阳离子交换树脂或螯合树脂根据重金属离子的不同加以选择，例如：
（1）当处理Hg离子时，可以采用的树脂是：大孔弱酸阳离子交换树脂、酚脲醛树脂、Srafion NMRR 树脂或Nisso ALM-525树脂等；
（2）当处理Pb离子时，可以采用的树脂是：732钠型阳离子交换树脂、含醚键离子交换树脂、聚甲亚胺酰胺离子交换树脂或螯合树脂 NDC702等；
（3）当处理Cd离子时，可以采用的树脂是：Purolite S-950 阳离子交换树脂、Dowex50W-X4阳离子交换树脂、螯合树脂 IRC748或 螯合树脂 NDC702等。
4）反渗透产水经提升、配水后，通过穿孔花墙进入潜流湿地，所述潜流湿地以亲水植物为表面绿化物，填料层的初始孔隙率控制在35%-40%，潜流湿地的填料层高度设计为0.7-1.0m，水深控制在0.4-1.6m，水力负荷控制在0.2-0.5m3/m2·d，水力停留时间控制在1-3d；潜流湿地出水经管道收集后，统一进入自由水面的表流湿地***；所述的表面绿化物指的是芦苇、香蒲、水葱、马兰、沙棘、甘蒙柽柳、宽苞水柏枝、宽叶水柏枝等植物；所述填料层指的是砾石、沸石、砂等一种或多种填料的组合；所述的耐水植物指的是：芦苇、香蒲、水葱和马兰。
所述的组合填料由砾石、沸石、砂三种组合而成，
其中砾石的重量份数比：大砾石（粒径50-80mm）：中粒径砾石（粒径30-40mm）：小粒径砾石（粒径10-30mm）为1：1-2：1-2；
沸石的重量份数比：中粒径沸石（粒径30-40mm）：小粒径沸石（粒径10-30mm）为1：0.5-1.5。
5）水在表流湿地***的流动过程中与***中的土壤、植物，特别是与植物根茎部生长的生物膜接触，通过物理的、化学的及生物的反应过程得到净化；表流湿地的水深控制在0.3-0.5m，水力负荷控制在0.03-0.1m3/m2·d，水力停留时间控制在4-8d；
6）表流湿地***出水进入景观湖。
景观湖与河流、湖泊等地表水体相连。需要说明的是矿井水是源源不断产生的，所以景观湖的水是有出口的。
本发明更进一步公开了采用该装置进行矿井水深度处理与资源化利用的方法在改善土壤水环境质量、提高附近流域的生物多样性方面的应用。特别是在有效去除矿井水中可能存在的Hg、Pb、Cd、Ni、Sn重金属离子方面的应用，有效防止了矿井水在回用过程中对地下水和人体的危害。实验结果显示，某干旱缺水地区煤矿采用该方法后，极大改善了土壤和水环境质量，工程正常运行一年后选取采样点测定，人工湿地中土壤有机质含量由0.24%提高到2.62%，土壤pH由8.7降到了7.4，达到了改良土壤的效果。矿区周边水环境由原来的缺水少水变为具有丰富的达到地表Ⅲ类标准的水资源，同时提高了附近流域的生物多样性（植被、鱼类、鸟类及其他野生动物），提升了矿区的综合环境质量，促进了水资源高效循环利用，对维护生态安全和生态***的稳定性起到了促进作用。
本发明更加详细的描述如下：
一种矿井水深度处理与资源化利用的方法按照以下步骤进行：
经混凝沉淀或超磁分离等常规处理后的矿井水按照井下和厂区用水要求充分回用后，剩余矿井水进入超滤***；
本发明所采用的超滤、反渗透、除重金属装置都是已知的。其中的超滤***主要用于去除矿井水中的悬浮物、胶体、微粒、细菌等大分子物质，进水操作压力控制在0.1-0.5 Mpa，出水SDI值要求小于4；超滤出水经清水泵、保安过滤器、高压泵打入反渗透***。
所述反渗透***主要用于去除矿井水中的盐分和部分有机物，进水操作压力控制在1.0-1.2MPa，脱盐率95%-99%，产水率不低于60%。
超滤和反渗透***产生的浓水中如果Hg、Pb、Cd、Ni、Sn重金属离子含量高，则进入除重金属装置，去除重金属后浓水用于井下回灌、防尘、矸石山冲刷等。
所述除重金属装置采用离子交换设备，选择对废水中需去除离子具有较高选择性
且抗氧化性和抗有机物玷污的阳离子交换树脂或富含羟基、胺基、羧基、巯基等能与重金属结合的螯合树脂。
反渗透***产水可回用于厂区冲厕、消防、绿化、道路清扫、车辆冲洗、建筑施工等中等水质要求用户或者洗衣房、浴室、饮用等高等水质要求用户。剩余反渗透产水全部由加压泵房打入潜流湿地。
所述潜流湿地以亲水植物为表面绿化物，填料层的初始孔隙率控制在35%-40%，填料层高度设计为0.7-1.0m，水深控制在0.4-1.6m，水力负荷控制在0.2-0.5m3/m2·d，水力停留时间控制在1-3d。潜流湿地***出水经管道收集后，统一进入自由水面的表流湿地***。
所述表流湿地的水深控制在0.3-0.5m，水力负荷控制在0.03-0.1m3/m2·d，水力停留时间控制在4-8d。表流湿地出水经溢流堰流出进入景观湖。
所述景观湖中水质能够达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水质标准，确保不会污染地表水体。
本发明公开的矿井水深度处理与资源化利用方法及装置与现有技术相比所具有的积极效果在于：
（1）通过“超滤—反渗透—潜流湿地—表流湿地—景观湖”为主体的深度处理工艺，解决了矿井水的出路问题；
（2）潜流湿地—表流湿地—景观湖深度处理工艺，兼顾净化水质与生态修复双重功能，能够改善土壤和水环境质量，美化矿区环境；
（3）除重金属装置有效去除了矿井水中可能存在的Hg、Pb、Cd、Ni、Sn重金属离子，防止在回用过程中造成对地下水和人体的危害。
附图说明
图1 为本发明一种矿井水深度处理与资源化利用方法的工艺流程图；
图2 为本发明一种矿井水深度处理装置；
其中标号：1 超滤***；2 反渗透***；3 除重金属装置；4 潜流湿地；5 表流湿地；6景观湖。
具体实施方式
下面通过具体的实施方案叙述本发明。除非特别说明，本发明中所用的技术手段均为本领域技术人员所公知的方法。另外，实施方案应理解为说明性的，而非限制本发明的范围，本发明的实质和范围仅由权利要求书所限定。对于本领域技术人员而言，在不背离本发明实质和范围的前提下，对这些实施方案中的物料成分和用量进行的各种改变或改动也属于本发明的保护范围。本发明所用原料及试剂均有市售。
实施例1
如图1所示，一种矿井水深度处理与资源化利用的装置，包括超滤***1、反渗透***2、除重金属装置3、潜流湿地4、表流湿地5和景观湖6，其特征在于超滤***、反渗透***、除重金属装置、潜流湿地、表流湿地***和景观湖的连接关系为：超滤***1连接反渗透***2，超滤***1和反渗透***2的浓水连接除重金属装置3，反渗透***2的产水进入潜流湿地4，潜流湿地4连接表流湿地5，表流湿地5连接景观湖6。
处理方法：
经混凝沉淀或超磁分离等常规处理后的矿井水按照井下和厂区用水要求充分回用后，剩余矿井水进入超滤***；
所述超滤***为反渗透***的预处理工艺，主要用于去除矿井水中的悬浮物、胶体、微粒、细菌等大分子物质，操作压力控制在0.2 Mpa，出水SDI值要求小于4。超滤1出水经清水泵、保安过滤器、高压泵打入反渗透***2。
所述反渗透***进水压力控制在1.2MPa，脱盐率大于97%，产水率为72%左右；反渗透***产水回用于厂区冲厕、消防、绿化、道路清扫、车辆冲洗和洗衣房、浴室用水。剩余反渗透产水全部由加压泵房打入潜流湿地4。
超滤***和反渗透***产生的浓水中Pb离子含量高，进入除重金属装置，处理后浓水用于井下回灌、防尘和矸石山冲刷。
所述除重金属装置采用离子交换设备，选择对Pb离子具有较高选择性、且抗氧化性和抗有机物玷污的732钠型阳离子交换树脂。
反渗透产水经提升、配水后，通过穿孔花墙进入潜流湿地，在耐水植物和填料的联合作用下，通过物理的沉降作用，植物根系的阻截作用，砂砾及植物表面的吸附与吸收作用，微生物的代谢作用等，实现水质净化。潜流湿地选用沸石填料，填料层高度设计为0.7m，水力负荷控制在0.3m3/m2·d，水力停留时间控制在3d。潜流湿地4出水经管道收集后，统一进入自由水面的表流湿地***5。
水在所述表流湿地的流动过程中，与***中的土壤、植物，特别是与植物根茎部生长的生物膜接触，通过物理的、化学的及生物的反应过程得到净化。表流湿地的水深控制在0.3m，水力负荷控制在0.04m3/m2·d，水力停留时间控制在6d。
表流湿地出水进入景观湖。景观湖是鸟类、鱼类、两栖动物的繁殖、栖息、迁徒的场所，具有自然观光、旅游、娱乐等美学方面的功能。景观湖与附近河流相连。景观湖中水质能够达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水质标准，确保不会污染地表水体。
实施例2
如图1所示，一种矿井水深度处理与资源化利用的装置，包括超滤***1、反渗透***2、除重金属装置3、潜流湿地4、表流湿地5和景观湖6，其特征在于超滤***1连接反渗透***2，超滤***1和反渗透***2的浓水连接除重金属装置3，反渗透***2的产水进入潜流湿地4，潜流湿地4连接表流湿地5，表流湿地5连接景观湖6。
处理方法：
（1）经混凝沉淀或超磁分离等常规处理后的矿井水按照井下和厂区用水要求充分回用后，剩余矿井水进入超滤***；
（2）所述超滤***为反渗透***的预处理工艺，主要用于去除矿井水中的悬浮物、胶体、微粒、细菌等大分子物质，操作压力控制在0.2 Mpa，出水SDI值要求小于4。超滤1出水经清水泵、保安过滤器、高压泵打入反渗透***2；
（3）所述反渗透***进水压力控制在1.2MPa，脱盐率大于97%，产水率为72%左右；反渗透***产水回用于厂区冲厕、消防、绿化、道路清扫、车辆冲洗和洗衣房、浴室用水。剩余反渗透产水全部由加压泵房打入潜流湿地。
超滤***和反渗透***产生的浓水中Cd离子含量高，进入除重金属装置，处理后浓水用于井下回灌、防尘和矸石山冲刷。
所述除重金属装置采用离子交换设备，选择对Cd离子具有较高选择性、且抗氧化性和抗有机物玷污的Purolite S-950 阳离子交换树脂。
（4）反渗透产水经提升、配水后，通过穿孔花墙进入潜流湿地，在耐水植物和填料的联合作用下，通过物理的沉降作用，植物根系的阻截作用，砂砾及植物表面的吸附与吸收作用，微生物的代谢作用等，实现水质净化。潜流湿地选用组合填料，填料层高度设计为0.7m，水力负荷控制在0.3m3/m2·d，水力停留时间控制在3d。潜流湿地4出水经管道收集后，统一进入自由水面的表流湿地***5。
所述的耐水植物指的是：芦苇、香蒲、水葱和马兰。
所述的组合填料由砾石、沸石、砂三种组合而成，
其中砾石的重量份数比：大砾石（粒径50-80mm）：中粒径砾石（粒径30-40mm）：小粒径砾石（粒径10-30mm）为1：1.2：1.2；
沸石的重量份数比：中粒径沸石（粒径30-40mm）：小粒径沸石（粒径10-30mm）为1：1；
中砂、砂砾的重量份数比：中砂：砂砾为1：0.5。
水在所述表流湿地的流动过程中，与***中的土壤、植物，特别是与植物根茎部生长的生物膜接触，通过物理的、化学的及生物的反应过程得到净化。表流湿地的水深控制在0.3m，水力负荷控制在0.04m3/m2·d，水力停留时间控制在6d。
表流湿地出水进入景观湖。景观湖是鸟类、鱼类、两栖动物的繁殖、栖息、迁徒的场所，具有自然观光、旅游、娱乐等美学方面的功能。景观湖与河流相连。景观湖中水质能够达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水质标准，不会对河流造成污染。
实施例3
应用实例
某煤矿座落于干旱缺水地区，年生产能力1200万吨，矿井水前端处理采用“预沉淀—超磁分离—过滤”为主的组合工艺，处理后主要水质指标见表1。处理后矿井水部分回用于井下注浆、防尘、选煤厂洗煤、厂区绿化、喷洒降尘等，由于附近无工业园区，剩余矿井水的出路问题成为了企业发展的限制瓶颈。因此，该煤矿采用本发明一种矿井水深度处理与资源化利用方法及装置对剩余矿井水进行深度处理和资源化利用。
超磁分离处理后出水部分回用于厂区绿化、道路清扫、喷洒降尘等，剩余矿井水进入超滤***，超滤选用，操作压力控制在0.25 Mpa，出水SDI值稳定小于4；超滤***出水经清水泵、保安过滤器、高压泵打入反渗透***；反渗透***进水压力控制在1.0MPa，脱盐率大于96%，产水率为70%左右；反渗透***产水回用于厂区冲厕、消防、洗衣房和浴室用水，剩余反渗透产水全部由加压泵房打入潜流湿地；超滤***和反渗透***产生的浓水中Hg离子含量高，进入除重金属装置，除重金属装置采用酚脲醛树脂的离子交换设备脱除Hg离子，接触时间控制在60min，处理后浓水用于井下回灌和矸石山冲刷；潜流湿地以砾石为填料，填料层高度设计为0.8m，水力负荷控制在0.4m3/m2·d，水力停留时间控制在2d，潜流湿地中种植了芦苇、沙棘约117万株，潜流湿地出水经管道收集后，进入表流湿地***；表流湿地的水深控制在0.5m，水力负荷控制在0.05m3/m2·d，停留时间控制在5d，种植芦苇、香蒲约37.5万株，浮萍、睡莲约37.5万株；表流湿地出水进入景观湖，景观湖与附近某河流相连，景观湖水质见表1，优于《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）中Ⅲ类水质标准，不会对河流造成污染。
该项目的建设极大改善了土壤和水环境质量，工程正常运行一年后选取采样点测定，人工湿地中土壤有机质含量由0.24%提高到2.62%，土壤pH由8.7降到了7.4，达到了改良土壤的效果，矿区周边水环境由原来的缺水少水变为具有丰富的达到地表Ⅲ类标准的水资源，同时提高了附近流域的生物多样性（植被、鱼类、鸟类及其他野生动物），提升了矿区的综合环境质量，促进了水资源高效循环利用，对维护生态安全和生态***的稳定性起到了促进作用。
表1 进出水水质 单位：mg/L
Claims (5)
1.一种矿井水深度处理与资源化利用的装置，包括超滤***（1）、反渗透***（2）、除重金属装置（3）、潜流湿地（4）、表流湿地（5）和景观湖（6），其特征在于超滤***（1）连接反渗透***（2），超滤***（1）和反渗透***（2）与除重金属装置（3）相连，反渗透***（2）的产水进入潜流湿地（4），潜流湿地（4）连接表流湿地（5），表流湿地（5）连接景观湖（6）。
2.一种采用权利要求1所述的装置进行矿井水深度处理与资源化利用的方法，其特征在于按如下的步骤进行：
1）经混凝沉淀或超磁分离处理后的矿井水按照井下和厂区用水要求充分回用后，剩余矿井水进入超滤***（1）；
2）超滤***（1）出水经清水泵、保安过滤器、高压泵打入反渗透***（2）；超滤***（1）进水操作压力控制在0.1-0.5Mpa，出水SDI值要求小于4；反渗透***（2）进水压力控制在1.0-1.2MPa，脱盐率95%-99%，产水率不低于60%；经回用后剩余反渗透产水全部由加压泵房打入潜流湿地（4）；
3）超滤***（1）、反渗透***（2）产生的浓水中如果Hg、Pb、Cd、Ni、Sn重金属离子含量高，则进入除重金属装置（3），除重金属装置（3）采用离子交换设备，接触时间控制在5-120min；离子交换设备使用阳离子交换树脂或富含羟基、胺基、羧基、巯基能与重金属结合的螯合树脂；
4）反渗透产水经提升、配水后，通过穿孔花墙进入潜流湿地（4），所述潜流湿地以亲水植物为表面绿化物，填料层的初始孔隙率控制在35%-40%，潜流湿地（4）的填料层高度设计为0.7-1.0m，水深控制在0.4-1.6m，水力负荷控制在0.2-0.5m3/m2·d，水力停留时间控制在1-3d；潜流湿地（4）出水经管道收集后，统一进入自由水面的表流湿地***（5）；所述表面绿化物指的是芦苇、香蒲、水葱、马兰、沙棘、甘蒙柽柳、宽苞水柏枝、宽叶水柏枝植物；所述填料层指的是砾石、沸石、砂一种或多种填料的组合；
5）表流湿地***（5）的水深控制在0.3-0.5m，水力负荷控制在0.03-0.1m3/m2·d， 水力停留时间控制在4-8d；
6）表流湿地***（5）出水进入景观湖（6）。
3.权利要求2所述的深度处理与资源化利用方法，其中步骤4）中组合的填料层，指的是由砾石、沸石、砂三种组合而成，
其中砾石的重量份数比：大砾石粒径50-80mm：中粒径砾石粒径30-40mm：小粒径砾石粒径10-30mm为1：1-2：1-2
沸石的重量份数比：中粒径沸石粒径30-40mm：小粒径沸石粒径10-30mm为1：0.5-1.5。
4.权利要求2所述的采用该装置进行矿井水深度处理与资源化利用的方法在改善土壤水环境质量，提高附近流域的生物多样性方面的应用。
5.权利要求2所述的采用该装置进行矿井水深度处理与资源化利用的方法在有效去除矿井水中的Hg、Pb、Cd、Ni、Sn重金属离子方面的应用。
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