CN110510773A - 一种酸性矿井水处理***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可强化除铁效果，减少占地面积，降低运行成本的酸性矿井水处理***及方法。一种酸性矿井水处理***，包括升流式中和反应装置、中和澄清装置和氢氧化钠投加装置，升流式中和反应装置和氢氧化钠投加装置分别通过管道连通中和澄清装置。本发明的一种酸性矿井水处理***流程简单，占地面积小，可缩短反应时间，减少碱性药剂投加量，操作管理方便，在保证稳定出水水质的同时有效节省运行成本；升流式中和反应装置占地面积小，无需频繁换料；中和澄清装置集沉淀、过滤、吸附等多种功能于一体，无需机械搅拌设备，能耗较低，可强化除铁和泥水分离效果。

Description

一种酸性矿井水处理***及方法

技术领域

本发明涉及一种水处理***及方法，特别涉及一种酸性矿井水处理***及方法，属于水处理技术领域。

背景技术

高硫煤层开采过程中，煤中的FeS₂发生一系列物化、生化反应，使矿井水呈酸性。若酸性矿井水处理不当，外排会直接破坏地表水环境，回用于生产会造成设备或管路腐蚀、结垢。目前，酸性矿井水除铁的主要方法包括中和法、接触氧化过滤法和微生物法。

其中，中和法应用最为广泛，除铁效果稳定，但碱性药剂投加量大，产泥量高，操作管理复杂，处理成本较高。接触氧化过滤工艺建设及运行成本高，除铁效果较为有限。微生物法运行成本低，无二次污染，但出水稳定性有待提高。

《煤炭工业污染物排放标准》（GB20426-2006）要求新建煤矿矿井水处理站出水总铁≤6mg/L。而我国西部地区煤矿多处于严重缺水地区，受纳水体有限，部分煤矿酸性矿井水总铁含量高，而总铁排放浓度需达到《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）Ⅲ类要求（标准限值0.3mg/L）。在不增加煤矿企业经济负担的前提下提高处理效果，开发经济合理的工艺体系是酸性矿井水处理领域需要解决的关键问题。

因此，如何提供一种酸性矿井水处理***及方法，以缩短反应时间，减少碱性药剂投加量，降低运行成本是本领域目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可强化除铁效果，减少占地面积，降低运行成本的酸性矿井水处理***，解决以上背景技术中提出的问题。

本发明的另一目的在于提供一种酸性矿井水处理方法，在减轻操作管理强度的同时提高酸性矿井水处理效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种酸性矿井水处理***，包括升流式中和反应装置、中和澄清装置和氢氧化钠投加装置，升流式中和反应装置和氢氧化钠投加装置分别通过管道连通中和澄清装置；

所述的升流式中和反应装置包括升流式中和反应装置壳体以及自下而上依次设置在升流式中和反应装置壳体内部的承托层和过滤反应层，所述的承托层和过滤反应层将升流式中和反应装置壳体内部自下而上划分为进水区、流化反应区和减速分离区，流化反应区内设有石灰石滤料A，过滤反应层包括设于过滤反应层顶部的上部格栅板、设于过滤反应层底部的下部格栅板和设于上部格栅板和下部格栅板之间的石灰石滤料B，石灰石滤料B的粒径大于上部格栅板的孔径和下部格栅板的孔径，所述的下部格栅板上设有与下部格栅板固接的穿孔曝气管；

所述的中和澄清装置包括中和澄清装置壳体、导流筒和吸附过滤层，导流筒设置在中和澄清装置壳体内腔中部，吸附过滤层环绕于导流筒外部并固接中和澄清装置壳体内壁，吸附过滤层内设有捕集滤料和曝气软管，所述的导流筒将中和澄清装置壳体内部划分为中和反应区和泥水分离区，中和反应区设于导流筒内，泥水分离区设于导流筒外，中和反应区设有pH在线监测装置；

所述的氢氧化钠投加装置包括储药箱、加药管和计量泵，储药箱通过加药管连通中和澄清装置的中和反应区，计量泵设于加药管上；

所述的升流式中和反应装置与中和澄清装置之间依次设有缓冲水池和管道增压泵，缓冲水池和管道增压泵通过管道连通升流式中和反应装置与中和澄清装置。

作为优选，所述的升流式中和反应装置还包括进水管、集水槽A、出水管A和检修孔，进水管设于升流式中和反应装置壳体底部，进水管顶端设有配水器，集水槽A设于升流式中和反应装置壳体上部，集水槽A通过出水管A连通缓冲水池，检修孔设于流化反应区对应的升流式中和反应装置壳体外壁。

作为优选，所述的中和澄清装置还包括下垂式自动旋转喷头、集水槽B、出水管B、集泥斗和排泥管，下垂式自动旋转喷头设于导流筒底部，集水槽B设于中和澄清装置壳体上部并连通出水管B，集泥斗设于中和澄清装置壳体底部并连通排泥管。

作为优选，所述的流化反应区与过滤反应层的体积比为1:0.2~0.4，过滤反应层与减速分离区的体积比为1:1.2~1.5，石灰石滤料A在流化反应区内的填充率为40%~60%，石灰石滤料B在过滤反应层的填充率为40%~60%。

作为优选，所述的石灰石滤料A粒径为0.5~2mm，石灰石滤料B粒径为35~40mm，下部格栅板孔径为25mm，上部格栅板孔径为25mm。

作为优选，所述的承托层内设有卵石，卵石粒径为20~30mm。

作为优选，所述的捕集滤料为孔径0.8~2.5mm的聚乙烯醇多孔弹性球体，捕集滤料在吸附过滤层内的填充率为55%~65%。

一种采用所述酸性矿井水处理***进行酸性矿井水处理的方法，包括以下步骤：

（1）开启升流式中和反应装置，使酸性矿井水流入装置内部并自下而上依次流经进水区、承托层、流化反应区、过滤反应层和减速分离区；流化反应区的石灰石滤料A和过滤反应层的石灰石滤料B均可与酸性矿井水进行中和反应，反应后的石灰石滤料B在其粒径小于上部格栅板及下部格栅板的孔径后，可脱离过滤反应层进行流化；石灰石滤料A和石灰石滤料B在上升水流与二氧化碳气流的作用下向上移动，并在上升过程中逐渐恢复沉降，过滤反应层对石灰石滤料A有截留作用；将减速分离区水流速度控制在30~50m/h，中和过滤上清液被收集并通过管道流入缓冲水池；

（2）开启氢氧化钠投加装置和管道增压泵，使缓冲水池出水进入中和澄清装置，使其与加药管流入中和澄清装置的氢氧化钠进行中和反应，通过计量泵和pH在线监测装置控制pH6.5~7.5，使矿井水经过导流筒进入泥水分离区，上清液通过吸附过滤层，捕集滤料在水流和气流作用下移动捕集吸附悬浮物，使过滤液通过管道出水；

（3）当缓冲水池液位较初始液位上升100~200mm，停止升流式中和反应装置进水并关闭管道增压泵和计量泵，开启中和澄清装置内的曝气软管，持续曝气10~30分钟后停止曝气，静置沉淀10~20分钟后，将沉淀污泥排出中和澄清装置，恢复***正常运行，重复步骤（1）和步骤（2）；

（4）当缓冲水池内pH≤4.5，开启升流式中和反应装置内的穿孔曝气管以强化过滤反应区的中和反应，促进石灰石滤料B表面结垢脱落；如曝气结束后的缓冲水池内pH≤4.5，则关闭***，换填升流式中和反应装置内的石灰石滤料A和石灰石滤料B后，再重复步骤（1）和步骤（2）。

本发明的有益效果是：

（1）本发明的一种酸性矿井水处理***流程简单，占地面积小，可缩短反应时间，减少碱性药剂投加量，操作管理方便，在保证稳定出水水质的同时有效节省运行成本；

（2）本发明的一种酸性矿井水处理***内的升流式中和反应装置占地面积小，无需频繁换料；

（3）本发明的一种酸性矿井水处理***内的中和澄清装置集沉淀、过滤、吸附等多种功能于一体，无需机械搅拌设备，能耗较低，可强化除铁和泥水分离效果。

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***结构示意图。

图中： 1、升流式中和反应装置，10、升流式中和反应装置壳体，11、进水区，111、进水管，112、配水器，12、承托层，121、卵石，13、流化反应区，1311、石灰石滤料A，1312、检修孔，14、过滤反应层，141、石灰石滤料B，142、下部格栅板，143、上部格栅板，144、穿孔曝气管，15、减速分离区，16、集水槽A，17、出水管A，18、缓冲水池，19、管道增压泵，2、中和澄清装置，20、中和澄清装置壳体，21、下垂式自动旋转喷头，211、pH在线监测，22、中和反应区，221、导流筒， 23、泥水分离区， 24、吸附过滤层，241、捕集滤料，242、曝气软管，243、下部拦截网，244、上部拦截网，25、集水槽B，26、出水管B，27、集泥斗，28、排泥管，3、氢氧化钠投加装置，31、储药箱，32、加药管，33、计量泵。

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1

如图1所示的一种酸性矿井水处理***，包括升流式中和反应装置1、中和澄清装置2和氢氧化钠投加装置3，升流式中和反应装置和氢氧化钠投加装置分别通过管道连通中和澄清装置。

升流式中和反应装置包括升流式中和反应装置壳体10以及自下而上依次设置在升流式中和反应装置壳体内部的承托层12和过滤反应层14，承托层和过滤反应层将升流式中和反应装置壳体内部自下而上划分为进水区11、流化反应区13和减速分离区15。

进水区内设有进水管111和配水器112，配水器设于进水管顶端，用于将通过进水管流入的酸性矿井水分配于进水区底部。承托层内设有卵石121。流化反应区内设有石灰石滤料A 1311。过滤反应层包括设于过滤反应层顶部的上部格栅板143、设于过滤反应层底部的下部格栅板142和设于上部格栅板和下部格栅板之间的石灰石滤料B 141，石灰石滤料B的粒径大于上部格栅板的孔径和下部格栅板的孔径，下部格栅板上设有与下部格栅板固接的穿孔曝气管144。

升流式中和反应装置还包括集水槽A 16、出水管A 17和检修孔1312。集水槽A设于升流式中和反应装置壳体上部，集水槽A通过出水管A连通缓冲水池。检修孔设于流化反应区对应的升流式中和反应装置壳体外壁，方便停机检修。

中和澄清装置包括中和澄清装置壳体20、下垂式自动旋转喷头21、导流筒221、吸附过滤层24、集水槽B 25、出水管B 26、集泥斗27和排泥管28。下垂式自动旋转喷头设于导流筒底部，导流筒设置在中和澄清装置壳体内腔中部，吸附过滤层环绕于导流筒外部并固接中和澄清装置壳体内壁，吸附过滤层内设有捕集滤料241和曝气软管242。导流筒将中和澄清装置壳体内部划分为中和反应区22和泥水分离区23，中和反应区设于导流筒内，泥水分离区设于导流筒外，中和反应区设有pH在线监测装置211。吸附过滤层内设有下部拦截网243和上部拦截网244，用于限制区域范围，两者斜向设置且位置相对。集水槽B设于中和澄清装置壳体上部并连通出水管B，集泥斗设于中和澄清装置壳体底部并连通排泥管。

氢氧化钠投加装置包括储药箱31、加药管32和计量泵33，储药箱通过加药管连通中和澄清装置的中和反应区，计量泵设于加药管上。升流式中和反应装置与中和澄清装置之间依次设有缓冲水池18和管道增压泵19，缓冲水池和管道增压泵通过管道连通升流式中和反应装置与中和澄清装置，具体地，出水管A 将集水槽A 和缓冲水池连通，管道增压泵将缓冲水池与下垂式自动旋转喷头连通。

本实施例中，流化反应区与过滤反应层的体积比为1:0.2，过滤反应层与减速分离区的体积比为1:1.2，石灰石滤料A在流化反应区内的填充率为40%，石灰石滤料B在过滤反应层的填充率为60%。

石灰石滤料A粒径为0.5~2mm，石灰石滤料B粒径为35~40mm，下部格栅板孔径为25mm，上部格栅板孔径为25mm。承托层内设有卵石，卵石粒径为20~30mm。捕集滤料为孔径0.8~2.5mm的聚乙烯醇多孔弹性球体，捕集滤料在吸附过滤层内的填充率为55%。

一种采用上述酸性矿井水处理***进行酸性矿井水处理的方法，包括以下步骤：

（1）开启升流式中和反应装置，使酸性矿井水流入装置内部并自下而上依次流经进水区、承托层、流化反应区、过滤反应层和减速分离区；流化反应区的石灰石滤料A和过滤反应层的石灰石滤料B均可与酸性矿井水进行中和反应，反应后的石灰石滤料B在其粒径小于上部格栅板及下部格栅板的孔径后，可脱离过滤反应层进行流化；石灰石滤料A和石灰石滤料B在上升水流与二氧化碳气流的作用下向上移动，并在上升过程中逐渐恢复沉降，过滤反应层对石灰石滤料A有截留作用；将减速分离区水流速度控制在30~50m/h，中和过滤上清液被收集并进入集水槽A，再由出水管A流入缓冲水池；

（2）开启氢氧化钠投加装置和管道增压泵，使缓冲水池出水进入中和澄清装置，使其与加药管流入中和澄清装置的氢氧化钠进行中和反应，通过计量泵和pH在线监测装置控制pH6.89~7.37，使矿井水经过导流筒进入泥水分离区，上清液通过吸附过滤层，捕集滤料在水流和气流作用下移动捕集吸附悬浮物，使过滤液通过集水槽B进入出水管B，由出水管B排出***；

（3）当缓冲水池液位较初始液位上升100~200mm，停止升流式中和反应装置进水并关闭管道增压泵和计量泵，开启中和澄清装置内的曝气软管，持续曝气10~30分钟后停止曝气，静置沉淀10~20分钟后，打开排泥管，将沉淀污泥排出中和澄清装置，恢复***正常运行，重复步骤（1）和步骤（2）；

（4）当缓冲水池内pH≤4.5，开启升流式中和反应装置内的穿孔曝气管以强化过滤反应区的中和反应，促进石灰石滤料B表面结垢脱落；如曝气结束后的缓冲水池内pH≤4.5，则关闭***，换填升流式中和反应装置内的石灰石滤料A和石灰石滤料B后，再重复步骤（1）和步骤（2）。

在总水力停留时间为2.19小时的情况下，中试用水为某煤矿主井矿井水，采用本实施例的***及方法，连续运行13天的水质监测数据如表1所示，石灰石滤料A、石灰石滤料B、氢氧化钠等药剂投加成本为0.13元/吨水。

表1 中试运行期间的水质监测数据

水质指标	***进水	升流式中和反应装置出水	中和澄清装置出水
				pH	2.97-3.43	5.13~5.46	6.65~7.31
总铁/(mg·L<sup>-1</sup>)	392~434	28.5~46.3	0.03~0.15

实施例2

如图1所示的一种酸性矿井水处理***，技术方案同实施例1，不同之处在于：流化反应区与过滤反应层的体积比为1: 0.4，过滤反应层与减速分离区的体积比为1: 1.5，石灰石滤料A在流化反应区内的填充率为60%，石灰石滤料B在过滤反应层的填充率为40%。

石灰石滤料A粒径为0.5~2mm，石灰石滤料B粒径为35~40mm，下部格栅板孔径为25mm，上部格栅板孔径为25mm。承托层内设有卵石，卵石粒径为20~30mm。捕集滤料为孔径0.8~2.5mm的聚乙烯醇多孔弹性球体，捕集滤料在吸附过滤层内的填充率为65%。

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 (8)

1.一种酸性矿井水处理***，其特征在于：该酸性矿井水处理***包括升流式中和反应装置、中和澄清装置和氢氧化钠投加装置，升流式中和反应装置和氢氧化钠投加装置分别通过管道连通中和澄清装置；所述的升流式中和反应装置包括升流式中和反应装置壳体以及自下而上依次设置在升流式中和反应装置壳体内部的承托层和过滤反应层，所述的承托层和过滤反应层将升流式中和反应装置壳体内部自下而上划分为进水区、流化反应区和减速分离区，流化反应区内设有石灰石滤料A，过滤反应层包括设于过滤反应层顶部的上部格栅板、设于过滤反应层底部的下部格栅板和设于上部格栅板和下部格栅板之间的石灰石滤料B，石灰石滤料B的粒径大于上部格栅板的孔径和下部格栅板的孔径，所述的下部格栅板上设有与下部格栅板固接的穿孔曝气管；所述的中和澄清装置包括中和澄清装置壳体、导流筒和吸附过滤层，导流筒设置在中和澄清装置壳体内腔中部，吸附过滤层环绕于导流筒外部并固接中和澄清装置壳体内壁，吸附过滤层内设有捕集滤料和曝气软管，所述的导流筒将中和澄清装置壳体内部划分为中和反应区和泥水分离区，中和反应区设于导流筒内，泥水分离区设于导流筒外，中和反应区设有pH在线监测装置；所述的氢氧化钠投加装置包括储药箱、加药管和计量泵，储药箱通过加药管连通中和澄清装置的中和反应区，计量泵设于加药管上；所述的升流式中和反应装置与中和澄清装置之间依次设有缓冲水池和管道增压泵，缓冲水池和管道增压泵通过管道连通升流式中和反应装置与中和澄清装置。

2.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水处理***，其特征在于：所述的升流式中和反应装置还包括进水管、集水槽A、出水管A和检修孔，进水管设于升流式中和反应装置壳体底部，进水管顶端设有配水器，集水槽A设于升流式中和反应装置壳体上部，集水槽A通过出水管A连通缓冲水池，检修孔设于流化反应区对应的升流式中和反应装置壳体外壁。

3.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水处理***，其特征在于：所述的中和澄清装置还包括下垂式自动旋转喷头、集水槽B、出水管B、集泥斗和排泥管，下垂式自动旋转喷头设于导流筒底部，集水槽B设于中和澄清装置壳体上部并连通出水管B，集泥斗设于中和澄清装置壳体底部并连通排泥管。

4.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水处理***，其特征在于：所述的流化反应区与过滤反应层的体积比为1:0.2~0.4，过滤反应层与减速分离区的体积比为1:1.2~1.5，石灰石滤料A在流化反应区内的填充率为40%~60%，石灰石滤料B在过滤反应层的填充率为40%~60%。

5.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水处理***，其特征在于：所述的石灰石滤料A粒径为0.5~2mm，石灰石滤料B粒径为35~40mm，下部格栅板孔径为25mm，上部格栅板孔径为25mm。

6.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水处理***，其特征在于：所述的承托层内设有卵石，卵石粒径为20~30mm。

7.根据权利要求1所述的一种酸性矿井水处理***，其特征在于：所述的捕集滤料为孔径0.8~2.5mm的聚乙烯醇多孔弹性球体，捕集滤料在吸附过滤层内的填充率为55%~65%。

8.一种采用权利要求1-7任一所述的酸性矿井水处理***进行酸性矿井水处理的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，

（1）开启升流式中和反应装置，使酸性矿井水流入装置内部并自下而上依次流经进水区、承托层、流化反应区、过滤反应层和减速分离区；流化反应区的石灰石滤料A和过滤反应层的石灰石滤料B均可与酸性矿井水进行中和反应，反应后的石灰石滤料B在其粒径小于上部格栅板及下部格栅板的孔径后，可脱离过滤反应层进行流化；石灰石滤料A和石灰石滤料B在上升水流与二氧化碳气流的作用下向上移动，并在上升过程中逐渐恢复沉降，过滤反应层对石灰石滤料A有截留作用；将减速分离区水流速度控制在30~50m/h，中和过滤上清液被收集并通过管道流入缓冲水池；

（2）开启氢氧化钠投加装置和管道增压泵，使缓冲水池出水进入中和澄清装置，使其与加药管流入中和澄清装置的氢氧化钠进行中和反应，通过计量泵和pH在线监测装置控制pH6.5~7.5，使矿井水经过导流筒进入泥水分离区，上清液通过吸附过滤层，捕集滤料在水流和气流作用下移动捕集吸附悬浮物，使过滤液通过管道出水；

（3）当缓冲水池液位较初始液位上升100~200mm，停止升流式中和反应装置进水并关闭管道增压泵和计量泵，开启中和澄清装置内的曝气软管，持续曝气10~30分钟后停止曝气，静置沉淀10~20分钟后，将沉淀污泥排出中和澄清装置，恢复***正常运行，重复步骤（1）和步骤（2）；

（4）当缓冲水池内pH≤4.5，开启升流式中和反应装置内的穿孔曝气管以强化过滤反应区的中和反应，促进石灰石滤料B表面结垢脱落；如曝气结束后的缓冲水池内pH≤4.5，则关闭***，换填升流式中和反应装置内的石灰石滤料A和石灰石滤料B后，再重复步骤（1）和步骤（2）。