专利名称：一种矿井涌水处理复用系统及其处理方法
技术领域：
本发明涉及废水处理及环境保护技术领域，尤其是涉及一种矿井涌水处理复用系统及其对应的水处理方法。
背景技术：
矿井涌水是典型的具有煤矿特点的工业废水，由于我国煤矿大多数分布于北方和西方干旱和半干旱地区，水资源匮乏，因此将矿井涌水处理后作为煤矿生产用水，可以缓解矿区用水紧张的状况。近30年来，我国在煤矿矿井涌水处理与利用方面取得了很大的成绩，但通常做法是将矿井涌水提升到地面进行处理后再通过管路系统输送至井下利用。这种方式在地面需要较大的场地建水处理设施，基建费用高，泵的提升费用和管道铺设的费用也较大。对井工开采的煤矿，矿井涌水在井下直接处理后作为生产用水，可以减少管路投资，同时节省排水费用。地面矿井水净化处理工艺通常为混凝沉淀(或澄清)_过滤-消毒工艺，系统复杂，不适合在煤矿井下狭小空间中使用。我国专利“煤矿采空区水的净化方法”(ZL02129397. X)直接将矿井涌水引导进入采空区，这种方法只能净化处理含悬浮物很低的矿井水，一般要求悬浮物含量小于200mg/L，甚至更低。而我国以综采为主的煤矿矿井涌水中的悬浮物含量通常为每升数百至上千mg，该类矿井涌水中含有大量以煤屑、岩粉为主的悬浮物，若直接引导进入采空区，非常容易在采空区前端沉降下来，造成淤积和堵塞，由于淤塞后的采空区无法疏通，从而大大缩短整个采空区的使用年限；有些采空区空间巨大，充填物岩石、矸石、残煤成份独特，矿井涌水进入采空区后要历经几十天至数月时间才流出采空区，期间发生复杂的物理化学反应，使出水中含有过量的铁、锰，给工业用水带来很大危害，必须进一步铁、锰后才能利用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种工艺流程短、无需投加水处理药剂、使用寿命长的矿井涌水处理复用系统及其处理方法，该种系统可有效处理矿井涌水中的悬浮物、胶体物质、铁、锰等，确保出水水质，采用的技术方案是一种矿井涌水处理复用系统，其特征在于所述矿井涌水处理复用系统包括预沉淀单元、采空区和曝气氧化过滤单元，矿井涌水经引导依次流经所述预沉淀单元、采空区和曝气氧化过滤单元。本发明的技术特征还有所述矿井涌水处理复用系统还包括依次相连接的清水池、变频供水系统和井下管网区，所述清水池连接在所述曝气氧化过滤单元之后，从所述井下管网区中引出生产用水。本发明的技术特征还有所述矿井涌水处理复用系统还包括依次相连接的滤池、清水池、变频供水系统和管网，所述曝气氧化处理单元处理后的矿井涌水经过提升泵提升后流入所述清水池中。本发明的技术特征还有所述预沉淀单元的底部铺设有用于沉泥矿车运动的轻轨本发明的技术特征还有所述曝气氧化过滤单元过滤滤料为天然锰砂或者石英砂。本发明的技术特征还有一种用于权利要求2所述的矿井涌水处理复用系统的矿井涌水处理方法，所述矿井涌水处理方法包括以下步骤
1)矿井涌水经引导进入到预沉淀单元，在所述预沉淀单元停留4-24小时后引出，以去除水中较大的悬浮物，使从预沉淀单元引出水的悬浮物小于< 200mg/L ；
2)预沉淀单元引出水进入到采空区，对水进行沉淀、过滤和吸附，进一步去除水中的悬浮物，使采空区引出水出水浊度〈20NTU ；
3)采空区引出水进入到曝气氧化过滤单元，在该单元中对水再次过滤，过滤滤料为天然锰砂或石英砂，使从曝气氧化过滤单元引出水出水浊度<1NTU，#< O. 3mg/L，锰
<O. lmg/L ；
4)曝气氧化过滤单元引出水依次流经清水池、变频供水系统和井下管网区，从所述井下管网区中引出生产用水。本发明的技术特征还有步骤3)中所述天然猛砂粒径为O. 6 2. Omm,石英砂粒径为O. 5 I. 2mm，滤料厚度为800 1200mm，滤速为5 7m/h，适合于采空区出水含铁量低于6. Omg/L、含猛量低于I. 5mg/L的水质。本发明的技术特征还有一种用于权利要求3所述的矿井涌水处理复用系统的矿井涌水处理方法，所述矿井涌水处理方法包括以下步骤
1)矿井涌水经引导进入到预沉淀单元，在所述预沉淀单元停留4-24小时后引出，以去除水中较大的悬浮物，使从预沉淀单元引出水的悬浮物小于< 200mg/L ；
2)预沉淀单元引出水进入到采空区，对水进行沉淀、过滤和吸附，进一步去除水中的悬浮物，使采空区引出水出水浊度〈20NTU ；
3)采空区引出水进入到曝气氧化过滤单元，在该单元中对水再次过滤，过滤滤料为天然锰砂或石英砂，使从曝气氧化过滤单元引出水出水浊度<1NTU，#< O. 3mg/L，锰
<O. lmg/L ；
4)曝气氧化过滤单元引出水先由提升泵提升后注入滤池，再依次经清水池、变频供水系统和管网区，从所述管网区中引出生产用水。本发明的技术特征还有步骤3)中所述天然猛砂粒径为O. 6 2. Omm,石英砂粒径为O. 5 I. 2mm，滤料厚度为800 1200mm，滤速为5 7m/h，适合于采空区出水含铁量低于6. Omg/L、含猛量低于I. 5mg/L的水质。本发明的有益效果在于1)在矿井涌水进入采空区前先通过预沉淀单元去除大部分以煤粉、岩屑为主的悬浮物，从而避免采空区前端被悬浮物淤积、堵塞，有效延长采空区使用年限；
2)采空区出水进入曝气氧化过滤单元，可以有效地去除矿井涌水中的铁、锰等物质，确保出水水质；
3)变频供水系统不仅能够确保井下管网所需的水量和水质，而且节省能耗；
4)整个矿井涌水复用系统流程简短、动力设备少、易于实现自动化；
5)本方法简便易行，成本低，效率高，水质净化效果好。
附图I是本发明实施例一工艺流程图，附图2是本发明实施例二工艺流程图。具体实 施方式下面结合附图，对本发明具体实施方式
进行说明。矿井涌水中含有的悬浮物主要包括煤粉、岩屑和粘土等，悬浮物含量通常在6kg/m3以下。预沉淀单元水力停留时间为4 24h,预沉淀单元断面多为井下常用的拱形巷道断面,断面为宽4mX高3m和宽5mX宽4m的拱形。矿井涌水通过预沉淀单元断面的流速小于O. 02m/s，通常粒径和比重较大的煤粉、岩屑和粘土等，在预沉淀单元中只受到颗粒本身在水中的重力水流阻力的作用，具有自由沉降的性质，可以在预沉淀单元中得以有效地去除，使预沉单元出水中悬浮物含量小于200mg/L。在预沉淀单元底部铺设有轻轨，便于定期清理预沉淀单元底部沉泥，通过矿车、皮带和提升设备输送到地面。我国煤矿以井工开采为主，煤层开采后形成采空区，大部分矿井采用全部跨落法处理顶板，不同粒径的煤层上履岩(砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩)、煤矸石、残煤、粘土和其它一些矿物颗粒构成采空区充填物，空间巨大，空隙、裂隙极为发育，具有较大的纳污能力。矿井涌水流经采空区时，流速很小，可以忽略不计，由于采空区内的填充物的特殊构造，矿井涌水中的悬浮物和胶体物质在沉淀、过滤、吸附等作用下被截留在采空区，从而使矿井涌水通过采空区得以净化，采空区出水浊度〈20NTU。选择采空区处理矿井涌水时，要求采空区要有良好的储水构造和储水条件，煤层底板及其下伏岩构成良好的隔水层，防止采空区透水事故发生，保证采空区集水区域不泄漏。矿井涌水中的铁以+ 2价或+ 3价氧化态存在，经过预沉淀后的矿井涌水流经采空区的过程中，由于缺少溶解氧，再加上采空区内岩石、煤矸、残煤等的物理化学作用，使矿井涌水和矿物质中的+3价铁和+4价的锰还原成为溶解性的+2价铁和+2价的锰，使矿井涌水流出采空区后铁锰含量较高。水中铁的含量高时，水有铁腥味，易出现黄色或棕黄色沉淀物，阻塞管道，有时会出现红水，严重影响矿井水的利用。曝气氧化过滤单元主要由曝气氧化池和滤池构成，曝气氧化池依靠煤矿井下巷道中的压缩空气，通曝气氧化池底部铺设备的穿孔曝气池或曝气头进行曝气，使
氧化生成, Μ*》氧化生成MiO2 ,再通过滤池将悬浮的mom!粒子和
^ 2沉淀物从水中分离出去，从而达到矿井涌水除铁、锰的目的。曝气氧化过滤单元通过
氧化吸附去除矿井水中的铁锰以外，还能进一步地去除残留的悬浮物和胶体物质。曝气氧化过滤单元适合于采空区出水含铁量低于6. Omg/L、含锰量低于I. 5mg/L的水，出水浊度
<1NTU，#< O. 3mg/Lji< O. lmg/L。曝气氧化过滤单元为压缩空气曝气，每立方米矿井涌水的需气量(以L计)，一般为原水+2价铁含量(以mg/L)的2 5倍。滤池滤料为天然猛砂或石英砂，猛砂粒径为O. 6 2. Omm,石英砂粒径为O. 5 I. 2mm,滤料厚度为800 1200mm,滤速为 5 7m/h。实施例一本矿井涌水处理复用系统包括依次相连接的预沉淀单元、采空区、曝气氧化过滤单元、清水池、变频供水系统和井下管网区，从井下管网区中引出生产用水。预沉淀单元的底部铺设有用于沉泥矿车运动的轻轨。曝气氧化过滤单元过滤滤料为天然锰砂或者石英砂。采用本系统进行矿井涌水处理的方法包括以下步骤
1)矿井涌水经引导进入到预沉淀单元，在预沉淀单元停留4-24小时后引出，以去除水中较大的悬浮物，使从预沉淀单元引出水的悬浮物小于< 200mg/L ；
2)预沉淀单元引出水进入到采空区，对水进行沉淀、过滤和吸附，进一步去除水中的悬浮物，使采空区引出水出水浊度〈20NTU ；
3)采空区引出水进入到曝气氧化过滤单元，在该单元中对水再次过滤，过滤滤料 为天然锰砂或石英砂，使从曝气氧化过滤单元引出水出水浊度<1NTU，#< O. 3mg/L，锰
<O. lmg/L ;天然猛砂粒径为O. 6 2. Omm,石英砂粒径为O. 5 I. 2mm,滤料厚度为800 1200mm，滤速为5 7m/h，适合于采空区出水含铁量低于6. Omg/L、含锰量低于I. 5mg/L的水质。4)曝气氧化过滤单元引出水依次流经清水池、变频供水系统和井下管网区，从井下管网区中引出生产用水。实施例二 本矿井涌水处理复用系统包括依次相连接的预沉淀单元、采空区、曝气氧化过滤单元、滤池、清水池、变频供水系统和管网，曝气氧化处理单元处理后的矿井涌水经过提升泵提升后流入清水池中。预沉淀单元的底部铺设有用于沉泥矿车运动的轻轨。曝气氧化过滤单元过滤滤料为天然锰砂或者石英砂。某煤矿矿井涌水一直稳定在350 550m3/h，井下复用水量最大为200 m3/h，处理复用系统进、出水水质如表I所示,矿井涌水自流进入预沉池,预沉池为3条宽4m、高3m、长IOOm的拱形平巷，巷道底部铺设轻轨以便清巷道底部沉淀装置和矿车进出，3条巷道当I条清泥时使用另外2条，水力停留时间为6 8h，在预沉巷道出水端设置高2米的挡水墙，矿井涌水在预沉巷道完成预沉淀去除颗粒和比重较大的悬浮物后，从挡水墙上方溢流进入采空区。该矿为井工开采，建矿以来以综合机械化放顶煤开采技术为主，煤层开采后形成巨大采空区，约120万m3，采空区充填物以不同粒径的岩石、煤矸石、残煤和粘土矿物组成，经预沉淀后的矿井涌水进入采空区后，在沉淀、截留、吸附和其它物理化学过程作用下，使得矿井涌水中的悬浮物和胶体物质在采空区内得以有效地去除。在采空区出水端的巷道内设置档水墙，采空区出水(浊度〈20NTU)从挡水墙的上方溢流进入曝气氧化过滤单元。本实施例中的曝气氧化过滤单元包括曝气氧化池、提升泵和滤池组成。曝气氧化池有效尺寸为10X4. 5X2. 23m，有效容积为100m3，水力停留时间为30min。曝气氧化池底部布置穿孔曝气管，采用压缩风机曝气，每立方米矿井涌水的需气量为10L。过滤采用压力式相互冲洗滤池，外形尺寸10. 5X2. 3X2. 25m,滤料为单层石英砂，粒径为O. 5 I. 2mm,滤料厚度为800 mm,滤速为5m。清水池容积为960m3,利用废弃的拱形巷道宽4m、高3m、长100m，并在两端设置挡水墙改造而成。变频供水系统由2台供水泵和控制系统组成，2台供水泵I用I备。表I某煤矿矿井涌水处理复用系统进、出水水质
权利要求
1.一种矿井涌水处理复用系统，其特征在于所述矿井涌水处理复用系统包括预沉淀单元、采空区和曝气氧化过滤单元，矿井涌水经引导依次流经所述预沉淀单元、采空区和曝气氧化过滤单元。
2.按照权利要求I所述的矿井涌水处理复用系统，其特征在于所述矿井涌水处理复用系统还包括依次相连接的清水池、变频供水系统和井下管网区，所述清水池连接在所述曝气氧化过滤单元之后，从所述井下管网区中引出生产用水。
3.按照权利要求I所述的矿井涌水处理复用系统，其特征在于所述矿井涌水处理复用系统还包括依次相连接的滤池、清水池、变频供水系统和管网，所述曝气氧化处理单元处理后的矿井涌水经过提升泵提升后流入所述清水池中。
4.按照权利要求2或3所述的矿井涌水处理复用系统，其特征在于所述预沉淀单元的底部铺设有用于沉泥矿车运动的轻轨。
5.按照权利要求2或3所述的矿井涌水处理复用系统，其特征在于所述曝气氧化过滤单元过滤滤料为天然锰砂或者石英砂。
6.一种用于权利要求2所述的矿井涌水处理复用系统的矿井涌水处理方法，其特征在于所述矿井涌水处理方法包括以下步骤 1)矿井涌水经引导进入到预沉淀单元，在所述预沉淀单元停留4-24小时后引出，以去除水中较大的悬浮物，使从预沉淀单元引出水的悬浮物小于< 200mg/L ； 2)预沉淀单元引出水进入到采空区，对水进行沉淀、过滤和吸附，进一步去除水中的悬浮物，使采空区引出水出水浊度〈20NTU ； 3)采空区引出水进入到曝气氧化过滤单元，在该单元中对水再次过滤，过滤滤料为天然锰砂或石英砂，使从曝气氧化过滤单元引出水出水浊度<1NTU，#< O. 3mg/L，锰<O. lmg/L ； 4)曝气氧化过滤单元引出水依次流经清水池、变频供水系统和井下管网区，从所述井下管网区中引出生产用水。
7.按照权利要求6所述的矿井涌水处理方法，其特征在于步骤3)中所述天然锰砂粒径为O. 6 2. Omm,石英砂粒径为O. 5 I. 2mm,滤料厚度为800 1200mm,滤速为5 7m/h,适合于米空区出水含铁量低于6. Omg/L、含猛量低于I. 5mg/L的水质。
8.一种用于权利要求3所述的矿井涌水处理复用系统的矿井涌水处理方法，其特征在于所述矿井涌水处理方法包括以下步骤 1)矿井涌水经引导进入到预沉淀单元，在所述预沉淀单元停留4-24小时后引出，以去除水中较大的悬浮物，使从预沉淀单元引出水的悬浮物小于< 200mg/L ； 2)预沉淀单元引出水进入到采空区，对水进行沉淀、过滤和吸附，进一步去除水中的悬浮物，使采空区引出水出水浊度〈20NTU ； 3)采空区引出水进入到曝气氧化过滤单元，在该单元中对水再次过滤，过滤滤料为天然锰砂或石英砂，使从曝气氧化过滤单元引出水出水浊度〈1NTU，铁< O. 3mg/L,锰<O. lmg/L ； 4)曝气氧化过滤单元引出水先由提升泵提升后注入滤池，再依次经清水池、变频供水系统和管网区，从所述管网区中引出生产用水。
9.按照权利要求8所述的矿井涌水处理复用系统的矿井涌水处理方法，其特征在于步骤3)中所述天然猛砂粒径为O. 6 2. Omm,石英砂粒径为O. 5 I. 2mm,滤料厚度为800 1200mm，滤速为5 7 m/h，适合于采空区出水含铁量低于6. Omg/L、含锰量低于1.5mg/L的水质。
全文摘要
本发明公开了一种矿井涌水处理复用系统及其处理方法，采用技术方案是矿井涌水处理复用系统，所述矿井涌水处理复用系统包括预沉淀单元、采空区和曝气氧化过滤单元，矿井涌水经引导依次流经所述预沉淀单元、采空区和曝气氧化过滤单元。有益效果在于在矿井涌水进入采空区前先通过预沉淀单元去除大部分以煤粉、岩屑为主的悬浮物，从而避免采空区前端被悬浮物淤积、堵塞，有效延长采空区使用年限；采空区出水进入曝气氧化过滤单元，可以有效地去除矿井涌水中的铁、锰等物质，确保出水水质；整个矿井涌水复用系统流程简短、动力设备少、易于实现自动化；本方法简便易行，成本低，效率高，水质净化效果好。
文档编号C02F103/10GK102616957SQ20121008605
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月28日 优先权日2012年3月28日
发明者周如禄, 周金平, 张广学, 杨建华, 杨建超, 赵艳斌, 郭中权 申请人:兖州煤业股份有限公司, 煤炭科学研究总院杭州环保研究院