一种污水净化系统、污水处理系统和污水的处理方法与流程

1.本发明涉及水处理领域，具体涉及一种污水净化系统、污水处理系统和处理污水的方法。


背景技术：

2.矿井水作为非常规水资源近年来越来越受到重视，尤其在晋、陕、蒙、宁、甘等西部煤炭主产区，由于水资源短缺严重制约了煤炭上下游产业的发展，已大力开展了矿井水利用工作。随着《水污染防治行动计划》(水十条)的深入开展，对矿井水监管在逐渐加强，目前形势下，矿井水不管是外排还是利用，都必须处理达标。
3.矿井水分类中有一个重要类型就是含特殊组分矿井水，常见的含特殊组分矿井水主要有高氟矿井水和含重金属矿井水，目前绝大部分煤矿采用的“絮凝—沉淀—过滤”处理工艺无法有效去除这些特殊组分。有部分煤矿通过增加吸附工艺，利用吸附材料的吸附作用去除矿井水中的氟化物和重金属。
4.但这种吸附处理方法有较大缺陷，首先，目前常用的产品级高效吸附材料普遍价格较高，造成处理成本一直居高不下。其次，吸附材料在使用一段时间后，逐渐趋向吸附饱和并最终丧失工作能力，此时就必须对失效吸附剂进行再生处理，而目前常见的方法是使用强碱或强酸对吸附材料再生，产生含高浓度污染物的废液和污泥，很多属于危险废弃物，同时吸附材料再生多次淘汰后，很多也属于危险废弃物，处置较为困难。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种污水净化系统，该污水净化系统包括填充有吸附材料的煤矿地下水库，通过吸附材料和煤矿地下水库的配合使用，能够去除污水中的污染物，尤其是能够去除污水中的氟化物和重金属。
6.本发明的目的之二在于提供一种与目的之一相对应的污水处理系统。
7.本发明的目的之三在于提供一种与上述目的相对应的应用。
8.本发明的目的之四在于提供一种与上述目的相对应的污水的处理方法。
9.为实现上述目的之一，本发明采取的技术方案如下：
10.一种污水净化系统，其包括填充有吸附材料的煤矿地下水库，
11.其中，所述吸附材料选自沸石类矿物、黏土类矿物和固体废弃物中的一种或多种。
12.本技术的发明人经研究发现，填充在煤矿地下水库中的吸附材料能够与煤矿地下水库中存在的破碎岩体产生协同作用，能够更有效地净化污水。并且，由于在将吸附材料填充到煤矿地下水库时，通常采用前部采煤、后部填充的方式，将吸附材料填入采空区后，吸附材料不但能起到净化污水的目的，还能实现减少开采破坏和地表沉陷的作用。
13.在本发明的一些优选的实施方式中，所述沸石类矿物选自方沸石、钙沸石、片沸石、钠沸石、菱沸石、和丝光沸石中的一种或多种，所述黏土类矿物选自高岭土、膨润土、蒙脱石、蛭石和埃洛石、海泡石、坡缕石和伊利石中的一种或多种，所述固体废弃物选自粉煤
灰、炉渣、氧化铝赤泥、采矿废石、混凝土废渣和建筑废料中的一种或多种。
14.根据本发明，沸石类矿物和黏土类矿物在自然界中分布广泛、储量大且价格低廉，固体废弃物更是价廉易得，以这些物质作为吸附材料，一方面可以降低成本，另一方面可以在吸附材料吸附饱和后不再生，可直接排入井下采空区或废弃巷道，或者作为井下黄泥灌浆材料，避免了吸附材料再生的缺陷。尤其是粉煤灰和炉渣的利用还起到了“以废治废”的作用，同时解决了粉煤灰的处理难题。
15.根据本发明，对所述固体废弃物进行物理化学改性处理后，能够使固体废弃物具有更好的离子交换性和吸附性，可以进一步提高净化效率。所述物理化学改性处理的方式包括但不限于酸改性、碱改性、火法改性、氧化物混合改性和矿物改性中的一种或多种。
16.在本发明的一些优选的实施方式中，所述吸附材料的粒径为0.01mm～1mm。
17.根据本发明，为了增加吸附材料与污水例如矿井水的接触面积从而提高吸附效果，吸附材料一般选用颗粒状或粉末状，同时由于主要目的不是为了避免沉陷破坏，对填充密实度没有要求，因此当采空区倾角大时，可采用自溜来完成填充，当采空区倾角小时可采用风力填充工艺，将吸附材料通过管路吹入采空区。相对传统的矸石填充，吸附材料的填充工艺较为简单，易于实现。
18.在本发明的一些优选的实施方式中，所述吸附材料的充填率为10％～50％。
19.在本发明的一些具体的实施方式中，所述吸附材料的充填率为20％～40％。
20.在本发明的一些具体的实施方式中，所述吸附材料的充填率为25％～35％。
21.根据本发明，所述吸附材料的充填率可以列举为10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％以及它们之间的任意值。
22.根据本发明，所述充填率指填充的吸附材料相对于采出的煤矿的重量百分比。
23.在本发明的一些优选的实施方式中，所述煤矿地下水库的长度为500m～3000m；和/或所述煤矿地下水库的倾角为0
°
～15
°
。
24.在本发明的一些具体的实施方式中，所述煤矿地下水库的长度为1500m～2500m，优选地，所述煤矿地下水库的长度为1800m～2200m。
25.在本发明的一些具体的实施方式中，所述煤矿地下水库的倾角为0
°
～5
°
，优选为0
°
～2
°
。
26.根据本发明，煤矿地下水库是由井下采空区加以改建，利用煤柱与人工坝体形成地下储水库。煤矿地下水库具有面积大、储水量大、可人工控制矿井水在库内的停留时间的特点，并且库内破碎岩体通过过滤、吸附和交换作用对矿井水有很好的净化作用。
27.为实现上述目的之二，本发明采取的技术方案如下：
28.一种污水处理系统，其包括依次连接的上述的污水净化系统和吸附装置，其中，所述吸附装置内填充有所述吸附材料。
29.根据本发明，吸附装置能够对从污水净化系统中流出的经污水净化系统处理的水进行再次处理，进一步去除残存的污染组分，达到与污水净化系统协同的作用。
30.在本发明的一些优选的实施方式中，所述吸附装置选自吸附罐、吸附床和吸附塔中的一种或多种。
31.根据本发明，当以吸附罐作为吸附装置时，吸附罐的数量和连接方式不受限制，例如吸附罐的数量可以是一个或多个，连接方式可以是串联或并联，本领域技术人员可以根
据需要进行选择。
32.根据本发明，吸附装置中填充的吸附材料与煤矿地下水库中填充的吸附材料可以相同也可以不同。
33.在本发明的一些优选的实施方式中，所述吸附材料在所述吸附装置内的填充量为100m3～5000m3。
34.根据本发明，吸附装置可以设置在井下巷道中。
35.为实现上述目的之三，本发明采取的技术方案如下：
36.一种上述的污水净化系统或上述的污水处理系统在水处理领域尤其是矿井水的处理领域中的应用。
37.为实现上述目的之四，本发明采取的技术方案如下：
38.一种污水的处理方法，包括下述步骤：
39.将待处理的污水通入上述的填充有吸附材料的煤矿地下水库或上述的污水处理系统中所述的填充有吸附材料的煤矿地下水库，从而在所述填充有吸附材料的煤矿地下水库的出口处或所述吸附装置的出口处得到净化水。
40.根据本发明，所述净化水可以在井上用作生产、生活、生态用水、井下抑尘、消防等综合利用。
41.根据本发明，吸附材料吸附饱和后可以转移至井下采空区或废气巷道内存放，也可以作为井下黄泥灌浆材料。
42.在本发明的一些优选的实施方式中，所述待处理的污水在所述填充有吸附材料的煤矿地下水库中的停留时间为1h～48h，优选为2h～24h；和/或所述待处理的污水在所述吸附装置中的停留时间为0.1h～5h，优选为0.1h～2h。
43.在本发明的一些优选的实施方式中，所述待处理的污水为矿井水。
44.在本发明的一些优选的实施方式中，所述矿井水中，氟化物的含量为1mg/l～10mg/l；和/或重金属的含量为0.1mg/l～5mg/l。
45.在本发明的一些优选的实施方式中，所述重金属选自汞、铅、镉、铬和锌中的一种或多种。
46.本发明的有益效果至少在于以下几个方面：
47.(1)传统吸附法在吸附剂吸附饱和后需要使用强碱或强酸对失效吸附剂进行再生处理，会产生含高浓度污染物的废液和污泥，很多属于危险废弃物，同时吸附材料再生多次后需要淘汰，淘汰的吸附材料很多也属于危险废弃物，处置较为困难。本发明采用一次吸附不再生的方法，将废弃吸附剂固定于采空区或废弃巷道中，完全避免了吸附剂再生的缺陷。
48.(2)本发明采用的一次吸附不再生的方法，支持选用廉价的天然矿物或粉煤灰等作为吸附材料，可降低矿井水处理成本。尤其适合选用粉煤灰，能起到“以废治废”的作用，同时解决了粉煤灰的处理难题。
49.(3)本发明提出的处理方法全在井下，与传统矿井水地面处理方法相比，节省了对地面空间的占用。
50.(4)煤矿地下水库具有储水容量大、水力停留时间可调控、有自净化作用等特点，可实现大规模、低成本处理矿井水。
51.(5)由于吸附材料填充进入采空区，还有减少地表沉陷的作用。
附图说明
52.图1是本发明实施例1的工艺流程图。
53.图2是本发明实施例1的吸附材料充填示意图。
54.图3是本发明实施例1的煤矿地下水库内破碎岩体与吸附材料协同净化矿井水示意图。
55.图4是本发明实施例1的吸附装置净化矿井水示意图。
56.图5是本发明实施例1的废弃吸附材料处理步骤示意图。
57.图6是本发明实施例1的出水水质柱状图。
58.图7是本发明实施例2的出水水质柱状图。
具体实施方式
59.以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。
60.实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购途径获得的常规产品。
61.实施例1
62.如图1所示，本实施例所用到的设施设备包括：填充了粉煤灰的煤矿地下水库、用以填充粉煤灰的风力填充设备、由3个吸附罐组成的吸附装置、井下清水仓、用于将废弃吸附剂与矿井水进行混合的混合池。
63.本实施例应用地点为西部某大型煤电基地的现代化千万吨级矿井。该矿每天产生井水约5000m3，矿井水存在氟化物超标问题，氟化物浓度约3.2mg/l，而该矿允许的排放与生态回用的氟化物浓度标准为1.0mg/l。该矿现有的“混凝—沉淀—过滤”处理无法有效降低氟化物浓度，因此利用本发明来处理矿井水。
64.第一个步骤为吸附材料充填入库，图2为吸附材料充填示意图。吸附材料的选择上，由于一次吸附无需再生，对材料耐用性等要求不高，本实施例选择以电厂粉煤灰(粒径为0.01～0.1mm，未经改性处理)作为吸附材料。大量的研究与实践结果表明粉煤灰具有良好的离子交换性和吸附性，对矿井水中的氟化物具有很好的吸附效果。由于位于大型煤电基地，附近就有电厂的粉煤灰堆场，仅需较低的运费成本就可获取大量粉煤灰。由于粉煤灰的颗粒细、轻，适合风力充填工艺，利用具有一定压力和一定初速度的空气流作为动力源，通过管道将粉煤灰吹入采空区进行充填。风力充填已有成熟的设备与工艺，实现较为简便，充填成本低廉。该矿开采面长度约2000m，宽度100m，采高7m，可采出约为140万m3的煤炭，按30％充填率计算，可充入约42万m3粉煤灰。
65.第二个步骤为煤矿地下水库内净化。井下产生的矿井水经过简单收集后，通过水泵送入煤矿地下水库。库内破碎的岩体和粉煤灰首先对矿井水起到过滤作用，有效降低矿井水中的悬浮物，图3为煤矿地下水库内破碎岩体与吸附材料协同净化矿井水示意图。随着矿井水、破碎岩体和粉煤灰充分接触，他们之间发生吸附与交换作用，可有效降低矿井水中的氟化物浓度。粉煤灰对氟离子的吸附机理如式(1)所示：
66.(al2o3)n
·
h2so4+2f-→
(al2o3)n
·
2hf+so
42-ꢀꢀꢀ
式(1)
67.吸附能力：根据langmuir模型(如式(2)所示)计算得到粉煤灰在20℃条件下的理
论最大饱和吸附量为qmax＝0.62mg/g。
[0068][0069]
其中，qe为氟离子的平衡吸附量，mg/g；qm为最大饱和吸附量，mg/g；ce为氟离子的平衡浓度，mg/l；b为langmuir的常数。
[0070]
每天5000m3矿井水全部注入煤矿地下水库，矿井水在库内平均停留约8小时，对出库水连续运行监测，出库水的平均氟化物浓度可降低至约1.2mg/l(如图6所示)。库内粉煤灰约在4个月左右后达到吸附饱和，此时已有新的工作面完成开采并充填了粉煤灰，可作为新的用来处理矿井水的煤矿地下水库。
[0071]
第三个步骤为库后强化处理，示意图如图4所示。矿井水经过煤矿地下水库的净化后，氟化物浓度已有效降低至1.2mg/l，但仍然超出1.0mg/l的标准要求。流出煤矿地下水库的矿井水，通过水泵注入井下强化吸附装置(即井下强化吸附处理装置)，本实施例使用3个圆柱形的吸附罐串联组成井下强化吸附装置，每个圆柱吸附罐高5m，底面积48m2，可装240m3吸附材料。吸附材料选用粒径为0.5-1mm的小颗粒状的经聚合硫酸铁(pfs)改性的改性沸石，吸附能力根据式(2)所示的langmuir模型计算最大饱和吸附量为9.72mg/g，矿井水在罐体内停留约0.5小时吸附率约为56％，可将矿井水中氟化物浓度降低至0.6mg/l(如图6所示)。满足井下生产、矿区生态浇灌或者外排水质要求。
[0072]
第四个步骤为废弃吸附材料处理，示意图如图5所示。井下强化吸附装置每天处理5000m3矿井水，使用的改性沸石吸附材料约10天左右达到吸附饱和，此时吸附材料不再生处理，而是直接更换新的吸附材料。更换下来的废弃吸附材料排入专门设置的混合池，在池中与地下水库流出的矿井水进行混合，由于吸附材料选用的小颗粒状形态，与水混合后可利用污泥泵排入采空区或废弃巷道，或者作为井下黄泥灌浆材料。
[0073]
实施例2
[0074]
实施例2采用与实施例1相同的净化系统和净化方法，不同之处仅在于矿井水中氟化物浓度由3.2mg/l提高到6.1mg/l。由于氟化物浓度的提高，粉煤灰对氟化物的吸附率也相应有所提高，矿井水在库内平均停留约8小时之后，出库水的氟化物浓度可降低至约3.3mg/l，矿井水在罐体内停留约1.5小时，可将矿井水中氟化物浓度降低至0.9mg/l，出水水质特征如图7所示。
[0075]
对比例1
[0076]
对比例1考察在填充吸附材料之前，实施例1中的煤矿地下水库对矿井水的处理能力。
[0077]
对比例1中采用的吸附系统即实施例1中的尺寸为“矿开采面长度约2000m，宽度100m，采高7m”的煤矿地下水库。将与实施例1相同的氟化物浓度约3.2mg/l的矿井水约5000m3通入对比例1中的煤矿地下水库，矿井水在库内平均停留约8小时之后，出库水的氟化物浓度降低至2.9mg/l。
[0078]
对比例2
[0079]
对比例2考察粉煤灰吸附氟离子的能力。
[0080]
将80g的实施例1中采用的粉煤灰置于100ml烧杯中，之后向烧杯中加入50g的实施
例1中所采用的矿井水，此时矿井水的液面在粉煤灰的下方，与粉煤灰充分接触(状态与实施例1中相似)。静置8小时之后，矿井水的氟化物浓度由3.2mg/l降低至约1.9mg/l。
[0081]
对比例3
[0082]
对比例3设置为基本上与对比例1相同，不同之处仅在于对比例3中采用的矿井水与实施例2中的相同。具体地，将与实施例2相同的氟化物浓度约6.1mg/l的矿井水约5000m3通入对比例1中的煤矿地下水库，矿井水在库内平均停留约8小时之后，出库水的氟化物浓度降低至5.6mg/l。
[0083]
对比例4
[0084]
对比例4考察粉煤灰吸附氟离子的能力。
[0085]
将80g的实施例2中采用的粉煤灰置于100ml烧杯中，之后向烧杯中加入50g的实施例2中所采用的矿井水，此时矿井水的液面在粉煤灰的下方，与粉煤灰充分接触(状态与实施例2中相似)。静置8小时之后，矿井水的氟化物浓度由6.1mg/l降低至约4.2mg/l。
[0086]
比较实施例1和对比例1-2的数据以及实施例2和对比例3-4的数据可知，将粉煤灰填充到煤矿地下水库后，能够利用煤矿地下水库与粉煤灰之间的协同作用，提高除氟效果。
[0087]
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。