超磁分离技术在矿井水处理中的应用

Posted 2023-01-12 水处理

篇首语：其实最美好的日子就是，我对你闹，你对我笑。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了超磁分离技术在矿井水处理中的应用相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

我国以悬浮物为主要去除对象的矿井水处理技术起始于20世纪70年代末，目前，常规的净化处理技术主要是混凝、沉淀、过滤，均采用重力沉降原理对水体的悬浮物进行分离。其主要缺点是占地面积大，水力停留时间较长，由于底泥(煤泥)含水率高、体积大，因此对净化池容积的要求高。超磁分离水处理技术是目前应用于矿井水处理的一种新工艺，其具有占地面积小，出水水质好，泥水分离速度快等诸多优点，在矿井水处理方面具有广阔的前景。基于磁分离技术的诸多优点，本文从理论上深度剖析磁分离技术去除悬浮物的原理，在实地调研磁分离水处理技术在水处理领域中应用现状的基础上，总结磁分离水处理技术的优缺点和适用条件，以便为矿井水处理站的设计提供充分的技术指导及依据。
1.超磁分离净化工艺处理矿井水的流程及案例
1.1 工艺原理
矿井水首先经格栅去除水中粒径较大的悬浮物后进入预沉调节池，水中大颗粒及密度较大的物质在预沉池中沉淀下来。预沉池设有污泥泵，定期将其底部泥斗中沉淀的污泥排入污泥池，再由污泥泵送至压滤机脱水，脱水后的干泥制成泥饼外运。预沉后出水进入超磁分离混凝系统，此混凝系统通过投加磁种(稀土永磁体)和混凝剂、助凝剂(PAC、PAM)，使悬浮物在较短时间内形成以磁种为载体的“微絮团"。最后经过混凝之后的水进入超磁分离机通过磁吸附进行固液分离，去除水中的悬浮物，使出水水质达到设计出水指标。
超磁分离系统的工作原理为：超磁分离机采用了稀土永磁强磁性材料，通过聚磁技术，其磁盘可产生大于重力640倍的磁力，瞬间(<0.1s)能吸住弱磁性物质，平行磁盘间水的过流速度可达到300～1 000m/h，实现微磁絮团与水的快速分离，水流经过整个超磁分离机的时间<30s，实际经过磁盘的时间<15s。超磁分离机分离出的煤泥，由超磁分离机的卸渣装置刮下进入磁分离磁鼓，在磁鼓的高速分散区将磁种和非磁性悬浮物分散，由磁鼓对磁种进行吸附回收，再经脱磁处理后磁种由泵打入前端的混凝系统，进入下一次循环使用；而煤泥则排入污泥中转池，再由污泥中转泵输送至污泥池中，污泥通过污泥泵进入厢式压滤机脱水后制成泥饼外运。
1.2 应用案例(见表1)

2.超磁分离净化工艺与传统工艺的对比
将以超磁分离技术为核心的井下预沉、地面“混合+絮凝+磁分离+过滤+消毒"工艺与传统的井下预沉、地面“混合+絮凝+沉淀(迷宫斜板)+过滤+消毒"工艺进行对比：①前者的微磁絮凝作用比普通絮凝所需时间短2/3，因为超磁力是重力的数百倍，超磁分离水处理技术的处理速度较后者快，水力停留时间与后者的约30min相比大幅缩短至8min，工程占地面积大大缩小；②前者的核心单元是利用稀土永磁材料的高强磁能积，对废水中悬浮微粒赋予磁性，絮凝后被高强磁场力吸附从而实现固液分离，而后者的核心单元迷宫斜板沉淀池中含颗粒的水流入斜板区后，由于翼片的作用，水流被分为平流、紊动涡流和环流，在涡流区中的颗粒随着涡流被输送到下游翼片附近，涡流与该叶片顶部发生碰撞，部分颗粒进入迷宫内，随宫内环流，沿着斜板滑落到池底，从而依靠重力作用进行固液分离，达到水质净化目的；③为了防止粘附于斜板，后者要求进水含油量不能太高，而进水含油量对于前者则无影响，因此超磁分离工艺出水水质更加稳定，便于维护；而传统工艺因长期运行后排泥系统容易堵塞，出水水质不稳定；④前者的排放污泥的含水率较后者低，无需后续设置污泥浓缩池，进一步节省了基建费用。以处理规模为600m3/h的矿井水处理站为例，对超磁分离净化工艺与传统混凝沉淀技术(以迷宫斜板为例)进行经济指标对比，结果见表2、表3。

综上所述，与传统工艺相比，超磁分离技术停留时间短、药剂添加量少、剩余污泥含水率低、占地面积小、初期土建工程投资较小，虽设备投资较高，但总投资较低且后期运行维护费用低。
3.超磁分离净化工艺设计关键问题
3.1 主要技术参数
井下预沉阶段，水力停留时间10min；混合反应池水力停留时间5min。对于原水SS<2 000mg/L的处理站，PAC投加量<50mg/L，PAM投加量<2mg/L，磁粉损耗量为0.01kg/m3。以处理规模为600m3/h的井下处理站为例，处理成本约为0.18元/m3。
以规模600m3/h的矿井水处理站为例，采用超磁分离工艺，其超磁分离单元主要设计参数见表4。

3.2 井下建站的优缺点
由于井下建站具有诸多优势，目前已建成的超磁分离处理站均设置在井下。井下建站的优点有：①最大限度解决井下水仓清淤难题，降低井下水仓清淤作业的安全风险(经超磁分离设备处理后，井下水仓的清淤可延缓至10年以上)；②实现清水上井，大大降低泵力提升系统和管路系统的运行负荷，省电节能；③井下作业用水(防尘、降温、冷却、消防等)直接回用，改变了重复上井并再回灌井下的状况，经济价值突出；④因设备占地面积很小，能充分利用现有井下巷道场地，矿建工程量小，节省投资；⑤污泥脱水上井，实现资源化利用，有附带经济效益。
但是经考察分析井下建站也存在以下缺点：①将矿井水处理站布置在井下，水处理站布置对巷道岩性有要求，在井下挖掘巷道，施工难度大；②安全性差，一旦井下发生意外，设备损失大；③需向井下运送水处理站所需的磁粉、混凝剂及絮凝剂，运行维护困难；④预沉环节水力停留时间短，调节容量小，系统抗冲击负荷能力差；⑤操作人员在井下工作，工作条件差，不利于工人身体健康，不适合女工工作，工人工资高。
3.3 设计注意事项
综合调研结果与实际设计体验，笔者总结了应用超磁分离技术时的注意事项：因矿井水原水水质受开采方式、辅助运输方式等因素影响，水量水质波动较大，瞬时悬浮物浓度较高，严重时可高达10 000mg/L以上，故在废水进入磁分离设备前增设水力停留时间较长的调节池是必需的。调研显示，目前设于井下的调节池水力停留时间仅为10min，不仅降低了系统的抗冲击负荷能力，且增加了井下建站的风险性，但是在井下建设大规模的调节池反而会大大增加初期巷建工程的投资。经以上综合考虑，建议在应用磁分离技术时采用井下预沉，控制预沉阶段水力停留时间为10min，矿井水提升至地面后在进入调节池，调节池水力停留时间为2h。原则上，在矿井水处理站的设计中，经调节池沉淀后悬浮物浓度小于2000mg/L时，可优先考虑选用超磁分离技术。从运行管理的便捷性及安全性考虑，处理站的布置形式建议采用井下、地面联合布置方案，即井下“预沉"+地面“混合+絮凝+磁分离+过滤+消毒"工艺。
4.结语
综合分析超磁分离技术的优缺点及运行管理的便捷性与安全性后，井下预沉+地面“混合+絮凝+磁分离+过滤+消毒"的联合布置方案是矿井水预沉后悬浮物浓度小于2 000mg/L的废水净化的最佳选择。因井下建站预沉环节的水力停留时间短、系统抗冲击负荷能力弱且安全性差，超磁分离技术的普及尚有待开发。如何降低此项技术的一次性设备投入费用，增强市场竞争力，是制约其发展的关键因素，也是进一步研究的重点。