超磁分离技术在井下矿井水处理中的应用

Posted 2023-01-12 工艺

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超磁分离净化技术是自主创新的国际先进技术，是科技部2006年国家火炬计划项目，是国家发改委2007年鼓励推广的环保产业技术。该技术最早应用于冶金行业，近年来在煤炭行业井下排水处理上开始得到大力推广；论文结合实际工程，从超磁分离技术核心设备工作原理、水处理工艺设计及与其他传统矿井水处理工艺比较等多方面进行了探讨。
1.技术背景
我国矿井水净化处理技术起始于20世纪70年代未，已有三十多年的历史。根据矿井水固体悬浮物(煤泥)、溶解性总固体含量大的特点，通常采用物理方法进行处理；已投入使用的净化处理技术主要有沉淀、混凝沉淀、混凝沉淀过滤、絮凝反应沉淀等，这些技术主要利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，水力停留时间长，底泥(煤泥)含水率高，对场地、池容的要求很大；近年来，随着水处理技术的不断进步，出现了絮凝斜板沉淀和高效迷宫斜板沉淀等水处理净化工艺，但仍然是重力沉降的一种形式，没有从根本上解决占地大、水力停留时间长以及底泥的高含水率问题。
目前，为了减少项目建设用地和投资、降低井下水仓清仓费用及井下排水泵磨损、减少寒冷地区防寒费用、避免矿井水处理造成地面二次污染等，现在已经有越来越多的煤矿将矿井水处理站设置在井下。然而常规的混凝沉淀、絮凝反应沉淀等工艺仍未克服占地大的问题，导致水处理硐室长、矿建费用高；超磁分离净化水技术的出现，有效解决了上述问题，其在井下矿井水处理方面得到了越来越广泛的应用。
2.超磁分离技术简介
超磁分离净化设备由一组强磁力稀土磁盘打捞分离机械组成，其结构如图1所示。当流体流经稀土磁盘组之间的流道时，流体中所含的磁性悬浮絮团受到强磁场力的作用，吸附在磁盘盘面上，随着磁盘的转动，逐渐从水体中分离出来。待悬浮物脱去大部分水分，运转到刮渣装置时，形成隔磁卸渣带，由刮渣刨机构轮刮入螺旋输送装置，产生的废渣自流进入磁分离磁鼓。处理后的废水从出水口流出，完成净化过程。被刮去渣的磁盘又重新转入水体，形成周而复始的超磁分离净化水体的全过程。

3.工艺流程设计
煤矿井下排水一般主要来源于地下煤层、岩层涌水，其流经采掘工作面，伴随煤炭开采过程使涌水受到污染，矿井水中的主要污染物为悬浮物和化学需氧量(COD)，悬浮物中主要包含煤粉、岩粉和粘土等，其具有悬浮物差异大、比重轻、沉降速度慢等特点。本文以已实施运行的内蒙古鲁新矿井井下矿井水处理站为题材，进行超磁分离技术工艺流程设计简要说明。
3.1水质及处理规模
鲁新矿井井下正常排水量为1940m3/h，最大排水量为4000m3/h，水处理站位于井下+570m水平水仓附近，一期建设规模为1400m3/h，二期规模达到2800m3/h。水处理主要设备按一期1400m3/h的规模设计，辅助设备按两期考虑，水处理硐室一期全部建成。鲁新矿井进水水质为：COD≤300mg/L、SS≤1000mg/L、pH=6～9；出水水质：SS≤10mg/L、COD≤50mg/L、pH=6.5～8.5。
3.2工艺流程
根据该工程井下涌水量大，水质污染较严重，悬浮物含量高的特点，结合井下硐室情况，选用“预沉+超磁分离"处理工艺，该工程主体工艺如图2所示。井下排水由巷道排水沟收集并经格栅除去大块杂物后自流入预沉池，预沉池出水进入混凝系统配水渠，经闸板阀的开启调节进入混凝系统，在混凝系统中加入混凝剂、磁种及助凝剂充分反应后，自流进入超磁分离系统核心设备超磁分离机中进行固液分离，超磁分离机采用稀土永磁材料产生高强磁场使得絮凝体产生定向运动，被吸附在磁盘表面刮出，从而使水体得到净化，净化后的水排入水仓，然后泵至地面作为地面生产系统用水、井下消防洒水和300万t褐煤提质项目生产用水。超磁分离机中刮出含磁性磁种的污泥，进入到磁分离磁鼓中进行磁种与污泥的分散和磁种稀释回收，使磁种在超磁分离系统中循环利用。经过分离后的非磁性污泥从磁鼓机排出，进入到污泥池进行存储和量的调节，污泥定期由螺杆泵送入板框压滤机进行脱水，脱水后滤液自流入预沉池，压滤后的泥饼由无轨车运出。

3.3主要水处理构筑物及设备
预沉池一座，分三格，每座长18m，宽4.7m，深5m。混凝池分三格设置，一格为混合池，两格为反应池；混合池尺寸为长1.8m，宽1.8m，深2.1m；单格反应池尺寸为长3.2m，宽3.2m，深2.7m。污泥池一座，每座长4.5m，宽4.5m，深4.5m。CSMD-17000型超磁分离机两套，处理水量700m3/h，功率5.5kW。HCG-17000型磁分离磁鼓机两套，磁种回收率≥90%，功率7.55kW。矿用板框压滤机一套，过滤面积400m2，功率6.2kW。
4.超磁分离技术处理矿井水的优势
1)磁分离时间短。磁分离工艺与传统的絮凝沉降最主要的区别在于：传统的絮凝沉降工艺是在加药絮凝后形成大絮团，靠重力沉降，需要较长的沉降时间，所需要设施容积大；磁分离技术因采用稀土钕铁硼，其表面产生磁力是重力的640倍以上，能快速地捕捉到微磁性絮团，整个分离过程不到1min，分离时间远远小于沉降分离时间。
2)与磁分离工艺配套的混凝系统用药量少。磁分离工艺不靠重力沉降，磁盘表面磁场的场强和梯度高，少量的药剂就能形成较大的絮团，投加药量是传统工艺的1/3～2/3。
3)设备占地少，处理量大。与传统处理方法相比，设备分离时间短，设备占地少，设备处理能力取决于磁盘数量的多少，水量增加，相应的磁盘数量增加。以鲁新矿井为例，其井下巷道工程量仅为传统水处理工艺的1/4。
4)出渣污泥浓度高。磁分离设备分离悬浮物的方法有别于重力沉淀，前者是靠磁力把絮团吸出水面，完全实现渣与水的分离，后者是沉淀后由泵抽出，含有大量的水。磁分离设备的出渣含量可达70000mg/L，可直接进板框或卧螺离心机脱水处理。
5)设备节能。设备采用稀土永磁材料，主体设备主辅电机总功率不超过3kW。以鲁新矿井为例，整个水处理系统设施吨水的电耗成本小于0.04元，吨水处理成本为0.16元，与同类规模传统水处理工艺比较每年节省运行费用约150万元。
5.结论
1)超磁分离净化技术是具有单台设备稀土聚磁能力强、处理量大、水质稳定、维护管理方便等特点。另外，该技术工艺设置较为灵活，可以根据回用水质要求增加过滤或反渗透环节，也可根据矿井所处地区气候条件或地面用地指标考虑设置在井上或井下。
2)矿井井下排水量大，地面用地指标较小的矿井，超磁分离净化技术优势越明显。尤其在寒冷地区，所有水处理构筑物和设备均设置在井下，省去了防寒构筑物的建设投资和冬季采暖费用，以鲁新矿井为例，与同类规模传统水处理工艺相比能节约建设投资约2000万元。
3)本文结合已实施运行的鲁新矿井井下水处理站，从超磁分离技术核心设备工作原理、技术特点、水处理工艺设计及与其他传统矿井水处理工艺比较等多方面进行了探讨；希望通过本文对超磁分离技术工艺的设计及运用分析，能为同行在进行矿井水处理、特别是在井下处理矿井水时提供借鉴和帮助。