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山东省：兖州矿区矿井水资源的净化与利用

（水业中国网上海工作站4月2日讯）水资源是极其宝贵的，即使是井下的矿井污水也不能白白的浪费掉。山东省兖州矿业（集团）有限责任公司及其下属各矿没有简单地将矿井水向地面排放，他们与有关科研单位协作攻关，在矿井水的净化与利用方面取得了很大的成效。

1 矿井水净化处理

1）矿井水的净化与应用

兖州矿业（集团）公司南屯煤矿是1973年建成的大型矿井。经过改造和扩建，现在已经成为年产原煤400万t的特大型矿井。随着生产和建设规模的扩大，工业和生活用水的需求量日益增加。作为其重要供水水源的第四系冲积层水，亦为本地工农业的主要供水水源。由于过量开采，水位不断下降，使得工业广场内的第四系水源井有三分之一不能使用，造成生产、生活用水供需矛盾日益突出。然而，该矿每天约有9000～10000m3的矿井水被排之地面以后流失，既污染了周围环境，又浪费了宝贵的水资源。为此，南屯煤矿建成了日处理能力10000m3的矿井水净化站，对矿井水进行净化与应用。

由于煤矿井下的开采，围岩中的地下水涌入到矿井的排水系统以后，便携带了大量的粉尘和巷道顶底板岩层的岩屑颗粒等，使得水质变得很差，特别是悬浮物的含量升高和细菌、霉菌的繁殖速度增快，水质相当混浊，需要对矿井水进行必要的净化处理以后才能够加以利用。南屯煤矿的净化工艺是：井下污水首先经由一级提水排至地面净化站，再经过二级提水排至沉淀池（入池之前加入聚丙烯酰胺），来自沉淀池另一侧的溢流水即为处理以后的澄清矿井水。

将处理之后的矿井水与原水进行比较，经过测定其透明度提高了95%，浊度降低了88%，悬浮物去除率超过了96%，达到了工业用水的标准。实践表明，矿井水净化以后可以作为矿发电厂、洗选加工和井下注浆等工业用水，不但缓解了矿区缺水的状况，而且还能够大量节约水资源。该矿净化水的成本为0.03～0.04元/m3，矿井水的复用率达到了97%，仅此一项每年就可以节约资金283.2万元，取得了明显的经济效益和社会效益。

2）鲍店煤矿矿井水除油技术国内领先

由兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿与煤炭科学研究总院杭州环境保护研究所共同研究完成的“矿井水净化站除油技术研究与应用”，完善了我国现有的矿井水处理工艺，除油技术居于国内领先水平，全过程实现了机械化、自动化控制操作，保证了工业用水的质量。鲍店矿建有一座处理能力为500m3/h的矿井水净化处理站，其中300～350m3/h的矿井水净化处理后作为工业用水，其余的处理后达标排放。由于该矿采用的是综合机械化采煤工艺，液压支架和综采机械都使用了大量的乳化液与机油，许多乳化液和机油在生产的过程中随水流渗入到矿井水中，影响了工业用水的水质。

为了有效地清除矿井水中的油类和浮泥层，他们开展了此项课题的研究。该矿矿井水净化处理站原处理设施采用混凝、沉淀、过滤处理工艺，但设计中未考虑除油（浮泥）装置，课题组决定充分利用原设施，在不改变愿处理系统工艺设施的基础上进行矿井水除油（泥）技术改造。他们采用全自动刮油（泥）机，有效地去除池子水表面浮油（泥）和电动阀自动排油（泥）。项目总投资32万元，吨水处理成本为0.012元。投运一年多来，除油及自动控制设备运行稳定可靠，除油（泥）率达到90%以上，使处理以后的水质达到了工业用水标准的要求和实现了达标排放，满足了工业用水的需求，使矿井水资源得到了充分的利用，全年减少矿井废水排放量（供工业用水量）300多万吨，同时减少了地下水的开采量，可以节约水资源费用30余万元。

专家们指出：这个煤矿矿井水除油（泥）工程的投产有着良好的社会、环境和经济效益，值得在同类型的矿井中推广应用。

2 矿井水处理与控制

1）高效低耗矿井水自动净化成套设备

经过几年的科技攻关，兖州矿业（集团）公司南屯煤矿与山东科技大学联合研究出了开发的一种高效低耗矿井水自动净化成套设备，可以有效地将矿井水净化变成能够继续利用的水源，其技术性能达到了国内的先进水平，最近已经由专家通过了技术鉴定。由于这种新型的高效低耗矿井水自动净化成套设备采用了先进的斜板布置方式和滤层动态反冲洗工艺，所以设备结构简单、能源消耗低、工作效率高、反冲洗效果好。南屯煤矿的使用实践有力地表明：该设备具有设备体积小、矿井水处理量大、费用投资少等优点，而且矿井水的处理结果完全符合有关标准。

专家们认为：此项研究成果适合于在中小型矿井的矿井水处理工程中使用，也可以应用于大型矿井的矿井水三级处理工程，有着良好的推广应用前景。

2）煤矿矿井水处理实现自动加药

兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿建立了一座日处理能力为14000m3的矿井污水处理厂采用混凝工艺二级净化来复用矿井水。其中，一级混凝系统采用由FP-30S单因子光电絮凝检测器、HACA-1720C中水浊度计及国产智能CS-910可编程序调节器组成的SHZ-910投药自动控制装置，实施光电絮凝检测法对混凝投药量进行控制，取得了显著的经济效益和环境效益。目前，国内的矿井水处理系统主要为分散管理、手动操作的生产方式，管理人员凭着经验加药，缺乏可靠的监控仪表，絮凝、矾化、余氯、浊度等指标不容易控制，并且加药量无法正确跟踪原水水质和水量的变化，不仅造成药剂的浪费，净化水质也得不到保证。鲍店煤矿采用了由监控室的工业控制计算机、彩色CRT、通讯网卡和设在加药楼的加药自动监控装置组成的小型集散式计算机系统。投药量自动控制系统采用智能调节器实现双闭环带采样保持的串级控制方式，当操作者设定一个沉淀池的出水浊度目标值之后，该系统能够自动地确定聚凝粒子粒径应当达到的最佳值，并且据此自动确定絮凝剂和助凝剂的投加量，排除了人为因素造成的药剂浪费和水质波动，从而确保混凝反应和沉淀工艺达到最佳效果。光电絮凝检测器组成的自动控制系统测量范围宽、使用水质广、不受进水浊度的影响，而且检测器是非接触测量，测量值不受仪器透光壁面的玷污影响，所以其维护及可靠性、适应性都优于其它检测器组成的自动监控系统。这个煤矿的实践表明：所加的聚合铝和聚丙酰胺两种药剂，自动投加方式比手动方式分别节约12.5%和6.5%；在工艺正常的情况下，水质合格率可以达到100%，年节约药剂费用4.16万元。

3）矿井水处理站自动加药控制系统

兖州矿业（集团）公司设计研究院根据济宁三号煤矿矿井水处理站改扩建的要求，增加了一套自动加药控制系统，提高了该矿矿井水处理的自动控制水平。该系统主要是由现场检测和前后反馈部分、中央控制部分和执行部分组成的。现场检测的内容包括原水流量、原水浊度、机械加速澄清池出水浊度和过滤器出水浊度，各种监测仪器均有数字显示及远程标准信号输出接口。依据水质与水量的变化来建立前馈数学模型，由PLC和计算机算出混凝剂、助凝剂的投加量，通过检测机械加速澄清池的出水浊度作为反馈量来调节混凝剂、助凝剂的投加量。中央控制部分的核心采用西门子S7系列PLC和PIII工业控制计算机进行实时监控，现场检测参数通过PLC进行处理，并且输出频率信号到变频控制柜，通过计算机显示各个参数值和曲线走势，并且通过参数画面修改、设定加药剂浓度、机械加速澄清池出水浊度给定值、计量泵能力以及变频器手动输出的频率，通过参数画面可以设定控制系统的工作模式如启动、停止、自动、手动、前馈及后馈调节等，还可以对各种参数设置超量报警。

整个控制过程要求24h连续运行，在运行中按照3.2s巡回检测1次，每8min运算后馈修正投加量1次，定时巡检中可以及时发现各种仪表、仪器等设备的运行情况，以确保控制自动加药程序的运行。执行部分由变频控制柜、计量泵及相应的管路附件组成。变频控制柜具有本地操作和远程控制的功能，通过变频柜的操作面板可以设定手动/自动工作模式，可以接收中控柜输出的频率信号，由此变频输出一定的频率及电压控制计量泵电机的转速，达到改变混凝剂、助凝剂投加量的目的。

4）矿井水处理控制系统

为了降低水处理的成本、确保水质的稳定，兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿增设了套技术较先进的矿井水处理系统，对矿井水处理的全过程实行微机自动化控制。其工艺流程如下：井下中央泵房将矿井水排放至一级站调节池，使矿井水得以贮存和均化预沉，然后出水自流至二级站调节池。经过水质水量调节以后在提升泵前加入混凝剂PAC，泵后加入絮凝剂PAM后，进入水力循环澄清池，经过混合、絮凝反应沉淀后，出水自流进入重力式无阀滤池，过滤后经消毒处理流入中间请水池。根据需要经输水泵房输水泵将中间水池一部分处理后的水直接供给电厂、洗煤、注浆、道路洒水、绿化用水等，一部分经输水泵再次提升至800m3工业清水池，经加压泵供给井下复用。洗煤厂来水（洗煤水）进入洗煤水池，再由原水泵打入斜板沉淀池，经原矿井水处理系统加药处理后，出水进入洗煤消防水池或者达标排放。一级站调节池和斜板沉淀池排泥进入一级站污泥池，由潜污泵打入洗煤厂煤泥浓缩池。二级站调节池和水力循环澄清池排泥进入二级站污泥池，由污泥泵排到一级站污泥池或者直接排入洗煤厂煤泥浓缩池。

矿井水处理设备的起停控制、运行工况监控和设备间运行联锁逻辑控制、声光报警等由PLC控制系统控制。该控制系统可以脱离上位机独立工作。处理后达标的外排水减轻了对环境的污染。通过真实有效的数据，增加了矿井水处理的透明度，避免了矿方与环保部门因数据问题而引发的纠葛。此外，出水水质的稳定，以及达到生活杂用水的标准，亦扩大了用水的范围。按目前日平均处理5700m3计算，全年节省水处理成本139万元、水资源费33万元、水源井运行电费12万元、打井费用15万元。

5）济二矿矿井水处理站实现自动控制

近年来，兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿在工业广场内建起了1座处理能力7200m3/d的矿井水处理厂，其过程控制系统采用微机控制技术，有效地提高了矿井水处理设备的自动化水平。该矿的矿井水处理站的过程控制采用集散分布控制方式，矿井水处理设施分为一级站和二级站两点布置。一级站PLC控制功能如下：一级站所有设备的程序控制、设备运转状态显示和声光报警输出；预沉调节池煤泥泵自动定时吸泥，并且设有手动就地操作功能；刮泥机手动和自动定时刮泥，刮泥机到位自动返回控制；污泥泵根据污泥池的液位变化自动启停，具备手动就地操作功能；一级站所有设备运转工况和预沉调节池和污泥池液位信号等相关数据可以传送至二级站PLC，提供数据给上位系统；具备声光报警功能；一级站所有设备具备手动/自动和就地/集控功能，操作人员在中央控制室可以直接操作一级站设备启停；可以脱离上位机独立运行。二级站PLC控制功能如下：二级站设备的程序控制、设备运转状态显示和声光报警输出；监控一级站设备的运行工况和液位的变化；实现提升泵运行中发生故障时将备用泵自动投入运行，预沉调节池液位低的时候自动停泵，并且设有手动就地操作功能；污泥泵根据污泥池的液位变化自动启停，具备手动就地操作功能；刮泥机手动和自动定时刮泥，刮泥机到位自动返回控制；连通电动阀根据二级站预沉调节池液位的高低限自动打开或者关闭，并且设有手动控制；具备故障声光报警输出功能，操作人员在中央控制室可以解除一级站报警；PLC可以通过RS-232C与上位机进行通讯，可以脱离上位机独立工作。实践证明，该系统运行稳定可靠。

6）鲍店矿矿井水处理实现自动监控

兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿污水处理厂采用混凝工艺净化复用矿井水，原有的手动操作方式劳动强度大、投药量无法正确跟踪原水水质和水量的变化。为此，他们在煤炭科学研究总院唐山分院的协助下，采用IPC+PLC二级分布式计算机监控系统实现矿井水处理工艺流程综合自动化，处理以后的水质达到了工业用水的标准。

该系统可以划分位个子系统：一个是由IPC和下挂的DDC直接控制装置组成的小型集散式控制系统DCS，承担重要工艺参数的自动调节和数据的实时采集；另一部分是由上位机和各个PLC组成的小型分布式控制系统，承担各个泵站设备的集中或者程序控制及设备状态监视。上位机及其外设、终端等设置在厂调度室，对全厂设备的运行状况、工艺参数等进行监视，也可以实时修改下位机的控制参数。分设在现场的由智能调节器、固定式PLC组成的单元控制装置作为系统的下位机，直接用于对工艺流程和主要设备的自动控制。

该系统具有以下功能：①对厂调度室的监督、管理。在上位机可以监视各个下接现场控制装置的工作状况，具有故障状态显示、报警、通讯自检功能，还可以根据生产的需要修改下位机的运行程序、控制参数；大屏幕彩色CRT可以显示矿井水处理的工艺流程图、各种设备的运转状况图、工艺参数图表以及历史趋势图；打印技术报表、故障、超限报警记录等。②对反应池、沉淀池的排泥自动控制。采用压差（压力）变送器检测沉淀池的沉积状况，达到设定浓度（压力）的时候自动开启电动排泥闸，压力恢复至设定值以下的时候自动关闭。③滤后水加氯的自动控制。采用余氯连续检测仪检测水加氯以后的余氯量，自动控制加氯量，保证清水池的余氯量符合生活饮用水的卫生标准。

3 矿井水利用

1）鲍店煤矿矿井水处理及利用有经验

近几年来，兖州矿业（集团）公司鲍店煤矿对水的需求量迅速增长，地下水却日益匮乏。为此，在对多种方案论证的基础上，选择了迷宫斜板和无阀过滤技术，投资600多万元完成了矿井水处理扩建工程，日处理水量达到12000m3，水质接近《生活饮用水卫生标准》，而且水质、水量基本稳定，满足了井下生产、选煤厂、煤泥热电厂、锅炉房等工业用水的需要。该矿的矿井水经过井下中央泵房排到地面，首先进入沉砂配水池，将比较大的颗粒固体物沉淀，加入一定数量的絮凝剂、助凝剂以后，进入正旋流网格反应池，使得水与药剂充分地混合与反应絮凝，并且通过颗粒之间的相互碰撞、网捕作用，使絮粒增大，然后进入迷宫斜板沉淀池，水中的悬浮颗粒在迷宫斜板形成的平行主流、紊动涡流及环流的作用下完成一级处理。处理以后的矿井水进入到中水池，一部分作为选煤厂的用水，另一部分经过加压水泵送入重力式无阀过滤器进行二级处理，再经过二氧化氯消毒以后送入蓄水池，作为煤泥热电厂、压风机房的冷却水和锅炉、井下用水。在加药混凝正常的情况下，迷宫斜板具有比较高的沉淀分离效果，出水浊度能够控制在20mg/L以下，为后续的无阀过滤打下了良好的基础。重力式无阀过滤器采用了自动反冲，极大地减轻了工人的劳动强度，出水浊度在3mg/L以下。

该工程自从投入运行以来一直运行稳定。据计算，吨水处理成本为0.22元，开采1t地下水的成本为0.85元，吨水节约成本0.63元，全年节约供水费用272.16万元。此外，矿井水的处理利用不但减少了污水排放量、减轻了对河流的污染，而且将废水化害为利、变废为宝，节约了大量的水资源，保证了矿井的正常生产，还具有显著的环境效益和社会效益。

2）矿井水井下处理及利用工程解决国内难题

多年来，在矿井水污染和治理过程中的再污染一直是困扰着各煤炭企业的一个难题。随着国家对环境治理力度的不断加大，矿井水无污染化技术已经引起了各个煤炭企业的重视。现在，由煤炭工业邯郸设计研究院和兖州矿业（集团）公司东滩煤矿共同研究设计的“矿井水井下处理及利用系统工程”，在国内率先解决了这一难题。国内首家“矿井水井下处理及利用系统工程”，目前已经在东滩煤矿建成并且投入了使用。此项研究成果是在矿井井下采用的一套装置系统，污水经过沉砂、沉淀、过滤、吸附、消毒处理以后变成工业用水，在处理过程中所产生的污泥则经过压滤以后制成煤泥饼回收利用，这项成果不仅解决了矿井水污染的问题，而且满足了井下生产用水的需要，多余的水还可以供给煤泥发电厂再利用。最重要的是，该工程所有的处理过程都是在矿井井下进行的，避免了再次污染。专家们指出：这个系统每天可以处理矿井污水250吨，全年可以节约水电费、管路排水损耗费等约350万元，经济效益、社会效益和环境效益均非常显著，具有极大的推广应用价值。

3）矿井水的井下处理利用工艺系统

兖州矿业（集团）公司南屯煤矿与山东科技大学合作，对原设计的地面组合式矿井水处理设备进行改型，变原来的组合式为分体式，分别加工制造了井下用絮凝反应装置、沉淀装置和过滤装置，用于井下矿井水处理站，建立了设置于井下的矿井水处理和供水系统。南屯矿井底水仓标高为-350m，而目前的开采水平位于-570m以下，通过方案比较确定其井下水处理系统置于井底水仓附近，以便于实现对现有采掘区域的无动力供水。

该井下水处理站的主要工艺参数及特点如下：①按照井下需水量，设计处理能力为2500m3/d。②设计选用沉淀装置和过滤装置各3套，每套处理能力50m3/h，同时配备絮凝反应装置3套、加药装置2套、施工调节池（硐室）2个、清水蓄水池1个、污泥脱水系统1套。③沉淀装置具有机械排泥系统，系统排泥不会影响沉淀装置的运行。④絮凝反应、沉淀和过滤装置，采取地面制造、井下安装，大大地减少了井下硐室的施工量和整个系统的施工安装周期。⑤清水蓄水池的合理设计，实现了井下的无动力供水。行家们指出：含悬浮物的矿井水污染程度较低，易于净化处理，如果在井下采取诸如清浊分流、水仓预沉等措施，会使矿井水的井下处理难度更低。因此，建立井下矿井水处理系统，改进矿井现有的供水系统，使部分矿井水在井下实现循环利用，在技术上完全是可行的；建立井下矿井水处理系统，将矿井地面供水变为井下供水，可节约大量的矿井排供水费用，对开采深度较大的矿井来说，其经济效益更显著；该工艺系统有利于保护水资源、促进矿井洁净生产、保护地面生态环境，具有显著的社会效益。

4）济三矿利用矿井水保障生产供水的实践

随着矿井生产的发展，兖州矿业（集团）公司济宁三号煤矿的生产用水量已经由180m3/h增加到240m3/h，地面生产用水也由120m3/h增加至180m3/h。该矿生产用水是由井下涌水通过处理取得的。矿井正常涌水量为200～350m3/h，其杂质主要为无机煤质颗粒和岩粉，还有少量悬浮物SS和化学COD。矿上设有一座处理能力640m3/h的矿井水处理站，选用机械加速混凝沉淀处理工艺。矿井水经排水泵提升进入3000m3生产调节水池，通过联合泵站内的矿井水一级泵打入机械加速澄清池，处理后的底流由潜污泵送入选煤厂，上清液经高效过滤器处理后作为井下消防洒水及地面工业用水水源（SS＜10mg/L）。原系统设计矿井水浊度小于500mg/L，但现已大于1000mg/L，必需进行改造。改造后的处理系统中，矿井水经井下水泵提升进入初级沉淀池降低浊度，通过联合泵站内的矿井水一级污水泵打入机械加速澄清池加药处理，其底流排入煤泥池，再由泥浆泵将煤泥水打入矿井水调节水池；再次沉淀后，上清液溢流进入生产用水调节水池，煤泥水排入机械浓缩池浓缩，上清液排入初沉池（同时用于中和较高浓度的原水），煤泥水打入压滤机压滤，滤液排入初沉池处理，滤饼进煤场。对系统采取集中控制方式，对过程量及现场数据定时测量采样，经PLC综合处理后传送给所控设备并完成设备自动启停，同时发送至上位计算机通过大屏幕显示各种参数、故障报警及设备运行状况等。目前，机械澄清处理量1320m3/h，煤泥水存量3000m3/h，实现矿井水全部复用；辅助系统后备水量400m3/h，能单独短期满足生产用水。

5）济二矿实现矿井水和生活污水复用

兖州矿业（集团）公司济宁二号煤矿矿井水日排放量达到6000m3、生活污水日排放量为3000m3，造成资源的大量流失。为此，他们建成了矿井水、生活污水复用工程，极大地提高了资源的再利用率，也取得了较好的经济效益。该矿矿井水的污染物主要是以煤粉、岩粉为主的悬浮物，并含有少量杂物。在处理工艺上，因矿井水悬浮颗粒粒径较小，用自然沉淀法很难将其去除，所以采用混凝法。矿井水首先流入缓冲调节池和一级站预沉调节池，使矿井水中的悬浮物得以预沉后，进入二级站的调节池进行二次沉淀；然后，通过提升泵进入水力循环澄清池，在提升泵前加入混凝剂PAC、泵后加入絮凝剂PAM，在水力循环澄清池内经过混合、絮凝反应沉淀后，出水自流进入重力式无阀滤池，过滤后流入中间水池，最后由输水泵房向外输送复用。反应过程中，调节沉淀池沉淀下来的污泥，通过污泥泵房打入选煤厂的煤泥压滤车间进行压滤。此工艺反应充分、处理效果好，最终出水浊度为5度，达到复用的要求。该矿的家属区不在矿内，生活污水主要来自职工澡堂、食堂、洗衣机房、电厂等单位和办公点冲厕水。水中主要污染物是有机物、悬浮物、硫化物及部分氨氮和磷化物，大量的洗浴水对生活污水有稀释作用，所以有机物含量较低。经过生物处理后，出水水质完全达到复用要求。复用工程实施后，全年复用水超过300万m3，节约清水费和减少排污费近180万元。除满足井下、洗煤和注浆用水外，还可满足电厂冷却用水，实现矿井水全部复用；生活污水用于矸石山冲山和煤场、公路降尘以及夏季绿化用水，复用率达80%。

（来源：资源网，作者：李剑峰，上海供排水项目网helen编辑，2009年4月2日）