一种用于矿井水处理的适度分步协同预处理装置的制作方法

1.本实用新型涉及一种矿井水预处理装置，特别涉及一种用于矿井水处理的适度分步协同预处理装置，属于废水处理技术领域。


背景技术：

2.《煤炭工业发展“十三五”规划》指出，到2020年我国煤炭消费比重在58％左右，相当长一段时间内煤炭仍是我国的主要能源形式。随着煤炭生产开发布局的优化，煤炭开发进一步向大型煤炭基地集中，14个大型煤炭基地产量占全国的95％以上，其中以内蒙古、陕西、新疆为代表的西部地区煤炭产量23.1亿吨，占全国的59.2％。而水资源与煤炭资源呈现逆向分布，上述地区均处于干旱半干旱地区，水资源缺乏，植被稀少，生态环境脆弱，煤矿及相关工业用水紧张；矿井水多为高矿化度矿井水，tds≥1000mg/l，简单处理后无法利用；同时由于缺乏受纳水体，排放会造成地表水土流失、盐碱化、植被枯萎等，为此多地环保部门已经对现有矿井水排放的tds进行了限制，山东鲁西南地区要求tds≤1600mg/l，内蒙古鄂尔多斯等地区要求矿井水零排放或者达到《生活饮用水卫生标准》、《地表水环境质量标准》三类，tds≤1000mg/l；对于新建煤矿国家生态环保部已明确要求，外排矿井水tds≤1000mg/l。针对大型煤炭基地的用水需求与排放限制，将矿井水进行深度处理、浓缩、结晶分盐，在实现矿井水“零排放”的同时，获得大量优质生活、生产用水，是解决大型煤炭基地用水短缺与环境保护之间的必然选择。
3.矿井水零排放处理过程中必不可少的要采用膜浓缩，膜浓缩过程中要求进水水质稳定，ss极低、浊度≤5ntu、各种难溶盐类的结垢倾向≤80％等，这对矿井水都是极为严格的要求。由于矿井水是赋存在地下的天然水体，造成结垢的溶解性盐类随赋存环境、岩层种类而各不相同，有些硫酸根极高、有些碳酸氢根极高、有些钙镁极高、有些铁锰极高，没有规律可循；同时采煤过程中进入矿井水的煤粉、岩粉等悬浮物也是影响矿井水膜浓缩处理的关键因素。如何经济高效的进行预处理是关系矿井水零排放成功与否的关键。
4.目前常规做法是在膜浓缩处理前采用高效反渗透(hero)工艺或者类似hero工艺，通过混凝、沉淀、药剂软化、过滤、离子交换等单元工艺，一次性降低矿井水中的悬浮物及钙、镁、硅、硼等易结垢物质。存在药剂软化规模大、加药量多、药剂效率低、污泥废水量大、离子交换规模大、再生废水量大的弊端，以及残留钙、镁、硅、硼等易结垢物质经过后续浓缩后，仍然有极大结垢风险，影响后续膜浓缩和蒸发结晶的稳定运行。
5.如果研究开发一种能够基于适度分步协同预处理工艺(spms2，synergistic pretreatment of moderately and step by step)的适度分步协同预处理装置，根据矿井水的水质特点确定影响每一级浓缩处理的关键因素，进行针对性、定向去除或降低，处理程度根据需要灵活调整，以满足当级浓缩处理为目的，不进行过度处理，具有适应水质变化能力强，操作弹性大，化学软化除硬除硅处理规模小、药剂效率高、离子交换规模小、再生废液量少，投资和运行费用低等突出优势，使其具有广泛的技术先进性及有益效果，则对于解决本技术领域的矿井水预处理问题具有重要意义。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种用于矿井水处理的适度分步协同预处理装置，根据矿井水的水质特点进行针对性、定向去除或降低，避免过度处理，能够大幅节约投资及运行费用。
7.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.一种用于矿井水处理的适度分步协同预处理装置，包括依次串联连接的一级预处理单元、一级浓缩单元、二级预处理单元、二级浓缩单元、三级预处理单元、三级浓缩单元和蒸发结晶单元；所述一级预处理单元设有用于污泥回收循环的一级污泥回收循环系统，所述二级预处理单元设有用于污泥回收循环的二级污泥回收循环系统，所述三级预处理单元设有用于污泥回收循环的三级污泥回收循环系统，所述一级浓缩单元、二级浓缩单元、三级浓缩单元和蒸发结晶单元连接产品水池。
9.作为优选，所述一级预处理单元包括依次连接的混合调节池、混凝沉淀池、一级多介质滤池、一级超滤器和一级超滤池，一级超滤池连接一级浓缩单元；所述一级浓缩单元包括依次连接的一级保安过滤器、一级反渗透器和一级浓盐水池，一级反渗透器连接产品水池；所述二级预处理单元包括依次连接的一级反应池、高密沉淀池、二级多介质滤池、二级超滤器和二级超滤池，二级超滤池连接二级浓缩单元；所述二级浓缩单元包括依次连接的二级保安过滤器、二级反渗透器和二级浓盐水池，二级反渗透器连接产品水池；所述三级预处理单元包括依次连接的二级反应池、管式微滤器、离子交换器、加酸脱碳塔和软化水池，软化水池连接三级浓缩单元；所述三级浓缩单元包括依次连接的三级保安过滤器、三级反渗透器和三级浓盐水池，三级反渗透器连接产品水池，三级浓盐水池连接蒸发结晶单元。
10.作为优选，所述一级污泥回收循环系统包括依次连接的一级污泥池、一级压滤机和一级收集水池，一级污泥池连接混凝沉淀池底部，一级收集水池出口连接混合调节池入口；所述二级污泥回收循环系统包括依次连接的二级污泥池、二级压滤机和二级收集水池，二级污泥池连接高密沉淀池底部，二级收集水池出口连接一级浓盐水池入口；所述三级污泥回收循环系统包括依次连接的混合反应池、三级压滤机和三级收集水池，混合反应池连接管式微滤器底部，三级收集水池出口连接二级浓盐水池入口。
11.作为优选，所述一级多介质滤池和一级超滤器均设有用于连接一级收集水池的第一反冲洗排水管，所述二级多介质滤池和二级超滤器均设有用于连接二级收集水池的第二反冲洗排水管，所述离子交换器设有用于连接三级收集水池的第三反冲洗排水管。
12.作为优选，所述混合调节池与混凝沉淀池之间、一级多介质滤池与一级超滤器之间、一级超滤水池与一级保安过滤器之间、一级保安过滤器与一级反渗透器之间、一级污泥池与一级压滤机之间、一级收集水池与混合调节池之间、一级浓盐水池与一级反应池之间、二级多介质滤池与二级超滤器之间、二级超滤水池与二级保安过滤器之间、二级保安过滤器与二级反渗透器之间、二级污泥池与二级压滤机之间、二级收集水池与一级浓盐水池之间、二级浓盐水池与二级反应池之间、管式微滤器与离子交换器之间、软化水池与三级保安过滤器之间、三级保安过滤器与三级反渗透之间、混合反应池与三级压滤机之间、三级收集水池与二级浓盐水池之间、三级浓盐水池与蒸发结晶单元之间均设有提升泵。
13.作为优选，所述混凝沉淀池内设有聚铝絮凝剂或聚铁絮凝剂，混凝沉淀池内还设有聚丙烯酰胺助凝剂。
14.作为优选，所述一级多介质滤池与二级多介质滤池内均设有粒径为0.5～2.0mm的石英石滤料。
15.作为优选，所述一级超滤器与二级超滤器为内压式超滤器、外压式超滤器或浸没式超滤器，所述一级超滤器与二级超滤器的超滤膜为中空纤维膜。
16.作为优选，所述一级反渗透器内设有卷式苦咸水反渗透复合膜，二级反渗透器内设有卷式苦咸水反渗透复合膜或卷式海水反渗透复合膜，三级反渗透器内设有卷式高压膜、碟管式反渗透复合膜或管网式反渗透复合膜。
17.作为优选，所述离子交换器为弱酸阳离子交换器或钠型离子交换器。
18.本实用新型的有益效果是：
19.(1)本实用新型的一种用于矿井水处理的适度分步协同预处理装置，与传统预处理装置或高效反渗透(hero)装置相比，本实用新型根据矿井水的水质特点确定影响每一级浓缩处理的关键因素，进行针对性、定向去除或降低，装置处理程度根据需要灵活调整，以满足当级浓缩处理为目的，不进行过度处理，减少化学软化除硬除硅处理规模、提高药剂效率、降低离子交换规模、减少再生废液数量，大幅节约投资及运行费用。
20.(2)本实用新型通过一级污泥回收循环系统得到煤泥，其热值在2000kj/kg以上，可作为低热值燃料综合利用；通过二级污泥回收循环系统和三级污泥回收循环系统产生少量污泥，与常规预处理装置相比，减少固体废弃物处理量，对环境起到保护作用。
21.(3)本实用新型通过一、二、三级污泥回收循环系统回收反冲洗水并对其进行处理，不仅避免外排污水对自然水体污染，而且降低污水质浓度，便于处理污水。
22.(4)本实用新型可收集一、二、三级反渗透产水以及蒸发单元蒸汽凝水，作为产品水可满足优质生产、生活用水供煤矿使用。
附图说明
23.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
24.图1是本实用新型的结构示意图。
25.图中：1、一级预处理单元，2、一级浓缩单元，3、二级预处理单元，4、二级浓缩单元，5、三级预处理单元，6、三级浓缩单元，7、蒸发结晶单元，8、一级污泥回收循环系统，9、二级污泥回收循环系统，10、三级污泥回收循环系统，11、产品水池，12、第一反冲洗排水管，13、第二反冲洗排水管，14、第三反冲洗排水管，15、提升泵，101、混合调节池，102、混凝沉淀池，103、一级多介质滤池，104、一级超滤器，105、一级超滤池，201、一级保安过滤器，202、一级反渗透器，203、一级浓盐水池，301、一级反应池，302、高密沉淀池，303、二级多介质滤池，304、二级超滤器，305、二级超滤池，401、二级保安过滤器，402、二级反渗透器，403、二级浓盐水池，501、二级反应池，502、管式微滤器，503、离子交换器，504、加酸脱碳塔，505、软化水池，601、三级保安过滤器，602、三级反渗透器，603、三级浓盐水池，801、一级污泥池，802、一级压滤机，803、一级收集水池，901、二级污泥池，902、二级压滤机，903、二级收集水池，1001、混合反应池，1002、三级压滤机，1003、三级收集水池。
具体实施方式
26.下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本实用新型的实施并不局限于下面的实施例，对本实用新型所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本实用新型保护范围。
27.在本实用新型中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。下述实施例中的部件或设备如无特别说明，均为通用标准件或本领域技术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或通过常规实验方法获知。
28.实施例：
29.如图1所示的一种用于矿井水处理的适度分步协同预处理装置，包括依次串联连接的一级预处理单元1、一级浓缩单元2、二级预处理单元3、二级浓缩单元4、三级预处理单元5、三级浓缩单元6和蒸发结晶单元7。一级预处理单元设有用于污泥回收循环的一级污泥回收循环系统8，二级预处理单元设有用于污泥回收循环的二级污泥回收循环系统9，三级预处理单元设有用于污泥回收循环的三级污泥回收循环系统10，一级浓缩单元、二级浓缩单元、三级浓缩单元和蒸发结晶单元连接产品水池11。
30.一级预处理单元包括依次连接的混合调节池101、混凝沉淀池102、一级多介质滤池103、一级超滤器104和一级超滤池105，一级超滤池连接一级浓缩单元。
31.一级浓缩单元包括依次连接的一级保安过滤器201、一级反渗透器202和一级浓盐水池203，一级反渗透器连接产品水池。
32.二级预处理单元包括依次连接的一级反应池301、高密沉淀池302、二级多介质滤池303、二级超滤器304和二级超滤池305，二级超滤池连接二级浓缩单元。
33.二级浓缩单元包括依次连接的二级保安过滤器401、二级反渗透器402和二级浓盐水池403，二级反渗透器连接产品水池。
34.三级预处理单元包括依次连接的二级反应池501、管式微滤器502、离子交换器503、加酸脱碳塔504和软化水池505，软化水池连接三级浓缩单元。
35.三级浓缩单元包括依次连接的三级保安过滤器601、三级反渗透器602和三级浓盐水池603，三级反渗透器连接产品水池，三级浓盐水池连接蒸发结晶单元。
36.一级污泥回收循环系统包括依次连接的一级污泥池801、一级压滤机802和一级收集水池803，一级污泥池连接混凝沉淀池底部，一级收集水池出口连接混合调节池入口。
37.二级污泥回收循环系统包括依次连接的二级污泥池901、二级压滤机902和二级收集水池903，二级污泥池连接高密沉淀池底部，二级收集水池出口连接一级浓盐水池入口。
38.三级污泥回收循环系统包括依次连接的混合反应池1001、三级压滤机1002和三级收集水池1003，混合反应池连接管式微滤器底部，三级收集水池出口连接二级浓盐水池入口。
39.一级多介质滤池和一级超滤器均设有用于连接一级收集水池的第一反冲洗排水管12，二级多介质滤池和二级超滤器均设有用于连接二级收集水池的第二反冲洗排水管13，离子交换器设有用于连接三级收集水池的第三反冲洗排水管14。
40.混合调节池与混凝沉淀池之间、一级多介质滤池与一级超滤器之间、一级超滤水
池与一级保安过滤器之间、一级保安过滤器与一级反渗透器之间、一级污泥池与一级压滤机之间、一级收集水池与混合调节池之间、一级浓盐水池与一级反应池之间、二级多介质滤池与二级超滤器之间、二级超滤水池与二级保安过滤器之间、二级保安过滤器与二级反渗透器之间、二级污泥池与二级压滤机之间、二级收集水池与一级浓盐水池之间、二级浓盐水池与二级反应池之间、管式微滤器与离子交换器之间、软化水池与三级保安过滤器之间、三级保安过滤器与三级反渗透之间、混合反应池与三级压滤机之间、三级收集水池与二级浓盐水池之间、三级浓盐水池与蒸发结晶单元之间均设有提升泵15。
41.一级超滤器与二级超滤器为内压式超滤器、外压式超滤器或浸没式超滤器，一级超滤器与二级超滤器的超滤膜为中空纤维膜。
42.一级反渗透器内设有卷式苦咸水反渗透复合膜，二级反渗透器内设有卷式苦咸水反渗透复合膜或卷式海水反渗透复合膜，三级反渗透器内设有卷式高压膜、碟管式反渗透复合膜或管网式反渗透复合膜。
43.离子交换器为弱酸阳离子交换器或钠型离子交换器。
44.本装置的工作步骤为：含有煤粉、岩粉等悬浮物，以及钙、镁、硅等难溶盐类的矿井水，与一级收集水池出水混合后通过提升泵送至混凝沉淀池，先加入聚铝絮凝剂或聚铁絮凝剂，再加入聚丙烯酰胺助凝剂(pam)，使其水质中悬浮物絮凝、沉淀，然后沉淀后上清液溢流至一级多介质滤池，一级多介质滤池设有粒径为0.5～2.0mm的石英石滤料，过滤继续脱除水中悬浮物，滤液经泵送至一级超滤器，去除其中的颗粒污染物、胶体污染物及残余悬浮物，降低水质浊度，在超滤出水中投加阻垢剂，控制结垢趋势≤80％，随后矿井水进入一级保安过滤器，过滤进一步去除悬浮物，浊度≤5ntu，一级保安过滤器出水进入一级反渗透器浓缩处理，得到一级反渗透产品水和一级反渗透浓水。混凝沉淀池底部排泥经一级污泥池收集后，送至一级压滤机浓缩、压滤，形成含水量≤60％的煤泥，作为低热值燃料综合利用；一级压滤机压缩液、一级石英砂过滤池反洗液和一级超滤反洗液经一级收集水池收集后送至混合调节池。
45.一级反渗透浓缩后的浓水中的钙、镁、硅浓度提高到原来的3
‑
5倍，浓水经一级浓盐水池收集后泵送至一级反应池，在一级反应池中投加石灰、镁剂和少量液碱等化学药剂，反应产生mg(oh)2、caco3与硅的化学沉淀污泥，反应池排水送至高密沉淀池，使其中的悬浮物絮凝、沉淀；然后沉淀后上清液溢流至二级多介质滤池，二级多介质滤池内设有粒径为0.5～2.0mm的石英石滤料，过滤继续脱除水中悬浮物，再经过二级超滤器去除其中的颗粒污染物、胶体污染物及残余悬浮物，降低水质浊度；二级超滤出水经二级保安过滤器过滤进一步去除悬浮物，二级保安过滤器出水中残余钙、镁、硅降低到50mg/l以下，进入二级反渗透浓缩处理，得到二级反渗透产品水和二级反渗透浓水。高密沉淀池底部排泥经二级污泥池收集后，送至二级压滤机压滤，形成污泥，主要成分为mg(oh)2、caco3等，压滤后含水率降低到65％以下，作为固体废弃物填埋；二级压滤机压缩液、二级多介质滤池反洗液和二级超滤反洗液经二级收集水池收集后送至一级浓盐水池。
46.二级反渗透器浓缩后的浓水中钙、镁、硅浓度提高到50
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250mg/l左右，经二级浓盐水池收集后泵送至二级反应池，在二级反应池中投加石灰、镁剂和少量液碱等与钙、镁、硅形成沉淀，反应池排水送至管式微滤器，过滤悬浮物沉淀；然后管式微滤器出水通过提升泵送至离子交换器，离子交换去除其中残余的硬度离子，离子交换器出水送至加酸脱碳塔，调
节ph值至酸性，通过脱碳塔吹脱co2，处理后钙、镁、硅降低到0.03mmol/l以下，脱碳液经软化水池收集后送至三级保安过滤器过滤，进一步降低水质浊度，来满足三级反渗透进水要求；三级保安过滤器滤液经提升泵送至三级反渗透，得到三级反渗透产品水和三级反渗透浓水。
47.管式微滤器排泥与离子交换器排再生废液经混合反应池处理后，送至三级压滤机浓缩、压滤，形成污泥，主要成分为mg(oh)2、caco3等，压滤后含水率降低到65％以下，作为固体废弃物填埋；三级压滤机压缩液经三级收集水池收集后送至二级浓盐水池。
48.三级反渗透浓水经三级浓盐水池收集后送至蒸发结晶单元，经结晶分盐处理后得到结晶产品盐、杂盐和蒸汽凝液。
49.一、二、三级反渗透产水与蒸汽凝液进入产品水池作为产品水，可用于优质生产、生活用水供煤矿使用。
50.以下为针对某煤矿矿井水进行零排放处理的实例，煤矿矿井水水量600t/h，ss在155
‑
1032mg/l之间，tds约3560mg/l，钙镁含量中等，某煤矿矿井水零排放处理过程各单元水质指标如表1所示。
51.表1某煤矿矿井水零排放处理过程各单元水质指标
[0052][0053][0054]
如果按照常规装置直接药剂软化钙离子去除率仅有60％左右，镁离子、硅基本没有去除效果，除硬软化、离子交换等处理装置规模达到600t/h。
[0055]
采用本实用新型的装置，混凝沉淀池投加pac28.5mg/l、pam0.3mg/l，充分混合反应后通过一级多介质滤池过滤，出水浊度在3.5
‑
10.5ntu之间，之后进入一级超滤，出水浊度降低至0.3ntu以下。阻垢分析显示易结垢组分为碳酸钙、硫酸钙，一级超滤出水投加阻垢剂2.37mg/l，随后矿井水进入一级保安过滤器，过滤进一步去除悬浮物，一级保安过滤器出水进入一级反渗透装置处理，一级浓缩回收率可以达到75％。
[0056]
混凝沉淀池底部排泥经一级污泥池收集后，送至一级压滤机浓缩、压滤，形成含水量60％的煤泥，热值约为2750kj/kg，作为低热值燃料综合利用；一级压滤机压缩液、一级多介质滤池反洗液和一级超滤反洗液经一级收集水池收集后送至混合调节池。
[0057]
一级浓缩后浓水tds提高到14500mg/l以上，钙、镁、硅分别提高到230mg/l、80mg/
l、60mg/l以上。二级预处理单元采用一级反应池 高密沉淀池 二级多介质滤池 二级超滤装置，在一级反应池投加石灰、镁剂和少量液碱，反应产生mg(oh)2、caco3与硅的化学沉淀污泥，一级反应池排水送至高密沉淀池，使其中的悬浮物絮凝、沉淀；然后沉淀后上清液溢流至二级多介质滤池，过滤继续脱除水中悬浮物，再经过二级超滤去除其中的颗粒污染物、胶体污染物及残余悬浮物，降低水质浊度；二级超滤出水经二级保安过滤器过滤进一步去除悬浮物之后，进入二级反渗透浓缩处理。二级预处理单元除硬软化规模降低到150t/h，二级反渗透装置进水中钙、镁、硅分别为19.11mg/l、19.83mg/l、18.62mg/l，去除率提高至92％、75％、69％，药剂效率大大提高。
[0058]
二级浓缩装置无需投加阻垢剂，反渗透回收率76％。高密沉淀池底部排泥经二级污泥池收集后，送至二级压滤机压滤，形成污泥，主要成分为mg(oh)2、caco3等，压滤后含水率降低到62％，作为固体废弃物填埋；二级压滤机压缩液、二级多介质滤池反洗液和二级超滤反洗液经二级收集水池收集后送至一级浓盐水池。
[0059]
二级浓缩后浓水tds提高到51000mg/l以上，钙、镁、硅、硼、碳酸氢根分别浓缩到79mg/l、79mg/l、73mg/l、9.98mg/l、483mg/l以上。三级预处理单元采用二级反应池 管式微滤器 离子交换器 加酸脱碳塔，在二级反应池中投加石灰、镁剂和少量液碱等与钙、镁、硅形成沉淀，反应池排水送至管式微滤器，过滤悬浮物沉淀；然后管式微滤器出水通过提升泵送至离子交换器，离子交换去除其中残余的硬度离子，离子交换器出水送至加酸脱碳塔，调节ph值至酸性，通过脱碳塔吹脱co2，脱碳液经软化水池收集后送至三级保安过滤器过滤，进一步降低水质浊度，三级保安过滤器滤液经提升泵送至三级反渗透浓缩处理。
[0060]
三级预处理单元中进行除硬软化的二级反应池、离子交换器和加酸脱碳塔规模均为36t/h，三级反渗透装置进水中钙、镁、硅、硼、碳酸氢根分别降低到0.4mg/l、0.5mg/l、4.77mg/l、0.98mg/l、33mg/l，去除率为99％、99％、93％、90％、93％，药剂效率大大提高。三级浓缩装置无需投加阻垢剂，反渗透回收率50％；三级反渗透装置浓水经三级浓盐水池收集后进入蒸发结晶单元。管式微滤器排泥与离子交换器排再生废液经混合反应池处理后，送至三级压滤机浓缩、压滤，形成污泥，主要成分为mg(oh)2、caco3等，压滤后含水率降低到65％，作为固体废弃物填埋；三级压滤机压缩液经三级收集水池收集后送至二级浓盐水池。
[0061]
所有反渗透产水与蒸发结晶单元产生的蒸汽凝液一起作为产品水，可用于优质生产、生活用水供煤矿使用。
[0062]
除硬软化规模合计为186t/h，离子交换和脱碳规模36t/h，仅为常规预处理工艺中相应单元规模的31％和6％，大幅降低了建设投资和运行费用。
[0063]
以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，并非对本实用新型作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。