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膜生物工艺优化及其在煤矿废水零排放中的应用

2024-10-24 59 上传者：管理员

摘要：山东省C矿区采用膜法水处理与生物处理的联合工艺，针对煤矿废水的特性和处理难点，实现了有机物、悬浮物和重金属的高效去除。该工艺通过优化参数，不仅提升了处理效率和经济性，还促进了废水资源化利用，对煤矿废水零排放和绿色矿山建设具有重要意义。深入分析了废水特性，对工艺稳定性和经济性进行了综合评估，有效降低了处理成本，有助于提高水资源循环利用率。

关键词：
工艺优化
煤矿废水
生物处理
膜法水处理
零排放
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在环保和可持续发展的背景下，煤矿废水处理与回用变得尤为重要。面对传统技术的局限，膜法水处理技术因其高效性被引入，并与生物处理技术结合，针对有机物、悬浮物和重金属污染，提出一套联合处理工艺。此工艺通过优化不同阶段的参数，旨在实现煤矿废水的高效处理与资源化利用，响应环保要求。

1、煤矿废水处理效率影响因素

对于煤矿废水处理而言，效率的提高是实现环境保护和水资源可持续利用的关键。以山东省C矿区为研究对象，该矿区废水平均COD (Chemical Oxygen Demand，化学需氧量）为250 mg/L，悬浮物质量浓度达到350 mg/L,pH值波动于6.5～8.0之间，显示出该矿区废水的复杂性和多变性。通过对比分析各种数据，识别出影响煤矿废水处理效率的关键因素。

1.1 废水性质

煤矿废水的性质直接影响处理工艺的选择和处理效果。在C矿区，煤矿废水中含有较高浓度的有机物和悬浮物，平均COD为250 mg/L，悬浮物质量浓度达到350 mg/L。这些高浓度的污染物不仅对处理设备造成了极大的挑战，还影响了处理效率和处理质量。特别是在悬浮物质量浓度高的情况下，废水中的固体颗粒会对膜法水处理设备造成堵塞，降低膜的通透性，从而降低处理效率。

C矿区实际监测数据显示，当悬浮物质量浓度超过300 mg/L时，膜法处理系统的处理效率会下降15%～20%[1]。废水的p H值也是影响处理效率的一个重要因素。在C矿区的废水处理中，当将p H值控制在6.5～8.0之间时，生物处理过程中微生物的活性较高，有利于有机物的分解。

1.2 处理技术的选择

以C矿区为例，该矿区采用的是膜生物反应器（Membrane Bio-Reactor,MBR）技术结合高级氧化过程，处理煤矿中平均COD 250 mg/L和悬浮物质量浓度350 mg/L的废水。MBR技术能有效去除高达90%的有机物和悬浮物，但在处理一些难降解有机物和重金属方面表现出不足。此时，引入高级氧化过程作为后处理步骤，能进一步降低COD至50 mg/L以下，满足排放标准。然而，技术选择需根据废水特性和处理目标细致考量。当C矿区废水中重金属含量升高时，单纯依赖MBR技术处理效率会下降。

1.3 操作条件的优化

针对C矿区采用的MBR技术结合高级氧化的处理系统，调整操作参数如水温、pH值、曝气量和反应时间对处理效果有显著影响。实践中发现，将MBR系统的水温维持在20～25℃范围内，可以最大程度地提高微生物的活性和处理效率。通过将p H值控制在6.5～8.0的最佳范围内，不仅有利于微生物的生长，还能有效防止膜组件的结垢和堵塞。在曝气量方面，C矿区通过增加曝气量至8 L/min，确保了充足的溶解氧供应，进一步优化了生物处理效果，并将悬浮物去除率提升至95%以上。此外，针对高级氧化过程，适当延长反应时间至2 h，能够确保难降解有机物的彻底分解。

1.4 设备性能与管理

针对C矿区应用的MBR技术，设备的选择、维护和运行管理尤为关键。对于MBR系统中的膜组件，选择高通量、抗污染的膜材料可以显著提高系统处理能力，降低因污染导致的膜更换频率。据观察，在使用抗污染性能更好的膜材料后，系统的运行周期可从原先的3个月延长至6个月，大幅降低了运维成本。设备的日常管理和维护也至关重要。定期的设备检查和清洗可以有效预防故障的发生，保证系统的连续稳定运行[2]。

2、膜法水处理与生物处理联合工艺的应用优化

2.1 膜法水处理工艺的优化

在C矿区，矿井水的处理量达1 800 m3/h，原水特征为浊度100～380 NTU，盐分质量浓度约4 300 mg/L，总硬度900～1 200 mg/L，以及钙离子质量浓度400～500 mg/L和镁离子质量浓度40～55 mg/L。处理流程始于调节池，通过加入聚合氯化铝（质量浓度8～10 mg/L）和聚丙烯酰胺（质量浓度0.3～0.5 mg/L）促进絮凝，旋流净化后的清水进入澄清水池，煤泥则沉降至煤泥池。接着，将澄清水引入高密度沉淀池，加入氢氧化钠（质量浓度200～230 mg/L）、碳酸钠（质量浓度660～750 mg/L）、聚合硫酸铁（质量浓度15～18 mg/L）和聚丙烯酰胺（质量浓度0.4～0.6 mg/L）除钙和除硅，将p H值控制在9.0～9.3，钙离子去除率超过95%。水经p H值调节和消毒后，其钙硬度（CaCO3质量浓度）降至60 mg/L以下，硅质量浓度降至6 mg/L以下，浊度降至2 NTU以下。随后，经陶瓷膜超滤装置进一步深度过滤，出水浊度低于0.1 NTU,SDI (Silt Density Index，淤泥密度指数）值小于3。最后，经反渗透系统脱盐，一级两段反渗透系统回收率为80%，产水存于淡水池，浓水送往浓水处理设施。浓水中镁离子质量浓度约210 mg/L，硅质量浓度约25 mg/L，经磁混凝和高效沉淀处理后完成镁离子和硅的去除。该处理流程通过多阶段软化、除硅和膜技术，有效去除了钙、镁离子，确保了处理的高效性和稳定性，达到了工业和农业回用水标准，实现了零排放目标。

煤矿矿井水分步软化除硅协同膜法处理系统如图1所示。

2.2 生物处理系统的结构和布局优化

C矿区设计的这套针对酸性矿井水处理的系统，利用了生态友好的碳纤维材料和微生物技术，实现了高效的水质净化。该系统主要由碳纤维过滤单元、絮凝调整的沉淀单元、碳纤维微生物反应单元和带阀控制的储存单元组成。在系统的起始部分，设有一层碳纤维过滤网（第一过滤网和第二过滤网），置于连接到沉淀池的主进水管道内，用于初步过滤矿井水中的悬浮物和煤渣，同时吸附水中的碳粒，以提升水质透明度，其中，第二过滤网的过滤孔密度高于第一过滤网[3]。沉淀池接收经过初步过滤的水，并可加入絮凝剂以进一步降低悬浮物质量浓度。处理后的水随后流向碳纤维-微生物反应器，该反应器包括充填硫酸盐还原菌的碳纤维厌氧生物反应器和碳纤维反应塘。反应塘内设置了浮动的碳纤维束Ⅱ，悬浮深度维持在1～2 m，覆盖率约50%，并且每隔3～5根碳纤维束间配备了碳纤维过滤网，以提高水处理效率。经过碳纤维反应塘处理的水最后流入储水池，该储水池底部装有抽水泵，可将水循环回碳纤维厌氧生物反应器以再次处理。反应器和反应塘的设计考虑到了微生物对生长环境的要求，以及与污水中污染物的接触效率，确保污染物的有效去除。当储水池中的水达到满容量时，根据水质检测结果决定是否直接排放或重新循环处理，直到达到排放标准。

图2为新型碳纤维框结构示意图，图3为新型碳纤维过滤网结构示意图。

2.3 废水预处理方案的优化

在C矿区，有效的废水预处理是降低后续处理负荷、提升处理效果的关键。预处理步骤包括粗格栅、细格栅用于拦截悬浮物和固体废物，沉砂池去除重悬浮固体。

图1 煤矿矿井水分步软化除硅协同膜法处理系统图

图2 新型碳纤维框结构示意图

2.4 联合工艺中废水回用与资源化策略的优化

通过应用高级处理技术，如反渗透和膜过滤，工业废水可被净化至安全水平，再用于冷却系统、灌溉或清洁，降低对原水资源的需求。同时，废水中的有机物和营养物质（氮、磷）可通过生物处理回收，用于农业肥料或生物燃料，实现水资源最大化利用和环境保护[5]。

图3 新型碳纤维过滤网结构示意图

3、结束语

在煤矿废水零排放实践中，通过应用膜法水处理与生物处理的联合工艺并优化参数，显著提升了处理效率和水质。精确控制膜处理参数和生物系统环境，大幅降低了悬浮物、有机污染物和重金属质量浓度。膜处理技术通过优化孔径和条件，有效拦截微小颗粒和溶解性污染物，生物处理通过精选微生物菌种，高效转化硝酸盐和重金属，显著改善水质。

参考文献:

[1]杨彬,樊贵盛,梁镇海.膜法水处理技术与传统方法的比较[J].太原理工大学学报,2004(2):155-159.

[2]谭晶.浅谈污水处理提标至类地表水Ⅳ类水处理工艺的比较[J].智能城市,2019,5(5):145-146.

[3]孙宁,常赜.膜法水处理工艺在生活污水处理中的应用研究[J].造纸装备及材料,2023,52(8):118-120.

[4]辛静,吴琼,杨宸.膜法水处理工艺在生活污水处理中的应用研究[J].工程技术研究,2021,6(4):251-252.

[5]谢文娟.膜法水处理工艺在生活污水处理中的应用[J].节能与环保,2020(10):108-109.

文章来源:戴雅,谢新敏.膜生物工艺优化及其在煤矿废水零排放中的应用[J].能源与节能,2024,(10):135-137.