超磁分离技术在干河煤矿矿井水处理中的应用

177
2021年第3期
燕 婧：超磁分离技术在干河煤矿矿井水处理中的应用
超磁分离技术在干河煤矿矿井水处理中的应用
燕 婧
（山西霍宝干河煤矿有限公司污水处理站，山西 霍州 031400 ）
摘 要 针对山西霍宝干河煤矿矿井水处理能力不足的问题，进行了矿井水处理二期工程的建设。

该矿井水处理项目采用超磁分离技术处理工艺，设计能力1400 m 3/d 。

对超磁分离技术处理工艺工作原理与特点、工艺流程、系统设计进行了分析，处理后的矿井水全部达到工业用水水质要求和排放标准。

关键词 煤矿；矿井水；超磁分离；污水处理
中图分类号 X703 文献标识码
A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2021.03.067Application of Ultra-Magnetic Separation Technology
in Mine Water Treatment of Ganhe Coal Mine
Yan Jing
(Sewage Treatment Station of Shanxi Huobao Ganhe Coal Mine Co., Ltd., Shanxi Huozhou 031400)
Abstract : Aiming at the shortage of mine water treatment capacity in Huobao Ganhe Coal Mine in Shanxi Province, the second phase of mine water treatment project is constructed. The mine water treatment project adopts the treatment technology of ultra-magnetic separation technology, and the design capacity is 1400 m3/d. The working principle, characteristics, process flow and system design of ultra magnetic separation technology are analyzed. The treated mine water can meet the requirements of industrial water quality and discharge standard.Key words : coal mine; mine water; ultra magnetic separation; sewage treatment
收稿日期
2020-11-01作者简介 燕婧（1991—），山西临汾人，2013年7月毕业于中北大学信息商务学院环保工程专业，助理工程师，学士学位，研究方向：环保。

1 工程概况
山西霍宝干河煤矿隶属于山西焦煤集团，位于山西省临汾市洪洞县赵城镇，设计产能180万t/a 。

该煤矿采用立井开拓，井筒数量3个，开采水平+80 m ，当前主要开采1#、2#煤层。

开采工艺为综采，低瓦斯矿井，水文地质条件复杂，具有自燃倾向性。

近年来，该矿井井下涌水量逐年增加，井下涌水与开采过程的生产用水汇集形成矿井水，水质较差，必须进行处理。

该矿矿井水处理一期工程设计规模2000 m 3
/d ，采用预沉、澄清、过滤、消毒处理工艺，处理后矿井水回用于井下抑尘、消防以及工业广场辅助设施用水等。

然而，随着矿井巷道延伸，井下疏干排水中悬浮物（SS ）浓度越来越高。

目前，干河煤矿井下排水量约8000 m 3
/d ，SS 浓度400~800 mg/L ，最
高达1200 mg/L 。

由于矿井水处理设施进水SS 浓度大大高于设计值[1-6]，现有处理能力不能满足矿井安全生产需要，若保证矿井处理设施出水水质，矿井水处理系统需要升级、扩容改造。

因此对于干河煤矿矿井水处理二期工程，设计建设14 400 m 3/d 超磁分离处理设施及其配套煤泥水压滤系统，采用超磁分离技术来对矿井水进行净化处理。

2 超磁分离处理技术设计特点
2.1 工作原理
超磁分离处理系统是在原矿井水中投加磁种，使非磁性悬浮物（SS ）在混凝剂和助凝剂作用下与磁种结合。

通过分析水质情况，调整投加磁种、混凝剂、助凝剂量参数，总体来讲微磁絮凝时间是普通絮凝时间的1/4~1/3。

从絮凝装置流出并经过微磁絮凝的矿井水自流入超磁分离机，通过聚磁技术，实现微磁絮团与水快速分离，分离时间小于12 s 。

2.2 技术特点
超磁分离水处理技术的特点如下：
（1）处理时间短，处理量大。

超磁分离水处
178
2021年第3
期
理技术工艺矿井水处理效率高、工艺流程短，总处理时间长2~3 min ，可满足大流量煤炭生产矿井疏干排水处理需求。

（2）设备工作地小，出水稳定。

超磁分离处理设备对比之前的处理工艺来讲，占地面积为以往的1/8，占地面积小；同时因磁种作为絮体“凝结核”易脱稳，在超强磁场作用下，磁盘可瞬间吸住弱磁性物质，絮体熟化以利于后续沉淀，因而，出水水质稳定。

（3）排泥浓度高。

磁盘直接强磁吸附污泥，污泥含泥率大于70 000 mg/L ，含水率小于93%。

（4）设备运行费用低。

处理过程采用超磁絮凝技术，处理过程投加药量较小，磁种循环利用率高，设备整体运行费用较低。

（5）设备维护方便。

超磁分离处理设备工作期间无须反冲洗，实现全自动化作业，设备运行稳定可靠。

3 矿井水处理二期工程设计
3.1 设计优化分析
干河煤矿矿井水处理二期工程，对矿井水处理设计进行了优化。

项目新建14 400 m 3
/d 矿井水处理及其配套煤泥水处理系统，在工艺当中，将现有调节池原水吸水井中水提升至超磁分离系统，泵前后投加混凝剂PAC 与助凝剂PAM ，超磁分离系统出水入现有重力无阀过滤池，出水经消毒后，自流入清水池回用。

超磁分离系统排泥自流入新增污泥池，再经提升新增板框压滤机压滤，压滤泥饼装车外运。

重力无阀过滤池反冲洗排水、板框压滤机排水等自流入现有集水池，再返回处理系统处理。

干河煤矿矿井水处理工艺优化设计如图1。

图1 干河煤矿矿井水处理工艺优化设计图
3.2 处理工艺分析
矿井水原水在预沉调节池中停留，调节水质水量，在停留过程中，水中的悬浮物得到初步沉降，煤泥沉于池底。

通过池中设置的行车式刮泥机将煤泥刮到泥斗中，再通过排泥泵打到污泥池。

通过提升泵进入到混凝反应装置当中，依次通过装置投加PAC 、PAM 、磁粉等，从而形成微絮团，进入超磁
分离系统进行固液分离。

通过超磁分离系统后，“微絮团”被快速吸附打捞后进行回收利用。

超磁分离技术的处理工艺示意图如图2。

图2 超磁分离技术的处理工艺示意图
磁性污泥从超磁分离装置分离出来后，进入到处理系统内的磁分离磁鼓机处，通过磁分离磁鼓机的高速分散装置实现对磁种的回收循环利用；剩下而排出的非磁性污泥与预沉调节池排入的大颗粒污泥汇入污泥浓缩池，由渣浆泵输送到污泥压滤系统进行煤泥压滤，压滤后的泥饼装车外运。

3.3 出水水质
出水水质情况：悬浮物（SS ）10 mg/L ，化学需氧量（COD Cr ）50 mg/L ，生化需氧量（BOD 5）10 mg/L ，氨氮5 mg/L 。

3.4 运行成本
干河煤矿矿井水处理二期工程运行成本为电费、药剂费、人工费、修理费、折旧费等，单位成本0.477元/m 3，运行总成本250.7万元/a ，较传统絮凝、沉淀污水处理工艺，运行成本大为降低（见表1）。

表1 干河煤矿矿井水处理成本分析
序号项目吨水处理成本/元
1直接运行成本/（1）动力费0.114（2）药剂费0.182职工薪酬0.0763修理费0.0204
折旧费0.087合计
0.477
3.5 处理效果分析
干河煤矿矿井水处理二期工程的实施，有效降低了污水当中COD 、SS 、Fe 等含量，矿井水污染物排放量减少了95%，降低了煤炭生产矿井疏干排水的排污费，改善了矿区及其周围居民生活环境，同时该矿矿井水成本低至0.680元/t ，有效提高了煤炭生产企业经济效益、社会效益、环境效益，对于促进矿区可持续发展、社会稳定起到了积极作用。

（下转第181页）
181 2021年第3期朱丹亮等：基于扫描电镜图像分割的煤体结构分形研究
越不规则，裂-孔隙结构非均匀性愈强[4-5]。

根据上述分形维数计算结果，D DLT>D QD，DLT煤样表面平整性、规则性较差，并附着大量碎块，支裂隙多且形状各异，气孔较为发育、分布较多但不集中；QD煤样中有主裂隙和大量角砾孔分布，走向弯曲，角砾孔分布较为杂乱、无规律，相较于DLT煤样裂-孔隙数目较少，这与扫描电镜试验测得图像吻合。

3.2 傅里叶变换与小波变换对比分析
根据上述分形维数可知，小波变换所得的煤体表面分形维数大于傅里叶变换所得，其原因在于在信号处理过程中，傅里叶变换需对整个时域信号转换为频域，失去了时域特征，同时在消噪后产生了信号损失，如图像边缘部分的裂-孔隙结构为有用的高频信号，与高频噪声一样被低通滤波器消除；而小波变换是将信号进行一系列小波分解并进行叠加，能对时间（空间）频率的局部化分析，通过伸缩平移运算对信号（函数）逐步进行多尺度细化，最终实现在低频区域具有较高的频率分辨率与较低的时间分辨率，而高频部分具有较高的时间分辨率与较低的频率分辨率，以自动适应时频信号分析的要求，从而可聚焦到信号的任意细节，保证有效信号的完整性[6]。

因此基于小波变换获得的图像，更多的保留了煤体表面裂-孔隙结构信号，表征煤体表面裂-孔隙结构复杂程度的分形维数值也较大。

4 结论
（1）通过扫描电镜试验分析了两种煤的表面裂-孔隙结构，发现长焰煤裂隙较多，且形状各异，孔隙排列紧密层次感较强；烟煤孔径较大、孔隙较多，并且有构造裂隙生成，但裂隙数量较少，孔隙半径分布范围相对集中；
（2）基于小波变换的二值化图像相较于傅里叶变换保留更多的煤体表面裂-孔隙结构有效信号，表征煤体表面裂-孔隙结构复杂程度的分形维数值也较大。

【参考文献】
［1］MANDELBROT B B. The fractal geometry of nature[M]. Freeman，San Francisco，CA，1982：35.［2］ Ju Y, Zhang Q, Zheng J, et al. Fractal model and Lattice Boltzmann Method for Characterization
of Non-Darcy Flow in Rough Fractures[J]. Rep,
2017(07): 41380.
［3］Feng Z C, Zhao Y S, Zhao D. Investigating the scale effects in strength of fractured rock mass[J]. Chaos
Solitons & Fractals, 2009, 41(05): 2377-2386.
［4］Song X X, Tang Y G, Wei L I, et al. Fractal characteristics of adsorption pores of tectonic coal
from Zhongliangshan southern coalmine[J]. Journal
of China Coal Society, 2013, 38(01): 134-139(6). ［5］王有智，王世辉．鹤岗煤田构造煤孔隙分形特征[J].
东北石油大学学报，2014，38（05）：61-66．［6］司祯祯.傅里叶变换与小波变换在信号去噪中的应用[J].电子设计工程，2011，19（04）：155-
157.
4 结语
当前国家和地方各级人民政府深入贯彻落实“水污染防治行动计划”，强化水环境管理，推行“河长制”，持续加大水污染治理力度，消除城镇建成区劣V类水体，切实改善河流湖库水质，工业企业和城乡生活污废水处理设施亟待升级改造。

超磁分离处理作为污水处理中一项新工艺、新技术，该技术在干河煤矿矿井水二期处理工程中的成功应用为超磁分离处理技术的推广应用起到了示范效果。

【参考文献】
［1］周建忠，靳云辉，罗本福，等.超磁分离水体净化技术在北小河污水处理厂的应用[J].中国给水
排水，2012，28（06）：78-81.［2］刘孝利，刘德春，李云志.赵官能源矿井水处理超磁分离净化工艺的应用[J].山东煤炭科技，
2012（04）：42+44.
［3］刘红丽，崔东锋.重介质加载磁分离矿井水净化技术在亭南煤矿的应用[J].能源环境保护，
2014，28（05）：33-35+42.
［4］牛明礼，单绍磊，刘佳.超磁分离净化技术在矿井水井下处理站中的应用[J].能源环境保护，
2013，27（03）：33-35.
［5］倪鸿，周勉，易洋.矿井水处理新技术—ReCoMag~(TM)超磁分离水体净化系统[J].金属
矿山，2009（S1）：789-792+810.
［6］周建忠，靳云辉，周文彬，等.超磁分离水体净化技术在污水处理中的应用[J].西南给排水，
2011，33（06）：4-7.
（上接第178页）。