CN114763283B - 一种矿井水井下处理系统及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种矿井水井下处理系统，包括振动筛、水力旋流分离装置、陶瓷膜过滤装置和旋流微砂澄清器。本发明通过振动筛、水力旋流分离装置、陶瓷膜过滤装置和旋流微砂澄清器的耦合使用，分步分级对矿井水进行处理，避免了传统的混凝沉淀需要井下大面积基建的缺陷。

Description

一种矿井水井下处理系统及处理方法

技术领域

本发明涉及水处理领域，具体涉及一种矿井水井下处理系统及处理方法。

背景技术

矿井水是伴随煤炭开采产生的地下涌水，它本身是一种地下水资源。传统矿井水处理工艺通常采用井上处理方法，通过地面常规水处理设施进行处理，部分矿井水达到回用标准返回井下复用，部分矿井水进行脱盐等深度处理作为生产和生活用水，此方法具有基建投资大、矿井水提升运行费用高、占地面积大等缺点。而矿井水井下处理工艺则可克服上述缺点，具有节约土地、节省投资、节能、运行费用低等优点，具有良好的经济效益和环境效益，然而由于煤炭开采技术的特殊性，使得井下空间十分有限，对处理设备的几何尺寸具有极高要求。因此，具有负荷高、停留时间短、占地面积小等优点的磁絮凝技术在矿井水井下处理中具有很大优势。

CN103570179A公开了一种井下矿井水处理技术，区别于传统矿井水预处理、沉淀、混凝反应沉淀、絮凝反应沉淀及重力沉降技术，该发明专利采用超磁分离和过滤技术取点混凝和絮凝反应，在混合反应池内投加磁粉与矿井水混合产生絮体，絮体在超磁分离机中进行固液分离，超磁分离机采用高强磁场使得絮体产生定向运动，被吸附在磁盘表面刮出，从而使水体得到净化，净化后的水经过过滤器过滤后待用。然而，该专利仍然存在一些缺陷，例如该专利工艺适应水质条件范围较小，而矿井水由于矿井开采条件变化水质变化会很大，直接采用物理过滤方法不能适用于高悬浮物情况，例如浓度为1％左右及以上时膜通量会急剧下降，影响设备的正常运行；矿井水固含量较高、颗粒不均匀，大颗粒杂质会造成管道和膜磨损，膜通量受到限制，且膜易堵易坏，膜过滤工艺处理量有限，且当水量变化较大时，需要操作弹性大的分离设备；小孔径膜式过滤容易发生有机物和结垢污堵，曝气物理法无法从根本解决污堵问题，需酸洗和碱洗；当矿井水进水条件变差，膜污堵引起差压变大，膜反复的曝气冲洗引起外排污泥量的增大，从而污泥含水率增大，矿井水回收率下降。

CN104986828A公开了一种膜处理系统，矿井水进入到设置有泥斗型的矿井水处理池，处理池中放置有中空纤维膜过滤器，过滤器孔径为0.1-0.2μm，对矿井水内的悬浮物进行彻底的固液分离，不需要加药，极大降低运行费用和占地面积。

CN107473339A公开了一种矿井水磁混凝处理装置，包括混合器和絮凝旋流沉淀器，利用混合器加快混凝药剂PAC和絮凝药剂PAM的充分混合，采用磁种子混凝快速沉淀和磁种子旋流分选回收工艺，加快矿井水中的颗粒絮凝沉降，可实现井下在线处理矿井水。然而，该专利也是混凝、絮凝技术的一种，需要依靠药剂PAC和PAM将矿井水悬浮物沉淀，成本相对较高；矿井水水质变化大，悬浮物粒径分布范围广，该述专利未对大颗粒去除，容易堵塞混合器，另外矿井水中的颗粒物沉降快，流动性差，容易堵塞磁絮体排放口。

CN109534553A公开了一种高悬浮物矿井水的处理系统及方法，区别于传统的混凝沉淀技术，由混合器和净化器作为混凝反应和絮凝反应的反应器，矿井水在进入混合器前加入混凝药剂PAC，矿井水在混凝器内切向进入形成旋流闪混，加速药剂与矿井水的碰撞，净化器为旋流器结构，利用离心力的作用沉降絮体达到去掉矿井水悬浮物的目的。

发明内容

鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的之一在于提供一种矿井水井下处理系统，通过振动筛、水力旋流分离装置、陶瓷膜过滤装置和旋流微砂澄清器的耦合使用，分步分级对矿井水进行处理，避免了传统的混凝沉淀需要井下大面积基建的缺陷。

本发明的目的之二在于提供一种与目的之一相对应的处理系统的应用。

本发明的目的之三在于提供一种与上述目的相对应的矿井水的处理方法。

为实现上述目的之一，本发明采取的技术方案如下：

一种矿井水井下处理系统，包括：

振动筛，所述振动筛用于去除矿井水中的较大粒径的颗粒物；

与所述振动筛相连接的水力旋流分离装置，所述水力旋流分离装置用于去除矿井水中的中间粒径的颗粒物；

与所述水力旋流分离装置相连接的陶瓷膜过滤装置，所述陶瓷膜过滤装置用于去除矿井水中的较小粒径的颗粒物；

分别与所述水力旋流分离装置和所述陶瓷膜过滤装置相连接的旋流微砂澄清器，所述旋流微砂澄清器用于去除所述水力旋流分离装置产生的所述中间粒径的颗粒物和所述陶瓷膜过滤装置产生的所述较小粒径的颗粒物，

其中，所述较大粒径的颗粒物的粒径大于所述中间粒径的颗粒物的粒径大于所述较小粒径的颗粒物的粒径。

由于煤炭资源地下开采技术原因，煤矿井下空间有限，且矿井水涌出量大，常规矿井水预处理技术主要是将矿井水输送到地面处理，利用重力沉降的混凝沉淀技术和物理分离过滤技术。矿井水具有固体颗粒含量高、粒度大小不均匀、比重小的难题，而且颗粒细的煤泥重力沉降速度小，采用常规分离装置去除效果不佳，采用重力沉降的方式速度慢、设备占地面积大。另外地面处理矿井水后井下回用需额外增加动力消耗，矿井水从井下输送地面过程中排水泵磨损故障率高，预沉池清仓和污泥处理会对周围环境造成二次污染，寒冷地区矿井水处理时间受限，现在已经有越来越多的煤矿将矿井水处理站设置在井下。

矿井水井下处理工艺则可克服上述缺点，具有节约土地、节省投资、节能、运行费用低等优点，具有良好的经济效益和环境效益。混凝、沉淀作为井下矿井水处理的传统预处理单元具有较好的净水效果，在水处理中得到广泛且有效的应用，为了加快沉淀速度和保证运行效果，矿井水一般需要连续加入大量的混凝剂和助凝剂，增加了运行成本，另外井下的有限空间煤泥的处理和清仓工作造成不小的制约。井下矿井水膜法物理过滤方式能使得矿井水出水的各项指标进一步得到优化，能够节省空间，操作简单，但受水质变化冲击能力弱，易发生污堵。

本申请的发明人在研究中发现，振动筛、水力旋流分离装置、陶瓷膜过滤装置和旋流微砂澄清器的耦合使用时，能够克服上述缺点。本发明所提供的处理系统能够分步骤地去除矿井水中的不同颗粒粒径的颗粒物(采用机械振动过滤去除进入后续处理系统内较大颗粒，再对矿井水进行水力旋流分离出一定粒径范围内悬浮物的矿井水，对旋流底流含颗粒较多且粒径较大的部分进行混凝加药旋流微砂沉淀处理，对浓度较低溢流含颗粒较少、粒径较小的进行陶瓷膜分离)，能提高产水的水质和回收率，且相对于传统的混凝沉淀大大降低了系统药耗。

根据本发明的一些实施方式，所述振动筛的设置能够防止堵塞后续系统设备及管道，同时回收一定粒径的煤颗粒。

根据本发明的一些实施方式，所述水力旋流分离装置的设置能够利用离心力将一定密度和粒径范围的悬浮物随底流排出，溢流矿井水进入陶瓷膜脱除悬浮物，形成产品矿井水。本发明能够对一定浓度的矿井水通过水力旋流技术脱除一定粒径的悬浮物进行浓淡分级，对不同浓度的物流分质采用不同工艺处理。

根据本发明的一些实施方式，所述旋流微砂澄清器的设置能够脱除3、浓度较高的底流中的悬浮物，形成产品矿井水。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述振动筛可以是本领域通常采用的高频振动筛。所述高频振动筛为行业内通用标准设备，其具体操作参数可以根据需要进行常规选择。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述振动筛的孔径为所述水力旋流分离装置的底流口直径的15％～40％，优选为20％～35％。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述水力旋流分离装置包括布水管和至少一个旋流分离器。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述旋流分离器可以是直径25mm型号高分离精度旋流分离器或直径50mm型号高分离精度旋流分离器。

根据本发明的一些实施方式，所述旋流分离器数量的选择依据单个旋流分离器的选型和处理负荷决定，单个旋流分离器负荷及生产能力通常用单位时间内通过布水管体积流量表示，然而，旋流分离器的分离精度与生产能力对旋流分离器的结构尺寸要求是相互矛盾的。旋流分离器公称直径越小，它的分离粒径精度就越高，所以，在旋流分离器的实际应用中，在满足分离精度的同时还要保证其处理能力，就需要采用多个旋流分离器进行并联配置。可实现增加旋流分离器的数量达到增加系统处理量要求，旋流分离器和布水管可水平或环形结构布置，取决于给水压力的均衡，为了能够保证系统的连续性和检修余量，旋流分离器设置一定余量备用。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述陶瓷膜过滤装置可以为陶瓷膜片组成的外压内吸式膜组。

根据本发明的一些实施方式，所述陶瓷膜过滤装置中所采用的陶瓷膜由 Al₂O₃，ZrO₂和TiO₂等无机材料制备而成，其具有有机膜无法替代的优点，运行不需添加药剂，矿井水先采用水流旋流除固并降低其浓度，对于陶瓷膜来说更稳定的水质可降低其磨损、堵塞几率，降低陶瓷膜装置的工作负荷，提高陶瓷膜膜运行通量及效率，延长陶瓷膜使用寿命，降低投资及运行成本。陶瓷膜可实现 0.1μm以上的过滤孔径，出水水质满足《煤炭工业污染物排放标准》 (GB20426-2006)和针对不同矿井水质满足《煤矿井下消防、洒水设计规范》(GB50383-2006)，可直接井下回用也可直接深度处理。

根据本发明的一些实施方式，所述陶瓷膜过滤装置为外压内吸式结构，为了维持陶瓷膜组件稳定运行，及一定流量的矿井水冲刷陶瓷膜外表面，陶瓷膜内充满原水始终保持一定量的溢流和错流率，如20％到35％，错流和溢流回流至中间水池预沉区，中间水池预沉区定时外排以保持陶瓷膜单元水系统悬浮物平衡，陶瓷膜组件内原水通过产水泵产生负压吸出到产水池，运行期间设置有连续曝气和反洗曝气，反洗采用陶瓷膜产水进行反洗，可通过计时程序或产水泵进口负压设定值启动反洗泵。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述旋流微砂澄清器的旋流结构与旋流分离器相同，为低强度旋流器一种，利用旋流及离心力作用增加悬浮物与微砂形成絮体的停留时间和与其他絮体的碰撞结合，最终形成密度较大絮体在离心的作用下沉降，中心溢流液沿着中心管向上流，小絮体颗粒受到上升螺旋的阻挡而下落，从而降低溢流液的浊度，澄清器排泥同时启动螺旋将中心管沉降絮体排出至下锥体。

在本发明的一些优选的实施方式中，在所述旋流微砂澄清器配备有微砂投料装置、混凝剂投料装置和絮凝剂投料装置。

根据本发明的一些实施方式，所述混凝剂投料装置和所述絮凝剂投料装置可以是同一装置，例如为加药混合器。

在本发明的一些优选的实施方式中，在所述旋流微砂澄清器的底部出料管路上还设置有微砂回收旋流器。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述微砂回收旋流器为本领域的常规装置，在此不做过多限制。

在本发明的一些优选的实施方式中，在所述振动筛和所述水力旋流分离装置的连接管路上设置有第一中间水池。

在本发明的一些优选的实施方式中，在所述水力旋流分离装置和所述陶瓷膜过滤装置的连接管路上设置有第二中间水池。

在本发明的一些优选的实施方式中，在所述水力旋流分离装置和所述陶瓷膜过滤装置与所述旋流微砂澄清器的连接管路上设置有第三中间水池。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述处理系统设置在井下。

为实现上述目的之二，本发明采取的技术方案如下：

一种上述的处理系统在水处理领域中的应用。

一种上述的处理系统在矿井水的处理领域中的应用。

一种上述的处理系统在矿井水的井下处理领域中的应用。

为实现上述目的之三，本发明采取的技术方案如下：

一种利用上述的处理系统处理矿井水的方法，包括：

S1.将矿井水通入所述振动筛，得到富含较大粒径的颗粒物的第一物料和含少量或不含所述较大粒径的颗粒物的第一产水；

S2.将所述第一产水通入所述水力旋流分离装置，得到富含中间粒径的颗粒物的第二浓水和含少量或不含所述中间粒径的颗粒物的第二产水；

S3.将所述第二产水通入所述陶瓷膜过滤装置，得到富含较小粒径的颗粒物的第三浓水和含少量或不含所述较小粒径的颗粒物的第三产水；

S4.将所述第二浓水和所述第三浓水通入所述旋流微砂澄清器，得到富含絮状物的第二物料和含少量或不含絮状物的第四产水；

任选地，S5.将所述第二物料通入所述微砂回收旋流器，得到富含微砂的第三物料和富含污泥的第四物料。

根据本发明的一些实施方式，可以回用或深度处理所述第三产水和所述第四产水。

根据本发明的一些实施方式，也可以将所述陶瓷膜过滤装置产生的反洗水通入到旋流微砂澄清器中。第二浓水、第三浓水、任选地陶瓷膜过滤装置产生的反洗水与微砂和PAC、PAM药剂混合后进入旋流微砂澄清器，絮体矿井水依靠一定压力进入旋流澄清器，在离心力、重力共同作用下快速沉降分离。利用旋流产生离心力矿井水沿着澄清器外壁旋转下降，微砂和悬浮物形成的小絮体在旋转下降过程中不断地与其他絮体碰撞融合，形成较大絮体，微砂加速絮体混合与沉降至澄清器锥底，初步澄清后矿井水和密度较小絮体颗粒沿中心管下锥盘上升时受到中心管螺旋阻挡螺旋上升不断继续絮凝受螺旋阻挡作用下落，可进一步减少进入溢流的絮体颗粒数，同时在澄清器中心管处形成絮体过滤，进一步降低出水的浊度，本发明通过对絮体施加复合力场，增加絮体的密度和体积,使絮体的沉降速度加快，提高絮凝效果增加污水处理量，减小占地面积，提高处理效率。絮凝沉淀在锥底的积累到一定量，旋流微砂澄清器停止进水，进入排泥回砂程序，开启中心管螺旋将中心管絮体排入锥底，开启锥底渣浆泵如图5所示，含有微砂的絮体污泥进入微砂回收旋流器，由于旋流器离心力作用微砂和部分污泥随底流输送到回砂加料机中，既起到回砂作用，又有部分污泥回流，为后续工序节省药剂和提供絮体载体作用，回砂旋流器溢流污泥外排。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S1中，所述较大粒径的颗粒物的粒径在1mm以上，优选为1mm～100mm。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S3中，所述较小粒径的颗粒物的粒径为在15μm以下，优选为15μm～0.01μm。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S4中，在所述微砂回收旋流器中加入微砂、混凝剂和絮凝剂。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述微砂的粒径为45μm～120μm。

根据本发明的一些实施方式，所述微砂的用量为300g/t～500g/t。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述混凝剂为聚合氯化铝(PAC)。

根据本发明的一些实施方式，所述混凝剂的用量为300g/t～800g/t。

在本发明的一些优选的实施方式中，所述絮凝剂为聚丙烯酰胺(PAM)。

根据本发明的一些实施方式，所述絮凝剂的用量为20g/t～60g/t。

在本发明的一些优选的实施方式中，步骤S2中，所述第二浓水与所述第二产水的流量比为(1:9)～(3:7)，优选为(2:8)～(4:6)。

根据本发明，通过调节水力旋流器底流口直径(底流口为可拆卸更换零件，根据具体水质情况和需求更换)，可改变底流和溢流的流量比，及第二浓水和第二产水流量比。

根据本发明的一些实施方式，可以根据产水和浓水水质条件设置控制回路，如对陶瓷膜运行的浓水及反洗水浓度进行监测，当浓度较低时采用回流运行模式，浓度高于设定值排入旋流微砂澄清单元。对旋流微砂澄清器产水浊度进行在线监测，当浊度高于设定值时对该工艺单元进入排泥程序运行。

旋流微砂单元运行控制方法除了常规的流量和安全监控报警以外，设置适用于其特有结构的排泥程序，如附图中图5所示，对旋流微砂澄清器出口产水浊度进行在线监测，由于澄清器内如絮体积累到一定程度会通过中心管溢出到产水中，通过产水浊度的上升可以判断污泥的积累程度，当达到设定值关闭旋流微砂进水启动排泥程序，排泥程序首先排出中心管污泥，延时后澄清器排泥，排泥到一定液位高度后延时启动运行程序。

本发明针对煤矿井下矿井水水质悬浮物、固含量变化大，井下设施占地面积要求小的特点，开发了强化混凝沉淀和膜法过滤的组合工艺，针对混凝条件的不可控性和膜法过滤过程中的膜污染问题做了进一步的设计和优化。本发明的有益效果至少在于以下几个方面：

其一，本发明直接应用于煤矿井下矿井水预处理，不需要预沉设施。

其二，本发明对矿井水进行浓淡分流处理，产水可分质回用。

其三，本发明采用对矿井水中的固体及悬浮物分步骤脱除，污泥和一定粒径的煤颗粒单独脱除。

其四，本发明对于一定浓度的矿井水，利用水力旋流技术脱除一定粒径的固体及悬浮物降低矿井水浓度后进入陶瓷膜脱除悬浮物形成产品矿井水Ⅰ，可达标排放或井下一定范围内回用，也可以进一步脱盐净化。

其五，本发明中高浓度矿井水经过加药混合器加入混凝剂PAC和絮凝剂 PAM，混凝器前端设有加砂装置，用于砂的回收加砂和补砂，最终在旋流微砂澄清器进行悬浮物的脱除形成产品矿井水Ⅱ。

其六，本发明旋流微砂澄清器可定时或溢流出口浊度监测进行底流排泥，污泥进入污泥收集罐进行砂回收，同时回砂也起到了部分污泥回流作用，能够节省药剂为悬浮物的絮凝提供载体，污泥部分输送至污泥脱水装置。

其七，本发明采用水力旋流+陶瓷膜+旋流微砂沉淀工艺三个工艺的耦合，水力旋流溢流与底流的流量比在8:2到6:4之间，故相对于混凝沉淀工艺节省了至少50％的加药量，又通过旋流工艺降低了进入陶瓷膜矿井水浓度，减少了膜污堵周期。

总之，本发明能够更好发挥混凝、沉淀技术和膜式过滤技术在矿井水预处理的优势，克服矿井下空间有限、基建困难、煤泥清仓和处理困难不利条件，将矿井水处理传统基建设施全工艺设备化，并将设备小型化，煤渣和煤泥井下就地封存或统一分类利用，不二次污染井上环境。

附图说明

图1是本发明的8t/h矿井水处理装置工艺流程与水平衡图。

图2是本发明的矿井水预处理工艺流程图。

图3是本发明的水力旋流单元工艺流程图。

图4是本发明的陶瓷膜单元工艺流程图。

图5是本发明的旋流微砂单元工艺流程图。

图6是旋流微砂控制原理图。

附图标记说明：1、矿井水布水管；2、水力旋流器；3、溢流口；4、进水口； 5、底流口；5-1、回砂加料机；5-2、加药混合器；5-3、旋流微砂澄清器；5-4、微砂回收旋流器。

结合图1可知，本发明首先对高浓度矿井水进入调节池前进行筛网过滤去除粒径2mm以上颗粒以防止堵塞水力旋流器底流口，调节池矿井水经提升泵进入水力旋流器，利用水力旋流器脱除矿井水原水中一定粒径范围的颗粒物达到浓、淡分流的目的，其中低浓度溢流输送至陶瓷膜处理，陶瓷膜产品水井下回用或深度处理，水力旋流底流和陶瓷膜反洗水输送至旋流微砂澄清器单元处理。

结合图2可知，本工艺的原理和实施方法为：

1、矿井水经过输送管道通过振动筛去除一定粒径以上的颗粒后进入中间水池Ⅰ，振动筛孔径设计原则是为了不堵塞旋流分离器底流口，一般为底流口直径的1/3到1/5且振动筛能正常渗水不堆积不架水，中间水池1矿井水经提升泵输送至组合式水力旋流分离器，水力旋流分离器可将矿井水中的一定粒径颗粒物脱除达到对矿井水的浓淡分离，形成低浓度溢流和高浓度底流。

2、水力旋流器低浓度的溢流进入陶瓷膜过滤单元，可降低陶瓷膜的处理负荷，减少颗粒物对管道、泵和陶瓷膜片的冲刷、磨损，本发明工艺的陶瓷膜为内压外吸运行方式，设置有连续曝气和反冲洗以及酸洗、碱洗程序，防止陶瓷膜结垢和有机物污染。陶瓷膜过滤后浓水和运行时产生的反冲洗水引入中间水池Ⅲ。

3、水力旋流器底流和陶瓷膜浓水排入中间水池Ⅲ，中间水池Ⅲ矿井水浓水与PAC、PAM和微砂混合后通过提升泵进入旋流微砂处理单元，投加PAC以打乱水中微粒的静电平衡，再加入粒径为45-120μm的微砂介质作为絮凝体核心，最后加入PAM对微砂悬浮颗粒起到絮凝架桥作用而形成大密度微砂絮体，微砂絮体在旋流场和重力场作用下沉降分离，与其他絮体不断碰撞结合成更大絮体，旋转过程中增加了絮体在澄清器中的停留时间，减少沉淀时间和装置的占地面积，提高出水水质。

4、旋流澄清器溢流为产水，正常运行条件下产水水质满足超滤进入条件，可进一步二级浓缩处理或井下就地回用，旋流澄清器底流的高浓度絮体由污泥泵泵入旋流回砂器，在旋流回砂器内充分破碎和旋流分离后，微砂由旋流回砂器底流流出并由微砂回流装置加入输水管道，底流回流既起到了微砂回用也实现了部分污泥回流，为后续的絮凝提供载体，与旋流微砂澄清器原水充分混合，旋流回砂器溢流为系统产生污泥，排入后续污泥处理系统。

5、如图2工艺流程图中双点划线所示，陶瓷膜浓水及反洗水设置有浓度在线监测，当浓度较低及陶瓷膜进水水质条件较好时，可选择采用反洗水内循环运行，当浓度高于设定值时排入旋流微砂工艺单元。

6、陶瓷膜产水可井下回用也可于旋流微砂澄清器产水一同进行后续浓缩处理。

结合图3可知，经过筛网过滤的矿井水原水经管道输送至水力旋流单元，水力旋流除固单元由布水管和多个水力旋流器组成，如上图3所示，布水管将矿井水平均分配到各个水力旋流器，水力旋流器数量的选择依据单个旋流器的选型和处理负荷决定，单个水力旋流器负荷及生产能力通常用单位时间内通过布水管体积流量表示，然而，旋流器的分离精度与生产能力对旋流器的结构尺寸要求是相互矛盾的。旋流器公称直径越小，它的分离粒径精度就越高，所以，在微旋流器的实际应用中，在满足分离精度的同时还要保证其处理能力，就需要采用多个微旋流器进行并联配置。可实现增加水力旋流器的数量达到增加系统处理量要求，水力旋流器和布水管可水平或环形结构布置，取决于给水压力的均衡，为了能够保证系统的连续性和检修余量，水力旋流器设置一定余量备用。

结合图4可知，水力旋流溢流输送至中间水池Ⅱ，中间水池设置有前预沉区如上图4流程所示，中间水池原水通过给水泵输送至陶瓷膜组件，陶瓷膜运行为外压内吸式结构，为了维持陶瓷膜组件稳定运行，及一定流量的矿井水冲刷陶瓷膜外表面，陶瓷膜内充满原水始终保持一定量的溢流和错流率，如20％到35％，错流和溢流回流至中间水池预沉区，中间水池预沉区定时外排以保持陶瓷膜单元水系统悬浮物平衡，陶瓷膜组件内原水通过产水泵产生负压吸出到产水池，运行期间设置有连续曝气和反洗曝气，反洗采用陶瓷膜产水进行反洗，可通过计时程序或产水泵进口负压设定值启动反洗泵。

结合图5可知，水力旋流单元浓水及底流和陶瓷膜单元浓水、反洗水汇总后输送至旋流微砂单元进行澄清处理，如上图5所示，与微砂和PAC、PAM药剂混合后的矿井水进入旋流微砂澄清器，絮体矿井水依靠一定压力进入旋流澄清器，在离心力、重力共同作用下快速沉降分离。利用旋流产生离心力矿井水沿着澄清器外壁旋转下降，微砂和悬浮物形成的小絮体在旋转下降过程中不断地与其他絮体碰撞融合，形成较大絮体，微砂加速絮体混合与沉降至澄清器锥底，初步澄清后矿井水和密度较小絮体颗粒沿中心管下锥盘上升时受到中心管螺旋阻挡螺旋上升不断继续絮凝受螺旋阻挡作用下落，可进一步减少进入溢流的絮体颗粒数，同时在澄清器中心管处形成絮体过滤，进一步降低出水的浊度，本发明通过对絮体施加复合力场，增加絮体的密度和体积,使絮体的沉降速度加快，提高絮凝效果增加污水处理量，减小占地面积，提高处理效率。

絮凝沉淀在锥底的积累到一定量，旋流微砂澄清器停止进水，进入排泥回砂程序，开启中心管螺旋将中心管絮体排入锥底，开启锥底渣浆泵如图5所示，含有微砂的絮体污泥进入微砂回收旋流器，由于旋流器离心力作用微砂和部分污泥随底流输送到回砂加料机中，既起到回砂作用，又有部分污泥回流，为后续工序节省药剂和提供絮体载体作用，回砂旋流器溢流污泥外排。

结合图6可知，旋流微砂单元运行控制方法除了常规的流量和安全监控报警以外，设置适用于其特有结构的排泥程序，如上图6所示，对旋流微砂澄清器出口产水浊度进行在线监测，由于澄清器内如絮体积累到一定程度会通过中心管溢出到产水中，通过产水浊度的上升可以判断污泥的积累程度，当达到设定值关闭旋流微砂进水启动排泥程序，排泥程序首先排出中心管污泥，延时后澄清器排泥，排泥到一定液位高度后延时启动运行程序。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不限于下述说明。

实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购途径获得的常规产品。

在下述实施方式中，若无特殊说明，则：

高频振动筛，型号为WGS-5×12；

陶瓷膜过滤装置，型号为CF-3035-5P-W。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例中采用的处理系统主要包括：

高频振动筛(孔径为1mm)、水力旋流分离装置、陶瓷膜过滤装置、旋流微砂澄清器、微砂回收旋流器、中间水池I、中间水池II、中间水池III、污泥压缩池、厢式压滤机以及提升泵I、提升泵II等，各个部件之间的连接关系为：

高频振动筛的出水口与中间水池I的进水口相连接，中间水池I的出水口经提升泵I与水力旋流分离装置的进水口相连接，水力旋流分离装置的顶部溢流口和中间水池II的进水口相连接，中间水池II的出水口与陶瓷膜过滤装置的进水口相连接，水力旋流分离装置的底部底流口和陶瓷膜过滤装置的浓水出口与中间水池III的进水口相连接，中间水池III的出水口经提升泵II与旋流微砂澄清器的进水口相连接，旋流微砂澄清器设置有PAC、PAM投料用加药混合器5-2，连接提升泵II与旋流微砂澄清器5-3的管线上设置有用于微砂加料的回砂加料机，旋流微砂澄清器5-3的底部出料口分别与微砂回收旋流器5-4的进料口和污泥浓缩池的进料口相连接，微砂回收旋流器5-4的微砂出料口与回砂加料机5-1相连接，微砂回收旋流器5-4的污泥出料口与污泥浓缩池的进料口相连接，污泥浓缩池的出料口和厢式压滤机相连接。另外，中间水池I、中间水池II、中间水池III分别通过管路与污泥压缩池相连接。

如图3所示，水力旋流分离装置包括布水管1、多个水力旋流器2，水力旋流器2设置有溢流口3、进水口4和底流口5。其中，底流口5的直径为10mm。

如图4所示，陶瓷膜过滤装置包括陶瓷膜组件以及配套的给水泵、产水泵、反洗泵和产水池，陶瓷膜组件采用外压内吸式板框结构。

旋流微砂澄清器的结构如图2所示，包括旋流进水口、旋流沉淀腔。

利用上述处理系统对某矿区的矿井水(水质特征如表1所示)进行处理，具体步骤包括：

步骤一：将待处理的矿井水以8t/h的流量通入高频振动筛，从而去除粒径在 1mm以上的颗粒，得到第一产水，将第一产水通入中间水池I；

步骤二：中间水池I中的第一产水经提升泵进入水力旋流分离装置，从而得到富含粒径为20μm以上的颗粒的第二浓水及底流和基本上不含粒径为20μm以上颗粒的第二产水及溢流，将第二产水通入中间水池II，将第二浓水通入中间水池III；

步骤三：中间水池II中的第二产水经给水泵进入陶瓷膜过滤装置(操作条件包括：给水泵将第二产水输入陶瓷膜过滤装置，当膜组顶端有稳定溢流溢出时开始产水泵，产水泵运行一定时间，开始曝气2分钟，并系统反冲洗，反冲洗完成后进行正常产水，此为一个产水周期，运行过程中当产水量为正常设定值量的80％一下时，启动清洗程序)，从而得到富含粒径在20μm以下的第三浓水和基本上不含颗粒物的第三产水，将第三浓水通入中间水池III，将第三产水作为产品矿井书I在井下回用；

步骤四：中间水池III中的混合物料经提升泵进入旋流微砂澄清器，在加药混合器中加入PAC(加入量为500g/t)、PAM(加入量为40g/t)，在回砂加料机中加入微砂(粒径为45-120μm左右，加入量为400g/t)，从而得到富含絮状物的物料和基本上不含絮状物的第四产水，将第四产水作为产品矿井书II在井下回用；

步骤五：将富含絮状物的物料通入到微砂回收旋流器，从而得到富含微砂的物料和富含污泥的物料，将富含微砂的物料通入到回砂加料机，将富含污泥的物料通入到污泥浓缩池。

在上述实施方式中，水力旋流器采用2台直径φ50mm旋流器，配10mm底流口直径为，旋流器进料浓度为0.49％，溢流浓度为0.29％，底流浓度为1.2％，浓度降低到原浓度59％，流量为6.94m³/h，分流比为3.722，从而陶瓷膜进料浓度为0.29％，数据见下表1。

表1 2台φ50mm旋流器10mm底流口实验

对两台φ50mm配10mm底流口的水力旋流器的矿井水处理粒度分级效果进行评价，采用BT-9300S型激光粒度仪对原水、溢流、底流粒径分布分别进行标定，分级结果如下表2所示：

表2旋流分离物流粒径分布表

如表1所示原水浓度为0.5％左右，如表2所示原水粒度分布粒径20μm以下累计含量占比84.76％，20μm以上占比15.24％。由溢流的粒径分布可知，采用本装置工艺的水力旋流器可基本实现20μm粒径以上颗粒物脱除和15μm粒径以上绝大部分脱除。

对6台水力旋流器的除固效果进行分析，结果如表3所示。

表3步骤二水力旋流除固分析表

水力旋流器溢流产水通过缓冲池、进水泵进入陶瓷膜，陶瓷膜为内压外吸式板式膜组件，运行期间连续曝气进行扰动，可设置差压反洗或定时反洗，由于水质的不稳定性设置膜进出端差压反洗，陶瓷膜进水和产水对比如下表4所示：

表4陶瓷膜进出水关键参数对比

如上表4所示采用陶瓷膜对高浓矿井水水力旋流器溢流进行处理，产水浊度＜5，且对COD、铁、砷、锰都有一定的脱除，出水能够满足井下一定范围回用或反渗透等深度处理要求。

矿井水经水力旋流和陶瓷膜处理处理后水力旋流的底流和陶瓷膜的反洗水进入旋流微砂澄清处理工艺单元，此时澄清器底流及煤泥浓度最高达到13.62％，平均浓度为11.29％，旋流微砂澄清器溢流ss和浊度均小于10，平均ss为8.57mg/L，平均浊度为7.2。

应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (14)

1.一种矿井水井下处理系统，包括：

振动筛，所述振动筛用于去除矿井水中的较大粒径的颗粒物；

与所述振动筛相连接的水力旋流分离装置，所述水力旋流分离装置用于去除矿井水中的中间粒径的颗粒物；

与所述水力旋流分离装置相连接的陶瓷膜过滤装置，所述陶瓷膜过滤装置用于去除矿井水中的较小粒径的颗粒物；

分别与所述水力旋流分离装置和所述陶瓷膜过滤装置相连接的旋流微砂澄清器，所述旋流微砂澄清器用于去除所述水力旋流分离装置产生的所述中间粒径的颗粒物和所述陶瓷膜过滤装置产生的所述较小粒径的颗粒物；

其中，所述较大粒径的颗粒物的粒径大于所述中间粒径的颗粒物的粒径，所述中间粒径的颗粒物的粒径大于所述较小粒径的颗粒物的粒径；在所述旋流微砂澄清器配备有微砂投料装置、混凝剂投料装置和絮凝剂投料装置。

2.根据权利要求1所述的处理系统，其特征在于，所述振动筛的孔径为所述水力旋流分离装置的底流口直径的15%~40%。

3.根据权利要求2所述的处理系统，其特征在于，所述振动筛的孔径为所述水力旋流分离装置的底流口直径的20%~35%。

4.根据权利要求3所述的处理系统，其特征在于，在所述旋流微砂澄清器的底部出料管路上还设置有微砂回收旋流器。

5.根据权利要求4所述的处理系统，其特征在于，

在所述振动筛和所述水力旋流分离装置的连接管路上设置有第一中间水池；和/或

在所述水力旋流分离装置和所述陶瓷膜过滤装置的连接管路上设置有第二中间水池；和/或

在所述水力旋流分离装置和所述陶瓷膜过滤装置与所述旋流微砂澄清器的连接管路上设置有第三中间水池。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的处理系统，其特征在于，所述处理系统设置在井下。

7.一种利用权利要求1-5中任一项所述的处理系统处理矿井水的方法，包括：

S1.将矿井水通入所述振动筛，得到富含较大粒径的颗粒物的第一物料和含少量或不含所述较大粒径的颗粒物的第一产水；

S2.将所述第一产水通入所述水力旋流分离装置，得到富含中间粒径的颗粒物的第二浓水和含少量或不含所述中间粒径的颗粒物的第二产水；

S3.将所述第二产水通入所述陶瓷膜过滤装置，得到富含较小粒径的颗粒物的第三浓水和含少量或不含所述较小粒径的颗粒物的第三产水；

S4.将所述第二浓水和所述第三浓水通入所述旋流微砂澄清器，得到富含絮状物的第二物料和含少量或不含絮状物的第四产水；

任选地，S5.将所述第二物料通入所述微砂回收旋流器，得到富含微砂的第三物料和富含污泥的第四物料。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述较大粒径的颗粒物的粒径在1mm以上；和/或，步骤S3中，所述较小粒径的颗粒物的粒径在15μm以下。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述较大粒径的颗粒物的粒径为1mm~100mm。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述较小粒径的颗粒物的粒径为15μm~0.01μm。

11.根据权利要求7-10任一项所述的方法，其特征在于，步骤S4中，在所述旋流微砂澄清器中加入微砂、混凝剂和絮凝剂。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述微砂的粒径为45μm~120μm；和/或所述混凝剂为聚合氯化铝；和/或所述絮凝剂为聚丙烯酰胺。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述第二浓水与所述第二产水的流量比为(1:9)~(3:7)。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述第二浓水与所述第二产水的流量比为(2:8)~(4:6)。

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