申请日2014.11.04
公开(公告)日2015.03.25
IPC分类号C02F9/02
摘要
本发明提供了一种井下处理矿井水的方法，包括首先将矿井水引入到井下水仓中进行沉淀处理;对所述沉淀后的矿井水进行固液分离处理，去除其中的微细悬浮物;对第一粗净化水进行油水分离处理，去除其中的溶解油和乳化油，得到第二粗净化水;对第二粗净化水进行超滤处理，去除其中的有机物，得到净水。本发明另一方面提供一种井下处理矿井水的装置，包括井下水仓，固液分离装置，油水分离装置，超滤装置和控制装置。本发明方法对矿井废水中的各项有机物去除效果明显，经本发明处理后的矿井废水各项污染物浓度均有明显下降，去除率较高。本发明装置和直接布置在煤矿矿井下，矿井水经处理后直接用于井下回用，极大地节省了废水处理的投资和运行费用。
权利要求书
1.一种井下处理矿井水的方法，其特征在于，包括：
将矿井水引入到矿井中的由废弃巷道改造成的井下水仓中进行沉淀处理，去 除矿井水中的大颗粒固体物质，得到粗水;
通过对所述粗水进行固液分离处理，去除矿井水中的微细悬浮物，得到第一 粗净化水;
通过对所述第一粗净化水进行油水分离处理，去除第一粗净化水中的溶解油 和乳化油，得到第二粗净化水;
通过对所述第二粗净化水进行超滤处理，去除第二粗净化水中的有机物，得 到净水;
其中，所述固液分离处理是对矿井水进行旋转过滤处理。
2.如权利要求1所述的井下处理矿井水的方法，其特征在于，所述旋转过滤处 理包括：
沉淀后的矿井水从上向下流动时，其下方的旋转式过滤器将矿井水中的微细 悬浮物截留并收集去除了所述微细悬浮物的粗净化水;
所述旋转式过滤器通过旋转将截留的所述微细悬浮物与其分离。
3.如权利要求1所述的井下处理矿井水的方法，其特征在于，所述旋转式过滤 器包括：
用于收集去除了微细悬浮物的粗净化水的转筒式集水器;
连接所述转筒式集水器的旋转驱动装置;
其中，转筒式集水器的筒壁上密集分布可截留所述微细悬浮物的多个孔道， 其每个孔道的出口尺寸小于其入口尺寸。
4.如权利要求3所述的井下处理矿井水的方法，其特征在于，所述孔道其入口 的孔径为2-5mm，其出口的孔径为0.5-1mm。
5.如权利要求1所述的井下处理矿井水的方法，其特征在于，所述油水分离处 理是通过纳米陶系膜对所述第一粗净化水进行过滤处理，去除其中的溶解油和乳 化油，得到第二粗净化水。
6.如权利要求5所述的井下处理矿井水的方法，其特征在于，所述纳米陶瓷膜 的平均跨膜压力为1-5bar，过滤孔径为0.05μm，平均膜通量为100-150L/m2/h。
7.如权利要求1所述的井下处理矿井水的方法，其特征在于，所述超滤处理是 通过管式膜组件对所述第二粗净化水进行超滤处理，去除其中的有机物，得到净 水。
8.如权利要求8所述的井下处理矿井水的方法，其特征在于，所述管式膜的截 留分子量为1.5×105μ，运行压力为0.1-0.16MPa。
9.一种井下处理矿井水的装置，其特征在于，包括：
井下水仓，由矿井中的废弃巷道改造而成，用于对矿井水进行沉淀处理，去 除矿井水中的大颗粒固体物质，得到粗水;
固液分离装置，用于对所述粗水进行固液分离处理，去除矿井水中的 微细悬浮物，得到第一粗净化水;
油水分离装置，用于对第一粗净化水进行油水分离处理，去除其中的溶解油 和乳化油，得到第二粗净化水;
超滤装置，用于对第二粗净化水进行超滤处理，去除第二粗净化水中的有机 物，得到净水;
其中，所述固液分离装置为旋转过滤器。
10.如权利要求9所述的井下处理矿井水的装置，其特征在于，所述旋转过滤器 包括：
用于收集去除了微细悬浮物的粗净化水的转筒式集水器;
连接所述转筒式集水器的旋转驱动装置;
其中，转筒式集水器的筒壁上密集分布可截留所述微细悬浮物的多个孔道， 其每个孔道的出口尺寸小于其入口尺寸。
说明书
一种井下可移动式模块化矿井水处理系统
技术领域
本发明涉及煤矿废水在井下的处理与回用，尤其涉及一种井下处理矿井水的方法和装置。
背景技术
煤矿井下矿井水废水主要是由巷道揭露和采空区塌陷波及地下水源所致，其来源主要是大气降水、地表水、断层水、含水层水、采空区水等。煤矿井下矿井水由于冲刷煤层、受井下工作人员生活污水影响。因此，既具有生活污水的特点，又具有煤炭行业废水特性的污染源，主要有以下特性：废水中悬浮物含量高，浊度高;悬浮物粒度小、密度小、沉降性能较差;混凝效果差，混凝过程中难以形成矾花，一般需要投加混凝剂和助凝剂来改善废水的沉降性能;含有较高的乳化油、溶解油类物质。
煤矿矿井水处理工艺流程一般为：矿井水-调节池-提升泵-混凝沉淀反应沉淀池-过滤-消毒-达标排放。若需要使矿井水达到回用或饮用水用途，还需要对矿井水进行进一步脱除有机污染物、除盐等深度处理。目前常用的深度处理工艺包括超滤、纳滤和反渗透等技术。
目前，对于煤矿矿井水处理的主要问题是矿井水的预处理部分，主要是调节池没有起到很好的调节作用，容积一般偏小，耐冲击负荷能力较差。通常而言，矿井水一般会设有混凝沉淀反应单元。混凝剂一般采用聚合氯化铝(PAC)、助凝剂一般采用聚丙烯酰胺(PAM)。由于矿井水中的悬浮物浓度较高，PAC和PAM等药剂的投药量较大，若处理流程中含有超滤、反渗透等深度处理系统，上述药剂将对超滤等膜系统造成严重的堵塞，使超滤等膜系统的通量大幅降低，严重影响深度处理系统的运行效果和处理效率。另外，煤矿矿井水中一般含有较高的乳化油、溶解油类物质。普通煤矿矿井水处理系统并不包括除油系统。这使得经过预处理后的矿井水流至后续的膜处理系统时，也会对膜系统造成严重的膜污染，严重影响过流速率。更加突出的问题是，煤矿矿井水的处理与利用的常规方法往往是将井下矿井水提升至地面进行处理后，部分在地面利用或外排，部分再返回 到井下利用，存在的主要问题除提升费用较高，需要较大的占地面积，还存在施工难度和工程量大、相应管路铺设费用高等缺点。
发明内容
本发明是针对现有煤矿矿井水的含油、含油悬浮物高，矿井水处理技术中存在的投药量高、无除油措施、处理费用高等问题，提供了一种井下处理矿井水的方法和装置，应用本发明的处理方法和装置处理矿井水，简单便捷，不添加化学药剂，处理后的矿井水可直接用于井下回用，极大地节省了废水处理的投资和运行费用。
本发明一方面提供一种井下处理矿井水的方法，包括：
将矿井水引入到矿井中的由废弃巷道改造成的井下水仓中进行沉淀处理，去除矿井水中的大颗粒固体物质，得到粗水;
通过对所述粗水进行固液分离处理，去除矿井水中的微细悬浮物，得到第一粗净化水;
通过对所述第一粗净化水进行油水分离处理，去除第一粗净化水中的溶解油和乳化油，得到第二粗净化水;
通过对所述第二粗净化水进行超滤处理，去除第二粗净化水中的有机物，得到净水;
其中，所述固液分离处理是对矿井水进行旋转过滤处理。
其中，所述沉淀处理是将矿井水引入到矿井中的由废弃巷道改造成的井下水仓中进行沉淀处理，去除矿井水中的大颗粒固体物质，得到粗水。
在沉淀处理中，待处理的矿井水经过一段时间的预沉淀，粗水中的SS颗粒物质被沉淀下来，极大地减轻了后续处理单元的处理负荷。
特别是，所述沉淀处理的水力停留时间为5-30h，优选为10h。
其中，旋转过滤处理包括：
沉淀处理后的粗水从上向下流动时，其下方的旋转式过滤器将矿井水中的微细悬浮物截留并收集去除了所述微细悬浮物的粗净化水;
所述旋转式过滤器通过旋转将截留的所述微细悬浮物与其分离。
其中，所述旋转式过滤器包括：
用于收集去除了微细悬浮物的粗净化水的转筒式集水器;
连接所述转筒式集水器的旋转驱动装置;
其中，转筒式集水器的筒壁上密集分布可截留所述微细悬浮物的多个孔道，其每个孔道的出口尺寸小于其入口尺寸。
特别是，所述孔道优选为圆锥形孔道。
尤其是，所述孔道其入口的孔径为2-5mm，其出口的孔径为0.5-1mm。
特别是，所述孔道入口的孔径优选为3mm，出口的孔径优选为1mm。
经过沉淀处理的矿井水从上向下流动时，流经其下方的旋转式过滤器，矿井水中直径大于3mm的SS直接被筒壁上的孔道截留，直径<3mm的悬浮物进入到孔道内，而因为孔道的出口端直径较小，直径≥1mm的悬浮物也被留在孔道内，不会进入到下一步的处理中，与普通等直径滤孔相比，圆锥型孔道可使SS(悬浮颗粒)在孔道内最大限度地聚集;之后旋转过滤器经过旋转，通过离心力和重力的作用将孔道内截留的部分微细悬浮物与其分离，而过滤后得到的第一粗净化水经由转筒式集水器收集，进入下一处理步骤。
其中，所述井下处理矿井水的方法还包括，对所述旋转过滤器进行反洗处理，通过高压水反冲洗将旋转过滤器内残留的微细悬浮物去除。
特别是，当过滤通量减小25-35%左右时，开启反洗。
其中，所述油水分离处理是通过纳米陶系膜对所述第一粗净化水进行过滤处理，去除其中的溶解油和乳化油，得到第二粗净化水。
特别是，所述纳米陶瓷膜由高纯的a-Al2O3材料在800-1200℃高温下真空烧结而成，孔径为10nm-2.0μm。
尤其是，所述纳米陶瓷膜的平均跨膜压力为1-5bar，过滤孔径为0.05μm，平均膜通量为100-150L/m2/h。
煤矿井下采掘作业过程中，采掘机液压支架需要使用并排放大量的冷却液。这些冷却液最终排入矿井水中，含有大量溶解油和乳化油。溶解油完全溶解于水中，乳化油在水中呈乳状液。常规的物理、化学和物理化学方法均难以将上述溶解油和乳化油去除。陶瓷膜具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、膜再生性能好、分离过程简单、膜使用寿命长等众多优势;纳米陶瓷的产生，可以改善陶瓷材料的脆性问题，使陶瓷具有 像金属似柔韧性和可加工性，纳米级氧化铝粉体粒径小,表面原子比例高,具有独特的体积效应、表面效应,是开发新一代高强度,高韧性,多功能陶瓷的理想原料。因此，本发明采用纳米陶瓷膜对溶解油和乳化油进行处理。
其中，所述井下处理矿井水的方法还包括，对所述纳米陶瓷膜进行反洗处理，通过高压水反冲洗将纳米陶瓷膜上的溶解油和乳化油去除。
特别是，当膜通量减小25-35%左右时，开启反洗。
其中，所述超滤处理是通过管式膜组件对所述第二粗净化水进行超滤处理，去除其中的有机物，得到净水。
特别是，所述管式膜的材质为高分子材料。
尤其是，所述管式膜优选为平板管式膜，所述管式膜的材质优选为聚偏氟乙烯。
特别是，所述管式膜的截留分子量为1.5×105μ，运行压力为0.1-0.16MPa。
经超滤深度处理系统处理后，矿井水中DOC的去除率在40-60%之间，UV254的去除率在30-50%，表明矿井水中小于1000μ的小分子量有机物的绝大部分被去除。
其中，所述井下处理矿井水的方法还包括，对所述管式膜组件进行反洗处理，通过高压水反冲洗将管式膜组件上的有机物去除。
特别是，当膜通量减小35-45%左右时，开启反洗。
本发明另一方面提供一种井下处理矿井水的装置，包括：
井下水仓，由矿井中的废弃巷道改造而成，用于对矿井水进行沉淀处理，去除矿井水中的大颗粒固体物质，得到粗水;
固液分离装置，用于对所述粗水进行固液分离处理，去除矿井水中的微细悬浮物，得到第一粗净化水;
油水分离装置，用于对第一粗净化水进行油水分离处理，去除其中的溶解油和乳化油，得到第二粗净化水;
超滤装置，用于对第二粗净化水进行超滤处理，去除第二粗净化水中的有机物，得到净水;
其中，所述固液分离装置为旋转过滤器。
其中，所述井下水仓预处理系统是由井下废弃巷道改造而成，用于贮存所述 矿井水，并对所述矿井水进行沉淀处理，得到粗水。
煤矿井下有很多废弃的巷道，数量多，体积大。因此，本发明利用井下废弃巷道，稍作改造为贮水的井下水仓。
在井下水仓内，待处理的矿井水经过一段时间的沉淀，水中的SS颗粒物质被沉淀下来，极大地减轻了后续处理单元的处理负荷。
其中，所述旋转过滤器包括：
用于收集去除了微细悬浮物的粗净化水的转筒式集水器;
连接所述转筒式集水器的旋转驱动装置;
其中，转筒式集水器的筒壁上密集分布可截留所述微细悬浮物的多个孔道，其每个孔道的出口尺寸小于其入口尺寸。
特别是，所述旋转驱动装置位于所述转筒式集水器的中心，其一端与电机相连，由电机驱动所述旋转驱动装置进而带动转筒式集水器旋转。
尤其是，所述转筒式集水器的一端封闭，其中心与所述旋转驱动装置链接，另一端敞开，用于使收集的所述粗净化水流出所述集水器。
特别是，所述孔道优选为圆锥形孔道。
尤其是，所述孔道其入口的孔径为2-5mm，其出口的孔径为0.5-1mm。
特别是，所述孔道入口的孔径优选为3mm，出口的孔径优选为1mm。
经过沉淀处理的矿井水从上向下流动时，流经其下方的旋转式过滤器，矿井水中直径大于3mm的SS直接被筒壁上的孔道截留，直径<3mm的悬浮物进入到孔道内，而因为孔道的出口端直径较小，直径≥1mm的悬浮物也被留在孔道内，不会进入到下一步的处理中，与普通等直径滤孔相比，圆锥型孔道可使SS(悬浮颗粒)在孔道内最大限度地聚集;之后旋转过滤器经过旋转，通过离心力和重力的作用将孔道内截留的部分微细悬浮物与其分离，而过滤后得到的第一粗净化水经由转筒式集水器收集，进入下一处理装置。
其中，所述井下处理矿井水的装置还包括固液分离反洗装置。
特别是，所述过滤反洗装置包括反洗水储水罐、反洗泵和喷嘴。
尤其是，所述反洗泵的进口通过管道与所述反洗水储水罐相连，所述反洗泵的出口通过管道与所述喷嘴相连。所述过滤器反洗装置位于所述过滤装置的上方，反洗水储水罐内的反洗水经由反洗泵通过喷嘴喷出，对过滤装置进行反冲洗。
特别是，当过滤系统的膜通量降低30%左右时，开启反洗装置对过滤装置进行反冲洗。
其中，所述油水分离装置为纳米陶瓷膜组件
特别是，所述纳米陶瓷膜由高纯的a-Al2O3材料在800-1200℃高温下真空烧结而成，孔径为10nm-2.0μm。
尤其是，所述纳米陶瓷膜的平均跨膜压力为1-5bar，过滤孔径为0.05μm，平均膜通量为100-150L/m2/h。
煤矿井下采掘作业过程中，采掘机液压支架需要使用并排放大量的冷却液。这些冷却液最终排入矿井水中，含有大量溶解油和乳化油。溶解油完全溶解于水中，乳化油在水中呈乳状液。常规的物理、化学和物理化学方法均难以将上述溶解油和乳化油去除。陶瓷膜具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性好、耐酸碱、耐有机溶剂、耐菌、耐高温、抗污染、膜再生性能好、分离过程简单、膜使用寿命长等众多优势;纳米陶瓷的产生，可以改善陶瓷材料的脆性问题，使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性，纳米级氧化铝粉体粒径小,表面原子比例高,具有独特的体积效应、表面效应,是开发新一代高强度,高韧性,多功能陶瓷的理想原料。因此，本发明采用以纳米陶瓷管为主要过滤单元的纳米陶瓷膜除油系统对溶解油和乳化油进行处理。
其中，所述井下处理矿井水的装置还包括油水分离反洗装置。
特别是，所述油水分离反洗装置包括反洗水储水罐、反洗泵和喷嘴。
尤其是，所述反洗泵的进口通过管道与所述反洗水储水罐相连，所述反洗泵的出口通过管道与所述喷嘴相连。所述反洗装置位于所述油水分离装置的上方，反洗水储水罐内的反洗水经由反洗泵通过喷嘴喷出，对油水分离装置进行反冲洗，将富集在陶瓷膜表面的含油污染物经反洗去除。
特别是，当除油系统的膜通量降低30%左右时，开启反洗装置对油水分离装置进行反冲洗。
其中，所述超滤装置为管式膜组件。
特别是，所述管式膜的材质为高分子材料。
尤其是，所述超滤装置的膜组件优选为平板管式膜，所述管式膜的材质优选为聚偏氟乙烯。
特别是，所述管式膜的截留分子量为1.5×105μ，运行压力为0.1-0.16MPa。
经超滤装置处理后，矿井水中DOC的去除率在40-60%之间，UV254的去除率在30-50%，表明矿井水中小于1000μ的小分子量有机物的绝大部分被去除。
其中，所述井下处理矿井水的装置还包括超滤反洗装置。
特别是，所述超滤反洗装置包括反洗水储水罐、反洗泵和喷嘴。
尤其是，所述反洗泵的进口通过管道与所述反洗水储水罐相连，所述反洗泵的出口通过管道与所述喷嘴相连。所述过滤反洗装置位于所述过滤装置的上方，反洗水储水罐内的反洗水经由反洗泵再通过喷嘴喷出，对超滤装置进行反冲洗。
特别是，当超滤系统的膜通量降低30%左右时，开启反洗装置对超滤装置进行反冲洗。
其中，所述井下处理矿井水的装置还包括控制装置。
特别是，所述控制装置为防爆PLC控制装置。
尤其是，所述控制装置与上述各装置相连，自动控制整个装置安全正常的运行。
特别是，所述控制装置的电气元件设有防尘、防湿和防爆装置，保证装置能安全用于煤矿井下。
本发明的优点和有益技术效果如下：
1、本发明井下处理矿井水的方法和装置通过井下水仓对待处理的矿井水首先进行沉淀处理，将水中的SS颗粒物质沉淀下来，极大地减轻了后续处理的处理负荷。
2、本发明井下处理矿井水的方法和装置采用旋转过滤对矿井水进行固液分离处理，不仅可以最大限度的截留矿井水中的微细悬浮物，而且在旋转过滤器在旋转的过程中，通过离心力和重力将截留的微细悬浮物去除，在过滤的同时增大了过滤器的过滤通量，延长了过滤器的反洗周期和使用寿命。
3、本发明井下处理矿井水的方法和装置采用纳米陶瓷膜去除矿井水中的乳化油和溶解油，常规的物理、化学和物理化学方法均难以将上述溶解油和乳化油去除，陶瓷膜分离效率高、效果稳定，可以很好的将其去除，避免了后续处理的膜污染和膜堵塞问题。
4、本发明井下处理矿井水的方法对矿井废水中的各项有机物去除效果明显，处理后的矿井废水各项污染物浓度均有明显下降，悬浮物(SS)去除率可达89-92.2%，浊度去除率可达94.3-96.6%，油类去除率可达94.8-95.8%，DOC去除率可达93.5-94.9%，UV254去除率可达92.3-94.7%，去除率较高。
5、本发明井下处理矿井水的方法和装置在整个处理过程中，不添加PAC和PAM等化学药剂，在处理的过程中，不增加水中的污染并且不增加处理压力。
6、本发明井下处理矿井水的装置首先是一个有机整体，为本发明首次提出。但各个装置都是独立的，可实现自由拆卸、移动方便，极大地便于井下使用。
7、本发明井下处理矿井水的装置在矿井井下环境下使用，所用电气元器件均采用隔爆安全型，保证井下工作条件下的安全使用。
8、本发明井下处理矿井水的装置直接布置在煤矿矿井下，矿井水经处理后直接用于井下回用，极大地节省了废水处理的投资和运行费用。