煤矿矿井水处理工程.doc
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1、某煤矿200m3/h矿井水处理工程设计方案编制单位:徐州某环保节能设备有限公司二OO八年1、 项目概况1.1、 项目简介某煤矿井下有5台280m3/h水泵,正常启动1台,每天总运行4小时,间隔8小时,每次2小时。为满足生产要求及环保需求,需要建设矿井水处理站一座,设计处理能力200m3/h。处理后的矿井水用做洗煤生产补充用水及井下消防洒水,处理后水质达到地表水环境质量标准(GB3838-2002)类标准,多余的矿井水达标外排。我公司根据多年的工程实践经验,结合该煤矿的实际情况,本着投资少,见效快,实用可靠,节省占地面积,运行费用低,耗能少,自动化程度高,处理效果好的原则。我们针对该矿的矿井水水
2、质特性,设计了一套较先进的深度处理工艺方案,最终外排水均应达到排放要求,同时我们认为该矿的矿井水处理特别适合我公司生产的矿井水处理设备,因此设计了此套矿井水处理工艺方案。1.2、设计编制原则1.2.1 严格执行环境保护的有关各项标准、规范,确保处理后的矿井水达标。1.2.2 采用国内先进技术和成熟工艺及设备,处理设施高效节能处理效果好。1.2.3 工艺流程尽量简单,操作简便,便于管理和维护,投资小,运行成本低。1.2.4 设计力求美观、大方,构筑物布置时尽量紧凑、合理,设施及管线布置流畅、整齐,减少占地面积和管道费用。布局尽量与整个工业场地布置相匹配。1.2.5 按照当地总体规划、污水专业规划
3、和环境影响评价的要求,遵守国家、和当地的有关法律法规、标准规范,编制本工程可行性研究报告。1.2.6 根据近来当地社会和经济的不断发展,企业规模和数量的不断扩大导致污水量不断增长的现状,论述项目建设规模的必要性、迫切性和可行性。1.2.7 结合污水处理厂用地的特殊性,将污水处理厂的建筑风格与当地环境融合一体。1.2.8 采取相应措施使污水处理厂的污泥、噪声、废气等对周围的环境降至最低。1.3、编制依据1.3.1中华人民共和国环境保护法(89.12)1.3.2建设项目环境保护管理条例(98.11)1.3.3煤炭工业污染物排放标准(GB204262006)1.3.4地表水环境质量标准(GB3838
4、-2002)类标准1.3.5室外排水设计规范(GBJ14-87)1.3.6给排水工程结构设计规范(GBJ69-84)1.3.7水处理设备制造技术条件(JB2932-86)1.3.8给水排水设计手册(1-4册)1.3.10建筑给水排水设计规范(GBJ15-88)1.3.11低压配电设计规范(GB50054-95)1.3.12建筑电气通用图集(92DQ)1.3.13当地环保部门的指示精神1.4、编制范围根据用户的要求,编制范围为:针对该矿的发展需要,综合考虑污水水质水量现状,分析研究本工程建设200m3/h规模污水处理厂的客观必要性和技术经济管理上的可行性。本工程主要包括以下内容:1.4.1矿井水
5、处理厂建设用地选址的确定。1.4.2新建矿井水处理设备考虑相应的出水水质达标及排放出路、矿井污水达标排放和相应的污泥处置。1.4.3 按照200m3/h的的设计要求布置矿井水处理设备。2、工程建设条件论述2.1、纳污范围本工程纳污范围为大兴矿所有排放的井下污水。2.2、设计处理能力根据用户提供的设计要求,该套矿井水处理站设计处理能力Q=200m3/h。处理后的矿井水水质达到地表水环境质量标准(GB3838-2002)类标准,用做洗煤生产补充用水及井下消防洒水,剩余达标外排。2.3、厂址厂址已由用户指定。2.4、矿井水处理进、出水水质的确定2.4.1、设计进水水质 设计进水水质(因无资料,参考同
6、类矿井数据) 表2-1序号污染物pH浊度CODcr1单位NTUmg/L2浓度8.03006001002.4.2、出水水质经高密度迷宫斜板净水器及无阀过滤器处理后的矿井水出水地表水环境质量标准(GB3838-2002)类标准: 表2-2序号污染物pH浊度CODcr1单位NTUmg/L2浓度693203、矿井水处理厂工艺方案3.1、 污水处理方案的比选3.1.1 、工艺方案比选的原则矿井水处理厂的建设和运行受多种因素的制约和影响,其中工艺方案的选择对处理厂运行的可靠性、稳定性、能耗和占地面积有直接的影响。因此,有必要根据确定的水质和一般原则,从整体最优的观念出发,结合设计规模、污水水质特性以及当地
7、的实际条件和要求,选择可靠稳定且经济合理的处理工艺方案,进行全面的技术经济分析后,确定最佳的工艺方案。根据矿井水的水质特性,和处理后的水质要求,处理的重点是水中的悬浮物(SS)、COD、乳化油等。某矿井水处理后要求回用率为100%,一部分用作井下防尘洒水,一部分达标排放。矿井水中主要污染物为SS、COD、乳化油等,宜采用物化方法去除比较经济可行。混凝反应过程向混凝反应池中投加混凝剂(PAC),使水中难以沉降的颗粒相互聚集增大,形成粗絮凝体(硐花)下沉,以去除矿井水中的SS、COD等,再把水中的乳化油破乳后分离去除。故本设计采用高效反应沉淀后再经无阀过滤器,次氯酸钠发生器消毒的工艺,处理效果完全
8、可以达到国家相关要求标准,达到沉淀效率高、节省基建投资、占地面积小、运行费用少的目的。高密度迷宫斜板比传统普通斜板沉淀效率高,节省占地面积,是处理矿井污水的比较理想的沉淀设备,并且拥有国内多家工程实例的检验。3.2、矿井水处理工艺方案3.2.1、简介鉴于该项目原水水质状况,对出水的要求以及对处理设备占地面积的有关要求,应采纳高强度、高效率的新型水处理工艺技术,才能更好地满足业主的使用要求。综合考虑以上因素,及业主方面低运行消耗、高自动化操作的要求,建议采用我公司的“矿井水涡旋混凝低脉动处理技术”及“高密度迷宫斜板处理技术”。由于理论上的重大突破,“涡旋混凝低脉动和高密度迷宫斜板沉淀”技术实现了
9、高效率的混合、反应、沉淀,从而保证了高效率的除浊与高质量的供水。目前,该套技术已广泛应用于煤矿矿井水的处理和中国南北方的江、河、湖泊水的处理。对于矿井水处理来讲,矿井水处理工艺系统出水水质高于煤炭工业污染物排放标准(GB20426-2006),其中浊度小于5NTU,满足工业场区内地面消防洒水除尘、地面绿化等需要。3.2.2、工作原理3.2.2.1絮凝反应机理絮凝是给水处理的最重要的工艺环节,滤池出水水质主要是由絮凝效果决定的。传统廊道反应、回转孔室反应以及回转组合式隔板反应的絮凝工艺,水在设备中停留20-30min,水中尚有很多絮凝不完善的小颗粒。近年来,国内出现了普通网格反应;国外推出了折板
10、式、波形板以及机械搅拌反应设备,使絮凝效果有了比较明显地改善。但由于人们对絮凝的动力学本质认识不清楚,也就妨碍了絮凝效果的进一步提高。絮凝成长过程是微小颗粒接触与碰撞的过程。絮凝效果的好坏取决于下面两个因素:一是混凝剂水解后产生的高分子络合物形成吸附架桥的联结能力,这是由混凝剂的性质决定的;二是微小颗粒碰撞的几率和如何控制它们进行合理的有效碰撞,这是由设备的动力学条件所决定的。导致水流中微小颗粒碰撞的动力学致因是什么,人们一直未认识清楚。水处理工程学科认为速度梯度是水中微小颗粒碰撞的动力学致因。按照这一理论,要想增加碰撞几率就必须增加速度梯度,增加速度梯度就必须增加单位水体的能耗,也就是增加絮
11、凝池的流速。但是絮凝过程是速度受限过程,随着矾花的长大,水流速度应不断减少。絮凝的动力学致因是惯性效应。因为水是连续介质,水中的速度分布是连续的,没有任何跳跃,水中两个质点相距越近其速度差越小,当两个质点相距为无穷小时,其速度差亦为无穷小,即无速度差。水中的颗粒尺度非常小,比重又与水相近,故此在水流中的跟随性很好。如果这些颗粒随水流同步运动,由于没有速度差就不会发生碰撞。由此可见要想使水流中颗粒相互碰撞,就必须使其与水流产生相对运动,这样水流就会对颗粒运动产生水力阻力。由于不同尺度颗粒所受水力阻力不同,所以不同尺度颗粒之间就产生了速度差。这一速度差为相邻不同尺度颗粒的碰撞提供了条件。如何让水中
12、颗粒与水流产生相对运动呢?最好的办法是改变水流的速度。因为水的惯性(密度)与颗粒的惯性(密度)不同,当水流速度变化时它们的速度变化(加速度)也不同,这就使得水与其中固体颗粒产生了相对运动。为相邻不同尺度颗粒碰撞提供了条件。这就是惯性效应的基本理论。改变速度方法有两种:一是改变水流时平均速度大小。水力脉冲澄清池、波形板反应池、孔室反应池以及滤池的微絮凝主要就是利用水流时平均速度变化形成惯性效应来进行絮凝;二是改变水流方向。因为湍流中充满着大大小小的涡旋,因此水流质点在运动时不断地在改变自己的运动方向。当水流作涡旋运动时在离心惯性力作用下固体颗粒沿径向与水流产生相对运动,为不同尺度颗粒沿湍流涡旋的
13、径向碰撞提供了条件。不同尺度颗粒在湍流涡旋中单位质量所受离心惯性力是不同的,这个作用将增加不同尺度颗粒在湍流涡旋径向碰撞的几率。涡旋越小,其惯性力越强,惯性效应越强絮凝作用就越好。由此可以看出,如果能在絮凝池中大幅度地增加湍流微涡旋的比例,就可以大幅度地增加颗粒碰撞次数,有效地改善絮凝效果。这可以在絮凝池的流动通道上增设多层小孔眼格网的办法来实现。由于过网水流的惯性作用,使过网水流的大涡旋变成小涡旋,小涡旋变成更小的涡旋。不设网格的絮凝池湍流的最大涡旋尺度与絮凝池通道尺度同一数量级。当增设格网之后,最大涡旋尺度与网眼尺度同一数量级。增设小孔眼格网之后有如下作用:(1)水流通过格网的区段是速度激
14、烈变化的区段,也是惯性效应最强、颗粒碰撞几率最高的区段;(2)小孔眼格网之后湍流的涡旋尺度大幅度减少,微涡旋比例增强,涡旋的离心惯性效应增加,有效地增加了颗粒碰撞次数;(3)由于过网水流的惯性作用,矾花产生强烈的变形,使矾花中处于吸附能级低的部分,由于其变形揉动作用达到高吸能级的部位,这样就使得通过网格之后矾花变得更密实。要达到好的絮凝效果除了要有颗粒大量碰撞之外,还需要控制颗粒合理的有效碰撞。使颗粒凝聚起来的碰撞称之为有效碰撞。一方面,如果在絮凝中颗粒凝聚长大得过快会出现两个问题:(1)矾花长得过快其强度则减弱,在流动过程中遇到强的剪切就会使吸附架桥被剪断,被剪断的吸附架桥很难再连续起来,这
15、种现象称之为过反应现象,应该被绝对禁止;(2)一些矾花过快的长大会使水中矾花比表面积急剧减少,一些反应不完善的小颗粒失去了反应条件,这些小颗粒与大颗粒碰撞几率急剧减小,很难再长大起来。这些颗粒不仅不能为沉淀池所分离,也很难为滤池截留。另一方面,絮凝池中矾花颗粒也不能长得过慢,矾花长得过慢虽然密实,但当其达到沉淀池时,还有很多颗粒没有长到沉淀所需的尺度,出水水质也不会好。由此看到在絮凝池设计中应控制矾花颗粒的合理长大。矾花的颗粒尺度与其密实度取决两方面因素:其一是混凝水解产物形成的吸附架桥的联结能力;其二是湍流剪切力。正是这两个力的对比关系决定了矾花颗粒尺度与其密实度。吸附架桥的联结能力是由混凝
16、剂性质决定的,而湍流的剪切力是由构筑物创造的流动条件所决定的。如果在絮凝池的设计中能有效的控制湍流剪切力,就能很好的保证絮凝效果。多相流动物系反应控制理论的提出,真正建立起水处理工艺中的动力相似准则。使我们认识到湍流剪切力是絮凝过程中的控制动力学因素,如果在大小两个不同的絮凝工艺中,其湍流剪切力相等,那么具有同样联结强度的矾花颗粒可以在两个不同尺度的絮凝过程中同时存在,这在某种意义上也就实现了两个絮凝过程絮凝效果的相似。弗罗德数可以作为相似准则数,可以表明湍流剪切力的大小,两个尺度不同的絮凝过程当其弗罗德数相等时,其湍流剪切力就近似相等,絮凝效果就基本相似。但只控制湍流剪切力相等并不能完全控制
17、絮凝效果的相似,因为湍流剪切力相等时两个不同的絮凝过程的矾花联结强度相等,但矾花的密实度与沉淀性能却不一定相同。矾花的密实程度可用湍动度来控制,湍动度值越大表明在固定时间内流过固定空间点的涡旋数量越多,涡旋强度越大,矾花也越密实。因而我们也可以通过科学地布设多层网格,通过弗罗德数这个相似准则,来控制絮凝过程中水流的剪切力和湍动度,形成易于沉淀的密实矾花。3.2.2.2、反应工艺的优势分析根据对反应工艺机理的分析我们可以看出,该工艺和其它形式的反应工艺相比具备以下的优点:(1)对不同水体的适应性高由于采取了亚微观尺度的混凝效果控制,较之其它工艺来讲,更容易克服亚微观传质的阻力,在该工艺应用于一些
18、特殊水体,比如大家公认较难处理的北方低温低浊和低温高浊水的处理过程中,获得了更好的效果。(2)水头损失小,运行成本低该反应工艺从机理上认识到增加颗粒碰撞的动力学致因是惯性效应,而小尺度的涡旋能很好利用了颗粒的惯性效应,在空间上增加颗粒的碰撞几率,从而在最小的能耗下,达到最好的反应效果。和机械反应工艺相比,该工艺的无动力消耗的优点是明显的。3.2.2.3沉淀工艺的优势分析为了更直观地分析,这里依然将高密度迷宫斜板沉淀池与斜管沉淀池相比较地来看。斜管沉淀池是一种传统沉淀工艺形式,该池型是利用浅池理论的一种曾被广泛应用的设计,斜板长1m,倾斜角60,间距35mm,运行参数通常为:上升流速=1.5-1
19、.8mm/s。其主要问题在于处理效率低,沉泥面积大于排泥面积,在夏季高浊期容易出现阻塞。为提高沉淀池空间效率,以达到大幅度提高水量的目的,沉淀工艺采用采用高密度迷宫斜板沉淀池技术。该技术是浅池技术的发展,由于间距小,矾花可快速沉淀分离。使沉淀池清水区上升流速可达到3.0-3.5mm/s,沉淀后出水浊度小于5NTU。3.3、高密度迷宫斜板沉淀器与斜板(管)沉淀器的比较比较项目斜板(管)沉淀池高密度迷宫斜板沉淀池运行费用药剂投加量较大,运行费用高。可节省重力式无阀过滤器相关设备运行费用,节省药剂投加量30%,大大降低了运行费用和制水成本。投资费用投资费用较高。由于处理效率高、占地面积小,主体工艺构
20、筑物可节省投资1520%。处理效率与平流式沉淀池相比有显著提高,但仍未达到理想的效率。高密度迷宫斜板较常规设备大大缩小了板间距,缩至15mm,从而大幅提高了沉淀池空间利用效率,根据浅池理论,按照投影面积计算,沉淀池斜板布设区的单位空间水处理能力理论上为平流池的23倍,斜管沉淀池的2.5倍。出水效果出水浊度30NTU。出水浊度小于5NTU。占地面积占地面积较大。由于混合迅速,反应时间短,沉淀池上升流速高,因此可大为缩短水在处理构筑物中的停留时间,大幅度提高处理效率,因而也就节省了构筑物的基建投资。占地面积与平流沉淀池比较可节省70%,与斜管沉淀池比较可节省40%。适应水质能力对原水浊度适应性较差
21、。抗冲击能力强,适应水质广泛。高密度迷宫斜板抗冲击的能力较强,当原水浊度、进水流量、投加药量发生一些变化时,沉淀池出水浊度不象传统工艺那样敏感。其原因是,这项工艺的沉淀池上升流速按3.5mm/s设计时尚有很大潜力。运行实践表明,高密度迷宫斜板对低温低浊、汛期高浊以及微污染等特殊原水水质的处理均非常有效。布水布水不均匀。高密度迷宫斜板间距小,阻力大,因此比斜管更具有布水均匀不短流的优点。排泥排泥面积小于沉泥面积,在夏季高浊期容易出现阻塞。斜板(管)倾斜角一般采用60。高密度迷宫斜板沉泥面积与排泥面积相等,排泥面积是普通斜管的4倍多,大幅度提高了沉淀排泥负荷,更利于排泥。高密度迷宫斜板采用优质聚合
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