一、研究內(nèi)容
1.基本原理
（1）工藝及原理
該項目核心工藝為加載絮凝磁分離工藝（BFMS），該技術(shù)的工藝原理是在傳統(tǒng)的絮凝工藝中加入磁粉以增強絮凝效果，通過形成高密度的絮體和加大絮體的比重達到高速除污和快速沉降的目的。利用磁粉的離子極性和金屬特性，磁粉作為絮體的核體大大加強了對水中懸浮污染物的絮凝結(jié)合能力，減少絮凝劑的用量，在去除懸浮物，特別是在去除磷、細菌、病毒、油、重金屬等方面的效果比傳統(tǒng)工藝好。由于磁粉的比重高達5000kg/m3，大約是砂子的兩倍，混有磁粉的絮體比重增大，絮體快速沉降，速度可達20m/h以上，整個水處理從進水到出水可在10分鐘左右完成。
污泥中的磁粉利用其本身特性使用磁鼓進行分離后回收并在系統(tǒng)中循環(huán)使用。
（2）加載絮凝磁分離技術(shù)對礦井水處理達到的效果
a、實現(xiàn)泥水分離，污泥通過濃縮、壓濾隨煤炭外運，解決煤泥占地的問題，降低了運行成本，產(chǎn)生了收益。
b、出水水質(zhì)達到井下消防灑水水質(zhì)，SS≤30mg/L，懸浮物粒度≤0.3mm，pH值6-9，大腸桿菌≤3個/L。
c、提高了礦井水處理的速度和效率，解決了井下礦井水處理空間受限的難題。當?shù)V井水中懸浮物小于2000mg/L時，處理后的出水水質(zhì)滿足煤礦井下的回用要求。
2.關(guān)鍵工藝技術(shù)
加載絮凝磁分離系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是磁粉的回收與再利用。磁粉的回收與利用分為兩部分內(nèi)容：一是高速剪切機，二是高磁梯度分離機。
（1）高速剪切機
高速剪切機原理是：利用電機提供動力帶動葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，從而在剪切機腔體內(nèi)產(chǎn)生水力剪切力，回流管路內(nèi)高比重的絮體在水力剪切的作用下發(fā)生磁粉與雜質(zhì)的分離。
為了保證有效的破碎，電機轉(zhuǎn)速必須保證在合適的范圍，轉(zhuǎn)速太大造成水力剪切力過大，使原本成絮的雜質(zhì)顆粒度降低，影響脫泥效果，產(chǎn)泥率下降；轉(zhuǎn)速太小，使水力剪切力過小，又會使磁粉的分離不徹底，造成磁粉回收率下降，所以合適的轉(zhuǎn)速至關(guān)重要。根據(jù)中煤張煤機對礦井水磁絮體破碎效果的研究，加載絮凝磁分離系統(tǒng)高速剪切機的電機轉(zhuǎn)速保持在1200-1500轉(zhuǎn)/分鐘范圍內(nèi)能夠取得良好的破碎效果。
圖1 高速剪切機三維圖
（2）高磁梯度分離機
該高磁梯度分離機為轉(zhuǎn)鼓式，它的主要部分由固定的磁系和在磁系外面轉(zhuǎn)動的非磁性圓筒構(gòu)成。磁系的磁極極性沿圓周方向交替排列，沿軸向極性單一，圓桶是用來運載黏附在其表面上的磁性物質(zhì)，其工作原理如圖所示。
圖2 轉(zhuǎn)鼓式磁粉回收裝置工作原理圖
含有磁粉和污泥的污水從轉(zhuǎn)鼓的一端進入分離裝置，固定磁極將磁性顆粒吸出并附著在滾筒表面，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動，被帶至磁系邊緣的低磁區(qū)，并從磁性物質(zhì)出口卸下，非磁性物質(zhì)則在重力的作用下，沿分離槽流至非磁性物質(zhì)出口排出，完成磁性物質(zhì)和非磁性物質(zhì)的分流過程。
磁性物質(zhì)通過刮泥重新投加到圖3的2號混合池中，完成再利用過程，非磁性物質(zhì)隨管道流入儲泥池，經(jīng)過脫泥后外運。
圖3 高磁梯度分離機三維圖
3.工藝流程
該項目的關(guān)鍵技術(shù)是加載絮凝磁分離工藝，加載絮凝磁分離（BFMS）技術(shù)源自麻省理工，在絮凝過程中加入磁性加載物，利用科學的混合技術(shù)，增強絮凝效果，增加絮體比重，加快沉降速度，表面負荷超過20m3/m2·h。混合污泥通過分離回收裝置回收磁性加載物循環(huán)利用。其工藝流程圖為：
圖4 工藝流程圖
4主要特點
（1）全國首臺首套加載絮凝磁分離井下礦井水處理設(shè)備；
（2）提高了磁粉的回收率，達到99.5%以上；
（3）雜質(zhì)沉降速度快，礦井水處理效率高，節(jié)約占地，比傳統(tǒng)水處理設(shè)施減少80%以上；
（4）出水水質(zhì)好，能有效去除水中的污染物COD、BOD、SS、TP、石油類、色度等，滿足井下回用水水質(zhì)要求；
（5）自動化程度高，全自動運行，操作簡便，可實現(xiàn)無人值守。
（6）投資少，比傳統(tǒng)水處理投資減少30%以上；
（7）處理成本低，比傳統(tǒng)水處理節(jié)約40%以上；
（8）生產(chǎn)效率高，表面負荷是傳統(tǒng)工藝的20~50倍，水處理速度快。
二、應(yīng)用效果
1.主要涉及指標及應(yīng)用前后指標對比
2.解決的主要問題
（1）解決了煤礦井下礦井水處理及回用的難
采用井下礦井水處理就地回用方式可簡化生產(chǎn)用水供水模式，井下用水直接由井下經(jīng)處理后的礦井水供給，使礦井水無需向地面排放，解決了礦井水回用的問題。
（2）在煤礦井下安裝條件受限的情況下，解決了設(shè)備運輸和安裝的難題
通過對系統(tǒng)中單體池體采用螺栓拼接方式連接的密封性和承載性進行試驗研究，表明池體間的螺栓拼接方式完全可以替代焊接方式，由于單體池體體積小，能有效解決在狹窄巷道內(nèi)設(shè)備的運輸和安裝問題。
（3）解決了磁性加載物的回收和循環(huán)利用問題
通過對沉降絮體的破碎和分離研究以及加載物加磁和脫磁的磁性特性研究，得出將含磁性加載物煤泥經(jīng)專用高旋轉(zhuǎn)水力剪切機進行破碎分離后，再經(jīng)帶有一定磁場強度的回收裝置回收磁性加載物，并重新投進系統(tǒng)內(nèi)，可實現(xiàn)加載物循環(huán)利用，降低設(shè)備運行成本。
（4）解決了煤泥的占地問題且實現(xiàn)了礦井水處理無損化
含水煤泥經(jīng)過濃縮和脫水處理，形成含水率低于80%的煤泥，可直接通過該皮帶輸送至地面，解決煤泥占地的問題。煤泥濃縮產(chǎn)生的上清液和煤泥脫水產(chǎn)生的濾液回流至加載絮凝磁分離系統(tǒng)內(nèi)處理，實現(xiàn)礦井水處理無損化。
3.經(jīng)濟效益
（1）某礦120噸/小時井下水處理項目，節(jié)約給排水處理成本，實現(xiàn)銷售收入391萬元。
（2）某礦20000噸/天大型礦井水處理項目，已實現(xiàn)銷售收入735萬元。
4.社會效益
（1）礦井水中主要去除雜質(zhì)是懸浮物，開展礦井水處理能凈化水質(zhì)，減少懸浮物（SS）的排放量，以某礦井下水處理項目為例，水量為120m3/h，進水SS按照2kg/m3計算，設(shè)計出水懸浮物濃度0.03kg/m3，則一年減少的SS排放量為2050噸。
（2）煤泥資源回收價值高，凈化后的懸浮物直接脫水成煤泥，能夠?qū)崿F(xiàn)煤泥的集中處置。
（3）減少對周圍環(huán)境的污染，處理后的水可直接回用，有效解決礦井水對周圍環(huán)境帶來的污染問題，以及井下水倉清淤帶來的高成本和風險。
（4）井下污水處理站的建成將提高煤礦基礎(chǔ)設(shè)施水平，對改善和提高環(huán)境質(zhì)量水平、美化礦區(qū)起到重要作用。
三、推廣應(yīng)用前景
這套井下礦井水處理設(shè)備采用就地回用方式簡化了生產(chǎn)用水供水模式，井下用水直接由井下經(jīng)處理后的礦井水供給，使礦井水無需向地面排放，每年可節(jié)約大量的排水費用；同時礦井水處理產(chǎn)生的煤泥可直接并入煤炭產(chǎn)品中進行銷售，不僅節(jié)約煤泥處置費用開銷，每年還可產(chǎn)生額外收益，且減少堆場占地；應(yīng)用礦井水處理井下就地回用工藝，可有效降低井下礦井水處理的綜合成本，其技術(shù)推廣的前景良好。
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