一、研究内容

1.基本原理

（1）工艺及原理

该项目核心工艺为加载絮凝磁分离工艺（BFMS），该技术的工艺原理是在传统的絮凝工艺中加入磁粉以增强絮凝效果，通过形成高密度的絮体和加大絮体的比重达到高速除污和快速沉降的目的。利用磁粉的离子极性和金属特性，磁粉作为絮体的核体大大加强了对水中悬浮污染物的絮凝结合能力，减少絮凝剂的用量，在去除悬浮物，特别是在去除磷、细菌、病毒、油、重金属等方面的效果比传统工艺好。由于磁粉的比重高达5000kg/m?，大约是砂子的两倍，混有磁粉的絮体比重增大，絮体快速沉降，速度可达20m/h以上，整个水处理从进水到出水可在10分钟左右完成。

污泥中的磁粉利用其本身特性使用磁鼓进行分离后回收并在系统中循环使用。

（2）加载絮凝磁分离技术对矿井水处理达到的效果

a、实现泥水分离，污泥通过浓缩、压滤随煤炭外运，解决煤泥占地的问题，降低了运行成本，产生了收益。

b、出水水质达到井下消防洒水水质，SS≤30mg/L，悬浮物粒度≤0.3mm，pH值6-9，大肠杆菌≤3个/L。

c、提高了矿井水处理的速度和效率，解决了井下矿井水处理空间受限的难题。当矿井水中悬浮物小于2000mg/L时，处理后的出水水质满足煤矿井下的回用要求。

2.关键工艺技术

加载絮凝磁分离系统的关键技术是磁粉的回收与再利用。磁粉的回收与利用分为两部分内容：一是高速剪切机，二是高磁梯度分离机。

（1）高速剪切机

高速剪切机原理是：利用电机提供动力带动叶轮的高速旋转，从而在剪切机腔体内产生水力剪切力，回流管路内高比重的絮体在水力剪切的作用下发生磁粉与杂质的分离。

为了保证有效的破碎，电机转速必须保证在合适的范围，转速太大造成水力剪切力过大，使原本成絮的杂质颗粒度降低，影响脱泥效果，产泥率下降；转速太小，使水力剪切力过小，又会使磁粉的分离不彻底，造成磁粉回收率下降，所以合适的转速至关重要。根据中煤张煤机对矿井水磁絮体破碎效果的研究，加载絮凝磁分离系统高速剪切机的电机转速保持在1200-1500转/分钟范围内能够取得良好的破碎效果。

图1 高速剪切机三维图

（2）高磁梯度分离机

该高磁梯度分离机为转鼓式，它的主要部分由固定的磁系和在磁系外面转动的非磁性圆筒构成。磁系的磁极极性沿圆周方向交替排列，沿轴向极性单一，圆桶是用来运载黏附在其表面上的磁性物质，其工作原理如图所示。

图2 转鼓式磁粉回收装置工作原理图

含有磁粉和污泥的污水从转鼓的一端进入分离装置，固定磁极将磁性颗粒吸出并附着在滚筒表面，随着滚筒的转动，被带至磁系边缘的低磁区，并从磁性物质出口卸下，非磁性物质则在重力的作用下，沿分离槽流至非磁性物质出口排出，完成磁性物质和非磁性物质的分流过程。

磁性物质通过刮泥重新投加到图3的2号混合池中，完成再利用过程，非磁性物质随管道流入储泥池，经过脱泥后外运。

图3 高磁梯度分离机三维图

3.工艺流程

该项目的关键技术是加载絮凝磁分离工艺，加载絮凝磁分离（BFMS）技术源自麻省理工，在絮凝过程中加入磁性加载物，利用科学的混合技术，增强絮凝效果，增加絮体比重，加快沉降速度，表面负荷超过20m?/m?·h。混合污泥通过分离回收装置回收磁性加载物循环利用。其工艺流程图为：

图4 工艺流程图

4主要特点

（1）全国首台首套加载絮凝磁分离井下矿井水处理设备；

（2）提高了磁粉的回收率，达到99.5%以上；

（3）杂质沉降速度快，矿井水处理效率高，节约占地，比传统水处理设施减少80%以上；

（4）出水水质好，能有效去除水中的污染物COD、BOD、SS、TP、石油类、色度等，满足井下回用水水质要求；

（5）自动化程度高，全自动运行，操作简便，可实现无人值守。

（6）投资少，比传统水处理投资减少30%以上；

（7）处理成本低，比传统水处理节约40%以上；

（8）生产效率高，表面负荷是传统工艺的20~50倍，水处理速度快。

二、应用效果

1.主要涉及指标及应用前后指标对比

2.解决的主要问题

（1）解决了煤矿井下矿井水处理及回用的难

采用井下矿井水处理就地回用方式可简化生产用水供水模式，井下用水直接由井下经处理后的矿井水供给，使矿井水无需向地面排放，解决了矿井水回用的问题。

（2）在煤矿井下安装条件受限的情况下，解决了设备运输和安装的难题

通过对系统中单体池体采用螺栓拼接方式连接的密封性和承载性进行试验研究，表明池体间的螺栓拼接方式完全可以替代焊接方式，由于单体池体体积小，能有效解决在狭窄巷道内设备的运输和安装问题。

（3）解决了磁性加载物的回收和循环利用问题

通过对沉降絮体的破碎和分离研究以及加载物加磁和脱磁的磁性特性研究，得出将含磁性加载物煤泥经专用高旋转水力剪切机进行破碎分离后，再经带有一定磁场强度的回收装置回收磁性加载物，并重新投进系统内，可实现加载物循环利用，降低设备运行成本。

（4）解决了煤泥的占地问题且实现了矿井水处理无损化

含水煤泥经过浓缩和脱水处理，形成含水率低于80%的煤泥，可直接通过该皮带输送至地面，解决煤泥占地的问题。煤泥浓缩产生的上清液和煤泥脱水产生的滤液回流至加载絮凝磁分离系统内处理，实现矿井水处理无损化。

3.经济效益

（1）某矿120吨/小时井下水处理项目，节约给排水处理成本，实现销售收入391万元。

（2）某矿20000吨/天大型矿井水处理项目，已实现销售收入735万元。

4.社会效益

（1）矿井水中主要去除杂质是悬浮物，开展矿井水处理能净化水质，减少悬浮物（SS）的排放量，以某矿井下水处理项目为例，水量为120m?/h，进水SS按照2kg/m?计算，设计出水悬浮物浓度0.03kg/m?，则一年减少的SS排放量为2050吨。

（2）煤泥资源回收价值高，净化后的悬浮物直接脱水成煤泥，能够实现煤泥的集中处置。

（3）减少对周围环境的污染，处理后的水可直接回用，有效解决矿井水对周围环境带来的污染问题，以及井下水仓清淤带来的高成本和风险。

（4）井下污水处理站的建成将提高煤矿基础设施水平，对改善和提高环境质量水平、美化矿区起到重要作用。

三、推广应用前景

这套井下矿井水处理设备采用就地回用方式简化了生产用水供水模式，井下用水直接由井下经处理后的矿井水供给，使矿井水无需向地面排放，每年可节约大量的排水费用；同时矿井水处理产生的煤泥可直接并入煤炭产品中进行销售，不仅节约煤泥处置费用开销，每年还可产生额外收益，且减少堆场占地；应用矿井水处理井下就地回用工艺，可有效降低井下矿井水处理的综合成本，其技术推广的前景良好。

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