Как очистить шахтную воду
Зборник статей III Международной научно-практической конференции «Геотехнология и управление производством ХХI века» (15-16 апреля 2008 года). ДонНТУ. 2008г.
Очистка и доочистка промышленных сточных вод и дальнейшее их использование для промышленного водоснабжения предприятий, а в отдельных случаях и для нужд сельского хозяйства относятся к важным мероприятиям по охране источников питьевой воды.
Высокие требования предъявляются водным законодательством к проектированию и строительству предприятий как будущих источников возникновения и сброса сточных вод.
Предприятия угольной промышленности откачивают большой объем шахтных вод (в Донбассе около 800 млрд. куб.м/год), которые загрязнены взвешенными веществами, бактериальными примесями и минеральными солями. Их сброс в наземную гидрографическую сеть вызывает ощутимое заиление, засоление и закисление водоемов и водотоков, дестабилизируя тем самым экологическое равновесие в угольных бассейнах. Постоянный переход горных работ на более глубокие горизонты и усложнение при этом гидрогеологических условий приводит к дальнейшему увеличению объемов и загрязненности, попутно забираемых вод различными веществами, а также истощению подземных водоносных горизонтов, в том числе насыщенных чистой питьевой водой.
В связи с этим, а также нарастающим дефицитом питьевой воды актуальными становятся вопросы предотвращения загрязнения подземных вод, очистки загрязненных шахтных вод и повторного использования их для нужд угольной промышленности, а также смежных отраслей, сельского хозяйства и в быту.
До настоящего времени подавляющее большинство научных и экспериментальных работ были направлены на решение лишь одного из перечисленных вопросов: на очистку шахтных вод, их осветление, обеззараживание, деминерализацию и нейтрализацию.
Очистка шахтных вод производится механическими, химическими, физическими и биологическими методами.
Механические методы (осветление, фильтрование, выделение твердой фазы под действием центробежных сил, сгущение осадков на центрифугах и вакуум-фильтрах) используется в основном как предварительные, и освобождают воду только от механических примесей различной крупности, т.е. осветляют ее.
При химических методах очистки воды применяют реагенты для измельчения химического состава примесей или их структуры (коагулирование и флокулирование, нейтрализация, перевод ядовитых примесей в безвредные, обеззараживания методом хлорирования и т.д.).
Физические методы – это извлечение вредных примесей путем измельчения агрегатного состояния воды, воздействия на них ультразвука, ультрафиолетовых лучей, растворителей и др.
Биологические методы предназначены для очистки воды, содержащей загрязнения органического происхождения.
Осветление шахтных вод производится механическими и химическими методами в две стадии: осветление и фильтрование. Отстаивают в случае необходимости, может предшествовать процеживание для извлечения из сточных вод крупных плавающих загрязнений и частично взвешенных примесей во избежание засорения каналов и труб. Процеживание производится через решетки и сита.
Отстаивание шахтных вод – это метод очистки от взвешенных в ней частиц различных веществ путем их осаждения под действием силы тяжести. В шахтной воде, откачиваемой на поверхность, содержатся весьма мелкие частицы, вплоть до коллоидных. Скорость осаждения таких частиц незначительна, они могут долгое время, находится в воде, что объясняется не только малой начальной массой частиц, но и отсутствием их самопроизвольной коагуляции (неслипаемостью друг с другом из-за наличия одноименных электрических зарядов на их поверхности). Таким образом, обеспечивается лишь грубая очистка шахтных вод и поэтому механическое отстаивание широко не применяется.
Для ускорения процесса отстаивания и усиления его эффективности применяют химические методы обработки воды – вносят коагулянты и флокулянты, имеющие заряд, противоположный заряду взвешенных частиц. В результате заряды последних нейтрализуются, начинают слипаться, образовывать более тяжелые хлопья, которые легко оседают, увлекая за собой частицы, еще не подвергшиеся обработке коагулянтом.
В качестве реагентов используются сернокислый алюминий, сернокислое хлорное железо, полиакриламид, потиэтиленимин.
Эффективность коагуляции повышается при постоянстве состава и температуры воды, небольшом ее расходе, а также правильном выборе коагулянта, равномерном перемешивании его в воде.
Таким образом, осаждение частиц – явление весьма сложное, зависящее от многих факторов: размера и формы частиц, наличия реагентов, а также скорости движения воды, ее вязкости.
Отстойные устройства для очистки шахтных вод подразделяют на песколовки, отстойники и осветлители.
Песколовки (горизонтальные и вертикальные) применяют для предварительного выделения из шахтных вод тяжелых минеральных примесей, главным образом силикатов, гидравлическая крупность которых 18-24 мм/с.
Отстойники (периодического и непрерывного действия) – это сооружения, где происходит оседание взвешенных в воде твердых частиц. На шахтах применяют отстойники непрерывного действия. Они предназначены для улавливания частиц конкретного фиксированного размера независимо от общего эффекта осветления воды и улавливания определенного количества взвесей учетом требуемого эффекта осветления воды.
Осветлители – это аппараты для усиления процесса осветления предварительно обработанной коагулянтом шахтной воды путем ее пропускания через слой ранее образованного осадка (контактной среды). В основном используются осветлители со взвешенным слоем осадка. Усиление эффективности осветления объясняется технологическими свойствами контактной среды: благоприятным действием на процессы агрегации взвесей сильно развитой поверхности частиц, образующих контактную среду; равномерным распределением потоков осветляемой воды; увеличением коэффициента объемного использования сооружения и др.
Прогрессивным направлением осветления шахтных вод является разделение суспензий в поле центробежных сил. Силы, действующие на выделяемые частицы в центробежных устройствах, значительно больше сил тяжести, действующих в отстойниках, поэтому их производительность и эффективность во много раз выше. К устройствам центробежного типа относятся гидроциклоны (открытые для выделения оседающих и всплывающих примесей и напорные – только оседающих агрегатоустойчивых грубодисперсных примесей) и центрифуги (для удаления из воды тонкодисперсных примесей применяют гидроциклоны малого диаметра — мультициклоны).
Если после предварительного осветления в отстойниках, осветлителях или в гидроциклонах не удается получить воду требуемого качества, то ее дочищают с помощью фильтрования, выделяя тонкодисперсные, коллоидные твердые или жидкие частицы. Водоочистные сооружения, на которых происходит этот процесс, называются фильтрами.
При фильтровании идет разделение жидкой и твердой фаз с помощью пористой перегородки под действием разности давлений, создаваемой избыточным напором или разряжением воздуха. Жидкая фаза проходит через поры перегородки и собирается в виде фильтрата, а твердая (осадок) задерживается на поверхности перегородки.
В зависимости от вида фильтрующей среды фильтры делятся на тканевые, сетчатые, каркасные, намывные, зернистые и др. При очистке шахтных вод, когда приходится иметь дело с большими объемами воды, используют фильтры с сетчатыми элементами и фильтры с зернистой загрузкой, для работы которых не требуется больших давлений.
При осветлении шахтных вод не достигается полного удаления бактерий и вирусов. Так как среди оставшихся микроорганизмов могут находиться и болезнетворные, осветленные воды перед их использованием в технических целях или отведением в водоемы подвергаются обязательному обеззараживанию. Обеззараживают шахтные воды хлорированием, которое отличается доступностью хлорагентов и надежностью их действия при сравнительно небольших расходах. Допускается применение также озона и ультрафиолетового излучения. Хлорирование производится жидким хлором и гипохлоритом натрия. Для шахтных вод доза хлора и величина остаточного хлора определяется в каждом конкретном случае органами местного сан. надзора по данным пробного хлорирования и бактериологического анализа с учетом местности, в которой размещен водоем, вида водопользования, степени загрязненности воды.
Гипохлорит натрия используют для обеззараживания шахтных вод не только в поверхностных, но и в подземных условиях.
Однако хлорирование имеет ряд недостатков: необходимость соблюдения особых мер предосторожности в обращении с хлором из-за его токсичности; тщательной дозировки реагента; ухудшения органолептических свойств воды; недейственность хлора на спорообразующие бактерии. Указанных недостатков лишен способ обеззараживания воды бактерицидными лучами аргонортутных или ртктно-кварцевых ламп, которые устанавливают на поверхности воды или погружают в нее. Действие бактерицидного облучения проявляется почти мгновенно, при условии, что концентрация взвесей в воде не превышает 3 мг/л. Для обеззараживания воды все больше применяют озонирование (пропускают воду через озонированный воздух).
При разработке технологии очистки шахтных вод в подземных условиях руководствуются СНиП 11 94-80 «Подземные горные выработки» о необходимости сооружения перед шахтными водосборниками предварительных отстойников, оборудованными устройствами для их механизированной очистки от накапливающегося шлама. В качестве таковых целесообразно применять высокоэффективные малогабаритные тонкослойные отстойники. Их следует располагать перед водосборниками действующих горизонтов – здесь большая крупность и концентрация взвесей в воде, а следовательно, седиментационные свойства частиц значительно выше.
Тонкослойные отстойники сооружают стационарными. Отстойник и водосборник расположены в водоочистном комплексе последовательно друг за другом и разделяются плоским водосливом.
Отстойник рассчитывают на основании исходных данных включающих величину ожидаемого водопритока, требуемую степень осветления, результаты технологических анализов шахтных вод.
После осветления шахтные воды должны обеззараживаться. Если осветленные шахтные воды используются на подземные технологические нужды, то обеззараживать их следует в подземных условиях, а в остальных случаях – на поверхности земли перед сбросом вод в водоемы и реки.
В настоящее время можно рекомендовать лишь принципиальную комплексную технологическую систему мероприятий и сооружений, обеспечивающих снижение загрязненности шахтных вод в подземных условиях. Такая система должна включать профилактические мероприятия по предотвращению и снижению загрязненности шахтных вод, а также по очистке малых объемов загрязненных вод. В качестве примера приведем схему технологической системы для снижения загрязненности шахтных вод в подземных условиях.
Рис 1 — Схема технологической системы мероприятий и сооружений для снижения загрязненности шахтных вод в подземных условиях. 1 – шахта; 2 – водонакопитель; 3 – скважина; 4 – пространство отработанных горизонтов шахты; 5 – погашенная выработка; 6 – трубопровод; 7 – центральный водосборник шахты; 8 – обособленный отстойник или отстойная камера; 9 – трубопровод; 10 – водосборник; 11 – предварительный отстойник; 12 – очистной или подготовительный забой; 13 – водоотливные канавки; 14 – выработанное пространство; 15 – шламонакопители; 16 – гидромеханизированная установка; 17 – гидроциклонные сгустители; 18 – вагоны с сетчатыми днищем (бортами); 19 – цепочка; 20 – узел реагентной обработки воды; 21 – фильтры; 22 – бактериологический узел.
Источник
Образование и очистка шахтных вод
Способы очистки шахтных вод
Основными способами очистки шахтных вод являются отстаивание, осветление в слое взвешенного осадка, фильтрование, а также удаление взвешенных веществ под действием центробежных сил.
Отстаивание применяется как без обработки воды реагентами (безреагентное отстаивание), так и с предварительной обработкой коагулянтами и флокулянтами, фильтрование – преимущественно с применением реагентов, а осветление в слое взвешенного осадка – только с обработкой воды реагентами.
Наибольшее распространение на предприятиях угольной промышленности получил способ отстаивания.
Безреагентное отстаивание продолжительностью до 6 ч. в горизонтальных секционных отстойниках небольшой емкости на большинстве угольных шахт обеспечивает очистку от взвешенных веществ в среднем до 50-200 мг/л, что не достаточно для сброса в водные объекты и подачи на фильтры доочистки. Образующийся при этом осадок обладает сравнительно высокой плотностью и плохо удаляется гидравлическим способом, а применяемый в большинстве случаев на практике способ удаления осадка путем его гидроразмыва и перекачки шламовыми насосами в илонакопители или иловые площадки нетехнологичен, особенно в зимних условиях, и весьма трудоемок. Поэтому очистка отстойников от осадка производится обычно один раз в год в летний период, что приводит к переполнению его осадком и неэффективной работе в течение длительного периода времени.
Безреагентное отстаивание в бетонированных и земляных отстойниках большей емкости, рассчитанных на 6-24 ч., обеспечивает более высокую эффективность, однако во многих случаях качество очищенной воды также не удовлетворяет предъявляемым требованиям. В целом они, хотя и в меньшей степени, обладают теми же недостатками, что и горизонтальные секционные отстойники.
Пруды-отстойники являются наиболее эффективными сооружениями по безреагентному отстаиванию шахтных вод и позволяют при оптимальных параметрах снизить содержание взвешенных веществ до величин, не превышающих 30-50 мг/л. Повышение эффективности очистки достигается при последовательной работе 2-3 прудов-отстойников. При невысоких требованиях к качеству воды, подлежащей к сбросу в водные объекты, и небольшом содержании тонкодисперсных частиц в исходной воде эти сооружения могут успешно использоваться в качестве самостоятельного способа очистки, а в остальных случаях – в качестве первой ступени очистки перед фильтрованием. Пруды-отстойники должны рассчитываться на длительное накопление осадка в течение не менее 10 лет.
Вертикальные и тонкослойные отстойники рассчитаны на работу, как правило, с предварительной обработкой шахтных вод реагентами и удалением осадка под гидростатическим давлением без выключения их из работы. Из этих двух типов сооружений более компактны, эффективны и удобны в эксплуатации тонкослойные отстойники, обеспечивающие при этом максимальную удельную нагрузку на поверхность для сооружений отстойного типа.
Осветление в слое взвешенного осадка является весьма эффективным способом очистки шахтных вод и может осуществляться в аппаратах различного типа. Однако на предприятиях угольной промышленности преимущественное применение получили осветлители коридорного типа с вертикальным осадкоуплотнителем.
Работа осветлителей основана на явлении контактной коагуляции, которая происходит при прохождении очищаемой воды, подвергшейся реагентной обработке, через слой взвешенного осадка, находящийся в динамическом равновесии благодаря равенству скорости восходящего потока и средней скорости осаждения скоагулированных частиц. Необходимым условием эффективной работы осветлителей служит сохранение постоянства расхода и температуры очищаемой воды. Верхний предел содержания взвешенных веществ, поступающих на очистку шахтных вод не ограничен, а нижний предел составляет 150 мг/л, содержание взвешенных веществ в очищенной воде не превышает 10-15 мг/л. В связи с этим, данный способ может применяться как для одноступенчатой очистки шахтных вод, так и в качестве первой ступени очистки перед фильтрованием.
Фильтрование, в отличие от отстаивания и осветления в слое взвешенного осадка, является методом тонкой (глубокой) очистки воды и осуществляется пропусканием воды через зернистые или пористые материалы. Осветление воды при фильтровании происходит в результате действия двух противоположных процессов: адгезии твердых или скоагулированных частиц к поверхности зерен фильтрующей загрузки и отрыва, ранее задержанных частиц и переноса их гидродинамическим потоком жидкости в следующие по ходу потока слои фильтрующего материала.
Отличительная особенность способа фильтрования заключается в высокой чувствительности его к содержанию взвешенных веществ в исходной воде. С повышением исходного содержания взвешенных веществ эффективность очистки и длительность цикла фильтрования резко снижается, существенно возрастает расход воды на промывку фильтров. В связи с этим предельное значение концентрации взвешенных веществ в исходной воде ограничено для скорых открытых однослойных зернистых фильтров 30 мг/л, для скорых напорных и открытых двухслойных фильтров 50 мг/л и для контактных осветлителей 150 мг/л .
Из механизма процесса фильтрования следует также, что его эффективность может быть повышена путем реагентной обработки поступающей на очистку воды. Способность коагулянтов и флокулянтов к образованию хлопьев, увеличению их плотности, прочности и сил адгезии позволяет оптимизировать процесс фильтрования и добиваться максимальной его эффективности. Таким образом, с учетом особенностей способа фильтрования, целесообразной областью его применения следует считать одноступенчатую очистку шахтных вод с небольшим исходным содержанием взвешенных веществ или вторую ступень очистки после отстаивания и осветления в слое взвешенного осадка.
Прогрессивным направлением в технологии очистки сточных вод угольных предприятий является удаление взвешенных веществ под действием центробежных сил. Силы, действующие на выделяемые частицы в центробежных устройствах, больше сил тяжести, действующих в отстойниках. Вследствие этого повышается в несколько раз их производительность, уменьшаются их размеры. На горных предприятиях широко распространены напорные конические гидроциклоны. Загрязненная вода подается под давлением 0,05-0,3 МПа внутрь гидроциклона, поступает в цилиндрическую часть и вращательно движется в ней вместе с примесями. Крупные примеси отжимаются возникающей центробежной силой к стенкам и вместе с жидкостью по винтовой спирали поступают к сливу. Осветленная вода движется вверх по оси гидроциклона. Эффективность очистки в гидроциклонах составляет в среднем 70-80 %.
Выводы
Таким образом, при исследовании сложившейся ситуации в области очистки шахтных вод на угольных предприятиях Сибирского региона, с учетом условий их образования и качественного состава, можно заключить, что на сегодняшний момент основные проблемы угольных предприятий по очистке шахтных вод остаются не решенными: кроме низкой эффективности существующих технологий, они требуют больших эксплуатационных затрат.
При анализе применяемого оборудования для очистки шахтных вод, выявлены его недостатки, а следствием этого является то, что эффективность очистки шахтных вод на большинстве имеющихся очистных сооружениях недостаточна и очищенная вода по своим качественным показателям не удовлетворяет нормативным требованиям на сброс.
Поэтому возникает необходимость разработки и внедрения новых эффективных способов и технологических схем очистки шахтных вод с заменой устаревшего оборудования на современное, например, флотационное, которое, по нашему мнению, будет являться наиболее перспективным.
Источник
