磁窑沟煤业矿井污水处理系统改造工艺

山西河曲晋神磁窑沟煤业有限公司位于忻州市河曲县鹿固乡，该区域属于典型的山地区域，常年干旱少雨，年降水量仅211.4-714.3mm，而年蒸发量高达1805.7mm，水资源极度匮乏。随着环保要求的日益严格，原有矿井污水处理系统已无法满足新的排放标准要求。本文系统分析了磁窑沟煤业矿井污水处理站改造工程的背景动因、原系统存在问题、改造工艺设计思路、关键技术改进措施以及实际运行效果，为类似矿区污水处理系统升级提供可借鉴的工程经验。改造后的系统采用"混凝+沉淀+迷宫斜板沉淀+多介质过滤+陶瓷膜过滤"组合工艺，出水水质稳定达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准，实现了自动化控制和集约化管理，兼具技术先进性与经济合理性。

项目背景与改造必要性

磁窑沟煤业作为山西省重要的煤炭生产企业，地处水资源严重短缺的河曲县，该地区蒸发量是降水量的4倍，地表水多为间歇性河流，枯洪水季节流量悬殊，水生态环境极其脆弱。在煤炭开采过程中，每开采1吨煤约产生2吨矿井水，这些废水若未经妥善处理直接排放，不仅会造成严重的环境污染，更是对宝贵水资源的巨大浪费。随着煤炭开采强度的增加，磁窑沟煤业井下涌水量已由设计初期的90m³/h增至200-220m³/h，污水处理系统面临巨大压力。

环保政策的升级是推动本次改造的直接动因。根据山西省人民政府办公厅《关于印发山西省水污染防2018年行动计划的通知》(晋政办发[2018]55号)及忻州市相关文件要求，煤矿外排矿井水需在2018年12月31日前执行《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准，这一标准较原执行的《煤炭工业污染物排放标准》(GB20426-2006)有显著提高。磁窑沟煤业原有污水处理系统建于2012年，设计处理能力100m³/h，采用"预沉调节+多介质过滤+陶瓷膜过滤"工艺，已无法满足新标准对SS、CODcr等指标的严苛要求，提标改造势在必行。

水资源循环利用的经济效益也不容忽视。煤矿矿井水经过适当处理后，可作为工业用水、绿化用水甚至生活用水，缓解矿区水资源紧张状况。磁窑沟煤业通过本次改造，不仅满足了环保要求，还实现了水资源的梯级利用，处理后的出水部分回用于井下除尘、地面绿化等，创造了显著的环境效益和经济效益。特别是在干旱少雨的河曲地区，每立方米水的再利用都意味着生产成本的有效降低和生态压力的减轻。

此外，原有系统在设计上的不足和运行中的问题也加速了改造进程。原系统预沉调节池容量偏小，按现有涌水量计算，水流停留时间不足，沉淀预处理效果差；未设置专门的混凝沉淀环节，导致后续过滤设备负荷过重；污泥浓缩效果不佳，板框压滤机工作效率低下；加药装置简陋，依赖人工经验投加，精度无法保证；控制系统不完善，阀门类型混杂，自动化程度低。这些问题不仅影响出水水质，还增加了运行维护的难度和成本。

原系统存在问题分析

磁窑沟煤业原矿井污水处理系统在设计运行中暴露出一系列结构性缺陷，这些缺陷成为制约出水水质提升的关键瓶颈。预沉调节池容量不足是最突出的问题之一，原设计容积仅800m³，面对200-220m³/h的实际涌水量，水流停留时间大幅缩短，导致悬浮物沉淀不充分。根据《室外排水设计规范》GB50014规定，平流沉淀池长度与有效水深之比不宜小于8，而原池长深比仅为25/5.4=4.63，远低于标准要求，造成水流无法均匀平稳，沉降效率低下。煤矿井下涌水中悬浮物浓度通常较高，沉淀效果差直接导致大量悬浮物进入后续处理单元，加重了过滤设备的负担。

混凝环节缺失是影响处理效果的又一重要因素。正常情况下，进入多介质过滤器的悬浮物浓度应控制在30mg/L以下，浊度低于20NTU，而原系统未设置混凝沉淀段，矿井水中的悬浮物未经有效絮凝便直接进入过滤单元。这一设计缺陷导致多介质过滤器和陶瓷膜过滤器内部严重板结堵塞，设备频繁启动反冲洗，不仅增加能耗，还缩短了滤料和膜组件的使用寿命。实际操作经验表明，缺乏有效的混凝预处理，过滤系统很难长期稳定运行，尤其在处理高悬浮物浓度的矿井水时更为明显。

污泥处理系统的不完善同样制约着整体运行效率。原系统虽配套有一座污泥浓缩池，但泥水分离效果差，浓缩后的污泥未达到板框压滤机的进料要求，导致压泥周期延长、效果不佳。污泥含水率高、体积大，既增加了运输处置成本，又存在二次污染风险。这一问题的根源在于缺乏高效的污泥浓缩装置和合理的排泥控制策略。相比之下，改造后增设的污泥浓缩罐与原有浓缩池配合使用，显著改善了污泥脱水性能，提高了板框压滤机的工作效率。

加药系统自动化程度低是影响水质稳定性的重要因素。原系统仅设有简单的PAC和PAM加药装置，配备储药箱和简易搅拌装置，但缺少精确的流量泵和计量设备，药剂投加完全依赖操作人员经验，无法实现科学配比和精准计量。这种粗放式的加药方式难以应对水质水量的波动，常出现药剂投加不足或过量现象，前者影响处理效果，后者增加运行成本。现代污水处理系统普遍采用自动加药装置，根据水质参数和流量变化实时调节加药量，确保最佳处理效果和经济性。

控制系统的不统一和反冲洗系统的缺陷也是原系统的主要短板。原系统中阀门类型混杂，部分为气动阀，部分为手动阀，且缺乏开关状态可视功能，阀门开启度无法准确控制，导致指令执行不畅，存在误动作风险。反冲洗系统则因水泵选型不当，流量和扬程偏小，加之预处理效果差导致反冲洗频次增加，整个反冲洗系统效率低下，滤料冲洗不彻底，形成恶性循环。这些自动控制方面的不足不仅增加了人工操作强度，还使系统难以持续稳定运行。

改造工艺设计思路与关键技术

磁窑沟煤业矿井污水处理系统改造工程以"强化预处理、优化过滤单元、完善污泥处理、提升自动化水平"为核心设计理念，通过工艺比选和工程验证，最终确定了"混凝+沉淀+迷宫斜板沉淀+多介质过滤+陶瓷膜过滤"的组合工艺路线。这一工艺链条针对矿井水悬浮物浓度高、颗粒细小、水质波动大的特点，逐级削减污染物负荷，确保出水稳定达标。

高密度迷宫斜板净化装置是本次改造最具特色的技术创新。该装置被增设于预沉调节池之后，集反应、絮凝、破乳除油、沉淀、集泥、排泥、排污等多种功能于一体，是专门针对煤矿矿井水处理的高效沉淀单元。装置采用全自动运行模式，无需专人操作，单体处理能力达120m³/h，混凝反应时间控制在20分钟，沉淀表面负荷为3.2m³/(m²·h)。迷宫式斜板通过特殊结构设计，大幅增加了沉淀面积和沉降路径，有效捕捉细小悬浮颗粒，对煤粉等轻质悬浮物的去除效果尤为显著。装置还预留了第二套安装位置，为未来处理规模扩大做好准备。

混凝沉淀系统的强化是保证后续工艺单元稳定运行的关键。改造工程在污水进入过滤器前增设了完整的混凝加药系统，包括PAC、PAM等药剂的自动配制与投加装置。考虑到水质可能出现的波动，还专门设置了应急加药系统，包含高锰酸钾投加装置、粉末活性炭投加装置和NaClO加药装置各1套，每套均配有3m³储药罐、SS304不锈钢搅拌器和加药计量泵。这种多层次的药剂保障体系能够灵活应对不同水质状况，如悬浮物浓度突变、有机物含量增高等异常情况，确保系统抗冲击负荷能力强。

过滤系统的全面升级显著提高了水质净化效果。改造工程对原有多介质过滤器的滤料进行了彻底更换，同时对过滤器支撑层、滤盘、滤帽及反冲洗头等关键部件进行了优化设计。将原厚度0.8cm的普通钢制托盘升级为1.2cm厚的锰钢托盘，强度和使用寿命大幅提升；将塑料制过滤帽改为高强度筛式聚氯乙烯塑料过滤垫层；将原4.1m托盘上使用的160个直径3cm的过滤帽增至260个直径2cm的过滤垫层，既增加了水孔数量，又提升了过滤通量。陶瓷膜过滤器内部滤管也全部更换为性能更优的新型产品，过滤精度和耐污染能力明显增强。

污泥处理系统的完善实现了固液分离的高效化。改造工程将原板框压滤机和污泥螺杆泵重新布置在综合净化间的二层空间，一层设为运料间，形成立体化布局，节省占地面积。新增污泥浓缩罐1台（直径2.5m，高5.0m），与原污泥浓缩池协同工作，浓缩上清液回流至预沉调节池，形成闭环处理。这种设计有效解决了泥水分离不彻底的问题，提高了板框压滤机的工作效率，减少了污泥处置量。泥区布局的优化还改善了工作环境，降低了操作人员的劳动强度。

自控系统的全面升级是工艺稳定运行的"神经中枢"。改造工程对原有气动门和手动阀门进行了统一更换，常用阀门全部设置为气动自动阀门，并加装开关状态可视装置，实现自动化、程序化控制。控制系统以PLC为核心，通过在线监测仪表实时采集水质水量参数，自动调节加药量、反冲洗周期等关键运行参数，确保系统始终处于最佳工况。自动化改造不仅提高了处理效率，还减少了人为操作失误，使管理水平跃上新台阶。

运行效果与技术创新点

磁窑沟煤业矿井污水处理系统完成提标改造后，各项出水指标均稳定达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)Ⅲ类标准要求，系统抗冲击负荷能力显著增强，运行稳定性大幅提高。实际运行数据显示，改造后的系统对悬浮物、CODcr等主要污染物的去除效率提升明显，尤其在应对井下涌水量波动和水质变化时表现出色。按照环保监管要求，改造工程还在排水口处建设了巴歇尔槽，安装了在线监测系统，与忻州市生态环境局监测平台联网，实现数据实时上传和远程监控，体现了现代环境管理的透明化和信息化理念。

三级处理工艺的协同作用是保证出水水质的关键。预沉调节池有效均衡了水质水量波动，去除了粗颗粒悬浮物；高密度迷宫斜板净化装置通过混凝沉淀作用去除了大部分细颗粒悬浮物和胶体物质；多介质过滤器和陶瓷膜过滤器作为精处理单元，进一步截留微细颗粒，确保出水浊度达标。这种由粗到细、逐级净化的工艺链设计，既发挥了各单元的技术优势，又避免了处理负荷过度集中在某一环节，延长了滤料和膜组件的使用寿命，降低了运行维护成本。

技术创新点主要体现在四个方面：一是迷宫斜板沉淀技术的创新应用，通过特殊结构设计提高了对煤矿矿井水中轻质悬浮物的捕获效率；二是过滤系统全面升级，采用高强度材料和优化结构，显著延长了设备使用寿命和维护周期；三是污泥处理系统重构，新增浓缩罐与原有设施协同工作，形成高效的固液分离体系；四是自动化控制系统集成，实现了加药、过滤、反冲洗等关键环节的智能调控，减少人工干预。这些技术创新不仅解决了原有系统的运行问题，还为类似煤矿污水处理项目提供了可借鉴的工程经验。

改造工程的经济性和实用性同样值得关注。相比推倒重建，本次改造充分利用了原有构筑物和设备，通过局部优化和关键设备升级实现了整体性能提升，大幅节约了投资成本。系统运行能耗控制在合理范围，通过优化反冲洗水泵参数和采用高效电机，吨水电耗较改造前降低约15%。此外，改造工程实施过程中充分考虑了生产连续性，采用分阶段施工方式，确保污水处理系统在整个改造期间维持运行，不影响煤矿正常生产。

与周边同类煤矿污水处理技术相比，磁窑沟煤业的改造方案显示出明显优势。传统工艺如"混合反应-斜管沉淀"虽然投资较低，但存在土建工程量大、混合强度控制难、出水水质不稳定等缺点，已逐渐被新型工艺取代。而磁分离水体净化技术虽然处理效率高、占地面积小，但设备投资大、运行成本高，且对进水水质要求严格。磁窑沟煤业采用的"混凝+沉淀+迷宫斜板沉淀+过滤"工艺，兼顾了技术先进性与经济合理性，特别适合中等规模煤矿污水处理站的提标改造。

经验总结与推广价值

磁窑沟煤业矿井污水处理系统改造工程为煤矿行业废水处理提标提供了典型范例，其成功经验可归纳为五个方面：坚持问题导向、注重技术比选、强化预处理单元、优化自控系统、重视运行管理。这些经验对同类煤矿污水处理设施建设和改造具有重要的参考价值和推广意义。

问题导向思维贯穿改造工程始终。项目团队通过全面分析原系统存在的问题，准确识别了预沉调节池容量不足、混凝环节缺失、污泥处理不完善、自控水平低下等关键瓶颈，并针对性地采取改造措施。这种以解决问题为核心的改造思路，避免了"大拆大建"和"过度工程"，实现了投资效益最大化。对于资金有限的煤矿企业，这种精准施策、有的放矢的改造策略尤为适用，可以在有限预算内取得最佳改造效果。

技术路线的科学选择是项目成功的基础。改造工程没有盲目追求"高大上"的技术，而是根据进水水质特点和出水标准要求，选择了成熟可靠的组合工艺。相比单一处理技术，组合工艺能够发挥各单元的优势，形成处理合力。例如，混凝沉淀有效去除大部分悬浮物，减轻后续过滤负荷；多介质过滤和陶瓷膜过滤作为"双保险"，确保出水水质稳定达标。这种技术路线既满足了当前标准要求，又为未来标准提升预留了空间，体现了设计的前瞻性。

预处理单元的重要性在改造工程中得到充分体现。许多污水处理系统运行不佳的根源在于预处理不足，导致后续单元负荷过重。磁窑沟煤业改造工程通过增设高密度迷宫斜板净化装置，大幅提高了预处理效果，为整个系统的稳定运行奠定了基础。工程实践表明，煤矿矿井水处理必须重视预处理环节，特别是对于悬浮物浓度高、颗粒细小的水质，强有力的预处理是保证工艺链高效运行的前提。

自动化控制系统的完善显著提升了管理水平。改造后的系统实现了关键环节的自动控制，如自动加药、自动反冲洗、自动排泥等，不仅降低了劳动强度，还减少了人为操作失误。与完全依赖人工操作的传统系统相比，自动化系统能够更快速、更精准地响应水质水量变化，保持最佳运行状态。对于技术力量相对薄弱的煤矿企业，提高自动化水平是保障污水处理系统稳定运行的有效途径。

改造工程的综合效益已初步显现。环境效益方面，每年可减少悬浮物排放约300吨、CODcr排放约50吨，显著降低对周边水环境的影响；经济效益方面，处理后的水部分回用于生产和绿化，年节约新鲜水取水量约20万立方米；社会效益方面，提升了企业环保形象，为矿区生态文明建设做出贡献。这种多赢的局面证明，环保投入不仅可以满足监管要求，还能创造实实在在的经济价值。

磁窑沟煤业的经验表明，煤矿污水处理系统改造需要因地制宜、因厂施策，在充分评估现有设施的基础上，选择最适合的技术路线和管理模式。随着环保标准的不断提高和水资源短缺形势的加剧，煤矿企业应更加重视矿井水处理与回用，将其作为绿色矿山建设的重要内容，实现经济效益与环境效益的协调发展。