Очищення шахтних вод з їх подальшим використанням у виробничих та побутових цілях

3.2 Очищення  шахтних вод з їх подальшим  використанням у виробничих та побутових цілях

 

 

Як показує аналіз існуючого  положення в області очищення шахтних вод, у цей час на більшості  шахт Донбасу освітлення шахтних  вод на поверхні здійснюється у дві  стадії: попередня – у горизонтальних відстійниках, остаточна – у ставках-освітлювачах. Частково вода освітлюється в зумпфах ще до відкачки її на поверхню. Нестабільність ступеня забруднення шахтних вод, що відкачуються на поверхню, нерівномірність роботи шахтних водовідливів, нерівномірність розподілу вод, що очищаються, по поперечному перерізі відстійників, замулювання  відстійних споруджень і інші причини приводять до незадовільної роботи очисних споруджень із низьким ефектом освітлення. Ставки-освітлювачі  для остаточного очищення також мають ряд недоліків: не освітляють шахтні води в паводок, не піддаються чищенню й замулюються раніше розрахункового строку, займають значні площі.

Таким чином, традиційно застосовувані на практиці схеми  освітлення шахтних вод є простими, але малоефективними та не відповідають сучасному рівню розвитку технології очищення виробничих стоків, а також вимогам до очищених стічних вод. Тому в галузі спостерігається необхідність до впровадження нових, більше зроблених, технологічних схем очищення шахтних вод.

Треба відмітити, що всі  традиційні схеми очищення шахтних  вод у принципі повторюють технології, застосовувані при очищенні поверхневих  вод у системах комунального водопостачання. І це зрозуміло, тому що зміст суспензій  у вихідній і очищеній воді близькі в обох галузях.

Спільний аналіз схем з даними по мутності шахтних вод  дає вивід про те, що для більшості  шахт для глибокого очищення неминуче застосування двоступінчастого посвітління: осадження суспензій у тих  або інших відстійниках (або вилучення їх в освітлювачах зі завислим шаром осаду) на першому щаблі та фільтрування на другому. Відомі недоліки двоступінчастих схем, пов'язані з наявністю першого щабля:

• громіздкість і мала продуктивність відстійників;
• значні капітальні витрати на їхнє спорудження;
• використання принципу об'ємної коагуляції, що вимагає підвищених доз реагентів;
• проблеми, пов'язані із чищенням відстійників.

Недоліком освітлювачів зі завислим шаром осаду є їх нестійка робота при зміні якості і витрат вихідної води.

Інтенсифікації процесу освітлення можна досягти використанням фільтрування замість відстоювання. Однак традиційні фільтрувальні установки не розраховані на освітлення мутних вод, якими є шахтні води, без попереднього очищення. Дослідження вчених інженерно-будівельних інститутів, дані закордонних досліджень показують, що мутні води можливо освітляти до високих кондицій тільки на двоступінчастих фільтрах з реагентною обробкою або без неї.

Однак низька ємність  традиційних і нових фільтруючих  матеріалів, навіть таких як керамзит і спучений пенополістирол, не дозволяє одержати значну тривалість фільтроциклу при освітленні мутних вод. Внаслідок цього питомі витрати води на регенерацію завантажень досягає значної величини та знижує ефективність роботи таких установок.

На більшості шахт Донбасу  в експлуатації перебувають горизонтальні  відстійники проточного типу. Відстійники  секціонуються, кожна секція являє  собою ємність глибиною 2-4 м, шириною  близько 6 м і довжиною 20-25 м. На деяких відстійниках для поліпшення рівномірності розподілу води по перетину влаштовані на початку і кінці секцій напівзаглибні щити, а також лотки для розосередженого збору освітленої води.

Видалення осаду з відстійників виконується шляхом спорожнювання  секцій і відкачки осаду, що розріджується гідромонітором, грязьовими насосами в ємності для нагромадження шламу. Чищення відстійників виконується, як правило, два рази на рік.

Ефект освітлення в таких  спорудженнях невисокий. Причини малоефективної роботи горизонтальних відстійників полягають  у наступному:

• нерівномірна подача шахтних вод на очисні спорудження протягом доби;
• несвоєчасне чищення відстійників від осаду.

Процес безреагентного відстоювання доцільно використовувати  при освітленні мутних вод (зі змістом  суспензій 500-600 г/м³) зі зниженням концентрації зважених речовин до 50-150 г/м³.

Для поліпшення роботи відстійників пропонується застосовувати коагулянти і флокулянти, збільшувати рівномірність  роботи шахтного водовідливу, влаштовувати усереднювачі, поліпшувати конструкцію  горизонтальних відстійників.

Можливо погодитися з  тим, що використання реагентів дозволяє різко прискорити процес освітлення та підвищити ефект очищення. При застосуванні реагентів показник продуктивності збільшується в 3-4 рази.

Однак слід зазначити  недоліки реагентного освітлення. У цьому випадку необхідно реагентне господарство, що значно збільшує капітальні витрати і ускладнює роботу очисних споруджень. Крім того, введення коагулянту в шахтну воду на діючих відстійниках приведе до зміни характеру осаду (він стане менш щільним) і збільшенню його кількості по обсягу. Відстійники, що експлуатуються, не призначені для роботи в таких умовах, буде потрібно їхнє облаштовувати новими системами видалення осаду.

Деякі проблеми освітлення води у відстійних спорудженнях можна  вирішити за допомогою застосування принципу тонкошарового відстоювання. В останні роки цей напрямок одержав розвиток у розробках ДонУГІ. Тут запропоновано похилі полочні відстійники різних конструкцій: металеві для малої і залізобетонні для великої продуктивності. У порівняння зі звичайними, тонкошарові відстійники мають збільшену в 2-3 рази продуктивність, відповідно, менші габарити і розміри капітальних вкладень. Але на шляху широкого впровадження цих споруджень є перешкоди, пов'язані з великою матеріалоємністю пристроїв, ускладненням конструкції, труднощами при видаленні осаду. Крім того, тонкошарові відстійники, що працюють із застосуванням реагентів, зберігають недоліки, пов'язані з використанням принципу об'ємної коагуляції.

Уникнути цих недоліків  можна виключенням зі схем очищення споруджень для попереднього освітлення води. При цьому необхідно пам'ятати, що самим продуктивним є процес фільтрування.

Інтенсифікації процесу  освітлення можна досягти використанням  фільтрування замість відстоювання. Однак традиційні фільтрувальні установки не розраховані на освітлення мутних вод, якими є шахтні води, без попереднього очищення. Тому для використання високопродуктивного способу освітлення води – фільтрування – для вилучення великої кількості завислих речовин необхідне застосування принципове нового фільтруючого матеріалу. Оскільки зернисті фільтруючі матеріали вже практично вичерпали можливості підвищення ємності, вихід є у використанні волокнистих фільтруючих матеріалів.

В якості волокнистої  насадки пропонуємо використовувати йоржів з лавсанового волокна. Пористість такого завантаження перевищує 99%, у той час як пористість кварцового піску становить близько 40%, дробленого керамзиту 60%. Цей показник потенційно забезпечує високу ємність нового фільтруючого матеріалу: великий обсяг порігового простору дає можливість розміститися в завантаженні великій кількості забруднень.

Адгезійні властивості  лавсанових йоржів також набагато вище, ніж у зернистих завантажень. Активна поверхня волокон лавсанових йоржів в одному кубометрі лавсанових йоржів становить близько 10000 м². Загальновідомо, що питома поверхня дробленого керамзиту становить величину до 4000 м², кварцового піску – до 2000 м², тобто в 2,5-5 разів менше. Висока питома поверхня лавсанових йоржів характеризує прекрасні адгезійні властивості цього нового фільтруючого матеріалу й високу його ємність.

Крім того, наявність  на поверхні волокон позитивного  заряду підсилює адгезію забруднень на лавсанових йоржах, викликає контактну  коагуляцію часток домішок без обробки їх коагулянтами і флокулянтами.

  Сукупність зазначених властивостей лавсанових йоржів забезпечує їх високі технологічні якості як фільтруючого завантаження і дозволяє припустити можливість очищення з їх допомогою мутних шахтних вод без попереднього освітлення і з високою продуктивністю.

Для підвищення ефекту освітлення рекомендується реконструювати діючі  горизонтальні шахтні відстійники  із застосуванням перегородок з  лавсанових йоржів. Кардинальна конструктивна  відмінність реконструйованого  відстійника – наявність волокнистої перегородки в зоні освітлення. Завантаження з лавсанових йоржів улаштовується у вигляді металевих каркасів із круглих профілів, щільно заповнених гірляндами йоржів з лавсанового волокна. Товщина перегородки залежить від змісту завислих речовин у вихідній шахтній воді і в середньому становить 1,5-2 м. Завіса з лавсанових йоржів міститься в початок секції відстійника, що створює певні переваги:

• Рівномірний розподіл потоку по перетину;
• завіса в стані граничної замуленості може служити своєрідною контактною камерою утворення пластивців: у порах лавсанових йоржів частки агломерируються, а потім укрупненими вимиваються потоком води і швидше осаджуються у відстійнику.

Лавсанове волокно одержують  розплавлюванням лавсану і пропущенням  розплаву через тонкі фільтри. Лавсанові нитки мають товщину 7-20 мкм і мають на своїй поверхні позитивний електричний заряд. Лавсанові нитки сплітаються в йоржі на спеціальних верстатах, сконструйованих макіївським інженерно-будівельним інститутом. Верстат здійснює стрижку пучків лавсанового волокна на відрізки довжиною близько 50 мм, їхнє закладання між двома поздовжніми осьовими нитками з капронового волокна, закручування осьових ниток і намотування йоржа на котушку.    На 1 м³ завантаження із щільною установкою йоржів витрачається 700 погонних метрів, а маса такого обсягу лавсанових йоржів складає близько 35 кг. Для порівняння відзначимо, що об'ємна насипна маса найлегшого зернистого неплаваючого фільтруючого матеріалу – дробленого керамзиту – становить мінімум 250 кг/м³, а традиційного кварцового піску – до 1500 кг/м³ і вище.

        Схема  реконструйованого шахтного відстійника  наведена на рис. 3.

 

Рисунок 3 – Схема реконструйованого горизонтального шахтного відстійника: 1 – підведення вихідної води з водовідливу, 2 – відвід проясненої води, 3 –напівзаглибні дерев'яні перегородки, 4 – лоток для розподілу води по площі відстійника, 5 – лоток для збору проясненої води,

6 – завантаження з лавсанових йоржів, 7 – осад

 

Чищення перегородок рекомендується робити поза секціями відстійників. Для чищення один блок завантаження з лавсанових йоржів витягається з води, транспортується до шламової ями і встановлюється над нею. Над шламовою ямою лавсанові йоржі промиваються зустрічними струменями води, а забруднення попадають до шламової ями. Після миття блок повертається у відстійник і переходять до промивання наступного блоку.

Основні переваги запропонованого  способу освітлення шахтної води:

• лавсанові йоржі є ефективним фільтруючим матеріалом, що має високу пористість питомої поверхні і підвищені адгезійні властивості;
• завантаження з лавсанових йоржів успішно вилучає дрібнодисперсні частки завислих речовин із шахтних вод;
• лавсанові волокна є гарним середовищем для контактної коагуляції агрегативно нестійких суспензій шахтних вод;

• у порах лавсанових йоржів відбувається агломерація завислих домішок;

• можливість очищення мутних вод в один щабель без попереднього освітлення, високі швидкості фільтрування й підвищена продуктивність;
• економія коагулянту;
• регенерація фільтрів з лавсанових йоржів виробляється продувкою повітрям протягом 2-3 мінут з наступним скиданням осаду в стік;
• простота регенерації й одержання при регенерації концентрованого осаду;
• практична відсутність втрат напору води в чистому і замуленому завантаженні.

Таким чином, запропонована  технологія очищення води дозволить  очистити воду до таких показників, що дозволяють її використання для  технічних потреб (табл. 2).

 

Таблиця 2 – Характеристика шахтної води до і після очищення

Тип води	Витрати, м3/добу	Склад суспензії, мг/л	Р, мг/л	Нафтопродукти, мг/л	Жзаг, мг-екв/л	Жк, мг-екв/л	Лужність, Мг-екв/л	So24 , мг/л	Сl, мг/л
Вихідна (від водовідливу)	5880	280	1540	0,2	14,2	4,2	4,2	470	320
Освітлена	5880	20	1540	0,1	14,2	4,2	4,2	470	320
Фільтрована	5880	1,5	1540	0,03	14,2	4,2	4,2	470	320
Необхідна для  використання в технічних цілях	1000	<20	<2000		<10			<500	<350

 

В результаті очищення шахтних  вод отримуємо екологічний ефект, а саме до річки будуть скидатися  очищені шахтні води, що знизить негативний вплив на ці водні ресурси.