Методы очистки шахтных вод обусловливаются их физико-химическими и технологическими свойствами, а также климатическими условиями угольных месторождений. В отечественной и зарубежной практике применяются механическая (безреагентная) очистка шахтных вод, физико-химическая, химическая (реагентная), электро-химическая и другие; наибольшее распространение получили безреагентная и реагентная очистки. [10].

Исходя из требований, предъявляемых к качеству воды, безреагентная очистка осуществляется методами отстаивания в отстойниках и прудах-осветлителях, фильтрования через слой зернистого материала, сетки и ткани.

Реагентную очистку применяют при необходимости более полного удаления взвешенных веществ из шахтной воды, ее стабилизации и т.п. Она осуществляется с помощью различных химических соединений или путем использования электрохимических процессов. Для достижения требуемой степени осветления шахтные воды перед отстаиванием и фильтрованием обрабатываются коагулянтами - солями алюминия или железа. Для интенсификации процесса очистки шахтных вод широко применяют высокомолекулярные флокулянты. Осветление воды, наступающее после осаждения скоагулировавших примесей, сопровождается обычно ее обесцвечиванием и частично обеззараживанием.

В настоящее время признано целесообразным осуществлять очистку шахтных вод на обособленных очистных сооружениях, так как в отличие от сточных вод других производств они, как правило, не содержат в значительных количествах вредных и трудно растворимых примесей. Совместно с шахтными водами могут очищаться такие производственные сточные воды, которые загрязнены взвешенными веществами и не содержат каких-либо специфических загрязнений.

Основными методами очистки шахтных вод от взвешенных веществ являются отстаивание, осветление во взвешенном слое осадка и фильтрование. Первый из них применяется как без обработки, так и с предварительной обработкой воды реагентами, а два вторых метода - преимущественно с предварительной обработкой воды реагентами. В качестве сооружений для реализации этих методов нашли практическое применение пруды-отстойники, горизонтальные (земляные и железобетонные), вертикальные и радиальные отстойники, осветлители со взвешенным слоем осадка, скорые напорные и открытые однослойные и двухслойные фильтры и фильтры с восходящим потоком очищаемой воды (контактные осветлители). Наибольшее распространение на шахтах из перечисленных выше типов сооружений получили пруды-отстойники, скорые открытые однослойные фильтры. Исследовательские работы и практический опыт очистки шахтных вод свидетельствует о том, что применяемые методы очистки и очистные сооружения имеют вполне определенную эффективность, которая достигается при оптимальных технологических параметрах работы очистных сооружений и их правильной эксплуатации.

Методы отстаивания могут применятся в основном в качестве первой ступени очистки (предварительной очистки) от взвешенных веществ перед фильтрованием и при благоприятных условиях (невысоких требованиях к качеству очищаемой воды и хорошей осаждаемости взвешенных веществ или хорошей способности их к коагуляции под влиянием реагентов) в качестве самостоятельного метода очистки перед сбросом шахтных вод в водоемы. Наиболее высокая эффективность очистки достигается при длительном безреагентном отстаивании в прудах-отстойниках, рассчитанных на накопление осадка в течение длительного срока, и при отстаивании с предварительной обработкой воды реагентами в горизонтальных отстойниках.

Фильтрование применяется для глубокой одноступенчатой очистки шахтных вод (до 5 мг/л) с небольшим исходным содержанием взвешенных веществ или в качестве второй ступени очистки после отстаивания или осветления в слое взвешенного осадка. Все известные типы фильтров обеспечивают практически одинаково высокое качество очистки, но отличаются друг от друга по конструктивному исполнению, технологическим параметрам и предельной величине концентрации взвешенных веществ в исходной воде. При снижении концентрации взвешенных веществ в воде, подаваемой на фильтры, эффективность и экономичность их работы повышается.

Применение реагентов позволяет значительно интенсифицировать процесс очистки и повысить его эффективность. На практике наиболее широко используется сернокислый алюминий и полиакриламид, возможно применение хлористого железа, извести и других реагентов. Более экономично применение реагентов при очистке шахтных вод методом фильтрования по сравнению с методом осветления во взвешенном слое осадка и отстаивания за счет меньших доз.

Рассмотренные выше методы очистки шахтных вод от взвешенных веществ успешно прошли проверку и положены в основу предлагаемых для применения технологических схем.

Очистка шахтных вод от нефтепродуктов в связи с невысоким их содержанием производится одновременно с очисткой от взвешенных веществ теми же методами и на тех же очистных сооружениях. С этой целью отстойники оборудуются устройствами для периодического удаления всплывающих нефтепродуктов. Высокие концентрации нефтепродуктов неблагоприятно отражаются на работе очистных сооружений, особенно фильтров с зернистой загрузкой, и даже могут вывести их из строя. Поэтому наиболее действенным мероприятием по достижению предельно допустимых концентраций (ПДК) нефтепродуктов в шахтных водах и предупреждению вредного влияния на работу фильтров, является ликвидация потерь эмульсий и масел в шахте и попадания их в шахтные воды.

Очистка шахтных вод от бактериальных примесей является завершающим этапом и производится на практике путем хлорирования с использованием жидкого хлора, хлорной извести и гипохлорида натрия или бактерицидного облучения. [9].

Обеззараживание воды бактерицидными лучами имеет ряд преимуществ перед хлорированием. Так, при его использовании природные вкусовые качества и химические свойства воды не изменяются, а бактерицидное действие во много раз быстрее, чем хлора. Благодаря этому воду можно сразу подавать потребителям. Бактерицидные лучи уничтожают не только вегетативные виды бактерий, но и спорообразующие. Эксплуатация установок для обеззараживания бактерицидными лучами проще, чем эксплуатация хлорного хозяйства. На некоторых шахтах этот способ уже применяется.

Наибольшим бактерицидным действием обладают лучи с длиной волны от 200 до 295 нм, излучаемые аргонно-ртутными или ртутно-кварцевыми лампами. Наиболее распространенными из всех ламп являются ртутно-кварцевые лампы высокого давления ПРК и аргонно-ртутные лампы низкого давления РКС-2,5.

Процесс отмирания бактерий подчиняется уравнению:

Р=Р₀ е ^(-Е*t/к), (4.1)

где Р - число бактерий в единице объема, которые остались живыми после бактерицидного облучения;

Р₀- начальное число бактерий в единице объема;

Е - интенсивность потока бактерицидных лучей;

t - продолжительность облучения;

к - коэффициент сопротивляемости бактерий.

При условиях: Р₀=1000 шт; Е=125 (для лампы РКС - 2,5); t=116 с и к=2500 имеем:

Р=1000*е^-5,8=3.

Таблица 4.2 - Характеристики бактерицидных ламп

Из уравнения видно, что эффект обеззараживания воды зависит от произведения интенсивности бактерицидного облучения Е на продолжительность облучения t, то есть от количества затраченной бактерицидной энергии. Это означает, что один и тот же эффект может быть достигнут при малой интенсивности облучения, но большой продолжительности его и, наоборот, при большой интенсивности облучения и при малой продолжительности.

При проектировании бактерицидной установки рассчитывают по методике Соколова В.Ф. требуемую мощность потока бактерицидного облучения F_p, Вт:

где q - расход воды, м³/ч;

a - коэффициент поглощения, см;

k = 2500 - коэффициент сопротивляемости бактерий, мкВт. с/см²;

Р₀ - коли-индекс воды до облучения;

Р£3 - коли-индекс воды после облучения;

h₀ = 0,9 - коэффициент использования бактерицидного потока, учитывающий поглощение лучей в слое воды;

h_n - коэффициент использования бактерицидного потока, учитывающий погруженность (не погруженность) ламп, который равен соответственно 0,9 и 0,75.

F_р= (50*24*2500*lg3/1000) /1563,4*0,9*0,9=2369 Вт.

Необходимое количество бактерицидных ламп:

n=F_p/F _л , (4.3)

где F_л - расчетный бактерицидный поток каждой лампы.

n=2369/125=18,95, принимаем 19 ламп.

Расход электроэнергии (Вт. ч/м²) на обеззараживание воды вычисляется:

S=N*n/q, (4.4)

где N - потребляемая мощность лампы, Вт;

S=2500*19/269,98=176 Вт. ч/м²

В зависимости от способа размещения бактерицидных ламп (в воздухе над поверхностью воды или в ее объеме) установки для обеззараживания воды ультрафиолетовым облучением делится на два типа: с не погруженными и погруженными источниками бактерицидного облучения. В зависимости от давления, под которыми работают лампы, различают напорные и безнапорные бактерицидные установки.

Опыт эксплуатации установок для обеззараживания воды бактерицидными лучами показывает, что этот метод обеспечивает надежную дезинфикацию воды, однако только при обработке осветленных и бесцветных вод. Расход электроэнергии на обеззараживание воды из подземных источников водоснабжения облучением не превышает 10-15 Вт. ч/м², а из поверхностных источников (после осветления воды) до 30 Вт. ч/м².

Недостатком метода является отсутствие оперативного контроля за эффектом обеззараживания. [9].

Накопление осадка в прудах-отстойниках и илонакопителях является простым, удобным в эксплуатации и дешевым методом его обработки, позволяющем избежать затрат на его обезвоживание. Однако эти сооружения занимают большие площади, а в паводковые периоды представляют потенциальную опасность как источник загрязнения водоемов. Они рассчитываются на длительный срок службы, составляющий не менее 10 лет. По истечении срока службы производится наращивание бортов сооружений для образования дополнительной емкости, или строятся новые сооружения, а территории, занимаемые старыми сооружениями, рекультивируются.

4.2 Выбор и обоснование схемы очистки шахтных вод шахты "Житомирская"

Шахтные воды шахты "Житомирская" ГХК "Октябрьуголь" относятся к слабосолоноватым, сульфатно-хлоридного класса. Имеют низкую минерализацию.

Слабосолоноватые воды могут использоваться в промышленном водоснабжении практически всех потребителей без снижения солесодержания.

Общие требования к технологии очистки и очистным сооружениям, которые сводятся к следующим:

технология очистки должна предусматривать 3 основных стадии: удаление взвешенных веществ (или осветление), обеззараживание воды, обработку (или складирование) осадка;

удаление взвешенных веществ должно производиться в одну или две ступени в зависимости от их концентрации в исходной шахтной воде;

технология очистки должна обеспечивать получение необходимого качества очистки воды при изменении количества и качества исходной шахтной воды по сезонам года, а также в результате вскрытия новых горизонтов и освоения новых участков шахтного поля;

качество очистки шахтных вод должно обеспечивать возможность широкого использования очищенной воды на производственные нужды предприятий и удовлетворять условиям сброса избыточного объема в водоемы;

очистные сооружения должны быть надежны в работе, экономичны, простыв строительстве и эксплуатации, по возможности компактны и не должны занимать больших площадей, пригодных для использования в народном хозяйстве;

технологические процессы очистки воды и обработки осадка должны максимально поддаваться механизации, дистанционному управлению и автоматизации;

совокупность технологических схем очистки должна охватывать весь диапазон изменения притоков, состава и технологических свойств шахтных вод.

На основании анализа результатов выполненных научных исследований, практического опыта применения различных технологических схем очистки шахтных вод и выявления соответствия этих схем перечисленным выше общим требованиям выбраны 6 наиболее современных и эффективных технологических схем. Для условий шахты "Житомирская" наиболее подходит технологическая схема с использованием прудов-отстойников и скорых фильтров на весь приток.

Технологическая схема с применением прудов-отстойников может эффективно использоваться для очистки шахтных вод, в которых взвешенные вещества обладают хорошими седиментационными свойствами, то есть кинетически неустойчивы и способны к коагуляции без введения химических реагентов. При этом содержание взвешенных веществ в исходной воде может быть различным и не оказывает существенного влияния на качество очистки.

Очистные сооружения по данной технологической схеме предназначены для очистки от взвешенных веществ и обеззараживания нейтральной шахтной воды с рН=6,5-8,5 с целью последующего ее использования на производственные нужды шахты и соседних с ней предприятий, а также для предотвращения загрязнения водоемов в результате сброса избыточного объема шахтных вод. Общая концентрация взвешенных веществ в исходной шахтной воде не ограничивается, содержание тонкодисперсных частиц гидравлической крупностью менее 0,05 мм/с не должно превышать 50 мг/л.

В данной технологической схеме шахтная вода по трубопроводу поступает в пруд-отстойник, отстаивается в нем и подается насосом на скорые открытые фильтры. Для повышения качества очистки шахтной воды перед поступлением на фильтры она может обрабатываться раствором флокулянта. Далее фильтрат попадает в бактерицидную установку, где обеззараживается путем облучения и направляется в резервуар очищенной воды.