顧橋礦礦井水深度處理：超濾＋反滲透系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

潘凌瀟，劉漢湖，何春東

（1.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測(cè)繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

煤炭是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源和原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位，在我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占到70%以上。隨著煤炭的不斷開(kāi)采，如何提高礦井水的資源化利用成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，對(duì)煤礦高礦化度礦井水深度處理的工藝主要有離子交換法、蒸餾法、電滲析法和反滲透法等。離子交換法通常適用于含鹽量小于500mg/L的原水淡化，蒸餾法適合于熱源充足的場(chǎng)所，電滲析通常適用于含鹽量為1000～5000mg/L的原水淡化，反滲透適用范圍較電滲析寬［1］。在國(guó)外，礦井水處理一般不以利用為主要目的，而以排放為目的。對(duì)于高礦化度礦井水深度處理技術(shù)，國(guó)外主要以反滲透技術(shù)為主，以零污染排放為目的，努力提高系統(tǒng)自動(dòng)化水平，降低系統(tǒng)能耗。我國(guó)煤礦高礦化度礦井水深度處理通常采用電滲析法和反滲透法。

顧橋礦高礦化度礦井水的水質(zhì)具有“兩高”的特點(diǎn)，即溶解性總固體含量高和氯化物含量高。目前該礦已建有一級(jí)凈化處理，處理后的水質(zhì)中懸浮固體濃 度 在1000mg/L 左右，TDS在1000mg/L 以上，不能達(dá)到飲用水要求，所以需要對(duì)部分凈化處理后的水再進(jìn)行深度處理。雙膜技術(shù)反滲透除鹽淡化技術(shù)具有適用范圍廣、工藝簡(jiǎn)單、脫鹽率高（＞95%）、水回收率高、出水水質(zhì)好等特點(diǎn)。根據(jù)顧橋礦礦井水水質(zhì)和水量特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的深度處理工藝流程為疊片過(guò)濾—超濾—反滲透。

1 顧橋礦礦井水水質(zhì)水量特點(diǎn)

顧橋礦水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜，礦井水主要來(lái)自于三個(gè)綜采作業(yè)面、掘進(jìn)巷道以及地下滲水等。顧橋礦礦井水由地下水泵房抽排至地面礦井水處理站。根據(jù)對(duì)該礦外排水量變化資料的分析，顧橋礦礦井水近幾年抽排量最大5306.79m3/d（2009年2月）最小為1581.00m3/d（2008年3月），平均值為3269.09m3/d，日變化系數(shù) Kt為 1.62。從總體情況上看，其排放量近幾年來(lái)一直在增加，尤其是2008年下半年之后的抽排量要明顯多于之前年份的抽排量，不過(guò)最近兩年維持在3500m3/d左右。

根據(jù)對(duì)2007～2010年的礦井水水質(zhì)資料分析，得出其SS、CODcr值普遍偏高（SS四年平均值為903mg/L，CODcr為93.74mg/L），同時(shí)經(jīng)過(guò)實(shí)地水樣的監(jiān)測(cè)，得出2011年該礦礦井水懸浮固體濃度和TDS均已超過(guò)1000mg/L，pH在6～9之間。該礦井水屬于典型的高懸浮物高礦化度礦井水。該類(lèi)礦井水需經(jīng)過(guò)一級(jí)凈化處理后才能加以回用，若回用于生活飲用水，則更需要進(jìn)行深度淡化除鹽處理。

2 礦井水現(xiàn)有處理工藝與效果

目前，顧橋礦工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)已經(jīng)建成礦井水凈化處理站一座，礦井水由井下抽排至地面礦井水處理站。經(jīng)處理后送至選煤廠或送至井下、防火灌漿站等地使用。礦井水采用水力循環(huán)澄清處理工藝，處理規(guī)模為3500m3/d。工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 顧橋礦礦井水處理工藝流程圖（現(xiàn)狀）

顧橋礦礦井水經(jīng)過(guò)水力循環(huán)澄清池—重力式無(wú)閥濾池工藝處理后，其懸浮物濃度和CODcr值明顯下降，SS平均值由原來(lái)的903mg/L降為46.82mg/L，CODcr由原來(lái)的93.74mg/L降為20.79mg/L，出水pH在6～9之間，各指標(biāo)值見(jiàn)表1。這些指標(biāo)均達(dá)到《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB20426—2006）的相關(guān)規(guī)定。

表1 顧橋礦礦井水一級(jí)處理后水質(zhì)表

與飲用水標(biāo)準(zhǔn)相比，處理后的礦井水的懸浮物含量和礦物質(zhì)含量（主要是Cl－、S）仍然偏高，TDS依然在1000mg/L以上，處理后的水仍屬高礦化度礦井水。若要將這些水以飲用水形式加以回收利用，則必須再進(jìn)行深度處理，才能符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

3 礦井水深度處理工藝設(shè)計(jì)

為了綜合利用礦井水資源，現(xiàn)對(duì)3500m3礦井水中的1000m3進(jìn)行深度處理，處理后達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)；其余2500m3在經(jīng)過(guò)一級(jí)凈化處理后進(jìn)行回用，包括井下生產(chǎn)、防火灌漿和綠化灑水等。根據(jù)國(guó)內(nèi)外礦井水深度處理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及相關(guān)文獻(xiàn)［2－4］，顧橋礦礦井水深度處理工藝采用“超濾＋反滲透”（雙膜工藝），工藝流程見(jiàn)圖2。

深度處理流程為：一級(jí)凈化出水經(jīng)增壓泵增壓后輸入疊片過(guò)濾器，除去水中的懸浮物雜質(zhì)后，進(jìn)入超濾進(jìn)行有機(jī)物、色度、大分子物質(zhì)等的去除，其產(chǎn)水進(jìn)入超濾池，在保證出水污染指數(shù)SDI值＜1時(shí)再經(jīng)保安過(guò)濾器及高壓泵進(jìn)入反滲透機(jī)組，同時(shí)在保安濾器之前加入阻垢劑，防止鈣鎂在反滲透膜表面沉淀結(jié)垢。制得純水進(jìn)入純水池，再用外輸純水泵送出，供各用戶(hù)使用。

圖2 顧橋礦礦井水深度處理設(shè)計(jì)流程圖

3.1 疊片過(guò)濾器的選擇

疊片過(guò)濾處理位于整個(gè)深度處理的最前端，根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)SS為46.82mg/L，流量為41.7t/h，可以選擇2英寸SPIN KLIN作為過(guò)濾單元，4個(gè)過(guò)濾單元組成整個(gè)過(guò)濾系統(tǒng)?？偣懿牧线x用316不銹鋼或 U-PVC。

3.2 超濾膜的設(shè)計(jì)

工業(yè)上常用的超濾膜器件主要有五種類(lèi)型：板框式、圓管式、螺旋卷式、中空纖維式、毛細(xì)管式［5］。各種基本類(lèi)型膜均有不同的適用性，在工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的是中空纖維式。中空纖維超濾膜膜易清洗、水通量高、易于徹底檢查。根據(jù)進(jìn)入超濾設(shè)備前的水質(zhì)、水量特點(diǎn)以及出水要求，選用海德能HUF10-200型號(hào)的超濾膜。

設(shè)計(jì)時(shí)選用透量 V＝60L/m2·h，設(shè)計(jì)溫度25℃，產(chǎn)水量900m3/d（回收率為90%）。膜的平均水通量取60L/m2·H，膜的有效面積為31.8m2，得出所需超濾膜數(shù)量為20根，并選擇內(nèi)裝4根元件的膜殼，八英寸壓力容器5個(gè)。

一般而言，因超濾所需壓力較低，離心泵即可滿足要求。超濾原水泵的流量為41.7m3/h，超濾原水泵的揚(yáng)程選擇約為30m；膜反洗選定每30min反洗一次，反洗時(shí)間40s，反洗水為超濾產(chǎn)水，每次反洗前后各一次正洗，每次正洗t＝15s，正洗水可用原水；清洗裝置的清洗箱設(shè)計(jì)為0.96m3。清洗泵選用316不銹鋼離心泵或玻璃鋼泵［5］?？紤]保安過(guò)濾器的壓降、管道的阻力損失等，此處設(shè)計(jì)壓力為0.3MPa。

3.3 反滲透裝置的設(shè)計(jì)

反滲透膜常用的是卷式和中空纖維式。對(duì)于卷式構(gòu)型，常用膜有醋酸纖維素膜（CA膜）和復(fù)合膜（TFC），利用這些膜制成膜元件，把膜元件放在壓力容器中構(gòu)成膜組件。中空纖維式反滲透器對(duì)給水要求較高，加上一次性投資費(fèi)用比卷式設(shè)備的要高，因此卷式反滲透裝置應(yīng)用更多［6］。TFC膜與CA膜比較，不易水解，可在pH值2～11之間運(yùn)行，抗生物侵蝕能力強(qiáng)，且能抗膜的壓密。該膜的最大優(yōu)點(diǎn)，一是可在較低壓力下運(yùn)行，節(jié)約能源；二是不易水解，透鹽量能維持穩(wěn)定。故本設(shè)計(jì)選擇TFC膜作為滲透膜元件。

反滲透布置系統(tǒng)有單程式、循環(huán)式和多段式，本設(shè)計(jì)選用多段式系統(tǒng)，可充分提高水的回收率，用于產(chǎn)水量大的場(chǎng)合，膜組件逐漸減少是為了保持一定流速以減輕膜表面濃差極化現(xiàn)象。根據(jù)水質(zhì)水量和回收率（75%），本設(shè)計(jì)采用DOW陶氏公司生產(chǎn)的反滲透膜，型號(hào)為BW30～400。反滲透膜元件的有效面積400ft2、反滲透的產(chǎn)水為675t/d，平均水通量10gfd（8～14gfd）。每只壓力容器中裝膜6支，需要壓力容器7個(gè)，膜數(shù)量共42支。

為了使反滲透裝置達(dá)到給定的回收率，同時(shí)保持水在每個(gè)裝置內(nèi)的每個(gè)組件中處于大致相同的流動(dòng)狀態(tài)，必須將裝置內(nèi)的組件分為多段錐形排列，段內(nèi)并聯(lián)，段間串聯(lián)。將42根膜元件合成7支反滲透膜組件，即6根一組，要使達(dá)到75%的回收率，將組件設(shè)計(jì)為一級(jí)二段，組合布置圖見(jiàn)圖3。

圖3 反滲透膜的組合排列

利用ROSA7.2反滲透計(jì)算軟件模擬反滲透段各膜元件，結(jié)果設(shè)備回收率為74.99%，與預(yù)設(shè)的相符，最終出水TDS為24.94mg/L，溶解性總固體≤1000mg/L，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。

此外從軟件計(jì)算結(jié)果報(bào)告中得出給水壓力9.26bar。針對(duì)水質(zhì)特點(diǎn)，選擇多級(jí)離心泵。選擇由中國(guó)大連水泵廠蘇爾壽公司提供的ZA系列水泵；選擇由Codeline公司生產(chǎn)的型號(hào)為E8S/SP-6W的壓力容器，共7個(gè)，內(nèi)裝6個(gè)膜元件。在反滲透裝置上，按壓力分高壓管路和低壓管路。高壓管路通常采用不銹鋼材料，通常采用SS304。低壓管路如高壓泵，產(chǎn)水管路選擇ABS材料，大管徑采用鋼襯膠管和不銹鋼管。

清洗裝置由清洗箱、清洗泵、保安過(guò)濾器、管道、閥門(mén)、控制儀表組成。清洗箱體積為1.812m3，用耐腐蝕材料制作，如聚丙烯、玻璃鋼。清洗泵通常是316不銹鋼離心泵或玻璃鋼泵?？紤]保安過(guò)濾器的壓降、管道的阻力損失等，此處設(shè)計(jì)壓力為0.5MPa。

4 效益分析

工程總投資主要包括土建工程投資、設(shè)備工程投資和安裝工程投資，經(jīng)過(guò)預(yù)算，顧橋礦礦井水深度處理總投資為115萬(wàn)元。

運(yùn)行費(fèi)用主要包括電費(fèi)、膜更換費(fèi)用、化學(xué)試劑費(fèi)用、勞動(dòng)力費(fèi)用和維修費(fèi)用等等。按照花費(fèi)2.4元/m3產(chǎn)水，一年的運(yùn)行費(fèi)用為591300元。如果按自來(lái)水水費(fèi)1.8元/t，水資源費(fèi)1.2元/t，折舊費(fèi)每年55000元進(jìn)行計(jì)算，每年可盈利105143元。

該項(xiàng)目的實(shí)施可以為煤礦生產(chǎn)、生活提供優(yōu)質(zhì)水源，減少煤礦取水量，節(jié)約水資源。礦井水深度處理利用后，提高了利用率，從根本上解決了礦井水對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，有效地緩解地下水位下降的幅度，對(duì)防止水源枯竭，維持地下水的良性循環(huán)，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，搞好礦區(qū)的環(huán)境保護(hù)工作有積極作用。

5 結(jié)論及建議

顧橋礦礦井水具有高懸浮物、高礦化度的特點(diǎn)，針對(duì)其水量和水質(zhì)，設(shè)計(jì)出深度處理工藝流程為疊片過(guò)濾＋超濾＋反滲透，本工藝運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，水回收率達(dá)到65%以上，反滲透脫鹽率達(dá)到95%以上。利用ROSA7.2反滲透計(jì)算軟件模擬，最終出水水質(zhì)濁度＜1NTU，TDS為24.94mg/L，可以達(dá)到國(guó)家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）中的規(guī)定。

今后須深入完善現(xiàn)有的礦井水處理設(shè)施，保證礦井水處理設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行；進(jìn)一步完善礦井水收集、利用管網(wǎng)系統(tǒng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率及可靠性，保障出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)；完善礦井水回用分配，對(duì)每一項(xiàng)用途進(jìn)行估計(jì)和權(quán)衡，直正實(shí)現(xiàn)礦井水資源化。

［1］馮逸仙.反滲透水處理系統(tǒng)工程［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［2］楊靜，李福勤，何緒文，等.鶴壁礦區(qū)礦井水水質(zhì)特征及其資源化技術(shù)［J］.煤炭工程，2007，36（9）：59-61.

［3］何緒文，胡滇建，胡振玉，等.煤礦高礦化度礦井水處理技術(shù)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30（8）：38-41.

［4］何緒文，宋志偉，王殿芳，等.反滲透技術(shù)在煤礦苦咸水處理中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，31（6）：618-621.

［5］華耀祖.超濾技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［6］馮逸仙，楊世純.反滲透水處理工程［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2000.