顧橋礦礦井水深度處理：超濾＋反滲透系統設計研究

潘凌瀟，劉漢湖，何春東

（1.江蘇省資源環境信息工程重點實驗室，中國礦業大學，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業大學環境與測繪學院，江蘇 徐州 221116）

煤炭是我國重要的基礎能源和原料，在國民經濟中具有重要的戰略地位，在我國一次能源結構中，煤炭占到70%以上。隨著煤炭的不斷開采，如何提高礦井水的資源化利用成為了一個研究熱點。目前，對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。對于高礦化度礦井水深度處理技術，國外主要以反滲透技術為主，以零污染排放為目的，努力提高系統自動化水平，降低系統能耗。我國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具有“兩高”的特點，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凈化處理，處理后的水質中懸浮固體濃 度 在1000mg/L 左右，TDS在1000mg/L 以上，不能達到飲用水要求，所以需要對部分凈化處理后的水再進行深度處理。雙膜技術反滲透除鹽淡化技術具有適用范圍廣、工藝簡單、脫鹽率高（＞95%）、水回收率高、出水水質好等特點。根據顧橋礦礦井水水質和水量特點，設計的深度處理工藝流程為疊片過濾—超濾—反滲透。

1 顧橋礦礦井水水質水量特點

顧橋礦水文地質條件比較復雜，礦井水主要來自于三個綜采作業面、掘進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。根據對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 Kt為 1.62。從總體情況上看，其排放量近幾年來一直在增加，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，不過最近兩年維持在3500m3/d左右。

根據對2007～2010年的礦井水水質資料分析，得出其SS、CODcr值普遍偏高（SS四年平均值為903mg/L，CODcr為93.74mg/L），同時經過實地水樣的監測，得出2011年該礦礦井水懸浮固體濃度和TDS均已超過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。該類礦井水需經過一級凈化處理后才能加以回用，若回用于生活飲用水，則更需要進行深度淡化除鹽處理。

2 礦井水現有處理工藝與效果

目前，顧橋礦工業場地內已經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澄清處理工藝，處理規模為3500m3/d。工藝流程圖見圖1。

圖1 顧橋礦礦井水處理工藝流程圖（現狀）

顧橋礦礦井水經過水力循環澄清池—重力式無閥濾池工藝處理后，其懸浮物濃度和CODcr值明顯下降，SS平均值由原來的903mg/L降為46.82mg/L，CODcr由原來的93.74mg/L降為20.79mg/L，出水pH在6～9之間，各指標值見表1。這些指標均達到《煤炭工業污染物排放標準》（GB20426—2006）的相關規定。

表1 顧橋礦礦井水一級處理后水質表

與飲用水標準相比，處理后的礦井水的懸浮物含量和礦物質含量（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，則必須再進行深度處理，才能符合飲用水標準。

3 礦井水深度處理工藝設計

為了綜合利用礦井水資源，現對3500m3礦井水中的1000m3進行深度處理，處理后達到飲用水標準；其余2500m3在經過一級凈化處理后進行回用，包括井下生產、防火灌漿和綠化灑水等。根據國內外礦井水深度處理技術發展趨勢及相關文獻［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），工藝流程見圖2。

深度處理流程為：一級凈化出水經增壓泵增壓后輸入疊片過濾器，除去水中的懸浮物雜質后，進入超濾進行有機物、色度、大分子物質等的去除，其產水進入超濾池，在保證出水污染指數SDI值＜1時再經保安過濾器及高壓泵進入反滲透機組，同時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垢。制得純水進入純水池，再用外輸純水泵送出，供各用戶使用。

圖2 顧橋礦礦井水深度處理設計流程圖

3.1 疊片過濾器的選擇

疊片過濾處理位于整個深度處理的最前端，根據進水水質SS為46.82mg/L，流量為41.7t/h，可以選擇2英寸SPIN KLIN作為過濾單元，4個過濾單元組成整個過濾系統。總管材料選用316不銹鋼或 U-PVC。

3.2 超濾膜的設計

工業上常用的超濾膜器件主要有五種類型：板框式、圓管式、螺旋卷式、中空纖維式、毛細管式［5］。各種基本類型膜均有不同的適用性，在工業上應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。根據進入超濾設備前的水質、水量特點以及出水要求，選用海德能HUF10-200型號的超濾膜。

設計時選用透量 V＝60L/m2·h，設計溫度25℃，產水量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，得出所需超濾膜數量為20根，并選擇內裝4根元件的膜殼，八英寸壓力容器5個。

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，超濾原水泵的揚程選擇約為30m；膜反洗選定每30min反洗一次，反洗時間40s，反洗水為超濾產水，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計為0.96m3。清洗泵選用316不銹鋼離心泵或玻璃鋼泵［5］。考慮保安過濾器的壓降、管道的阻力損失等，此處設計壓力為0.3MPa。

3.3 反滲透裝置的設計

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

反滲透布置系統有單程式、循環式和多段式，本設計選用多段式系統，可充分提高水的回收率，用于產水量大的場合，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象。根據水質水量和回收率（75%），本設計采用DOW陶氏公司生產的反滲透膜，型號為BW30～400。反滲透膜元件的有效面積400ft2、反滲透的產水為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，膜數量共42支。

為了使反滲透裝置達到給定的回收率，同時保持水在每個裝置內的每個組件中處于大致相同的流動狀態，必須將裝置內的組件分為多段錐形排列，段內并聯，段間串聯。將42根膜元件合成7支反滲透膜組件，即6根一組，要使達到75%的回收率，將組件設計為一級二段，組合布置圖見圖3。

圖3 反滲透膜的組合排列

利用ROSA7.2反滲透計算軟件模擬反滲透段各膜元件，結果設備回收率為74.99%，與預設的相符，最終出水TDS為24.94mg/L，溶解性總固體≤1000mg/L，符合國家標準《生活飲用水衛生標準》。

此外從軟件計算結果報告中得出給水壓力9.26bar。針對水質特點，選擇多級離心泵。選擇由中國大連水泵廠蘇爾壽公司提供的ZA系列水泵；選擇由Codeline公司生產的型號為E8S/SP-6W的壓力容器，共7個，內裝6個膜元件。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、保安過濾器、管道、閥門、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。考慮保安過濾器的壓降、管道的阻力損失等，此處設計壓力為0.5MPa。

4 效益分析

工程總投資主要包括土建工程投資、設備工程投資和安裝工程投資，經過預算，顧橋礦礦井水深度處理總投資為115萬元。

運行費用主要包括電費、膜更換費用、化學試劑費用、勞動力費用和維修費用等等。按照花費2.4元/m3產水，一年的運行費用為591300元。如果按自來水水費1.8元/t，水資源費1.2元/t，折舊費每年55000元進行計算，每年可盈利105143元。

該項目的實施可以為煤礦生產、生活提供優質水源，減少煤礦取水量，節約水資源。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環境的污染問題，有效地緩解地下水位下降的幅度，對防止水源枯竭，維持地下水的良性循環，改善礦區生態環境，搞好礦區的環境保護工作有積極作用。

5 結論及建議

顧橋礦礦井水具有高懸浮物、高礦化度的特點，針對其水量和水質，設計出深度處理工藝流程為疊片過濾＋超濾＋反滲透，本工藝運行穩定、可靠，抗沖擊負荷能力強，水回收率達到65%以上，反滲透脫鹽率達到95%以上。利用ROSA7.2反滲透計算軟件模擬，最終出水水質濁度＜1NTU，TDS為24.94mg/L，可以達到國家《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）中的規定。

今后須深入完善現有的礦井水處理設施，保證礦井水處理設備正常穩定運行；進一步完善礦井水收集、利用管網系統，提高系統運行效率及可靠性，保障出水水質達標；完善礦井水回用分配，對每一項用途進行估計和權衡，直正實現礦井水資源化。

［1］馮逸仙.反滲透水處理系統工程［M］.北京：中國電力出版社，2005.

［2］楊靜，李福勤，何緒文，等.鶴壁礦區礦井水水質特征及其資源化技術［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研究［J］.煤炭科學技術，2002，30（8）：38-41.

［4］何緒文，宋志偉，王殿芳，等.反滲透技術在煤礦苦咸水處理中的應用研究［J］.中國礦業大學學報，2002，31（6）：618-621.

［5］華耀祖.超濾技術與應用［M］.北京：化學工業出版社，2004.

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