反滲透技術在高礦化度礦井水處理中的應用

摘 要：石槽村礦井水處理，采用RO-75Z型反滲透裝置，優化原有的RO-50Z型反滲透裝置，處理后的水質滿足礦區的生產及生活用水標準，同時由于反滲透裝置的濃水壓力比較高，如果直接排放將浪費大量電能，采用能量回收裝置將濃水的較高能量轉移到一段濃水中，增加二段進水壓力，替代增壓泵，減少電能消耗。

關鍵詞：石槽村 高礦化度水質 RO-75Z型反滲透裝置 能量回收

中圖分類號：X703文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0024-02

礦井污水是煤炭開采過程中涌出的地下水，經過井下巷道集中至井下調節池，通過輸送泵至地面污水處理構筑物進行處理，在進行中水回用。

石槽村礦井水回收利用工程最早立項于2006年，并直接委托中煤國際工程集團武漢設計研究院進行方案設計，要求水處理設計處理能力為420 m3/h，處理后的產品水質滿足生產、生活用水水質標準，考慮到礦井水含鹽量高、工程投資大，同時也是作為神華寧煤集團公司的第一個高礦化井水回收利用工程，主要工藝包括：預處理工藝+脫鹽處理工藝組成。

1 水質分析

石槽村礦井污水為典型的高礦化污水水質，主要水質參數見表一。

水質分析：通過《寧夏地址礦產中心水質分析報告》可以看出，石槽村礦井水位典型的礦井高礦化水質，其中主要以硫酸鹽及鹽酸鹽的形式存在，PH偏堿性，用過濾設備容易結垢，影響過濾設備的能力，要想處理后水質達到《生活飲用水衛生標準》（5749-2006），必須進行脫鹽處理。

2 工藝方案確定

2009年3月中煤國際工程武漢設計研究院派員到現場與石槽村煤礦籌建處交換關于二、三期工程合并建設的技術方案，決定在原“模塊式礦井水回收利用工程初步設計”的基礎上結合一期工程模塊中取得的經驗教訓，對原方案進行優化設計，優化的內容主要包括以下幾個方面：

2.1 脫鹽設備除了能力

原設計二、三期設4×50 m3/h反滲透裝置，能力為200 m3/h，加上一期工程的100 m3/h，水處理站總脫鹽能力為300 m3/h。若礦井排水量420 m3/h，全日10080 m3/d，回收率以70%計，脫鹽水量為7056 m3/d，則反滲透裝置日工作需23.52 h。這是基于當時尚不知何時石槽村煤礦礦井下排水才能達到420 m3/h，故能力富裕量較小。目前石槽村礦主井以及風井的建井期排水量穩定在260～300 m3/h，副立井尚未在井下貫通，因此預計貫通后排水量很快將達到420 m3/h左右，故優化設計中將反滲透裝置改為3×75 m3/h，則脫鹽能力為225 m3/h，加上一期工程的100 m3/h，水處理站總脫鹽能力提高到325 m3/h，全日工作21.7 h。最大脫鹽能力為7800 m3/d，則有一定的富裕能力儲備。

2.2 反滲透裝置的能量回收問題

一期工程RO-50Z型采取一級兩段，段間增壓脫鹽方式，段間增壓1MPa維持濃水端所需的3.33 MPa壓力。故濃水排放尚有余壓3.28 MPa，必須有設置的截止閥進行消能，由于其壓力大，閘門產生的噪聲很大。在二期優化設計中，我們采用美國PEI公司生產的LPT-250型反滲透濃水專用的高級水力渦輪增壓器替代原設計的段間增壓泵，利用濃水排放的高壓使二段進水壓力提高1 MPa滿足二段濃水所需壓力，這樣濃水排放壓力降到0.2 MPa以下，消除了截止閥產生的噪聲，同時可減少30 kW增壓泵3臺，每年可以減少電費35萬元，盡管能量回收裝置投資較高，但是僅用2.5年節約的電費即可收回全部投資，經濟效益十分顯著。

2.3 蒸發池的設置問題

原設計蒸發池位于礦井西側，離水處理站1.5 km，蒸發池面積約21萬m2，可承納原設計一期、二期濃水量20年左右。

3 反滲透膜及透過機理

反滲透膜理論以吉布斯吸附式為依據，膜表面由于親水性原因，能夠選擇吸附水分子而排斥鹽分，因而在固—液界面上形成厚度為兩個水分子（1納米）的純水層。在施加壓力的作用下，純水層的水分子便不斷的通過毛細管流過反滲透膜，膜表面層具有大小不同的極細孔隙，當其中的孔隙為純水層厚度的一倍時，為臨界孔徑，可達到理想的脫鹽效果。

目前反滲透裝置有板框、管式、卷式和中空纖維式等類型。二期方案優化后的采用RO-75Z型反滲透裝置，屬于管式反滲透裝置，反滲透裝置RO-75Z型單臺產水量75 m3/h，進水量107 m3/h，濃水排放量37 m3/h，回收率70%，膜元件為海德能公司的增強型低壓反滲透膜PROC-10型芳香聚酰胺復合膜，其通水量大，壓力小，脫鹽率高，可以滿足苦咸水一次淡化的要求，共3臺，同時使用，每日工作21.56 h，單臺反滲透裝置包括：5微米保安過濾器：ML-700型，過水能力110m3/h，1臺高壓泵：CR90-6+CR90-6型，Q=107 m3/h，H=220 m，電機45+45 kW，380 V，1套能量回收裝置：LPT-250型，1套。由于反滲透裝置的濃水壓力比較高，如果直接排放將浪費大量電能，排放口還需要設置消能設施，防止建構筑物受損。采用能量回收裝置將濃水的較高能量轉移到一段濃水中，增加二段進水壓力，替代增壓泵，減少電能消耗。濃水的能量回收率在60%左右。

每套膜元件84支組合安裝，每根壓力容器內4個膜元件，每套設備21根壓力容量，14-7制排列。一級兩段段間增壓脫鹽，系統脫鹽率98.79%。由于原水含鹽量很高，硬度大，為防止在濃水端有CaCO3，BaSO4，SrSO4或CaSO4等沉淀，設計投加高效新型阻垢劑亞士蘭3090，投藥量3.4 mg/L。

4 反滲透裝置清洗及事故預防

反滲透裝置運行3個月～4個月左右須將膜元件清洗一次，去除可能附著在膜面上的有機物、細菌以及一部分礦物鹽類結晶清洗劑視不同需要可采用4%～10%的EDTA溶液、pH=12的NaOH溶液、pH=2～3的HCl溶液，以及用亞硫酸氫鈉及非氧化性殺菌劑唑啉酮的衍生物等，以消除污垢及生物粘泥。

濃水池：由于反滲透裝置為多臺并聯運行，容易產生背壓事故，因此在處理站場地內建設200 m3濃水池一座，反滲透的濃水管道直接排放至濃水池中，經過調蓄后再由濃水泵抽送至蒸發池。

濃水管道：由濃水池用濃水泵將濃水送至蒸發池內，濃水流量Q=130 m3/h，管長2162 m，采用DN200的聚乙烯管，以減少了氯離子對管道的腐蝕。

濃水泵：在脫鹽車間內設置濃水泵2臺，KQWH125-250B型，Q=138 m3/h，H=60 m，37 kW，2臺，一用一備。抽取濃水池內之水，用聚乙烯管輸送至蒸發池進行蒸發濃縮。

蒸發池：蒸發池面積6.5×104m2，平均水深5.0 m，池容32.5×104m3，年蒸發量17.55×104m3.

5 結語

反滲透膜在礦井水水處理的應用與實踐表明：

（1）高礦化度水優選反滲透工藝，相對電滲析、離子交換、超模工藝等更符合實際需要。

（2）可節省水資源和大量的污水處理，滿足西北地區的水資源缺少而浪費的意義。同時解決了生產及生活用水的難題。

（3）提高礦井水的綜合利用率，有很好的經濟效益，適合當前經濟及社會環保的發展要求，有很好的社會效應。

參考文獻

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