反滲透處理淮南礦區礦井水試驗研究

柳炳俊 ，鄭彭生 ，謝毫 ，高杰 ，安士凱

（1.煤礦生態環境保護國家工程實驗室，安徽 淮南 232001；2.煤科集團杭州環保研究院，浙江 杭州 311201）

礦井水主要由地下涌水、防塵灑水、設備冷卻水匯集而成[1]，我國煤炭礦區主要分布在華東、華北、西北等缺水地區，將礦井水處理后回用作生產、生活用水已成為解決礦區水資源短缺問題的主要手段。淮南礦區礦井水以煤粉、巖屑、溶解性鹽類污染為主，絕大部分屬于高氯化物型高礦化度礦井水[2]。這類礦井水經過混凝、澄清、過濾等工藝處理后，出水礦化度仍較高，無法滿足井下生產用水、飲用水、鍋爐用水等高標準生活、生產用水的水質要求，在很大程度上限制了淮南礦區礦井水利用率的進一步提高。

反滲透已廣泛應用于海水淡化、食品加工、飲用水制備、工業廢水再生處理、醫藥化工等領域[3-6]。采用反滲透對礦井水進行深度處理，可有效去除水中硬度、堿度、SO42-及Cl-，在提高出水水質的同時擴大礦井水的回用途徑，更好地實現礦井水的資源化利用。

1 試驗材料與方法

1.1 進水水質

試驗用水取自淮南礦區某煤礦礦井水處理站的清水池，含較多懸浮物的礦井水經過混凝、澄清、過濾后進入清水池，具體水質情況見表1。

表1 進水水質

水中Cl-超出了《煤礦企業礦山支護標準--液壓支架（柱）用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》（MT76-2011）的相關水質要求，TDS 濁度、SO42-超出了《生活飲用水衛生標準》（GB5749-2006）的水質要求，電導率、硬度超出了《工業鍋爐水質》（GB/T1576-2008）中額定蒸汽壓力大于1.0MPa鍋爐的水質要求。

1.2 試驗裝置

試驗工藝如圖1所示。礦井水經超濾（UF）預處理后進入中間水箱，而后經增壓泵進入反滲透（RO）裝置。UF膜截留分子量為6000～10000 Dalton，UF能有效去除水中膠體、懸浮物和大分子有機物，具有一定的抗污染能力，為RO提供良好的進水水質[7]。RO膜元件為美國陶氏公司生產的聚酰胺復合膜BW30～4040，有效膜面積為7.6m2。

圖1 試驗工藝流程

2 試驗結果分析

2.1 操作條件對RO膜分離性能的影響

影響RO膜分離性能的主要因素為操作壓力、進水溫度、進水含鹽量及pH[8]。對于淮南礦區礦井水來說，pH較為穩定，所以本試驗分別選取操作壓力、進水溫度及進水電導率為研究對象，分析三者變化對RO膜分離性能的影響。

在膜分離工藝中，對設備投資費用和操作費用影響最大的過程參數一般為產水回收率[9]。進水流量875 L/h，電導率2180 μs/cm，水溫18.9℃，RO產水量及回收率隨濃水側操作壓力的變化如圖2所示。

圖2 操作壓力對回收率的影響

在RO允許的操作壓力范圍內，增加操作壓力可顯著提高RO產水量，在操作壓力從0.3MPa增加到0.8MPa的過程中，回收率由6.9%提高至19.2%，回收率隨壓力呈線性上升趨勢，壓力每增加0.1MPa，回收率約提高2.35%。增加操作壓力可在一定程度上提高RO回收率，但膜污染的速度也隨之加快，操作壓力過高會影響到膜的使用壽命。

在進水流量 875 L/h，電導率 2180 μs/cm，水溫18.9℃，RO產水電導率及脫鹽率隨濃水側操作壓力的變化如圖3所示。

圖3 操作壓力對脫鹽率的影響

在濃水側操作壓力為0.3～0.6MPa的情況下，隨著操作壓力的增加，RO脫鹽率呈上升趨勢，當壓力為0.6MPa時，脫鹽率達到了97.8%，當壓力大于0.6MPa后，繼續增加操作壓力對脫鹽率無明顯影響。一種觀點認為，鹽通量只是膜兩側鹽濃度的函數，操作壓力的增加提高了水通量，而鹽通量不變[10]，所以脫鹽率隨著壓力的增加而上升，但與此同時，膜兩側的鹽濃度差逐漸變大，一定壓力范圍內，脫鹽率上升的趨勢逐漸變緩并趨于穩定。進水流量875L/h，電導率2243μs/cm，濃水側操作壓力0.6MPa，RO回收率及脫鹽率隨反滲透進水溫度的變化如圖4所示。

圖4 水溫對回收率及脫鹽率的影響

隨著水溫的升高，產水量提高，回收率與水溫呈線性增長關系，水溫每升高1℃，回收率約提高0.6%；脫鹽率隨水溫的升高呈下降趨勢，變化趨勢不明顯。水溫對RO的影響比較復雜，溫度的升高會導致粘度的下降和擴散系數的提高，從而提升了滲透性能，溶質透過率也得到了一定程度的提升，因而直觀地表現為回收率的提高和脫鹽率的下降。

進水流量875L/h，濃水側操作壓力0.6MPa，水溫17.5～22.7℃，進水電導率對脫鹽率的影響如圖5所示。

圖5 進水電導率對脫鹽率的影響

隨著進水電導率的的升高，產水電導率顯著增加，脫鹽率雖呈下降趨勢，但仍保持在97%以上。在含鹽量升高的情況下，更多一價離子穿過膜進入產水中，而二價離子仍很難穿過，因此，脫鹽率有所下降但下降幅度有限。

2.2 產水水質分析

進水流量875L/h，電導率2180μs/cm，水溫17.8℃，濃水側操作壓力0.6MPa，RO處理效果如表2所示。

表2 RO處理效果

RO對總硬度實現了完全去除、對總堿度、SO42-及 Cl-有很高的去除率，對 Ca2+、Mg2+、SO42-等二價離子的截留效果優于一價的Cl-、脫鹽效果好。產水pH、Cl-達到了煤礦企業礦山支護標準--液壓支架（柱）用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》的水質要求，產水總硬度、總堿度、總電導率達到了 《工業鍋爐水質》最高標準的要求，產水SO42-、TDS達到了《生活飲用水衛生標準》的水質要求。但產水偏酸性，不能直接滿足《工業鍋爐水質》及《生活飲用水衛生標準》對pH的要求，回用前需適當加堿以回調pH。

3 結論

（1）隨著操作壓力的增加，回收率呈線性上升趨勢，壓力每增加0.1MPa，回收率約提高2.35%，脫鹽率也呈上升趨勢，但上升趨勢逐漸變緩并趨于穩定。

（2）回收率與水溫呈線性增長關系，水溫每升高1℃，回收率約提高0.6%；脫鹽率隨水溫的升高呈下降趨勢，變化趨勢不明顯。

（3）隨著進水電導率的的升高，產水電導率顯著增加，脫鹽率雖呈下降趨勢，但仍保持在97%以上。

（4）針對淮南礦區礦井水，采用RO進行深度處理，對主要離子的截留效果可穩定滿足井下生產用水、飲用水、鍋爐用水等高標準生活、生產用水的水質要求。

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