微濾與超濾組合工藝在礦井水提標改造工程中的設計應用

文-李先元 煤炭工業太原設計研究院

礦井水是在煤層開采時破壞含水層所產生的涌水，其主要污染物指標為COD和SS及少量的石油類、氨氮等。以前礦井水經過混凝、沉淀、過濾處理后，基本就可滿足井下灑水、綠化、降塵等要求。但是隨著國家對環保要求的不斷增強，對礦井水的排放和深度處理后進一步資源化利用都提出了新的要求。本文依據最新的環保標準和礦井水進一步資源化要求，結合蘆家窯礦井水處理站改造方案，對礦井水微濾與超濾組合應用進行介紹。

1 設置微濾和超濾的原因和意義

蘆家窯礦井水不達標主要是因為SS、COD、石油類等污染物造成的，需要經過進一步深度處理。微濾與超濾組合工藝是針對礦井水三類水深度處理而研究的一種新型工藝組合。

微濾又稱微孔過濾，屬于精密過濾，微濾能截留0.1～1 μm之間的顆粒，微濾膜允許大分子有機物和無機鹽等通過，但能阻擋住懸浮物、細菌、部分病毒及大尺度的膠體的透過。在超濾前端增加微濾單元，出水水質更穩定，并能起到保護后段超濾膜的作用。

超濾是一個壓力驅動的膜分離過程，主要由篩除機理去除水中雜質。以壓力差為推動力，分離膜的孔徑在0.0015～0.02μm之間，推動壓力在100～1000kPa。超濾適用于分離大分子物質、膠體、蛋白質等，可有效取除水中的懸浮物、膠體、有機物、油等雜質，可替代活性炭過濾器和多介質過濾器。

在超濾過程中，水深液在壓力推動下流經膜表面，小于膜孔的深劑（水）及小分子溶質透水膜，成為凈化液（濾清液），比膜孔大的溶質及溶質集團被截留，隨水流排出，成為深縮液。超濾過程為動態過濾，分離是在流動狀態下完成的。溶質僅在膜表面有限沉積，超濾速率衰減到一定程度而趨于平衡，且通過清洗可以恢復。

超濾技術的優點是操作簡便，成本低廉，不需增加任何化學試劑，尤其是超濾技術的實驗條件溫和，與蒸發、冷凍干燥相比沒有相的變化，而且不引起溫度、pH的變化，因而可以防止生物大分子的變性、失活和自溶。

微濾+超濾處理工藝具有處理效果穩定，出水水質有保證，運行管理方便，運行成本低等優點。

2 改造設計方案

2.1 設計規模

根據蘆家窯礦井平均日出水情況，本次設計規模按1800m3/d（90m3/h）考慮，每天運行20h。

2.2 設計進水水質

項 目 指標pH值 7.93 SS（mg/L） 176 BOD5（mg/L） 7.7 CODcr（mg/L） 76鐵（mg/L） 0錳（mg/L） 0.08氨氮（mg/L） 0.122氟化物（mg/L） 0.68硫化物（mg/L） 0硝酸鹽（mg/L） 2.91硫酸鹽（mg/L） 318石油類（mg/L） 0.23氯化物（mg/L） 184

2.3 設計出水水質標準

根據《地表水環境質量標準》Ⅲ類水質要求及我礦對SS指標要求，設計出水水質要求見表2。

表2 設計出水指標

3 目前存在的主要問題及改造方案

3.1 預沉降池改造方案

根據現場踏勘目前預沉調節池為長方形，池底沒有污泥斗，僅設置排泥泵坑，且排泥泵坑位置設置不當，排泥系統應設置在調節池進水端；預沉調節池有效調節容積為300m3，根據《煤炭工業給水排水設計規范》（GB50810-2012）現有調節池有效容積不能滿足處理規模1800m3/d的調節容積要求；預沉調節池底部為平底，設置桁車式刮泥機不能起到很好的刮泥效果，導致污泥泵的排泥濃度較低，后續污泥處理段不能正常運行。建議對原有預沉調節池進行改造，將現有桁車式刮泥機改為桁車式刮吸泥機。新增加一座調節池與原有調節池串聯運行，有效調節容積300m3，采用半地下式水池，加蓋保溫板防凍，采用液壓往復式刮泥機。

3.2 一體化凈水設備改造方案

一體化凈水設備中設有絮凝段，但絮凝段起不到絮凝效果，懸浮物在此不能形成大的絮凝體，需要對其進行改造，本次設計投加渦流反應器；斜管沉淀池斜管已損壞，需要更換斜管；過濾區濾料厚度為300mm，反沖洗配水不均勻，需要增加濾料厚度和更換配水系統，一體化凈水器需要進行防腐處理。

3.3 污泥處理系統改造方案

污泥處理系統的污泥入料泵存在漏水、污泥輸送管路偏細、離心式污泥脫水機已經不能正常運行，且污泥脫水系統設置的位置不合理，不便于煤泥的運輸。根據現場踏勘和甲方要求，方案設計將污泥脫水設備進行更換，更換為廂式壓濾機，且污泥脫水設備的安裝位置變更為原PAM加藥車間，污泥采用無軸螺旋輸送機輸送至煤場。

3.4 礦井三類水組合處理裝置

在深度處理車間安裝一套礦井三類水組合處理裝置，該裝置使用的是一體化設計技術，專門針對礦井水處理三類水提標改造。該裝置的核心內容為“微濾+超濾”組合系統，系統設計回收率為大于90%。本次改造設置1套產水量90m3/h的三類水組合處理裝置。深度處理設備供水泵的作用是將來水加壓并打入深度處理設備中，并使產水透過深度處理設備進入產水池中。供水泵采用變頻供電。PLC采集超濾設備的產水流量數據，經PID調節控制供水泵的頻率，達到每個CMF系列恒流量產水。供水泵的啟動、停止及轉速由膜過濾設備用水要求而由自控系統自動控制，無須人工操作，這樣既降低了勞動強度，又使設備的運行安全可靠。

4 自動控制系統

為了實現自動化控制和無人值班控制要求，設計了一套完整、先進的儀表和DCS監控系統，采用集散控制系統(DCS)進行數據采集和系統控制，達到除配藥、清洗外，無人值班運行要求。系統分為兩層：控制中心、現場各種儀表及控件。

控制系統采用自動程序控制、遠方手動操作及就地操作相結合的控制方式。程序控制必須設有步進操作、成組操作或單獨操作等手段，并有跳步、中斷或旁路等操作功能，還設有必要的步驟時間和狀態指示、選擇和閉鎖功能；系統可以檢測重要設備的運行狀態、過程，出現故障可自動報警；可以對水處理裝置、加藥系統、反洗系統、化學清洗、供氣系統以及各種泵、閥進行有效控制。

5 運行成本分析

改造處理的主要耗電單元為提升泵及反洗水泵，水耗為0.2kWh/t；按本地工業用電0.9元/ kWh計，電耗為0.18元/t。包括原水殺菌和化學清洗：10%濃度的次氯酸鈉溶液按1000元/t，30%濃度的鹽酸溶液按1000元/t，96%濃度的氫氧化鈉溶液按2000元/t計算，共計水費0.05元/t。綜上可知，深度處理的每噸水運行成本為0.23元。

6 結論

本次對蘆家窯礦井水處理站進行改造，利用微濾與超濾組合工藝，實現自動控制，改造后礦井水處理后出水符合《地表水環境質量標準》Ⅲ類水質要求，滿足對礦井水的排放和深度處理后進一步資源化利用要求。