膜分離技術在礦井水處理中的應用

奧艷文

(西山煤電公用事業分公司，山西 太原 030053)

引 言

污染排放問題一直都是工業發展過程中的重點和難點問題，它關乎著人們賴以生存的環境是否舒適和健康。水污染是影響飲用水和工業供水的重要環境污染源。如何進行水資源的回收和利用是現階段我國主要面臨的問題。20世紀70年代，我國開始進行礦井水處理。傳統的礦井水處理工藝對于礦井水僅為處理和排放，不僅對環境存在污染，同時礦井水凈化處理的成本高，出水水質不高。我國主要煤炭礦產區在華東、華北、東北、西北等北方缺水地區，其中有40%的礦區嚴重缺水，極大限制了礦區的生活用水和工業用水，制約了礦區發展。隨著膜分離技術的高速發展，該技術在礦井水處理中得到廣泛應用。這項技術在礦井水回收利用并加以資源化起到了技術奠基作用。膜分離這一水處理技術因其能耗低、操作簡單、選擇性好、適應性強、無二次污染等特點給礦井水污染環境與礦區供水嚴重短缺這對矛盾提供了非常優良的解決辦法。給環境工程的保護和發展提供了實施前提和技術基礎。

1 膜分離技術簡要介紹

1.1 工藝原理

膜分離技術是指利用混合物中物質粒徑不同，在外力作用下通過半透膜，從而實現選擇性分離的技術。膜分離技術在基本工藝原理方面是比較簡單的?；旌衔锸紫冉涍^泵的加壓，以一定流速通過半透膜(濾膜)，大于膜截留分子量的回流形成回流液或濃縮液，小于膜截留分子量的透過半透膜形成透析液。具體工藝如圖1所示。

圖1 礦井水膜分離工藝示意圖

1.2 分類

膜分離技術可以從以下幾個方面分類。結構類型方面分為液膜和固體膜，過程類型方面可分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)、電滲析(ED)、氣體滲透分離、滲透蒸發等等。

1.3 技術特點及應用

在礦井水回收利用方面，目前廣泛應用的方法有微濾、超濾、納濾和反滲透。以下將對四種常用膜分離進行技術特點及應用的介紹。

1.3.1 微濾(MF)

微濾是膜分離技術中最早應用的產業化技術，它采用均勻多孔濾膜對溶液或混合液進行過濾，主要應用于對水質要求不高的過濾工藝中，或應用于有深度過濾要求的過濾技術的預處理工藝中。多孔濾膜因孔徑均勻、較大，因此微濾技術具有過濾精度高，過濾速度快，濾液純度高等特點。目前微濾技術以廣泛應用于污廢水處理和重金屬廢水的預處理。礦區中可使用混凝—微濾工藝處理礦井水，出水中懸浮物、細菌及COD去除率分別可以達到86 % ,99.9%及98 %，出水濁度<2 NTU，細菌數<35 CFU/mL,ρ(CODMn)<1.4 mg/L，可適用于井下降塵用水[1]。為礦井水回收再利用提供了新途徑。

1.3.2 超濾(UF)

超濾是一種介于微濾和納濾之間的二次過濾技術。超濾使用壓力驅動在膜表面，膜濾孔進行篩分和吸附，能夠有效篩分截留蛋白質、膠體等大分子有機物質。超濾技術具有過濾精度高、過濾產量大、過濾能力穩定等特點，同時超濾技術的截留篩分能力在溶液濃縮和分離方面具有較大優勢。目前超濾技術已廣泛應用于飲用水深度處理工藝中。部分礦區中已采用混凝—超濾工藝處理礦井水，出水濁度<0.3NTU ,ρ(COD)<11 mg/L，細菌去除率99.9 %，出水可回用于水質要求較高的煤礦生活用水和消防灑水等。

1.3.3 納濾(NF)

納濾是目前較為熱門的一種膜分離技術，它是一種低壓反滲透過濾技術，分離、過濾能力介于超濾和反滲透之間，屬于分子級膜分離技術。納濾采用壓力驅動，使用較低的操作壓力，通過濾膜表面負電荷，在篩分效應和道南效應下，能夠對特定的溶質具有高脫除率，從而實現有效去除小分子有機物和無機鹽等有毒有害物質。納濾技術具有成本低、選擇性好、截留率高、軟化水質等特點。納濾膜分離技術主要應用于高礦化廢水處理，飲用水處理和有機物質回收等領域。目前，對于較清潔的礦井水，聶錦旭等人已設計出納濾膜組合工藝，實現濾后的出水水質符合日常生活飲用水的衛生標準(GB 5749-85)[2]。而對于高污染礦井水經納濾膜處理，也有工藝能夠實現出水水質符合再生水標準，這對于礦區中冷卻用水回用和飲用水軟化等具有較為實際的應用。近幾年來，隨著納濾膜性能的不斷提高，納濾膜組件的價格不斷下降，納濾膜在投資、操作和維護等方面已接近甚至優于常規法。

1.3.4 反滲透(RO)

反滲透又稱逆滲透，是以濾膜兩側溶劑靜壓力差作為推動力，當一側溶劑的壓力值超過滲透壓時，膜兩側溶劑會逆著自然滲透方向進行，使得低壓側得到透過的溶劑，即為滲透液；高壓側得到濃縮的溶液，即濃縮液。反滲透膜分離技術具有能耗低、運行成本低、設計簡單、建設周期短、凈化率高、環境安全無污染。反滲透膜分離技術主要應用于高品質用水的深度處理，出水水質極高，目前已能夠于礦井水處理、回收形成飲用水的工藝。同時，黃陵一號煤礦已采用超濾—反滲透工藝處理礦井水，出水水質完全能夠回用作為電廠循環冷卻水使用[3]。四種常用膜分離技術示意圖，如圖2所示。

圖2 四種常用膜分離技術對比示意圖

2 礦井水處理工藝的注意事項

礦井水多為含懸浮物礦井水，其水量約占我國礦井涌水量60%以上。礦井水中主要含有以煤巖粉為主的懸浮物，可溶的無機鹽類，有機污染物較少，一般不含有毒物質。在進行膜分離工藝對礦井水進行處理回收過程中，懸浮物和不溶于水的雜質嚴重降低了出水率和出水質量，同時降低了濾膜的使用壽命。因此在預處理工藝同樣重要。目前，微濾及超濾工藝的主要預處理方法有混凝沉淀，納濾、反滲透工藝的主要預處理方法包括混凝沉淀、微濾和超濾等[4]。同時，在預處理工藝中，還應根據不同來源的礦井水進行有針對性的預處理，如水中多含有煤屑懸浮物，可以施加化學藥劑形成松散結合的礬花。同時通過靜置沉積和普通濾網進行預處理，即可有效防止膜污染、膜孔堵塞。

納濾和反滲透工藝屬于壓力驅動的膜分離技術，在膜運行過程中，提高壓力可增加溶劑膜通過率、提高分離效率。但高壓會加劇濾膜損傷及膜孔污染速度。因此合理規定膜運行壓力，定期維護清洗濾膜，能夠有效延長濾膜使用壽命，降低濾膜污染帶來的出水水質不良等情況。

3 結語

礦井水處理，是解決礦區水污染嚴重和水資源匱乏局面的新出路，是社會、環境、經濟發展的利益導向。相較于傳統礦井水處理工藝，膜分離技術具有投資少，運行安全、出水質量穩定，出水品質高等優勢。隨著膜分離技術和材料技術的不斷發展，膜分離技術在工藝實現上具有更高可實施性和效益穩定性。同時對于全球面臨的環境保護難題有著重要意義。膜處理技術在礦井水資源凈化領域具有良好的發展前景及不可替代的位置。