超濾-反滲透雙膜法在鎮(zhèn)城底礦井水處理系統(tǒng)改造應(yīng)用

王 媛

(西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司公用事業(yè)分公司，山西 太原 030053)

引 言

煤炭作為我國(guó)的基礎(chǔ)能源，在我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中比重達(dá)到70%。煤礦在采掘過(guò)程中，礦井深部巖層、煤層會(huì)產(chǎn)生大量的礦井水，若不經(jīng)處理直接排放會(huì)對(duì)自然生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，還會(huì)造成水資源的浪費(fèi)。當(dāng)前，我國(guó)環(huán)境保護(hù)及管理形勢(shì)嚴(yán)峻，礦井水處理不達(dá)標(biāo)，已經(jīng)嚴(yán)重制約煤礦的正常生產(chǎn)秩序。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計(jì)，2017年我國(guó)礦井水的年排放量達(dá)78.6億 m3，給礦井水的凈化處理和環(huán)境保護(hù)帶來(lái)巨大壓力。現(xiàn)階段，我國(guó)的大部分礦井在建設(shè)階段均同步建設(shè)礦井水處理站；甚至還有礦井在礦井水處理上因地制宜，采用中水復(fù)用的方式，如，神華集團(tuán)神東煤業(yè)哈拉溝煤礦就地取材采用煤礦井下采空區(qū)的煤矸石作為過(guò)濾和凈化礦井污水的主要載體,在礦井采掘過(guò)程中直接將礦井排水注入采空區(qū)進(jìn)行初級(jí)過(guò)濾凈化,在通過(guò)管道輸送至處理站進(jìn)行二次處理，經(jīng)處理后的中水可重復(fù)使用于礦井的生產(chǎn)，達(dá)到雙重功效。但是，大部分的煤礦在礦井水處理時(shí)仍采用傳統(tǒng)的絮凝-沉淀-過(guò)濾聯(lián)合處理工藝，在高礦化度的礦井水中懸浮物多、pH值低時(shí)往往處理達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。近些年，隨著水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，超濾-反滲透雙膜法在礦井水處理中的應(yīng)用，使礦井水過(guò)濾處理取得良好的效果[1-5]。

1 工程概況

鎮(zhèn)城底礦位于西山煤田的西北邊緣,地處古交市西北,汾河延井田北部穿過(guò)，礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150萬(wàn)t/a，礦井涌水量1 800 m3/h。由于鎮(zhèn)城底礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤層含水量大，隨著回采工作面的增加，礦井的實(shí)際涌水量達(dá)2 300 m3/h,礦井水在排放過(guò)程中受采掘的煤塵影響，懸浮物的質(zhì)量濃度達(dá)190 mg/L、溶解性總固體質(zhì)量濃度約為7 500 mg/L,屬典型的高礦化度水質(zhì)。經(jīng)檢測(cè)鎮(zhèn)城底礦礦井水中的H2CO3質(zhì)量濃度約55 mg/L,CODcr為 3.5 mg/L,水質(zhì)硬度 200 mg/L,pH值8.3。

為處理礦井水配套建設(shè)了一座處理量40 500 m3/d 的凈化處理站，結(jié)合鎮(zhèn)城底礦煤質(zhì)特征采用絮凝-沉淀-過(guò)濾聯(lián)合處理工藝。由于礦井涌水量大、水質(zhì)不穩(wěn)定、處理效果差，采用超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜法對(duì)原工藝系統(tǒng)的深度處理部分進(jìn)行技術(shù)改造，將處理后的中水復(fù)用于礦井采掘生產(chǎn)，多余部分處理達(dá)標(biāo)后進(jìn)行排放。

2 超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜分離技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)礦井水的中水復(fù)用和零排放，鎮(zhèn)城底礦采用超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜分離技術(shù)，對(duì)原有的礦井水過(guò)濾系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)改造。膜分離技術(shù)作為新型分離凈化與濃縮技術(shù)，主要用于礦井污水的深度過(guò)濾回用工程中，通過(guò)物理作用將礦井水逐步進(jìn)行分離、分級(jí)、提純與富集的技術(shù)。鎮(zhèn)城底礦水處理站主要采用超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜技術(shù)，技改后礦井水處理系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

2.1 超濾膜(UF)

超濾技術(shù)采用壓力差作為推動(dòng)礦井水流動(dòng)進(jìn)行篩孔分離凈化的技術(shù)。超濾膜(UF)的材質(zhì)主要為聚氯乙烯等無(wú)機(jī)膜材料，其孔徑約為0.002 μm～0.1 μm,截留相對(duì)分子質(zhì)量大約為500～500 000。在系統(tǒng)的壓力差推動(dòng)下，礦井水從高壓的料液側(cè)透過(guò)超濾膜(UF)過(guò)濾到低壓側(cè)，從而得到過(guò)濾后的凈化液體，而相對(duì)分子質(zhì)量較大的雜質(zhì)則被截留。超濾過(guò)程是動(dòng)態(tài)的，但雜質(zhì)分離則是在流動(dòng)狀態(tài)下完成的，截留的雜質(zhì)包裹在超濾膜表面，只需通過(guò)清洗即可恢復(fù)使用效果。完整的(UF)超濾系統(tǒng)主要由水泵、自動(dòng)反洗預(yù)過(guò)濾器、超濾膜(UF)組件、反向過(guò)濾泵、PLC控制系統(tǒng)和檢測(cè)裝置構(gòu)成。

超濾系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行管理，實(shí)現(xiàn)了礦井水的過(guò)濾、系統(tǒng)內(nèi)部的自動(dòng)反沖洗、壓空吹掃及故障自檢功能，超濾系統(tǒng)的主要運(yùn)行流程如下：

1) 進(jìn)水過(guò)濾：經(jīng)混合沉淀和原水過(guò)濾系統(tǒng)處理后的礦井水，流入回用水池，再由超濾進(jìn)水泵將水泵入U(xiǎn)F超濾裝置。水流經(jīng)超濾膜柱的底泵入膜柱內(nèi)部，水壓為0.2 MPa。UF超濾處理系統(tǒng)的膜柱內(nèi)部的水流方向是由外向內(nèi)的擠壓方式，單個(gè)超濾膜柱的產(chǎn)能約5 t/h。

2) 反向過(guò)濾清洗：UF超濾系統(tǒng)在處理礦井水時(shí)，為保護(hù)超濾膜的使用壽命，PLC控制系統(tǒng)會(huì)按照設(shè)定程序定期對(duì)UF超濾膜進(jìn)行反沖洗，以保證其使用壽命。反沖洗時(shí)，水泵會(huì)將回水從膜柱的純凈水出口逆向沖入膜柱，這種由內(nèi)而外的反向沖洗方式，可有效將截留在UF超濾膜上的懸浮物質(zhì)沖洗掉。

2.2 反滲透

RO反滲透膜技術(shù)是在高于溶液滲透壓的作用下，依據(jù)其他物質(zhì)不能透過(guò)半透膜而將這些物質(zhì)和水分離開來(lái)。反滲透膜的膜孔徑非常小，因此能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機(jī)物等。系統(tǒng)具有水質(zhì)好、耗能低、無(wú)污染、工藝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。RO反滲透工藝主要包括預(yù)處理、反滲透及后處理三部分。

1) 預(yù)處理：經(jīng)超濾系統(tǒng)過(guò)濾后的回用水，可降低大顆粒物質(zhì)對(duì)RO反滲透膜的損失。通常在預(yù)處理過(guò)程中，利用提升泵將水壓提升到一定高度，使其達(dá)到反滲透裝置所需的壓強(qiáng)，保證RO反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；在回用水中添加阻垢劑主要預(yù)防懸浮物質(zhì)在RO反滲透膜表面結(jié)垢；而多余的氧化劑則用還原劑進(jìn)行處理，可有效避免對(duì)RO反滲透膜的損傷；并在系統(tǒng)的尾端加裝保安過(guò)濾器可預(yù)防顆粒較小的懸浮物質(zhì)堵塞RO滲透膜。

2) 反滲透：反滲透可以將礦井水中的懸浮物、無(wú)機(jī)鹽離子、硫化物、細(xì)菌和病毒有效去除。由于反滲透膜具有自動(dòng)反沖洗功能，可結(jié)合RO反滲透膜的使用情況和過(guò)濾量，配制反沖洗溶液，對(duì)RO反滲透膜進(jìn)行沖洗，延長(zhǎng)反滲透膜的使用壽命和特性。

3) 后處理：將反滲透過(guò)濾處理后的清水，儲(chǔ)存并采用紫外線進(jìn)行消毒。反滲透工藝見(jiàn)圖2。

圖2 反滲透工藝流程圖

3 處理效果分析

鎮(zhèn)城底礦采用超濾膜(UF)-反滲透膜(RO)分離技術(shù)用于礦井水的深度處理，效果提升顯著，設(shè)備及工藝簡(jiǎn)單易操作，RO膜組件簡(jiǎn)潔緊湊，自動(dòng)化操作程度高，降低后期的檢修成本。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，采用雙膜分離技術(shù)后，每噸礦井水約耗電0.23元；每噸水約使用水處理藥劑0.15元；超濾/反滲透膜的使用周期為6 a，折和每噸水的處理成本約0.6元，合計(jì)每噸礦井水的處理費(fèi)用約為0.98元。而原系統(tǒng)每噸礦井水的處理費(fèi)用約為2.3元，按鎮(zhèn)城底礦水處理系統(tǒng)每年4萬(wàn)t的處理量計(jì)算，年節(jié)約費(fèi)用52 800元，體現(xiàn)出顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的礦井水處理技術(shù)前期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本投入高，且后期的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用大，處理效果難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，所以不能適應(yīng)礦井水排放處理要求。鎮(zhèn)城底礦采用的超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜法具

有前期投入低、脫鹽和脫泥效果高、生產(chǎn)成本低、自動(dòng)化程度高和操作便捷的特點(diǎn)，作為新型的礦井水處理技術(shù)，大幅提升處理效率，實(shí)現(xiàn)中水重復(fù)。