礦井廢水處理零排放工藝設計實例

胡 林

(麥王環境技術股份有限公司，上海 200082)

礦井廢水是指采煤過程中所有滲入井下開采空間的地下水。我國煤炭開采行業每年產生的礦井廢水為80億t左右，利用率未超過30%[1]。短期內，我國能源仍是煤炭占據主導地位，實現礦井廢水的資源化利用、減少對周邊水系統的破壞，具有非常重大的社會、環境、經濟效應。礦井廢水零排放的設計及應用均借鑒煤化工、垃圾填埋滲濾液等行業的工程經驗，礦井廢水行業目前經驗較少，處于探討摸索階段[2]。肖艷等[3]認為，礦井廢水中含乳化油等污堵反滲透膜的因子，大量工程實踐證明“過濾+超濾”能有效去除油類和膠體顆粒，從而減輕后續反滲透膜處理負荷，避免膜被污染。目前，已建礦井廢水系統中膜法脫鹽在工程中極易產生膜結垢、變形等問題，膜使用壽命短、處理成本增加[4]。膜分離技術在深度處理的脫鹽、減量化、物料提濃等方面應用較多[5-6]。蒸發系統較多地論述以膜濃縮后的高濃鹽水為進水的設計應用工況，未涉及到前端的預處理和濃縮的情況[7]，以及各獨立單元的研究，無法反映整體設計思路，對實際項目的應用借鑒意義不足。

本文針對零排放工程中易污堵、易結垢、固廢回收利用等方面提出了具體解決方案，同時參考相關行業經驗，從多級除硬、多級反滲透濃縮、多效蒸發等重點工藝單元進行剖析，并以技術經濟分析為基礎，以工藝全流程的角度對礦井廢水零排放設計進行了探討與總結，對同類型項目的設計提供一定的指導與參考。

1 項目概況

某礦目前礦井廢水最大排水量為8 541.6 m3/d，平均排水量為8 315.7 m3/d，新采區開采后，每天排水量約增加1 900 m3，井下排水量預計將達10 215.7 m3/d，本工程設計規模按照10 000 m3/d。經過粗過濾的水，直接回用2 000 m3/d，剩余8 000 m3/d經過深度脫鹽處理，分別直接供礦區電廠與井下回用5 000 m3/d、地面復用(礦區其他工業用水或達標排放)2 800 m3/d。蒸發結晶系統設計規模按照15 m3/h，產出300 t/d Na2SO4、0.22 t/d NaCl、1.88 t/d雜鹽、母液外排量≤1 t/d；蒸發凝結水回用，其中，母液按危廢處理。含水率為70%的干污泥全部作為固廢處理，24 t/d。

項目設計主要水質指標如表1所示。

表1 設計進出水水質Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

注：設計上下限負荷為±10%

2 工藝流程

礦井廢水自井下提升至預沉調節池，經過澄清池去除大部分懸浮物后，再經過多介質過濾池深度去除微小顆粒，出水SS≤1 mg/L。錳砂過濾器去除鐵污染，超濾去除水中的懸浮物、膠體及細菌等后，進入第一級反滲透，投加阻垢劑、非氧化性殺菌劑、還原劑等，濃水中鈣、鎂等易結垢離子濃度非常高，濃水進入管式微濾膜(以下簡稱TMF)系統除硬除硅，同時降低水中的SS，確保出水滿足二級反滲透系統的進水要求。預處理后的水進入第二級反滲透，投加阻垢劑、非氧化性殺菌劑等，濃水進入離子交換系統，去除管式微濾單元未去除的鈣、鎂等硬度。趨近于零硬度的高鹽水進入DTRO系統深度提濃，提高全系統的回收率并減量濃水。DTRO的濃鹽水進入蒸發結晶繼續處理。其中，工藝輔助系統設有：污泥脫水系統、過濾單元反洗系統、膜單元清洗系統、干燥及包裝系統、儲配藥系統等。具體主工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of the Process

3 主要設備及建(構)筑物參數

3.1 預處理及膜濃縮段主要設備及建(構)筑物參數

(1)預沉調節池。處理能力為10 000 m3/d，2座，有效停留時間為40 min。

(2)澄清池。單組處理能力為250 m3/h，2座。總體積為1 020 m3；分離區表面負荷為2.21 m/h。配套設備：乙丙共聚蜂窩狀斜管填料、中心傳動刮泥機、污泥循環泵及剩余污泥泵等。

(3)多介質過濾池。單組處理能力為250 m3/h，2座。總體積為152 m3，濾速為7.81 m/h。池內含卵石20 t、石英砂40 t、無煙煤20 t。

(4)除鐵過濾器。單組處理能力為67 m3/h，6用1備，共7套，回收率≥95%。過濾器筒體尺寸為?3.40 m×7.00 m，結構為碳鋼襯塑，濾速為7.50 m/h。

(5)超濾。外壓式PVDF超濾膜，單套處理能力為200 m3/h，2套，回收率≥95%，平均通量≤40 L/(m2·h)。

(6)一級反滲透。采用卷式抗污染復合膜，單套設計進水量為180 m3/h，2 套，排列方式為一級兩段，回收率≥75%，脫鹽率≥98%，通量≤18 L/(m2·h)。

(7)TMF。采用PVDF 膜，單只膜面積為4.25 m2，單只膜長度為1.828 8 m，單只膜61只膜管，膜內徑為12.7 mm，膜孔徑為0.05 μm。單套設計進水量為45 m3/h，2套，回收率≥98%，過濾通量≤300 L/(m2·h)。含4套功率55 kW的循環泵，2套11 kW的反洗泵。

(8)二級反滲透。一段采用卷式抗污染復合膜，二段海水淡化膜。單套設計進水量為45 m3/h，2套，排列方式為一級兩段，回收率≥70%，脫鹽率≥98%，通量≤16 L/(m2·h)。

(9)離子軟化。采用氫型弱酸陽樹脂進行軟化除硬。過濾器筒體尺寸為?1.60 m×5.50 m；樹脂填充量高度為2.5 m。單套設計進水量為27 m3/h，1用1備。配套再生酸加藥系統1套。

(10)DTRO系統。單套設計進水量為15 m3/h，2套，采用聚酰胺工業抗污染RO膜；單只膜規格參數：長度為1 400 mm，外部直徑為224 mm，內部直徑為202 mm，導流盤數量為210片，209個膜片，膜面積為9.405 m2；總膜面積為1 692.9 m2，膜柱串聯布置，設計壓力120 MPa。回收率為50%，脫鹽率≥95%，通量≤10 L/(m2·h)。

(11)建(構)筑物。

根據工藝設計路線，確定主要建(構)筑物尺寸如表2所示。

表2 建(構)筑物設計參數Tab.2 Design Parameters of Buildings and Structures

3.2 蒸發結晶段主要設備及建(構)筑物參數

(1)主體設備。一效加熱器1臺，換熱面積為340 m2，工作溫度為(100±5)℃；二效加熱器1臺，換熱面積為300 m2，工作溫度為(85±5)℃；三效加熱器1臺，換熱面積為300 m2，工作溫度為(75±5)℃;冷凝器1臺，換熱面積為300 m2，工作溫度為(85±5)℃；稠厚釜1臺，容積為5 m3，設計溫度為100 ℃；NaCl蒸發釜1臺，容積為3 m3。雜鹽蒸發釜1臺，容積為3 m3。

(2)干燥及包裝系統。流化床1臺，產量為2.0 t/h，材質為316 L；干燥鼓風機1臺，裝機功率為3.7 kW；25 kg包裝線1套，含螺旋喂料機、夾袋機構、人工碼垛升降平臺等。

(3)蒸發結晶車間。尺寸：長×寬×高=36.00 m×12.0 m×20.0 m，框架結構，安裝蒸發結晶系統設備。

4 關鍵工藝技術

4.1 管式微濾除硬+離子軟化除硬

傳統的高效軟化澄清池，占地面積大、現場運維環境較差，較適用于大水量工段。本項目用地緊張，水量較小，一級除硬工藝選用TMF。TMF系統一次投資成本偏高，運行費用略低(不投加PAC、PAM)。TMF運行溫度≤45 ℃，最大進水壓力為0.3 MPa。一級反滲透濃縮高鹽水，其總硬度(以CaCO3計)≤830 mg/L，總硅≤160 mg/L。通過投加鎂劑、NaOH、Ca(OH)2等除硬藥劑，在pH值為10～11的條件下，將水中鈣、鎂等硬度因子生成CaCO3、Mg(OH)2沉淀物，TMF以錯流過濾的方式將污水中微米級及以上粒徑的SS、COD等攔截濃縮在回流液中，清水則通過TMF產水通道匯集。TMF系統設計出水中Ca2+≤20 mg/L、Mg2+≤20 mg/L、總硅≤20 mg/L、濁度≤1 NTU、SDI≤5，滿足后續反滲透系統的進水要求。

離子軟化樹脂系統的進水為二級反滲透的濃縮液，總硬度(以CaCO3計)≤300 mg/L。氫型弱酸陽樹脂能大量置換硬度，經離子軟化單元的設計出水，其硬度≤5 mg/L，最大程度地限制了進入后續蒸發結晶系統中廢水的總硬度值，防止結垢發生。

TMF、離子軟化的再生廢液經化學沉淀處理后，產生的泥渣配板框壓濾處理，上清液返回至二級濃縮系統，循環利用，固廢委托外包單位處理。

4.2 高鹽濃縮DTRO系統

DTRO系統在垃圾滲濾液處理、海水、苦咸水脫鹽凈化、物料脫鹽濃縮及廢水處理中有廣泛的應用和成功案例[9]。膜片采用工業物料分離級別的抗污染RO膜片，表面電荷性能趨中性，強化了脫鹽穩定性及抗污染能力；膜片采用圓形結構，有效地消除了料液沖擊，提高了組件內部的穩定性，降低了膜片被刺穿的可能性；膜組件支撐板上設有大量花紋凸點，該凸點可增強廢水流動過程中的湍流，降低膜面的濃差極化，故適用于高污染、高鹽分的物料濃縮。

二級反滲透濃液TDS為56 000 mg/L，CODCr為150 mg/L。該股濃液TDS高、滲透壓高、COD高、污染程度高，普通反滲透無法適用于該工況，為進一步將濃鹽水減量，減少蒸發結晶系統負荷與投資，本項目采用DTRO系統進行濃縮。DTRO濃縮液設計TDS為110 000 mg/L，CODCr為300 mg/L，該數值能確保整套DTRO系統長期穩定運行，維護及清洗頻次在可接納范圍內。DTRO系統設計的產水TDS≤3 000 mg/L，CODCr為5 mg/L，產水經與其他反滲透產水混合后滿足地面復用水水質要求。DTRO系統單獨配置1套清洗系統，定期恢復系統的生產性能。

4.3 蒸發結晶系統

雜鹽處理成本較高，為減少雜鹽量，結合設計水質，對本項目進行分鹽處理，常用的工藝方法有多效蒸發(以下簡稱MEV)、機械蒸汽再壓縮蒸發工藝等[10]。MEV工藝操作難度低，該礦區有可利用的蒸汽，因此，本項目選用MEV工藝。蒸發結晶工藝流程如圖2所示。

圖2 蒸發結晶工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Evaporation and Crystallization

蒸發結晶系統進水主要成分：Na2SO4為9.92%(wt)；NaCl為0.33%(wt)。根據100 ℃時NaCl與Na2SO4的飽和相圖，NaCl的飽和濃度控制不能超過23%(wt)，故蒸發系統濃縮倍數約為70倍。采用雙級活塞推料離心機進行Na2SO4副產鹽的固液分離。NaCl鹽采用立式刮刀離心機分離，采用振動流化床干燥機。蒸發濃縮混合液中CODCr約25 000 mg/L，總硅含量約4 000 mg/L，設計及時排出含高COD的大塊料，延緩干燥床死床周期。考慮硅鹽的結垢問題，為防止硅鹽在系統內結垢，設計堿洗除硅系統。

定期排放母液來保證產品鹽品質，結晶鹽分為Na2SO4、NaCl及雜鹽。品質滿足如下要求：Na2SO4符合GB/T 6009—2014工業無水Na2SO4Ⅰ類一等品；NaCl符合GB/T 5462—2015日曬工業鹽二級指標；雜鹽含水率≤8%。

5 礦井廢水零排放技術經濟分析

5.1 投資概算

該設計工程總投資為8 015萬元，包含用地范圍內的全部土建、設備安裝、調試及其他費用的工程建設總投資。具體各單項投資如表3所示。

表3 工程投資Tab.3 Investment of the Project

5.2 運行成本估算

所有費用均以400 m3/h的進水量計算，具體的運行成本統計如下。

(1)藥劑費用。本項目藥劑投加種類及投加量：5% PAC年投加量為100 t、0.1% PAM年投加量為2 t、10%次氯酸鈉年投加量為230 t、40%NaOH年投加量為480 t、98% H2SO4年投加量為2 950 t、95% Ca(OH)2年投加量為3 600 t、非氧化性殺菌劑年投加量為30 t、阻垢劑年投加量為5.6 t、亞硫酸氫鈉年投加量為8.1 t、鎂劑年投加量為151 t、消泡劑年投加量為0.85 t、EDTA年投加量為1.0 t等藥劑，年消耗量合計費用為2.714 元/m3。

(2)低壓蒸汽費用。供蒸發結晶系統給熱用，單價按180元/t，全年蒸汽消耗量為51 100 t，蒸汽費用為2.625元/m3。

(3)電費。單價按0.7 元/(kW·h)計，全年電耗為1 469.67×105kW·h，電費為2.936元/m3。

(4)人工成本。平均工資按8 000元/(人·月)計，本項目配置30人，年人工費為288萬元，折合噸水人工費為0.822元/m3。

(5)合計。總運行成本為9.097元/m3。

6 結論

零排放工程設計工藝段繁復、各單元工藝關系緊密，設計時需考慮前后工藝段的匹配性，明確各單元的設計目的。

(1)礦井廢水要達到零排放，必須對礦井廢水溶解性總固體進行處理，并達到生產、生活用水標準。本項目是保證某煤礦可持續發展的基礎設施，其建設是非常必要的。

(2)礦井廢水回用將減少外取水量，節省排污費和水資源。每年減少外取水量165萬t，減少鹽排放量約10萬t。

(3)通過工藝比選，項目采用“過濾澄清+超濾+一級反滲透+一級TMF+二級反滲透+離子軟化+三級反滲透+多效蒸發”的工藝方案，投資省，運行穩定可靠。

(4)礦井廢水經初沉后，COD較低，多次濃縮后可引起系統污堵等，有必要增加COD深度處理的措施，充分保證系統運行的穩定性及末端結晶鹽的品質。