以綠色環保為目標的煤礦礦井水綜合處理系統構建與實施

創造單位：陜西華電榆橫煤電有限責任公司

主 創 人：高 峰 石建祥

創 造 人：陳加更 李敏恒 朱南京 汪慶喜 劉天文 封 云 李 標 張瑾超

一、前言

近年來，陜西華電榆橫煤電有限責任公司（簡稱“榆橫煤電公司”）以“奉獻清潔能源，創造美好生活”為使命，深入貫徹落實國家環保政策，認真踐行綠水青山就是金山銀山的發展理念，切實履行央企社會責任，積極創建煤電路一體化綠色能源示范企業，極大地改善了企業駐地人民群眾生產生活環境。

榆橫煤電公司小紀汗煤礦，地處毛烏素沙漠與陜北黃土高原接壤地帶，屬陜北侏羅紀煤田榆橫礦區。礦區內植被覆蓋面積很少，水土流失嚴重，土地貧瘠，農、工、牧業皆不發達，經濟落后。

多年來，由于礦區內煤礦項目建設較為集中，礦井水長期排放，在周邊形成了黑湖、咸水湖，且面積逐年擴大，導致出現土壤鹽堿化和淺層地下水含鹽量增大等一系列嚴重危害。

為徹底解決陜北荒漠長期缺水困難和所屬礦區及下游城市水污染問題，榆橫煤電公司決定投資4.62億元建設陜西規模最大、投資最大的水處理示范項目——小紀汗煤礦礦井水綜合利用項目，用實際行動為煤礦生產注入綠色元素。

二、實施背景

黨的十九大報告提出，大力推進生態文明建設，堅持節約資源和保護環境的基本國策，堅持節約優先、保護優先、自然恢復為主的方針，著力推進綠色發展、循環發展、低碳發展，形成節約資源和保護環境的空間格局、產業結構、生產方式、生活方式，從源頭上扭轉生態環境惡化趨勢，為人民創造良好生產生活環境，為全球生態安全作出貢獻。

陜西省環保廳與榆林市環保局對榆林地區煤礦礦井水處理利用提出了明確要求，強調減少和防止環境污染是一項重要的任務，更是建設資源節約型、環境友好型國家循環經濟示范區的基本要求，建設礦井水處理站并充分利用礦井水已刻不容緩。

根據2011年10月環保部環評〔2011〕300號文“關于陜西華電榆橫煤電有限責任公司小紀汗（漢）礦井及選煤廠環境影響報告書的批復”中的第二項（四）條“提高水資源的綜合利用率，落實礦井水和生活污水處理設施。礦井水、生活污水處理達標后全部回用和綜合利用，選煤廠煤泥水實現一級閉路循環，不外排”的要求。

《陜西華電榆橫煤電有限責任公司小紀汗煤礦13盤區涌水量預測報告》顯示，小紀汗煤礦2018年到2025年的預測水量逐年增加，2021年可達最大涌水量1762m3/h，遠遠超過目前已有井下水處理站的處理能力。

綜上所述，根據小紀汗煤礦目前的實際情況和存在問題，對礦井水進行綜合利用的設計，以便滿足環保要求，同時保證企業的可持續發展。對小紀汗煤礦礦井外排水進行處理，建設礦井水深度處理工程，做為榆橫工業園區的生產用水的補充水源是必要的，也是合理的。

三、項目概況

項目總投資46208.60萬元，其中建設期利息909.78萬元，建設規模為45600m3/d（1900m3/h），設計增加脫鹽和蒸發結晶工藝段，該工藝采用目前國內較為成熟的高密度澄清池（藥劑軟化）+超濾+反滲透+濃水池+高密度沉淀池（藥劑軟化）+變孔隙濾池+超濾+弱酸陽離子交換+脫碳+納濾+碟管式反滲透（DTRO）+混凝沉淀+微濾+AOP氧化+MVR強制結晶工藝。

四、工藝創新及目標

（一）工藝創新

1.采用國內、外先進技術和成熟工藝，采用高效、節能、效果好的處理設施，實現廢水零排放，同時實現結晶鹽的資源化利用率≥95%，外排雜鹽≤5%。

2.工藝流程簡單，操作簡便，便于管理和維護，投資小，運行成本低。

3.設計美觀大方，構筑物布置緊湊合理，設施及管線布置流暢整齊，減少占地面積和管道費用。

4.系統的自控水平高，配套高性能的在線儀表，實現自動化運行，操作管理的勞動強度低，系統運行可靠安全。

（二）達到目標

該項目完成投運后，高礦化度礦井水經預處理軟化除鹽，產水水質將達到國家《地下水質量標準》（GB/T14848-2017）III類標準并滿足《石油化工給水排水水質標準》（SH3099-2000）的要求，一部分供煤礦生產及生活；一部分可通過已建成的小紀汗煤礦至榆橫電廠的復用水管道輸送至榆橫發電廠作為循環冷卻補充用水；一部分可供給周邊水資源缺乏地區作為其生態補充用水及農田灌溉用水；剩余全部輸送給榆林市水務集團統一調配使用。同時系統產出的濃鹽水經過濃縮結晶處理后，全部轉化為符合GB/T6009-2014的I類一等品工業硫酸鈉，最終實現濃水零排放。(見表1）

表1 出水水質

五、建設情況與成效

小紀汗煤礦礦井水綜合利用項目從項目規劃、設計、施工到建成投產，以及投產后的各項技術經濟指標均處于集團系統和西北區域領先水平，地方政府領導多次組織其他企業參觀學習，各大院校師生現場實踐交流，水處理新技術的成功應用為學者們提供了較好的研究案例，也得到了政府環保部門對企業綠色發展舉措的高度評價及認可，項目被陜西省榆林市榆陽區列為重點示范項目。公司成為集團首家擁有礦井井水綜合利用項目的煤炭企業，為周邊及系統煤炭企業起到了良好示范作用，實現了讓水更清、心更暖的環保目標。

（一）項目建設情況

項目于2018年底正式開工建設，并成立項目管理辦公室，明確項目負責人，配備齊全各專業人員，全力確保工期計劃穩步推進。項目建設時處嚴冬時節，陜北地區冬季風雪頻發，施工難度巨大，面對工期緊、難度大的施工條件，全體施工人員堅持春節不休息、風雪不停工，重點加強計劃管理，建立嚴格的進度獎罰制度和激勵機制，實行目標管理，獎罰分明；科學組織實施，嚴格按施工連鎖工期控制各單位工程和各分項工程工期開展工作，施工過程中不斷改進施工工藝，主動尋求新技術、新工藝，對新技術應用的可行性反復對比研究，合理確定技術方案，做好各工序的銜接，最大限度提高工藝效率，降低工序時間，確保總工期的實現。

項目經過不到一年的高效率施工，在相繼克服工期緊張、冬季施工困難、風沙大、調試時間短等重重難關后，小紀汗煤礦礦井水綜合利用項目于2019年4月15日按期完成預處理及膜濃縮減量系統調試運行并出合格水；7月18日，小紀汗煤礦去榆橫電廠管路沖洗完成，開始連續供水；9月16日，系統開始全水處理，總處理水量1416m3/h，產出合格水1208m3/h，其中煤礦自用280m3/h，剩余合格水供至榆林市水務集團進行統一調配使用；9月30日，按期完成蒸發結晶系統及全系統調試運行并出合格硫酸鈉產品鹽；2020年1月，開始向榆林市水務集團連續穩定供水，實現礦井水資源100%復用、零排放目標。2020年7月完成項目單項工程質量認證，8月完成項目工程水保驗收和固廢驗收，9月份完成廢氣、環境噪聲等全部環保驗收項目。

（二）高礦化度礦井水處理工藝實際應用效果

小紀汗煤礦礦井水屬于含懸浮物、鈣離子及高硫酸根的高礦化度礦井水。（見表2）

表2 預處理進水水質

由于原水中TDS和硬度較高，膜元件內不斷被濃縮且超過其溶解度極限時，會在膜面上結垢，回收率越高，產生結垢的風險性就越大。預處理的主要作用是降低原水中總硬度、總堿度、膠體和懸浮物，使出水水質滿足后續脫鹽設備的進水要求。

1.原水藥劑軟化

藥劑軟化法主要是投加化學藥劑（碳酸鈉、氫氧化鈉等），通過化學反應使鈣鎂離子沉淀析出，從而降低水的硬度。小紀汗煤礦礦井原水進入高密度澄清池前混池，通過投加碳酸鈉、氫氧化鈉，攪拌混合后進入絮凝沉淀區，使產生的碳酸鈣充分沉淀，從而達到降低硬度的作用，出水Ca2+含量小于150 mg/L。

2.原水降濁度

小紀汗煤礦礦井原水進入高密度澄清池絮凝沉淀區，通過投加聚合硫酸鐵和PAM，使水中的碳酸鈣、懸浮物和膠體等物質充分混合絮凝沉降后，達到水質澄清的作用，出水濁度小于5NTU。

為了使后續脫鹽設備的進水濁度小于0.2NTU、SDI小于3，本項目又增加了超濾系統。超濾是一種能夠將溶液進行凈化、分離、濃縮的膜分離技術，超濾膜可有效去除水中的懸浮物、膠體微粒、細菌和大部分病毒等，對有機物的去除率為20%-60%。

3.軟化水脫鹽處理

脫鹽系統主要作用是降低原水中含鹽量，使產水滿足回用水水質要求，同時得到盡可能高的回收率，盡量減少濃鹽水的產生量。本項目脫鹽系統采用反滲透處理工藝，回收率75%，除鹽率98%以上。

綜上所述，小紀汗煤礦礦井水預處理及脫鹽段采用工藝先進穩定的高密度澄清池（藥劑軟化）+超濾+反滲透工藝，產品水達到國家飲用水標準。（見表3）

表3 預處理脫鹽進水及產水水質對比

4.反滲透濃水二次濃縮處理

本工藝段來水為前段脫鹽工藝產生的濃鹽水，采用膜法處理，因此需解決兩個的關鍵問題：

（1）有機物及生物污染

從原水水質來看，有機物含量較低，但是有一定的微生物。處理過程中為了抑制菌藻滋生對系統產生影響，可投加殺菌劑等，避免細菌、微生物附著在膜的表面，嚴重影響膜的使用效果。

（2）高濃縮倍數下結垢性污染

當難溶鹽類在膜元件內不斷被濃縮且超過其溶解度極限時，會在膜面上結垢，回收率越高，產生結垢的風險性就越大。常見的難溶鹽為CaSO4、CaCO3、CaF2和SiO2等。

5.反滲透濃水藥劑軟化降濁度

反滲透濃水供至高密度沉淀池，在第一個反應格先通過加藥泵投加氫氧化鈣及氧化鎂，調節p H 在11以上，然后進入第二格，繼續投加氫氧化鈣溶液，降低水中總硅，然后進入第三格，通過投加碳酸鈉降低水中硬度、堿度，通過投加聚合硫酸鐵，形成較大絮體，出水進入高密池絮凝區，投加PAM并通過反應攪拌機混合形成大量成片絮體，進入高密池澄清分離區域，上清液進入集水槽后流入中和水池，中和水池通過投加硫酸回調pH至9左右后，自流進入變孔隙濾池去除大量SS后，出水進入濃水超濾系統，最終產水濁度小于0.2NTU、SDI小于3。

6.納濾+碟管式反滲透（DTRO）工藝二次濃縮

納濾是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅動膜分離過程，納濾膜的孔徑范圍在幾個納米左右，能截留分子量大于100的有機物以及多價離子，允許小分子有機物和單價離子透過；可在高溫、酸、堿等苛刻條件下運行，耐污染；運行壓力低，膜通量高，裝置運行費用低；可以和其他污水處理過程相結合以進一步降低費用和提高處理效果。在水處理中，納濾膜主要用于含溶劑廢水的處理，能有效地去除水中的色度、硬度和異味。

碟管式反滲透（DTRO）是反滲透的一種形式，是專門用來處理高濃度污水的膜組件，其核心技術是碟管式膜片膜柱。把反滲透膜片和水力導流盤疊放在一起，用中心拉桿和端板進行固定，然后置入耐壓套管中，形成一個膜柱。DTRO克服了一般反滲透系統在處理滲濾液時容易堵塞的缺點，使系統更加穩定、運行費用更低。DT膜柱的使用壽命長達3年以上。碟管式反滲透技術是目前國內能保證垃圾滲濾液出水穩定、持續達到國家一級或二級排放標準的成熟技術。DTRO系統操作方式靈活，處理后的凈水可確保達到標準。系統經濟的凈產水率為75%-80%，也可根據客戶要求配備高壓系統，達到90%-95%的產水率。DTRO系統可與其他工藝組合使用，作為最終排放前的處理工序，確保處理后的出水可靠達標。

綜上所述，小紀汗煤礦反滲透濃水二次濃縮處理段采用高密度沉淀池（藥劑軟化）+變孔隙濾池+超濾+弱酸陽床離子交換+脫碳+納濾+碟管式反滲透（DTRO）工藝。（本工藝段進、出水水質見表4）

表4 濃水二次濃縮處理進水及產水水質對比

7.高鹽濃水蒸發結晶處理，實現“零排放”

為了真正實現廢水“零排放”，必須對碟管式反滲透（DTRO）濃縮后的高濃鹽水進行進一步蒸發結晶處理。針對濃鹽水總硅較高、鹽分高等因素，還需對原水進行蒸發預處理，去除一定的總硅和COD，將蒸發系統進水總硅控制在40mg/L以下，COD控制在200mg/L以下，最終確保結晶鹽的色度和結晶鹽的資源化率。

D T R O 濃水送至調節罐進行均質均量，然后進入混凝沉淀系統處理。混凝沉淀系統內有兩個反應槽，在反應槽1 內添加一定量的氧化鎂溶液，溶解鎂離子至水中；在反應槽2 內添加液堿溶液控制pH 在11 左右，使原水中的堿度轉化為碳酸根，并且提供氫氧根重點形成Mg(OH)2沉淀，同時與硅形成共沉，同時通過鎂劑中夾帶的氧化鈣雜質消耗掉原水中的堿度，使最終出水堿度較低。反應槽分別進行攪拌，反應槽2做pH 監控，反應后的混合液溢流到管式微濾膜的濃縮槽內，用循環泵將濃縮槽內廢水輸送到管式膜進行固液分離。此外，大流量的水在廢水濃縮槽和管式膜之間循環，部分膜透過液進入p H 調節槽調整p H 后進入后續系統。同時，管式膜產生的濃縮污泥送往前端膜濃縮污泥脫水系統進行綜合處置。

蒸發預處理單元產水經蒸發進水原水池均質后，通過蒸發進水泵經由預熱器與蒸發冷凝水預熱升溫后進入到降膜蒸發器進行濃縮，料液經降膜蒸發罐內濃縮至TDS約23萬mg/L左右后，轉料進入MVR硫酸鈉結晶罐。經MVR降膜蒸發器濃縮后的料液轉料至MVR硫酸鈉結晶罐后進一步蒸發濃縮，在所控制的料液溫度下達到硫酸鈉的過飽和濃度后，大量的硫酸鈉以晶體的形式結晶析出。MVR蒸發結晶系統的漿液自流進入硝漿桶內，經排料泵排至增稠器增稠，由雙級推料離心機實現固液分離，分離后的結晶鹽分別依次經干燥、包裝，白度、純度均達到GB/T6009-2014《工業無水硫酸鈉》A類一等品標準，全部資源化利用，真正實現廢水“零排放”。

（三）經濟與社會效益評價

1.環境與社會效益

該項目不僅是對水資源的拓寬開發，更是極大地緩解了所屬礦區缺水問題，同時成為保護生態環境、防止水污染的重要途徑。一方面礦井水處理置換出了大量寶貴的地表及地下水資源，全面促進了水資源結構的優化，有利于保護地表及地下水資源，改善了陜北荒漠缺水的現實問題，年節約水資源33萬m3；另一方面，減少了所屬礦區內因過度開采地下水造成的地下水位下降和地面沉降等問題，同時也避免了直接排放，減少了對水源和周邊環境的污染，在優化礦區水資源結構中發揮獨特的作用，滿足了建設資源節約型、環境友好型國家循環經濟示范區的基本要求，對實現煤礦企業節能減排具有重要意義，在實現100%復用、零排放目標的基礎上造福企業、造福人民，創造了更大環境與社會效益。

2.經濟效益

自礦井水綜合利用項目系統調試運行至今，日平均處理水量3.4萬m3，日平均產水量約2.9萬m3，水質達標，其中煤礦生產生活日自用水量6156m3，剩余約2.3萬m3產水供給榆橫電廠和榆林市水務集團，水量穩定。

小紀汗煤礦也由此被成功納入2019年全國綠色礦山名錄，榮獲國家2019年度綠色礦山科學技術獎重大工程類二等獎，2020年小紀汗煤礦順利通過國家一級安全生產標準化礦井驗收。

本礦井經處理后的水復用于榆橫電廠、空港新區、煤礦采空區及周邊農村。作為電廠生產補水、采空區生態補水及周邊農灌用水。結合當前市場，后期每噸水售價（不含稅）約為4-6元，目前無水硫酸鈉（不含稅）售價約為51-61元/噸，兩者均可產生一定的收入。本項目年運行成本為13374.57萬元，銷售產品可用于折減年運行費用。經計算，折減銷售收入后（包括后期水費），預計年運行費為5435.57萬元，折合實際單位成本約為4.11元/m3。

生態文明建設功在當代、利在千秋。作為國有企業，榆橫煤電公司秉承綠色循環經濟理念，牢固樹立社會主義生態文明觀，積極融入山川綠化、生態治理事業，始終發揚“永不服輸、永不氣餒、永不止步”的企業精神，為保護生態環境做出了一代人的努力，讓茫茫荒漠的天更藍、水更清、沙更綠，人民心里更溫暖，讓中國華電“奉獻清潔能源，創造美好生活”的公司使命走進每一個人的心中。