伊犁四礦高鹽礦井水深度處理及其綜合利用研究匯報

摘 要：隨著人們環境保護意識的日益強化，煤礦礦井水利用率低和排放污染環境等問題成為制約煤炭行業發展的一大因素，如何促進礦井水深度處理及綜合利用成為行業發展的重點。基于此，嘗試采用傳統的預處理技術，以成熟的膜濃縮及多效蒸發結晶工藝對高鹽礦井水進行分鹽處置，實現水資源重復綜合利用。

關鍵詞：預處理；膜濃縮；蒸發結晶

1 " 高鹽礦井水脫鹽處理及綜合利用研究背景

1.1 "行業發展的需要

煤炭是我國的重要資源，無論在民生領域、產業發展還是戰略儲備方面，都是我國經濟社會發展的重要基石。我國煤炭資源儲量大、分布廣，主要通過地下礦井開采，礦井水的排放和污染問題是制約礦井生產的重要因素[1]，如何更有效地節約并利用緊缺的水資源已經成為一個世界性問題。我國地域遼闊，煤炭資源賦存條件不一，涌水水質具有很大差異，如何更好地利用水資源具有深遠的研究意義。

1.2 "礦井安全生產的需要

根據《礦井勘探報告》，井田內古近系含水層下煤炭資源儲量約為165 571萬t，占礦井資源總量的98.3%，且含水層距主采煤層21-1煤層的平均間距為42.02 m，煤層頂板基巖較薄，含水層下工作面開采存在潰水潰泥沙威脅。根據《+350水平水文補勘報告》，在礦井+350水平生產中，正常涌水量為770 m3/h，最大涌水量為1 166 m3/h[2]。

1.3 "環境保護的需要

根據《新疆維吾爾自治區重點行業環境準入條件》，自治區環保廳在新環函〔2015〕847號文件中明確了環境影響評價執行的標準，明確要求礦井廢水處理后回用，不外排，實現零排放。《新疆伊犁伊寧礦區北區規劃環境影響報告書》明確規定伊北礦區所有煤礦生活用水零排放、礦井水不外排[3]。礦井環境影響評價報告必須嚴格按照零外排標準進行編制，否則無法通過生態環境部審核。

1.4 "水資源利用的需要

目前，礦區有一座處理能力為320 m3/h的一體化礦井水處理站，處理后的礦井水用于洗選廠補水以及井下生產用水。由于礦井水礦化度較高，回用于井下對設備和管路存在嚴重腐蝕。礦井周邊有一座煤化工工業園，由于煤化工行業水資源問題突出，為耗水大戶，其生產用水數據統計表明，園區達產時每小時需要消耗2 000 m3地表水，而其取水許可指標為1 400 m3/h，存在約600 m3/h的用水缺口。如能利用礦井水代替地表水，不僅能解決環境污染問題，還能減少煤化工工業園對地表水資源的依賴，具有一定的社會效益和經濟效益。

2 " 高鹽礦井水脫鹽處理及綜合利用研究的內涵和做法

2.1 "礦井水的來源和污染物成分

礦井水是在煤炭開采過程中，地下水與煤層、巖層接觸加上人類活動的影響，發生一系列物理、化學和生物反應而形成的，一般污染物包括懸浮物、化學需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）和少量石油類。

2.2 "高鹽礦井水的含鹽量

高礦化度礦井水的含鹽量一般大于1 000 mg/L。含鹽量常用總溶解固體（Total Dissolved Solids，TDS）和礦化度表征，這類礦井水中Ca2+、Mg2+、CO32-、HCO3-、SO42-等離子濃度較高，硬度較大。我國煤礦高礦化度礦井水含鹽量一般在1 000～3 000 mg/L，少數超過4 000 mg/L，最高達15 000 mg/L。

2.3 "高鹽礦井水的分布和產生原因

高礦化度礦井水主要分布在中國北方礦區、西部高原、黃淮海平原及華東沿海地區。礦井水礦化度高的原因多樣，主要包括：（1）被采煤層中含有大量碳酸鹽及硫酸鹽類礦物，使礦井水中的Ca2+、Mg2+和SO42-等離子增加；（2）地區氣候干旱，降水量小，蒸發量大，地下水補給不足，使礦井水鹽分濃縮；（3）開采高硫煤時，硫化物氧化生成游離酸，繼而同碳酸鹽礦物、堿性物質發生反應，使礦井水中的Ca2+、Mg2+和SO42-等離子增加；（4）礦區處于沿海地帶，地下咸水侵入煤田。

2.4 "高鹽礦井水脫鹽處理及綜合利用研究內容

本項目采用“傳統預處理+膜濃縮+蒸發結晶處理”工藝。其中，預處理采用“傳統高效澄清+Ⅴ型濾池”工藝；膜濃縮采用“苦咸水反滲透（Brackish Water Reverse Osmosis，BWRO）+海水反滲透（Sea Water Reverse Osmosis，SWRO）+碟管式反滲透（Disc-Tube Reverse Osmosis，DTRO）”三級反滲透處理工藝（在相應的反滲透前依次加上超濾、管式微濾、離子置換裝置進行預處理）；蒸發結晶采用“熱法析硫酸鈉+冷法析芒硝+熱法析鹽”工藝，將礦井水的礦化度由3 500 mg/L降至300 mg/L以下，將硬度由937 mg/L降至200 mg/L以下，去除其中的固體顆粒、細菌、有機物等膠體，將處理后符合煤化工園區回用水水質要求的水全部供給園區使用。總體建設規模為“800 m3/h預處理+400 m3/h膜濃縮+18 t/h蒸發結晶+供水管網施工”。

2.5 "高鹽礦井水脫鹽處理及綜合利用研究具體措施

2.5.1 "預處理階段

煤礦礦井水常規污染指標主要為固體懸浮物，因此，預處理階段的主要目的是減少水中的固體懸浮物，為后序工藝奠定基礎。目前，我國已投入使用并能正常去除礦井水中懸浮物的凈化工藝主要是沉淀、混凝沉淀、混凝沉淀+過濾和微絮凝過濾等，一般采用沉淀或混凝沉淀工藝將礦井水凈化處理后能達到外排要求。目前，我國主要采用混凝、沉淀、過濾（澄清、過濾）工藝將礦井水凈化處理后回用作生活飲用水、生產用水或景觀水。

在采用混凝、沉淀、過濾工藝處理礦井水的過程中，各地使用的凈水處理設施（設備）各不相同。目前，采用的反應設施有渦流反應池、穿孔旋流反應池、機械攪拌反應池等，沉淀設施有平流式沉淀池、斜管（斜板）沉淀池、將混凝反應與沉淀過程相結合的機械攪拌澄清池、水力循環澄清池、一體化凈水器等，各種處理設施均有一定的優缺點。根據礦井水的性質（其性質與當地地下水水質相似，此外，還因流經采掘工作面而帶入大量煤粉及巖粉等懸浮顆粒）以及對各種處理設施優缺點的比較，最終確定了“高效澄清+過濾”處理工藝，這也是目前大部分煤礦礦井水采用的處理工藝。工程實踐證明，該技術成熟穩定、自動化程度高、便于運行管理、出水水質可靠。

2.5.2 "膜濃縮階段

礦井水中離子含量高，采用膜濃縮處理的主要目的是通過膜技術將絕大部分金屬離子、污染物質截留在濃水一側，同時獲得大量優質產品水，通常合格產品水的水量占總水量的90%以上、TDS不超過300 mg/L或達到更高要求，可以作為生產生活用水和周邊園區回用水。

膜濃縮工藝流程如圖1所示。將初步凈化后的礦井水打入一級膜濃縮預處理系統，一級膜濃縮預處理系統采用自清洗過濾器和超濾工藝，徹底濾除水中的細菌、鐵銹、膠體等有害物質，保留水中原有的微量元素和礦物質，同時在水中加入阻垢劑，提高反滲透進水水質，減少污染堵塞，延長膜使用壽命。一級反滲透采用BWRO膜（濃縮回收率為75%），產品水進入最終產品水池；一級膜濃縮的濃鹽水作為二級膜濃縮預處理系統進水，二級膜濃縮預處理系統采用藥劑與管式微濾相配合工藝，濃鹽水經過藥劑軟化去除鈣、鎂、硅，再通過管式微濾去除鈣、鎂、硅的沉淀物；二級反滲透采用SWRO膜（濃縮回收率為75%），產品水直接進入最終產品水池；濃縮后的濃鹽水（含鹽量在67 000 mg/L左右）作為三級膜濃縮預處理系統進水，三級膜濃縮預處理采用離子交換系統，去除水中的鋇離子及少量鈣、鎂離子，三級反滲透采用DTRO膜（濃縮回收率為45%），產品水將作為一級反滲透進水進行再處理，濃縮后的濃鹽水（含鹽量在120 000 mg/L以上）進入蒸發結晶系統，產品水最終供給周邊煤化工工業園區使用。收集管式微濾的濃縮液、離子交換的再生廢液進行化學沉淀處理后，產生的泥渣進行壓濾處理，上清液返回至二級濃縮水預處理系統循環處理利用，產生的固廢委托有相關資質的部門處理。

2.5.3 "蒸發結晶階段

濃鹽水處理的主要目的是將膜濃縮產生的少量濃鹽水中溶解性鹽類分離出來，便于利用及最終處置。目前，蒸發結晶工藝是零排放過程中濃鹽水處理的主要方法，也是最終方法，主要有蒸發塘（晾曬池）工藝、多效蒸發工藝（Multiple Effect Distillation，MED）和機械蒸汽再壓縮蒸發工藝（Mechanical Vapor Recompression，MVR）。

蒸發塘利用自然蒸發實現固液分離，其中，水分隨空氣散失，得到固體混鹽，由于占地面積大、對環境存在污染以及難以監管等原因，在內蒙古、新疆等省區已經被棄用。MED利用蒸汽加熱物料，再利用物料產生的二次蒸汽加熱后一效的物料，依次循環，一般三效蒸發具有較高的性價比，同時可以分別控制各效溫度，有利于分鹽操作；MVR相當于一效蒸發器產生的二次蒸汽，經壓縮機壓縮提高壓力和飽和溫度，增加熱焓后，再送入蒸發器作為熱源，替代生蒸汽循環利用，達到節能目的，但是存在蒸汽壓縮機完全依靠進口、投資較高以及無法單獨實現分鹽操作等缺點。因此，伊犁新礦煤業有限責任公司選擇MED多效蒸發工藝。

根據NaCl和Na2SO4在水中不同溫度下的溶解度差異，結合本項目水質特點，采取“熱法析硝—冷法析+水硫酸鈉—熱法析鹽”的工藝，使大部分硫酸鈉和氯化鈉分別結晶析出，最后剩余少量母液排放結晶出雜鹽。

2.6 "高鹽礦井水脫鹽后的綜合利用

2.6.1 "氯化鈉

氯化鈉也叫“工業鹽”，在工業上的用途很廣，是化學工業的基本原料之一，被稱為“化學工業之母”，廣泛應用于有機合成、肥皂制造、玻璃生產、日用化工、涂料凝固劑的生產、食品防腐、鋼鐵熱處理等領域。在當地的水處理、公路除雪、制冷冷藏等方面，工業鹽也有廣泛的用途。

2.6.2 "硫酸鈉

硫酸鈉的用途十分廣泛，主要用于紙漿、洗滌劑、玻璃、染料和紡織等行業，此外，還用于有色金屬選礦、皮革、醫藥、瓷釉、合成纖維、油墨、橡膠及復合肥料、輕質材料的摻合劑及水泥、混凝土的添加劑等領域。

2.6.3 "產品水

水是生命之源，特別對于伊犁這種半干旱地區，水資源顯得格外重要。項目建成后，每年可生產純凈水444萬t，已經超出礦井自身對水資源的需求。鑒于《新疆維吾爾自治區重點行業環境準入條件》關于礦井水零排放的要求，結合周邊的實際情況，可將多余的產品水做如下處理：（1）供周邊伊寧市生態林直接使用；（2）供給可克達拉市北山坡種植園；（3）在薩爾布拉克河戰備溝建設水庫，供周邊草場用水；（4）供給煤化工產業作回用水使用。

3 " 高鹽礦井水脫鹽處理及綜合利用取得的成果

3.1 "項目的創新點

3.1.1 "廢物再利用方面

（1）在蒸發結晶階段，大致需要27 t/h合格熱蒸汽，礦上現有蒸汽鍋爐無法滿足需求，若是重新建造鍋爐房，環保壓力將導致相關手續辦理很難通過審批。經過調研，與周邊煤化工企業達成意向，充分利用煤化工電廠的余熱，保障項目所需熱蒸汽的供應，多余熱量供礦區生產和生活使用。

（2）由于煤礦井下排水不規律且瞬時排水量較大，而地面礦井水處理站處理能力有限，需要設置調節池進行水量調節，暫時儲存瞬時排至地面的礦井水。同時，由于煤礦井下水倉需要定期清理沉積的煤泥，水倉清理期間井下排水懸浮物含量非常高，會對地面礦井水處理站造成較大的沖擊，需要對礦井排水進行預沉，將礦井水中的大顆粒懸浮物沉淀下來，大大降低后續構筑物的處理負荷。伊犁四礦充分利用原有洗煤廠的煤泥濃縮池、濃縮旋流器、壓濾機，完成對現有礦井水處理站的前期調節及后期壓濾。

3.1.2 "節能降耗方面

在預處理階段，充分利用構筑物的落差讓各環節處理的水自流進入下一處理工序，能減少對設備的投入以及后期運行階段對能源的消耗。

煤礦井下水主要來自工作面生產廢水、采空區涌水、鉆孔疏放水，如果將所有水源統一收集排放，雖然方便了井下排水作業，但是增加了地面的水處理成本及運行壓力。經過考察論證，在井下對礦井水進行清污分流，可以極大地降低地面水處理站的處理壓力，使地面設備設施有充足的檢修時間，可以保證設備處于最佳工作狀態。

由于氯化鈉晶漿要蒸發的水量較少，通過比較多種工藝，最后選擇操作簡單、投資較少的單效蒸發結晶工藝。

3.2 "項目效益

3.2.1 "經濟效益

井田內98.3%的資源分布在古近系含水層以下，尤其是井田的北翼煤層與含水層間隔較近，通過本項目對疏放水的處理，可以降低水體下開采的風險，減少相應煤柱的留設以及防治水方面的安全投入，釋放出的煤炭資源為企業帶來的效益無法用金錢衡量。

本項目采用目前較為先進的水處理工藝和蒸發結晶技術，每年可生產3 500 t滿足GB/T 5462—2003《工業鹽》標準中二級標準的精制工業鹽、8 100 t達到GB/T 6009—2014《工業無水硫酸鈉》標準中Ⅲ類一等品要求的無水硫酸鈉。

本項目周邊的煤化工工業園每天消耗大量地表水，根據園區生產用水統計，正常需水量約為2 000 m3/h，取水許可指標為1 400 m3/h，存在約600 m3/h的用水缺口。正常取水成本約為5元/t，取水許可以外的用水價格更高，同時存在無法滿足的情況。項目建成后，每年可為周邊煤化工工業園提供300萬t清潔水源，假設供水價格與地表取水價格相等，若不考慮運行成本，每年可間接為企業創造1 500萬元的收益。

根據國家計委、財政部發布的《關于征收污水排污費的通知》（計物價[1993]1366號）以及《中華人民共和國水污染防治法》第十五條“企業事業單位向水體排放污染物的，按照國家規定繳納排污費；超過國家或地方規定的污染物排放標準的，按照國家規定繳納超標準排污費，并負責治理”的規定，排污費的征收標準為每噸污水最高不超過0.05元。礦井排污按照平均500 m3/h計算，每年需要外排438萬t污水，需要繳納21.9萬元。項目建成后，將不再繳納污水排污費。

3.2.2 "社會效益

新疆多為缺水地區，河流多為季節性河流，水體環境的自凈能力、納污能力差，項目投入運行后，能避免外排礦井水對生態環境的破壞，有利于提高地方居民的健康水平；同時，礦井水再利用每年可至少為周邊煤化工企業提供300萬t清潔水源，減少對地表水的取用，避免造成水位下降、河流干涸等問題，同時緩解夏季用水高峰期市用水壓力，保障居民生活用水，提高居民的生活水平。

本項目建設并投入運行后，不僅能為當地提供就業崗位，還能帶動相關產業的發展，有利于帶動地方經濟的發展，有利于共建和諧社會，體現大型國有企業的擔當。

[參考文獻]

[1]雷仲存，錢凱，劉念華.工業水處理原理及應用[M].北京：化學工業出版社，2003.

[2]荊波湧，史元騰，陳哲.膜分離技術在高鹽礦井水深度處理中的應用[J].煤炭工程，2019（6）：47-51.

[3]陳劭，鞏煒.蒸發結晶工藝在高礦化度礦井水處理中的應用[J].陜西煤炭，2019（5）：117-120.