伊犁四礦高鹽礦井水深度處理及其綜合利用研究匯報(bào)

摘 要：隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益強(qiáng)化，煤礦礦井水利用率低和排放污染環(huán)境等問題成為制約煤炭行業(yè)發(fā)展的一大因素，如何促進(jìn)礦井水深度處理及綜合利用成為行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)。基于此，嘗試采用傳統(tǒng)的預(yù)處理技術(shù)，以成熟的膜濃縮及多效蒸發(fā)結(jié)晶工藝對(duì)高鹽礦井水進(jìn)行分鹽處置，實(shí)現(xiàn)水資源重復(fù)綜合利用。

關(guān)鍵詞：預(yù)處理；膜濃縮；蒸發(fā)結(jié)晶

1 " 高鹽礦井水脫鹽處理及綜合利用研究背景

1.1 "行業(yè)發(fā)展的需要

煤炭是我國(guó)的重要資源，無論在民生領(lǐng)域、產(chǎn)業(yè)發(fā)展還是戰(zhàn)略儲(chǔ)備方面，都是我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基石。我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)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(chǎn)的重要因素[1]，如何更有效地節(jié)約并利用緊缺的水資源已經(jīng)成為一個(gè)世界性問題。我國(guó)地域遼闊，煤炭資源賦存條件不一，涌水水質(zhì)具有很大差異，如何更好地利用水資源具有深遠(yuǎn)的研究意義。

1.2 "礦井安全生產(chǎn)的需要

根據(jù)《礦井勘探報(bào)告》，井田內(nèi)古近系含水層下煤炭資源儲(chǔ)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(jù)《+350水平水文補(bǔ)勘報(bào)告》，在礦井+350水平生產(chǎn)中，正常涌水量為770 m3/h，最大涌水量為1 166 m3/h[2]。

1.3 "環(huán)境保護(hù)的需要

根據(jù)《新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)行業(yè)環(huán)境準(zhǔn)入條件》，自治區(qū)環(huán)保廳在新環(huán)函〔2015〕847號(hào)文件中明確了環(huán)境影響評(píng)價(jià)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，明確要求礦井廢水處理后回用，不外排，實(shí)現(xiàn)零排放。《新疆伊犁伊寧礦區(qū)北區(qū)規(guī)劃環(huán)境影響報(bào)告書》明確規(guī)定伊北礦區(qū)所有煤礦生活用水零排放、礦井水不外排[3]。礦井環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告必須嚴(yán)格按照零外排標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編制，否則無法通過生態(tài)環(huán)境部審核。

1.4 "水資源利用的需要

目前，礦區(qū)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(bǔ)水以及井下生產(chǎn)用水。由于礦井水礦化度較高，回用于井下對(duì)設(shè)備和管路存在嚴(yán)重腐蝕。礦井周邊有一座煤化工工業(yè)園，由于煤化工行業(yè)水資源問題突出，為耗水大戶，其生產(chǎn)用水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，園區(qū)達(dá)產(chǎn)時(shí)每小時(shí)需要消耗2 000 m3地表水，而其取水許可指標(biāo)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(huán)境污染問題，還能減少煤化工工業(yè)園對(duì)地表水資源的依賴，具有一定的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 " 高鹽礦井水脫鹽處理及綜合利用研究的內(nèi)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(dòng)的影響，發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生物反應(yīng)而形成的，一般污染物包括懸浮物、化學(xué)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?cè)芙夤腆w（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(guó)煤礦高礦化度礦井水含鹽量一般在1 000～3 000 mg/L，少數(shù)超過4 000 mg/L，最高達(dá)15 000 mg/L。

2.3 "高鹽礦井水的分布和產(chǎn)生原因

高礦化度礦井水主要分布在中國(guó)北方礦區(qū)、西部高原、黃淮海平原及華東沿海地區(qū)。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(qū)氣候干旱，降水量小，蒸發(fā)量大，地下水補(bǔ)給不足，使礦井水鹽分濃縮；（3）開采高硫煤時(shí)，硫化物氧化生成游離酸，繼而同碳酸鹽礦物、堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，使礦井水中的Ca2+、Mg2+和SO42-等離子增加；（4）礦區(qū)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?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目采用“傳統(tǒng)預(yù)處理+膜濃縮+蒸發(fā)結(jié)晶處理”工藝。其中，預(yù)處理采用“傳統(tǒng)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(jí)反滲透處理工藝（在相應(yīng)的反滲透前依次加上超濾、管式微濾、離子置換裝置進(jìn)行預(yù)處理）；蒸發(fā)結(jié)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(xì)菌、有機(jī)物等膠體，將處理后符合煤化工園區(qū)回用水水質(zhì)要求的水全部供給園區(qū)使用。總體建設(shè)規(guī)模為“800 m3/h預(yù)處理+400 m3/h膜濃縮+18 t/h蒸發(fā)結(jié)晶+供水管網(wǎng)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(yù)處理階段

煤礦礦井水常規(guī)污染指標(biāo)主要為固體懸浮物，因此，預(yù)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(chǔ)。目前，我國(guó)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(dá)到外排要求。目前，我國(guó)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(chǎn)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(shè)施（設(shè)備）各不相同。目前，采用的反應(yīng)設(shè)施有渦流反應(yīng)池、穿孔旋流反應(yīng)池、機(jī)械攪拌反應(yīng)池等，沉淀設(shè)施有平流式沉淀池、斜管（斜板）沉淀池、將混凝反應(yīng)與沉淀過程相結(jié)合的機(jī)械攪拌澄清池、水力循環(huán)澄清池、一體化凈水器等，各種處理設(shè)施均有一定的優(yōu)缺點(diǎn)。根據(jù)礦井水的性質(zhì)（其性質(zhì)與當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)相似，此外，還因流經(jīng)采掘工作面而帶入大量煤粉及巖粉等懸浮顆粒）以及對(duì)各種處理設(shè)施優(yōu)缺點(diǎn)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(shí)踐證明，該技術(shù)成熟穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高、便于運(yùn)行管理、出水水質(zhì)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(shù)將絕大部分金屬離子、污染物質(zhì)截留在濃水一側(cè)，同時(shí)獲得大量?jī)?yōu)質(zhì)產(chǎn)品水，通常合格產(chǎn)品水的水量占總水量的90%以上、TDS不超過300 mg/L或達(dá)到更高要求，可以作為生產(chǎn)生活用水和周邊園區(qū)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(jí)膜濃縮預(yù)處理系統(tǒng)，一級(jí)膜濃縮預(yù)處理系統(tǒng)采用自清洗過濾器和超濾工藝，徹底濾除水中的細(xì)菌、鐵銹、膠體等有害物質(zhì)，保留水中原有的微量元素和礦物質(zhì)，同時(shí)在水中加入阻垢劑，提高反滲透進(jìn)水水質(zhì)，減少污染堵塞，延長(zhǎng)膜使用壽命。一級(jí)反滲透采用BWRO膜（濃縮回收率為75%），產(chǎn)品水進(jìn)入最終產(chǎn)品水池；一級(jí)膜濃縮的濃鹽水作為二級(jí)膜濃縮預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)水，二級(jí)膜濃縮預(yù)處理系統(tǒng)采用藥劑與管式微濾相配合工藝，濃鹽水經(jīng)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(jí)反滲透采用SWRO膜（濃縮回收率為75%），產(chǎn)品水直接進(jìn)入最終產(chǎn)品水池；濃縮后的濃鹽水（含鹽量在67 000 mg/L左右）作為三級(jí)膜濃縮預(yù)處理系統(tǒng)進(jìn)水，三級(jí)膜濃縮預(yù)處理采用離子交換系統(tǒng)，去除水中的鋇離子及少量鈣、鎂離子，三級(jí)反滲透采用DTRO膜（濃縮回收率為45%），產(chǎn)品水將作為一級(jí)反滲透進(jìn)水進(jìn)行再處理，濃縮后的濃鹽水（含鹽量在120 000 mg/L以上）進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，產(chǎn)品水最終供給周邊煤化工工業(yè)園區(qū)使用。收集管式微濾的濃縮液、離子交換的再生廢液進(jìn)行化學(xué)沉淀處理后，產(chǎn)生的泥渣進(jìn)行壓濾處理，上清液返回至二級(jí)濃縮水預(yù)處理系統(tǒng)循環(huán)處理利用，產(chǎn)生的固廢委托有相關(guān)資質(zhì)的部門處理。

2.5.3 "蒸發(fā)結(jié)晶階段

濃鹽水處理的主要目的是將膜濃縮產(chǎn)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(fā)結(jié)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(fā)塘（晾曬池）工藝、多效蒸發(fā)工藝（Multiple Effect Distillation，MED）和機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)工藝（Mechanical Vapor Recompression，MVR）。

蒸發(fā)塘利用自然蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)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(duì)環(huán)境存在污染以及難以監(jiān)管等原因，在內(nèi)蒙古、新疆等省區(qū)已經(jīng)被棄用。MED利用蒸汽加熱物料，再利用物料產(chǎn)生的二次蒸汽加熱后一效的物料，依次循環(huán)，一般三效蒸發(fā)具有較高的性價(jià)比，同時(shí)可以分別控制各效溫度，有利于分鹽操作；MVR相當(dāng)于一效蒸發(fā)器產(chǎn)生的二次蒸汽，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮提高壓力和飽和溫度，增加熱焓后，再送入蒸發(fā)器作為熱源，替代生蒸汽循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)能目的，但是存在蒸汽壓縮機(jī)完全依靠進(jìn)口、投資較高以及無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)分鹽操作等缺點(diǎn)。因此，伊犁新礦煤業(yè)有限責(zé)任公司選擇MED多效蒸發(fā)工藝。

根據(jù)NaCl和Na2SO4在水中不同溫度下的溶解度差異，結(jié)合本項(xiàng)目水質(zhì)特點(diǎn)，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(jié)晶析出，最后剩余少量母液排放結(jié)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(yè)鹽”，在工業(yè)上的用途很廣，是化學(xué)工業(yè)的基本原料之一，被稱為“化學(xué)工業(yè)之母”，廣泛應(yīng)用于有機(jī)合成、肥皂制造、玻璃生產(chǎn)、日用化工、涂料凝固劑的生產(chǎn)、食品防腐、鋼鐵熱處理等領(lǐng)域。在當(dāng)?shù)氐乃幚怼⒐烦⒅评淅洳氐确矫妫I(yè)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(yè)，此外，還用于有色金屬選礦、皮革、醫(yī)藥、瓷釉、合成纖維、油墨、橡膠及復(fù)合肥料、輕質(zhì)材料的摻合劑及水泥、混凝土的添加劑等領(lǐng)域。

2.6.3 "產(chǎn)品水

水是生命之源，特別對(duì)于伊犁這種半干旱地區(qū)，水資源顯得格外重要。項(xiàng)目建成后，每年可生產(chǎn)純凈水444萬t，已經(jīng)超出礦井自身對(duì)水資源的需求。鑒于《新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)行業(yè)環(huán)境準(zhǔn)入條件》關(guān)于礦井水零排放的要求，結(jié)合周邊的實(shí)際情況，可將多余的產(chǎn)品水做如下處理：（1）供周邊伊寧市生態(tài)林直接使用；（2）供給可克達(dá)拉市北山坡種植園；（3）在薩爾布拉克河戰(zhàn)備溝建設(shè)水庫，供周邊草場(chǎng)用水；（4）供給煤化工產(chǎn)業(yè)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(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)

3.1.1 "廢物再利用方面

（1）在蒸發(fā)結(jié)晶階段，大致需要27 t/h合格熱蒸汽，礦上現(xiàn)有蒸汽鍋爐無法滿足需求，若是重新建造鍋爐房，環(huán)保壓力將導(dǎo)致相關(guān)手續(xù)辦理很難通過審批。經(jīng)過調(diào)研，與周邊煤化工企業(yè)達(dá)成意向，充分利用煤化工電廠的余熱，保障項(xiàng)目所需熱蒸汽的供應(yīng)，多余熱量供礦區(qū)生產(chǎn)和生活使用。

（2）由于煤礦井下排水不規(guī)律且瞬時(shí)排水量較大，而地面礦井水處理站處理能力有限，需要設(shè)置調(diào)節(jié)池進(jìn)行水量調(diào)節(jié)，暫時(shí)儲(chǔ)存瞬時(shí)排至地面的礦井水。同時(shí)，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(huì)對(duì)地面礦井水處理站造成較大的沖擊，需要對(duì)礦井排水進(jìn)行預(yù)沉，將礦井水中的大顆粒懸浮物沉淀下來，大大降低后續(xù)構(gòu)筑物的處理負(fù)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(jī)，完成對(duì)現(xiàn)有礦井水處理站的前期調(diào)節(jié)及后期壓濾。

3.1.2 "節(jié)能降耗方面

在預(yù)處理階段，充分利用構(gòu)筑物的落差讓各環(huán)節(jié)處理的水自流進(jìn)入下一處理工序，能減少對(duì)設(shè)備的投入以及后期運(yùn)行階段對(duì)能源的消耗。

煤礦井下水主要來自工作面生產(chǎn)廢水、采空區(qū)涌水、鉆孔疏放水，如果將所有水源統(tǒng)一收集排放，雖然方便了井下排水作業(yè)，但是增加了地面的水處理成本及運(yùn)行壓力。經(jīng)過考察論證，在井下對(duì)礦井水進(jìn)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(shè)備設(shè)施有充足的檢修時(shí)間，可以保證設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)。

由于氯化鈉晶漿要蒸發(fā)的水量較少，通過比較多種工藝，最后選擇操作簡(jiǎn)單、投資較少的單效蒸發(fā)結(jié)晶工藝。

3.2 "項(xiàng)目效益

3.2.1 "經(jīng)濟(jì)效益

井田內(nèi)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(xiàng)目對(duì)疏放水的處理，可以降低水體下開采的風(fēng)險(xiǎn)，減少相應(yīng)煤柱的留設(shè)以及防治水方面的安全投入，釋放出的煤炭資源為企業(yè)帶來的效益無法用金錢衡量。

本項(xiàng)目采用目前較為先進(jìn)的水處理工藝和蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，每年可生產(chǎn)3 500 t滿足GB/T 5462—2003《工業(yè)鹽》標(biāo)準(zhǔn)中二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的精制工業(yè)鹽、8 100 t達(dá)到GB/T 6009—2014《工業(yè)無水硫酸鈉》標(biāo)準(zhǔn)中Ⅲ類一等品要求的無水硫酸鈉。

本項(xiàng)目周邊的煤化工工業(yè)園每天消耗大量地表水，根據(jù)園區(qū)生產(chǎn)用水統(tǒng)計(jì)，正常需水量約為2 000 m3/h，取水許可指標(biāo)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(jià)格更高，同時(shí)存在無法滿足的情況。項(xiàng)目建成后，每年可為周邊煤化工工業(yè)園提供300萬t清潔水源，假設(shè)供水價(jià)格與地表取水價(jià)格相等，若不考慮運(yùn)行成本，每年可間接為企業(yè)創(chuàng)造1 500萬元的收益。

根據(jù)國(guó)家計(jì)委、財(cái)政部發(fā)布的《關(guān)于征收污水排污費(fèi)的通知》（計(jì)物價(jià)[1993]1366號(hào)）以及《中華人民共和國(guó)水污染防治法》第十五條“企業(yè)事業(yè)單位向水體排放污染物的，按照國(guó)家規(guī)定繳納排污費(fèi)；超過國(guó)家或地方規(guī)定的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的，按照國(guó)家規(guī)定繳納超標(biāo)準(zhǔn)排污費(fèi)，并負(fù)責(zé)治理”的規(guī)定，排污費(fèi)的征收標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算，每年需要外排438萬t污水，需要繳納21.9萬元。項(xiàng)目建成后，將不再繳納污水排污費(fèi)。

3.2.2 "社會(huì)效益

新疆多為缺水地區(qū)，河流多為季節(jié)性河流，水體環(huán)境的自凈能力、納污能力差，項(xiàng)目投入運(yùn)行后，能避免外排礦井水對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，有利于提高地方居民的健康水平；同時(shí)，礦井水再利用每年可至少為周邊煤化工企業(yè)提供300萬t清潔水源，減少對(duì)地表水的取用，避免造成水位下降、河流干涸等問題，同時(shí)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(xiàng)目建設(shè)并投入運(yùn)行后，不僅能為當(dāng)?shù)靥峁┚蜆I(yè)崗位，還能帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有利于帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，有利于共建和諧社會(huì)，體現(xiàn)大型國(guó)有企業(yè)的擔(dān)當(dāng)。

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