某礦井水零排放項目改造經(jīng)驗分析

周立武，蔣靖波

（陜西化工研究院有限公司，陜西西安 710000）

在煤礦挖掘過程中，需要向外排出大量的礦井水，導(dǎo)致淡水資源嚴重污染[1]，影響了礦區(qū)居民的生活及煤礦的正常生產(chǎn)，制約了煤炭工業(yè)持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)展[3-6]。因此，煤炭礦井水資源的處理技術(shù)已經(jīng)成為決定煤礦企業(yè)長久發(fā)展的決定性因素。

例如某煤化工廢水“近零排放”項目系統(tǒng)設(shè)計處理規(guī)模1 200 m3/h，自2015年投運以來，正常處理量為970 m3/h，但由于礦井水地下涌水量增大，該項目急需進行提產(chǎn)改造，實現(xiàn)系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠運行。通過現(xiàn)場調(diào)研及踏勘，并針對性地開展了改造，使系統(tǒng)實現(xiàn)了100%設(shè)計負荷。基于上述原因，本文將該零排放改造項目改造中解決問題的過程進行了簡要介紹，以期為類似項目的及運營提供經(jīng)驗和參考。

1 某礦井水零排放項目工藝介紹

本項目設(shè)計處理規(guī)模1 200 m3/h，主要工藝流程分為預(yù)處理段、脫鹽濃縮處理段和蒸發(fā)結(jié)晶段，產(chǎn)生的產(chǎn)品水達到《循環(huán)冷卻水用再生水水質(zhì)標準》（HG/T 3923—2007）），主要用于循環(huán)水及除鹽水的補水，蒸發(fā)結(jié)晶產(chǎn)生的無水硫酸鈉需達到GB/T 6009—2014《工業(yè)無水硫酸鈉》Ⅰ類一等品標準，氯化鈉達到GB/T 5462—2015《工業(yè)鹽》精制工業(yè)鹽一級品標準，實現(xiàn)廢水資源化綜合再利用。

本項目工藝路線具體如圖1所示：即調(diào)節(jié)池+高密度澄清池1+浸沒式超濾+弱酸陽床+反滲透1+反滲透2+高密度澄清池2+浸沒式超濾+催化氧化塔+活性炭吸附+多介質(zhì)過濾器+反滲透3+硫酸鈉MVR+多效蒸發(fā)+冷凍結(jié)晶+母液干化。

圖1 某礦井水零排放系統(tǒng)工藝路線圖

2 零排放項目存在的問題分析

2.1 高密除硬單元

根據(jù)高密池設(shè)計水質(zhì)與實際進水水質(zhì)對比表，見表1及表2，可以看出，該系統(tǒng)基本維持原設(shè)計進水水質(zhì)，呈現(xiàn)高硬度高堿度的特點，進水水質(zhì)中堿度離子偏低。

表1 高效澄清池1設(shè)計進出水水質(zhì)與實際水質(zhì)對比單位：mg/L

表2 高效澄清池2設(shè)計進出水水質(zhì)與實際水質(zhì)對比單位：mg/L

本項目系統(tǒng)設(shè)計高密池功能定位為脫除原水中的硬度，在零排放項目中，脫除硬度的組合工藝多為“高密池+離子交換”，高密池作為綜合性處理單元對來水進行水量水質(zhì)的緩沖，并去除大部分硬度，離子交換作為精處理單元，二者搭配，將硬度離子處理至5 mg/L 以下。但由于控制運行成本，高密單元限制投加藥劑，運行效果較差，產(chǎn)水硬度長期＞290 mg/L，導(dǎo)致后續(xù)弱酸陽床再生頻繁，且產(chǎn)水指標無法穩(wěn)定，硬度離子經(jīng)常擊穿，導(dǎo)致進入反滲透的硬度離子超過50 mg/L，加劇了膜的結(jié)垢和化學(xué)清洗頻次。

高密度澄清池2 也呈現(xiàn)類似運行特點，二氧化硅去除率不到40%，由于受前端來水中阻垢劑的影響，投加石灰后鈣離子濃度不減反增，盡管能達到≤200 mg/L 的工藝指標，但過高的結(jié)垢性離子濃度仍對后端軟化床的穩(wěn)定運行造成較大的壓力。

高密單元的運行良好可顯著延長樹脂運行周期，可靠保障膜的運行環(huán)境等；故而該單元的運行效果需優(yōu)化并維持，相關(guān)的藥劑投加及維護應(yīng)始終保證。

2.2 膜單元

根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)表表3分析，除反滲透3產(chǎn)水量及收率較低外，膜單元基本可實現(xiàn)設(shè)計指標，但由于膜單元投資較高，項目實施過程中一般不考慮備用，導(dǎo)致裝置冗余度較低，抗沖擊性變差，以反滲透2為例，反滲透2中任何一套裝置出現(xiàn)沖洗、化洗或故障維護，整個膜單元的處理能力立即下降50%（下降146 m3/h）。

表3 膜單元設(shè)計參數(shù)與實際運行參數(shù)對比

針對反滲透膜結(jié)垢污染和COD/Si 污染，可以采用添加針對性的阻垢劑、調(diào)節(jié)pH 和進行化學(xué)清洗的方法使反滲透膜維持正常運行。但對于零排放，在水體中添加的任何藥劑都要在末端分離，前端投加的藥劑會給末端分離帶來困難，應(yīng)避免采用。

2.3 脫COD單元

如表4 所示，本項目脫COD 單元未正常投運，通常COD 過高情況下會導(dǎo)致RO 膜的污堵頻率變大，膜的清洗化洗周期縮短，也會導(dǎo)致蒸發(fā)器霧沫夾帶嚴重，結(jié)晶堵塞風(fēng)險增壓，雜鹽率升高等。

表4 脫COD單元設(shè)計參數(shù)與實際運行參數(shù)對比

2.4 蒸發(fā)結(jié)晶單元

根據(jù)實際運行數(shù)據(jù)表表5分析，蒸發(fā)結(jié)晶單元四效有效溫度差較設(shè)計溫度差偏小，蒸發(fā)處理負荷偏小，主要由于前端硬度離子控制不利，系統(tǒng)結(jié)垢嚴重，導(dǎo)致?lián)Q熱效率下降，蒸發(fā)負荷不足。此外原系統(tǒng)一效、二效強制循環(huán)泵運行時容易跳停，影響正常操作，根據(jù)工程設(shè)計經(jīng)驗，蒸發(fā)器循環(huán)管流速最佳取值范圍為2.0～2.2 m/s，超過此流速，循環(huán)管直徑增大，投資成本增加，低于此流速，則循環(huán)管中溶液容易結(jié)晶進而阻塞循環(huán)管路。根據(jù)強制循環(huán)泵參數(shù)及循環(huán)管管徑核算，循環(huán)管流速約1.76 m/s，流速稍低，且一二效蒸發(fā)器循環(huán)管中硫酸鈉濃度較三四效蒸發(fā)器更高，硫酸鈉晶體容易析出，流體密度增加，管阻增加，進而使泵功率增加，導(dǎo)致電機超負荷跳停。

表5 蒸發(fā)結(jié)晶單元設(shè)計參數(shù)與實際運行參數(shù)對比

3 系統(tǒng)改造方案及設(shè)計

對于項目改造，基本原則是在現(xiàn)有條件下，對既有構(gòu)筑物、設(shè)備不大改的前提下確保系統(tǒng)處理達到原設(shè)計100%負荷。考慮到目前系統(tǒng)最大的問題是降硬效果差和系統(tǒng)冗余度差。因此，可行的方案是提高高密降硬效果、擴大膜濃縮系統(tǒng)冗余度和四效蒸發(fā)器的產(chǎn)能，從而實現(xiàn)系統(tǒng)中的水平衡及鹽平衡。

3.1 高密除硬單元

高密除硬單元主要問題在于全面改善高密池的工藝和運行工況，優(yōu)化礦井水高密的加藥種類和配比，采用雙堿法，使高密產(chǎn)水硬度降至20×10–6以內(nèi)；徹底解決硬度限制因素，進而解決離子交換再生頻繁問題。

通過現(xiàn)場小試實驗，調(diào)整加藥量，其中液堿投加量1 890 mg/L，純堿投加量830 mg/L，反應(yīng)pH 在10.5左右，并最終控制高密產(chǎn)水硬度＜25 mg/L（CaCO3計）。

3.2 膜單元

為了保證系統(tǒng)達到100%設(shè)計負荷，根據(jù)系統(tǒng)核算結(jié)合運行實際數(shù)據(jù)，浸沒式超濾1、反滲透1、反滲透2、浸沒式超濾2、反滲透3等單元已接近系統(tǒng)處理能力上限。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，需增設(shè)備用設(shè)備，主要新增設(shè)備如下：浸沒式超濾增加300 m3，處理能力增加到250 m3/h×6；反滲透1新增一套，單套進水量235 m3/h，回收率74%，膜通量≯18 L/m2.h，選用高抗污染、高除鹽率高壓聚酰胺復(fù)合膜；反滲透2新增一套，單套進水量175 m3/h，回收率50%，膜通量≯14 L/m2·h，選用高抗污染、高除鹽率高壓聚酰胺復(fù)合膜；反滲透3新增1套，單套進水量46 m3/h，回收率65%，膜通量≯14 L/m2·h，選用高抗污染、高除鹽率高壓聚酰胺復(fù)合膜。

3.3 脫COD單元

目前裝置COD 單元未投運，系統(tǒng)仍可正常運行，但產(chǎn)品鹽白度存在超標現(xiàn)象，故系統(tǒng)脫COD 裝置需正常投用，降低系統(tǒng)COD 含量，以便提高成品鹽的回收率。

3.4 蒸發(fā)結(jié)晶單元

蒸發(fā)結(jié)晶裝置，當前工況下，各蒸發(fā)器可達到設(shè)計處理能力，但為了保證并提升全系統(tǒng)的運行能力，四效裝置檢修時需注意清理管壁結(jié)垢，確保管路清潔，同時更換一二效強制循環(huán)泵電機，確保裝置正常運行。

4 技術(shù)經(jīng)濟分析

本次改造工程的建設(shè)投資額為2 730.64萬元，其中，設(shè)備費用為1 863.66萬元，材料費用為235萬元，建筑工程費用為57.6萬元，安裝工程費用為256.40萬元，其他費用為317.98萬元。改造后本裝置系統(tǒng)運行成本合計為11.23元/m3。

5 結(jié)束語

礦井水系統(tǒng)來水水質(zhì)穩(wěn)定，硫酸根、氯離子含量穩(wěn)定，微量離子波動有限，難降解有機物組分含量低，系統(tǒng)未能滿負荷原因在于預(yù)處理未達到精致化要求，樹脂再生廢液量較大，造成系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)水量增大，內(nèi)耗增大，膜系統(tǒng)設(shè)計冗余程度偏低，影響系統(tǒng)處理能力。通過上述改造，成功將系統(tǒng)的穩(wěn)定處理能力提高到100%設(shè)計負荷，且系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯提升，可長期穩(wěn)定可靠運行，實現(xiàn)了礦井水的近零排放，帶了良好的社會效益和環(huán)境效益。