煤礦礦井水綜合利用方案研究

于傳鵬

（遼寧北方環(huán)境保護(hù)有限公司 遼寧 沈陽 110000）

引言

在煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中，流向井筒和巷道的水稱為礦井水，礦井水包括大氣降水、地表水、地下水和老窯積水等。礦井水是煤炭生產(chǎn)過程中排放量最多的水資源，礦井水如果不進(jìn)行處理而直接排放會(huì)造成水資源浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)污染環(huán)境[1]。對煤礦礦井水進(jìn)行有效處理和綜合利用，不但可以防止水資源流失、避免礦井水對水環(huán)境造成污染，而且對緩解礦區(qū)用水緊張、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、最大限度地滿足生產(chǎn)和生活用水需要具有重大意義[2]。遼寧某煤礦緊跟國家環(huán)保政策，高度履行企業(yè)環(huán)境責(zé)任，堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，積極探索節(jié)能降碳新路徑，并在這一大背景下建設(shè)了礦井水處理站，對礦井水進(jìn)行除鹽及綜合利用，既促進(jìn)了礦區(qū)綠色發(fā)展，又對實(shí)現(xiàn)煤礦企業(yè)高質(zhì)量運(yùn)行起到推進(jìn)作用。

1 工程概況

遼寧某礦礦井水地面處理站設(shè)計(jì)處理量為1000m3/h。礦井水經(jīng)處理后150m3/h 供井下生產(chǎn)用水，80m3/h 供給防塵恒壓供水站用于地面灑水、煤場防塵燈，這2 部分用水大部分回到礦井水處理；另外的40m3/h 用于職工洗浴用水，80m3/h 送至生活恒壓供水站作為生活用水、洗衣用水等，這2 項(xiàng)作為生活污水經(jīng)處理站進(jìn)行處理后同其他礦井水勾兌后外排。當(dāng)井下正常生產(chǎn)時(shí)，礦井水的最大涌水量為800m3/h，生活污水排放量為100m3/h。同時(shí)，要求考慮未來5 年涌水量上升100m3/h，最終需對1000m3/h 的水量處理后外排。

2 工程條件

2.1 建設(shè)內(nèi)容

遼寧某礦礦井水處理站項(xiàng)目所有系統(tǒng)單元（預(yù)處理系統(tǒng)單元、膜濃縮單元、蒸發(fā)結(jié)晶單元、污泥脫水單元、附屬構(gòu)筑物）的工藝建（構(gòu)）筑物，及其配套的建筑、結(jié)構(gòu)、工藝管線、電氣、儀表自控、采暖通風(fēng)、通信、照明、消防、接地與防雷、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、給排水、公用設(shè)施、場地道路等設(shè)備或設(shè)施[3]。

2.2 水源及水量

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)處理水量為1000m3/h，處理水源為經(jīng)過調(diào)節(jié)池、高效澄清池、濾池預(yù)處理后的井下礦井水（日間井下排水量800m3/h，夜間井下排水量峰值為1600m3/h）。生活污水處理站排放污水100m3/h，會(huì)同處理后的礦井水勾兌外排。

2.3 設(shè)計(jì)水溫

該煤礦所處地理位置地?zé)豳Y源豐富，導(dǎo)致礦井水水溫偏高，夏季最高達(dá)35℃，冬季最高達(dá)32℃。另外，煤礦配套的水源熱泵冬季制熱、夏季制冷導(dǎo)致水溫波動(dòng)范圍變大，一般會(huì)引起水溫±3～5℃的變化。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，礦井水水溫受季節(jié)影響較小，這對于本系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行意義重大，因此建議在本工程建設(shè)完成后，將水源熱泵取水點(diǎn)移至最終產(chǎn)水池。本項(xiàng)目產(chǎn)水中懸浮物和硬度值更低，對減緩水源熱泵堵塞、結(jié)垢有顯著效果。綜上分析，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)進(jìn)水水溫按照32 ～35℃設(shè)計(jì)[4]。

2.4 進(jìn)出水水質(zhì)

進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)如表1 所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，200m3/h 系統(tǒng)產(chǎn)水作為回用水，供給礦上生活用水，回用水需達(dá)到《采暖空調(diào)系統(tǒng)水質(zhì)》(GB/T29044-2012)及《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)[5]的要求。

表1 進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)

一部分產(chǎn)水與生活污水勾兌后，同時(shí)滿足《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤炭資源開發(fā)環(huán)境影響評(píng)價(jià)管理的通知》，主要指標(biāo)含鹽量不得高于1000mg/L，硫酸鹽不得高于250mg/L[6]。

3 礦井水綜合利用工藝方案的研究

3.1 整體工藝方案及流程

遼寧某礦礦井水地面處理站的礦井水綜合利用工藝流程如圖1所示。根據(jù)確定的工藝流程，該工程分為3 個(gè)工藝段，依次是一級(jí)分鹽濃縮工藝段、脫穩(wěn)分鹽濃縮工藝段、蒸發(fā)結(jié)晶工藝段。一級(jí)分鹽濃縮工藝段為經(jīng)預(yù)處理后來水+ 纖維過濾器+CDRO（NF）+產(chǎn)水利用；脫穩(wěn)分鹽濃縮工藝段為CDRO（NF）濃水進(jìn)入脫穩(wěn)裝置+高密池+ 砂濾器+ 離子交換+CDNF + 產(chǎn)水利用；蒸發(fā)結(jié)晶工藝段為CDNF 濃水進(jìn)入機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）+干燥系統(tǒng)。

圖1 礦井水綜合利用工藝流程示意圖

3.2 一級(jí)分鹽濃縮工藝段

預(yù)處理后的產(chǎn)水經(jīng)過管道進(jìn)入調(diào)節(jié)池均質(zhì)均量。通過水泵加壓提升進(jìn)入纖維過濾器。通過纖維過濾器過濾后，出水進(jìn)入CDRO（NF）系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)濃縮處理。CDRO（NF）系統(tǒng)的濃縮液進(jìn)入下一工藝段，產(chǎn)水進(jìn)入產(chǎn)品水箱[7]。

纖維過濾器采用一種新型柔軟纖維絲作為濾元，過濾精度可達(dá)幾微米，具有比表面積大、過濾阻力小的優(yōu)點(diǎn)。過濾過程為對纖維絲施以回轉(zhuǎn)機(jī)具壓榨，使其縱向之間孔隙變小，水中的懸浮物均被擋在纖維絲外，過濾后得到清潔的處理水。當(dāng)過濾器內(nèi)被截留的懸浮污物(雜質(zhì))增多，處理水量下降，壓力達(dá)到設(shè)定值或達(dá)到設(shè)定的時(shí)間，則自動(dòng)進(jìn)入反沖洗過程。纖維過濾器過濾速度快、設(shè)備占地面積小、公用工程配套少、自動(dòng)化程度高。

CD 裝置主要由特種平板膜、導(dǎo)流盤組成。集成的導(dǎo)流盤和膜片安裝在壓力容器內(nèi)，通過O 型圈把透過液和原液隔離，壓力容器通過高壓軟管聯(lián)接到給水管、濃縮液管。廢水在進(jìn)水泵增壓獲得初步壓力并經(jīng)過保安過濾器過濾后即進(jìn)入高壓泵提供壓力，而循環(huán)泵提供較大流量以滿足CD 膜面的流速要求。通過螺旋形流道引導(dǎo)流體通過導(dǎo)流盤，在所有膜表面上可獲得穩(wěn)定的流體狀態(tài)，液體中的小分子顆粒物、溶解態(tài)的離子等被截留在濃水側(cè)，透過液經(jīng)由產(chǎn)水隔網(wǎng)回流到中心管。CD 膜組件的應(yīng)用，大大減小了壓力損失，同時(shí)也減少了濃差極化現(xiàn)象。

3.3 脫穩(wěn)分鹽濃縮工藝段

CDRO（NF）濃水經(jīng)提升泵加壓進(jìn)入脫穩(wěn)裝置，通過投加脫穩(wěn)劑使過飽和的硫酸鈣析出，達(dá)到去除水中鈣硬度的目的。經(jīng)過脫穩(wěn)裝置可去除水中較多的鈣硬度，有效降低后續(xù)軟化藥劑的投加費(fèi)用。

脫穩(wěn)裝置的出水自流進(jìn)入高密池中，通過投加石灰、氫氧化鈉、碳酸鈉、除氟劑、鎂劑、混凝劑、絮凝劑等藥劑去除水中絕大多數(shù)的硬度、堿度、二氧化硅、氟離子等。高密池產(chǎn)生的污泥進(jìn)入污泥脫水工藝段，出水加入硫酸回調(diào)pH 后自流進(jìn)入中間水池。中間水池的出水經(jīng)過砂濾器，懸浮物、膠體等均被部分截留后進(jìn)入離子交換系統(tǒng)。通過離子交換樹脂的吸附作用，去除水中殘存的大部分硬度。離子交換出入通過除碳器去除部分堿度后進(jìn)入CDNF 系統(tǒng)，進(jìn)一步分鹽濃縮。

高密度沉淀池是一種高效沉淀池，主要由混凝反應(yīng)格、絮凝構(gòu)筑物、澄清-濃縮區(qū)組成。高密度沉淀池前設(shè)置反應(yīng)格，各格設(shè)置反應(yīng)攪拌機(jī)，分別用來投加熟石灰、氫氧化鈉、純堿混凝劑、助凝劑等藥劑，起到混凝絮凝、沉淀澄清、污泥濃縮等功能。高密度沉淀池的應(yīng)用具備7 個(gè)突出的特點(diǎn)，即①占地面積小，占地為常規(guī)沉淀技術(shù)的1/4 ～1/10，節(jié)約土建造價(jià)；②沉淀效率高；③排泥干度高；④抗負(fù)荷變化能力強(qiáng)；⑤節(jié)約藥劑；⑥水量損失較低；⑦運(yùn)行、維護(hù)方便。

該工藝段采用“平板膜+晶種法”工藝，可解決礦井水近零排放的難題，打破了傳統(tǒng)藥劑化學(xué)法完全軟化處理的工藝路線，利用平板膜濃縮和自誘導(dǎo)結(jié)晶相結(jié)合，將溶解在水中的過飽和狀態(tài)硫酸鈣通過加入不溶的添加物（晶種），形成晶核，加快或促進(jìn)與之晶型（或立體構(gòu)型）相同的對映異構(gòu)體結(jié)晶的生長。晶種不斷被誘導(dǎo)析出，循環(huán)往復(fù)，由于未向水中引入新的溶解性物質(zhì)，因此脫穩(wěn)結(jié)晶軟化法會(huì)使原水的含鹽量降低，且原水中硫酸鈣越高，去除量越大，則水中含鹽量降低越多，是真正的“減法”工藝。

3.4 蒸發(fā)結(jié)晶工藝段

CDNF 濃水通過蒸發(fā)進(jìn)水泵經(jīng)由預(yù)熱器與蒸發(fā)冷凝水預(yù)熱升溫后進(jìn)入到機(jī)械蒸汽再壓縮（MVR）裝置，在所控制的料液溫度下達(dá)到Na2SO4的過飽和濃度后，大量硫酸鈉以晶體的形式結(jié)晶析出，經(jīng)排料泵排至增稠器增稠，由離心機(jī)實(shí)現(xiàn)固液分離，經(jīng)脫水機(jī)后得結(jié)晶鹽，該部分結(jié)晶鹽可進(jìn)入干燥器進(jìn)一步干燥脫除剩余水分。經(jīng)干燥器干燥后，排料口排出的固體物料含水量可減少至0.2%以下。經(jīng)脫水后的硫酸鈉結(jié)晶鹽由脫水機(jī)進(jìn)入干燥機(jī)，干燥后的硫酸鈉結(jié)晶鹽通過噸袋包裝機(jī)進(jìn)行包裝。

機(jī)械蒸汽壓縮再循環(huán)蒸發(fā)技術(shù)是目前世界上處理高鹽分廢水可靠、有效的解決方案之一。機(jī)械式蒸汽再壓縮蒸發(fā)器（MVR）的原理是利用高能效蒸汽壓縮機(jī)壓縮蒸發(fā)產(chǎn)生的二次蒸汽把電能轉(zhuǎn)換成熱能，提高二次蒸汽的燴，被提高熱能的二次蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)室進(jìn)行加熱，循環(huán)利用二次蒸汽己有的熱能，從而達(dá)到補(bǔ)充極少量外部鮮蒸汽即可保證系統(tǒng)熱能平衡，并通過蒸發(fā)器自循環(huán)來實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)濃縮的目的。強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)可大大降低由于可能存在的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生沉淀結(jié)晶而堵管結(jié)垢的風(fēng)險(xiǎn)，在強(qiáng)制循環(huán)蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)后，物料達(dá)到過飽和狀態(tài)，此時(shí)開始不斷地析出結(jié)晶。

每次啟動(dòng)系統(tǒng)需要新蒸汽作為MVR 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)的加熱熱源，待罐內(nèi)有二次蒸汽產(chǎn)生時(shí)，緩慢啟動(dòng)機(jī)械蒸汽壓縮風(fēng)機(jī)將低品質(zhì)的二次蒸汽轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的加熱蒸汽，逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)熱能平衡。

3.5 產(chǎn)物及去向分析

3.5.1 最終產(chǎn)品和產(chǎn)物

膜濃縮過程的產(chǎn)物為產(chǎn)品水和濃鹽水，濃鹽水經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶后產(chǎn)物為物料冷凝水和結(jié)晶鹽。而在膜濃縮過程中，通過軟化方式去除鈣、鎂、硅時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生一定的軟化污泥；通過脫穩(wěn)方式去除鈣、硫酸根時(shí)，還產(chǎn)生一定的脫穩(wěn)石膏。該項(xiàng)目產(chǎn)生的產(chǎn)品（水、鹽、污泥、石膏）情況如表2 所示。

表2 最終產(chǎn)物情況

3.5.2 產(chǎn)水和副產(chǎn)物去向

3.5.2.1 產(chǎn)品水

零排放系統(tǒng)產(chǎn)品水共972.5m3/h，其中200m3/h作為回用水用于洗浴、洗衣、空調(diào)系統(tǒng)補(bǔ)給水、井下降溫系統(tǒng)補(bǔ)水等；其余產(chǎn)品水與原有的生化系統(tǒng)排放水勾兌達(dá)標(biāo)排放。

3.5.2.2 綜合外排水

綜合外排水共872.5m3/h，主要由部分產(chǎn)品水（772.5m3/h）與經(jīng)生活污水處理站處理后的生活污水（100m3/h）混合后達(dá)標(biāo)外排。

3.5.2.3 硫酸鈉

硫酸鈉可作為化工原料銷售。

3.5.2.4 污泥

產(chǎn)生的污泥回收利用。

3.5.2.5 石膏

石膏可作為副產(chǎn)品銷售。

3.6 各工藝段處理能力

根據(jù)確認(rèn)進(jìn)水水量，礦井外排水除鹽及綜合利用工程規(guī)模按1000m3/h 建設(shè)，各工藝段處理能力如表3 所示。

表3 各工藝段處理規(guī)模

結(jié)論

遼寧某礦礦井水處理站總處理規(guī)模為1000m3/h，采用“平板膜+晶種法”工藝為核心技術(shù)的煤礦礦井水低成本零排放創(chuàng)新解決方案。項(xiàng)目投產(chǎn)后，產(chǎn)水水質(zhì)實(shí)現(xiàn)分質(zhì)回用。部分水經(jīng)過預(yù)處理達(dá)到井下消防、灑水要求，水質(zhì)滿足《煤礦井下消防、灑水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50383-2016）表B 中的標(biāo)準(zhǔn)要求；部分經(jīng)過反滲透系統(tǒng)的產(chǎn)水達(dá)到礦井一般生產(chǎn)、生活用水要求，水質(zhì)滿足GB 5749-2022；最終外排水水質(zhì)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838-2022）中Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)且滿足環(huán)評(píng)[2020]63 號(hào)文TDS ≤1000mg/L。產(chǎn)品鹽硫酸鈉達(dá)到GB/T 6009-2014 Ⅱ類一等品標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了礦井水近零排放和副產(chǎn)物資源化利用，促進(jìn)了綠色經(jīng)濟(jì)循環(huán)增長和“雙碳”目標(biāo)協(xié)調(diào)發(fā)展。