柳炳俊 ，鄭彭生 ，謝毫 ，高杰 ，安士凱

（1.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.煤科集團(tuán)杭州環(huán)保研究院，浙江 杭州 311201）

礦井水主要由地下涌水、防塵灑水、設(shè)備冷卻水匯集而成[1]，我國(guó)煤炭礦區(qū)主要分布在華東、華北、西北等缺水地區(qū)，將礦井水處理后回用作生產(chǎn)、生活用水已成為解決礦區(qū)水資源短缺問題的主要手段?；茨系V區(qū)礦井水以煤粉、巖屑、溶解性鹽類污染為主，絕大部分屬于高氯化物型高礦化度礦井水[2]。這類礦井水經(jīng)過混凝、澄清、過濾等工藝處理后，出水礦化度仍較高，無(wú)法滿足井下生產(chǎn)用水、飲用水、鍋爐用水等高標(biāo)準(zhǔn)生活、生產(chǎn)用水的水質(zhì)要求，在很大程度上限制了淮南礦區(qū)礦井水利用率的進(jìn)一步提高。

反滲透已廣泛應(yīng)用于海水淡化、食品加工、飲用水制備、工業(yè)廢水再生處理、醫(yī)藥化工等領(lǐng)域[3-6]。采用反滲透對(duì)礦井水進(jìn)行深度處理，可有效去除水中硬度、堿度、SO42-及Cl-，在提高出水水質(zhì)的同時(shí)擴(kuò)大礦井水的回用途徑，更好地實(shí)現(xiàn)礦井水的資源化利用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 進(jìn)水水質(zhì)

試驗(yàn)用水取自淮南礦區(qū)某煤礦礦井水處理站的清水池，含較多懸浮物的礦井水經(jīng)過混凝、澄清、過濾后進(jìn)入清水池，具體水質(zhì)情況見表1。

表1 進(jìn)水水質(zhì)

水中Cl-超出了《煤礦企業(yè)礦山支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)--液壓支架（柱）用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》（MT76-2011）的相關(guān)水質(zhì)要求，TDS 濁度、SO42-超出了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）的水質(zhì)要求，電導(dǎo)率、硬度超出了《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》（GB/T1576-2008）中額定蒸汽壓力大于1.0MPa鍋爐的水質(zhì)要求。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)工藝如圖1所示。礦井水經(jīng)超濾（UF）預(yù)處理后進(jìn)入中間水箱，而后經(jīng)增壓泵進(jìn)入反滲透（RO）裝置。UF膜截留分子量為6000～10000 Dalton，UF能有效去除水中膠體、懸浮物和大分子有機(jī)物，具有一定的抗污染能力，為RO提供良好的進(jìn)水水質(zhì)[7]。RO膜元件為美國(guó)陶氏公司生產(chǎn)的聚酰胺復(fù)合膜BW30～4040，有效膜面積為7.6m2。

圖1 試驗(yàn)工藝流程

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 操作條件對(duì)RO膜分離性能的影響

影響RO膜分離性能的主要因素為操作壓力、進(jìn)水溫度、進(jìn)水含鹽量及pH[8]。對(duì)于淮南礦區(qū)礦井水來(lái)說(shuō)，pH較為穩(wěn)定，所以本試驗(yàn)分別選取操作壓力、進(jìn)水溫度及進(jìn)水電導(dǎo)率為研究對(duì)象，分析三者變化對(duì)RO膜分離性能的影響。

在膜分離工藝中，對(duì)設(shè)備投資費(fèi)用和操作費(fèi)用影響最大的過程參數(shù)一般為產(chǎn)水回收率[9]。進(jìn)水流量875 L/h，電導(dǎo)率2180 μs/cm，水溫18.9℃，RO產(chǎn)水量及回收率隨濃水側(cè)操作壓力的變化如圖2所示。

圖2 操作壓力對(duì)回收率的影響

在RO允許的操作壓力范圍內(nèi)，增加操作壓力可顯著提高RO產(chǎn)水量，在操作壓力從0.3MPa增加到0.8MPa的過程中，回收率由6.9%提高至19.2%，回收率隨壓力呈線性上升趨勢(shì)，壓力每增加0.1MPa，回收率約提高2.35%。增加操作壓力可在一定程度上提高RO回收率，但膜污染的速度也隨之加快，操作壓力過高會(huì)影響到膜的使用壽命。

在進(jìn)水流量 875 L/h，電導(dǎo)率 2180 μs/cm，水溫18.9℃，RO產(chǎn)水電導(dǎo)率及脫鹽率隨濃水側(cè)操作壓力的變化如圖3所示。

圖3 操作壓力對(duì)脫鹽率的影響

在濃水側(cè)操作壓力為0.3～0.6MPa的情況下，隨著操作壓力的增加，RO脫鹽率呈上升趨勢(shì)，當(dāng)壓力為0.6MPa時(shí)，脫鹽率達(dá)到了97.8%，當(dāng)壓力大于0.6MPa后，繼續(xù)增加操作壓力對(duì)脫鹽率無(wú)明顯影響。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，鹽通量只是膜兩側(cè)鹽濃度的函數(shù)，操作壓力的增加提高了水通量，而鹽通量不變[10]，所以脫鹽率隨著壓力的增加而上升，但與此同時(shí)，膜兩側(cè)的鹽濃度差逐漸變大，一定壓力范圍內(nèi)，脫鹽率上升的趨勢(shì)逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。進(jìn)水流量875L/h，電導(dǎo)率2243μs/cm，濃水側(cè)操作壓力0.6MPa，RO回收率及脫鹽率隨反滲透進(jìn)水溫度的變化如圖4所示。

圖4 水溫對(duì)回收率及脫鹽率的影響

隨著水溫的升高，產(chǎn)水量提高，回收率與水溫呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，水溫每升高1℃，回收率約提高0.6%；脫鹽率隨水溫的升高呈下降趨勢(shì)，變化趨勢(shì)不明顯。水溫對(duì)RO的影響比較復(fù)雜，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致粘度的下降和擴(kuò)散系數(shù)的提高，從而提升了滲透性能，溶質(zhì)透過率也得到了一定程度的提升，因而直觀地表現(xiàn)為回收率的提高和脫鹽率的下降。

進(jìn)水流量875L/h，濃水側(cè)操作壓力0.6MPa，水溫17.5～22.7℃，進(jìn)水電導(dǎo)率對(duì)脫鹽率的影響如圖5所示。

圖5 進(jìn)水電導(dǎo)率對(duì)脫鹽率的影響

隨著進(jìn)水電導(dǎo)率的的升高，產(chǎn)水電導(dǎo)率顯著增加，脫鹽率雖呈下降趨勢(shì)，但仍保持在97%以上。在含鹽量升高的情況下，更多一價(jià)離子穿過膜進(jìn)入產(chǎn)水中，而二價(jià)離子仍很難穿過，因此，脫鹽率有所下降但下降幅度有限。

2.2 產(chǎn)水水質(zhì)分析

進(jìn)水流量875L/h，電導(dǎo)率2180μs/cm，水溫17.8℃，濃水側(cè)操作壓力0.6MPa，RO處理效果如表2所示。

表2 RO處理效果

RO對(duì)總硬度實(shí)現(xiàn)了完全去除、對(duì)總堿度、SO42-及 Cl-有很高的去除率，對(duì) Ca2+、Mg2+、SO42-等二價(jià)離子的截留效果優(yōu)于一價(jià)的Cl-、脫鹽效果好。產(chǎn)水pH、Cl-達(dá)到了煤礦企業(yè)礦山支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)--液壓支架（柱）用乳化油、濃縮物及其高含水液壓液》的水質(zhì)要求，產(chǎn)水總硬度、總堿度、總電導(dǎo)率達(dá)到了 《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》最高標(biāo)準(zhǔn)的要求，產(chǎn)水SO42-、TDS達(dá)到了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的水質(zhì)要求。但產(chǎn)水偏酸性，不能直接滿足《工業(yè)鍋爐水質(zhì)》及《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)pH的要求，回用前需適當(dāng)加堿以回調(diào)pH。

3 結(jié)論

（1）隨著操作壓力的增加，回收率呈線性上升趨勢(shì)，壓力每增加0.1MPa，回收率約提高2.35%，脫鹽率也呈上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)逐漸變緩并趨于穩(wěn)定。

（2）回收率與水溫呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，水溫每升高1℃，回收率約提高0.6%；脫鹽率隨水溫的升高呈下降趨勢(shì)，變化趨勢(shì)不明顯。

（3）隨著進(jìn)水電導(dǎo)率的的升高，產(chǎn)水電導(dǎo)率顯著增加，脫鹽率雖呈下降趨勢(shì)，但仍保持在97%以上。

（4）針對(duì)淮南礦區(qū)礦井水，采用RO進(jìn)行深度處理，對(duì)主要離子的截留效果可穩(wěn)定滿足井下生產(chǎn)用水、飲用水、鍋爐用水等高標(biāo)準(zhǔn)生活、生產(chǎn)用水的水質(zhì)要求。

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