荊波湧，張孔思

(中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

礦井水是由在煤炭開采過程中，進入井下巷道的地下水、井下防塵灑水、設(shè)備冷卻水等組成。受礦區(qū)地理環(huán)境、煤層礦物成分及水文地質(zhì)等條件的影響，按其水質(zhì)特點可分為懸浮物廢水和高礦化度廢水(即高鹽礦井水)[1]。

高鹽礦井水主要分布在我國的西北和北方礦區(qū)，這些區(qū)域依托煤礦生產(chǎn)一般都建有大型煤化工企業(yè)，當(dāng)?shù)貐T乏的水資源已成為限制煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。而煤礦的高鹽礦井水經(jīng)常規(guī)處理后，一部分回用于煤礦自身生產(chǎn)用水，剩余大量的富裕水由于含鹽量遠高于煤化工企業(yè)用水水質(zhì)指標而無法回用，若直接排放，既浪費水資源，又給當(dāng)?shù)卦敬嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境帶來危害[2，3]。國務(wù)院“水十條”明確了“推進礦井水綜合利用，煤炭礦區(qū)的補充用水、周邊地區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水應(yīng)優(yōu)先使用礦井水”及煤化工產(chǎn)業(yè)“就近利用、生態(tài)優(yōu)先”的原則[4]。據(jù)此對高鹽礦井水進行深度處理并進行資源化利用，就顯得尤為迫切與必要[4]。

高鹽水的深度處理及資源化利用是一種集合了水處理與化工等多學(xué)科應(yīng)用的新興技術(shù)，難度大，工藝鏈長，國內(nèi)在煤化工廢水、垃圾填埋滲濾液等行業(yè)應(yīng)用較多，高鹽礦井水多借鑒這些行業(yè)的處理技術(shù)和工程經(jīng)驗，針對其自身水質(zhì)特點的處理工藝在實際中應(yīng)用較少。目前，我國一些煤炭行業(yè)的學(xué)者對這方面的內(nèi)容進行了關(guān)注與研究，李福勤等從促進地區(qū)經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境及社會可持續(xù)發(fā)展等宏觀方面論述了礦井水資源化利用的緊迫性[1]，苗立勇等概念性的總結(jié)了目前高鹽礦井水深度處理的主要工藝并進行了技術(shù)比較[2]，還有一些學(xué)者的研究多停留在工藝流程的某個工藝環(huán)節(jié)上[3，5，6]，對實際工程應(yīng)用的借鑒意義不大。本文結(jié)合工程實例，以詳細設(shè)計與投資概算為基礎(chǔ)，對整體工藝流程進行了研究與總結(jié)，可對同類型工程提供一定的指導(dǎo)與借鑒。

1 工程概況

該工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼吉爾特礦區(qū)，礦區(qū)所屬的葫蘆素及門克慶煤礦礦井水經(jīng)常規(guī)沉淀過濾后，交由本工程進行深度處理，設(shè)計處理能力72000m3/d。最終產(chǎn)品水全部回用于中天合創(chuàng)化工項目的生產(chǎn)用水，實現(xiàn)零排放，水質(zhì)參照目前化工項目預(yù)處理后的黃河地表水水質(zhì)，并滿足《石油化工給水排水水質(zhì)標準》及《城市污水再生利用-工業(yè)用水水質(zhì)》的相關(guān)標準(匯總見表1)；濃鹽水經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶為工業(yè)用硫酸鈉、氯化鈉及少量雜鹽，實現(xiàn)資源化率大于等于95%。

表1 原水主要水質(zhì) mg/L

2 工藝選擇

表2 工藝比選

從技術(shù)經(jīng)濟等諸多方面綜合考慮，選擇方案一為詳細設(shè)計的最終工藝，如圖1所示。

圖1 方案一工藝流程框圖

3 工程設(shè)計

3.1 脫鹽

3.1.1 工藝簡述

采用雙膜法脫鹽，預(yù)處理采用“高效沉淀池+V型濾池池體”組合。

原水經(jīng)調(diào)節(jié)池后，在高效沉淀池投加混凝劑、絮凝劑去除大部分懸浮物，出水SS<10mg/L；經(jīng)V型濾池進一步去除細小顆粒，產(chǎn)水SS<1mg/L；經(jīng)超濾裝置投加殺菌劑去除膠體、細菌等物質(zhì)，產(chǎn)水濁度<0.1NTU、SDI<3，進入反滲透裝置，投加還原劑、阻垢劑及非氧化性殺菌劑，產(chǎn)水回用，濃鹽水進入二次濃縮。在超濾與反滲透裝置前端分別設(shè)有自清洗過濾器與保安過濾器，用于攔截前端來水的異常雜質(zhì)。

V型濾池、超濾及反滲透裝置的反洗、沖洗排水統(tǒng)一收集，回流至至高效沉淀池，沉淀池排泥經(jīng)污泥濃縮池濃縮，再經(jīng)污泥濃縮脫水機脫水，最終泥餅與化工廢渣統(tǒng)一處理。工藝流程如圖2所示。

圖2 脫鹽工藝流程圖

3.1.2 工藝參數(shù)

1)高效沉淀池處理能力Q=3508m3/h，六座，設(shè)混凝反應(yīng)池一座(L×B×H=2.4m×2.4m×3.1m)、絮凝反應(yīng)室一座(Φ2000mm)、澄清池一座(L×B×H=8.5m×8.5m×6.3m，表面負荷L=8.3 m3/(m2·h))。

2)V型濾池處理能力Q=3468m3/h，12座，每座兩格，單格面積25m2(L×B=10m×2.5m)，濾池總高3.90m；濾速：6m/h。

3)超濾裝置處理能力Q=3322m3/h，十五套(十四用一備)，處理能力Q=238m3/h，通量小于等于55L/(m2·h)，采用外壓式，PVDF，膜面積大于等于4328m2/套。

4)反滲透裝置處理能力Q=2583m3/h，十三套(十二用一備)，產(chǎn)水能力Q=162m3/h，通量小于等于20.0L/(m2·h)，產(chǎn)水率≥75%，采用卷式抗污染復(fù)合膜，膜面積37.2m2/支。

3.1.3 建(構(gòu))筑物

根據(jù)處理規(guī)模和工藝需求，確定了主要建(構(gòu))筑物，具體見表3。

表3 建(構(gòu))筑物特征表

3.2 二次濃縮

3.2.1 工藝簡述

采用高效反滲透技術(shù)，利用石灰軟化、離子交換將水中的硬度去除，在高pH條件下，再利用反滲透去除大部分的鹽分，反滲透的回收率可提高到80%以上。

脫鹽產(chǎn)生的濃鹽水(主要水質(zhì)指標見表4)自濃鹽水池進入接觸澄清池，投加氫氧化鈉、石灰、蘇打、絮凝劑，去除水中大部分的硬度和懸浮物顆粒，出水進入中和水池，投加次氯酸鈉消毒和鹽酸調(diào)pH值后，經(jīng)多介質(zhì)過濾器、離子交換器進一步去除殘留的懸浮物和硬度，再經(jīng)脫碳去堿度后，進入反滲透裝置，投加還原劑、阻垢劑及非氧化性殺菌劑，產(chǎn)水回用，超濃鹽水進入蒸發(fā)結(jié)晶。在反滲透裝置前端設(shè)有保安過濾器，用于攔截前端來水的異常雜質(zhì)。

表4 濃鹽水主要水質(zhì) mg/L

多介質(zhì)過濾器、弱酸陽離子交換器及反滲透裝置的反洗、再生及沖洗排水統(tǒng)一收集，回流至接觸澄清池，澄清池排泥經(jīng)污泥濃縮池濃縮，再經(jīng)污泥濃縮脫水機脫水，最終泥餅與化工廢渣統(tǒng)一處理。工藝流程詳如圖3所示。

圖3 二次濃縮工藝流程圖

3.2.2 主要工藝參數(shù)

1)接觸澄清池處理能力Q=750m3/h，兩座，每座V=320m3(Φ×H=22.0×5.5m)，每座設(shè)反應(yīng)池三格、中和水池一格，每格V=16m3(L×B×H=3.5×3.5×3.5m)，出水SS<5mg/L。

2)多介質(zhì)過濾器處理能力Q=703m3/h，五臺(四用一備)，規(guī)格Φ×L=3.0×7.0m，濾料為800mm厚無煙煤(1～2mm)、400mm厚石英砂(0.5～2mm)，出水SS≤1mg/L。

3)弱酸陽離子交換器處理能力Q=684m3/h，五臺(四用一備)，規(guī)格Φ×H=3.0×3.5m。

4)脫碳器處理能力Q=668m3/h，四臺，規(guī)格Φ×H=3.2×3.6m。

5)反滲透裝置處理能力Q=668m3/h，五套(四用一備)，產(chǎn)水170m3/h，產(chǎn)水率80%，脫鹽率98%，采用抗污染海水淡化膜。

3.2.3 建(構(gòu))筑物

根據(jù)處理規(guī)模和工藝需求，確定了主要建構(gòu)筑物，具體見表5。

3.3 蒸發(fā)結(jié)晶

3.3.1 工藝簡述

蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程如圖4所示。二次濃縮超濃鹽水(水質(zhì)見表6)依次通過催化氧化單元、MVR蒸發(fā)濃縮單元后進入硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶單元，MVR濃縮液通過硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶得到硫酸鈉晶體，硫酸鈉母液采用膜法分鹽技術(shù)，該技術(shù)利用納濾膜的選擇透過性，采用特殊寬流道高耐污染專用納濾分離膜對溶液中一價鹽和二價鹽進行有效分離，納濾濃水回到前端硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶單元，納濾產(chǎn)水進入后續(xù)氯化鈉蒸發(fā)結(jié)晶單元。

表5 建(構(gòu))筑物特征表

圖4 蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程圖

表6 超濃鹽水主要水質(zhì) mg/L

催化氧化單元是基于臭氧+雙氧水的高級氧化技術(shù)降解有機物，出水的CODCr<150mg/L，色度小于10倍，SS<1mg/L，送至減量化裝置。

減量化裝置采用MVR蒸發(fā)技術(shù)，通過蒸汽壓縮機對蒸發(fā)料液產(chǎn)生的二次汽進行壓縮循環(huán)利用，可大量減少蒸汽耗量，將來水濃縮四倍；濃縮液進入Na2SO4蒸發(fā)結(jié)晶裝置。

Na2SO4蒸發(fā)結(jié)晶裝置通過控制蒸發(fā)終點濃度在Na2SO4的結(jié)晶區(qū)，加熱、蒸發(fā)、循環(huán)濃縮達到過飽和結(jié)晶出Na2SO4，經(jīng)干燥后包裝，結(jié)晶鹽品質(zhì)滿足GB/T 6009—2014工業(yè)無水Na2SO4Ⅰ類一等品要求。母液部分回流進入系統(tǒng)，剩余部分至膜分離裝置。

膜分離裝置采用納濾分鹽技術(shù)，Na2SO4結(jié)晶母液經(jīng)預(yù)處理去除懸浮物后，再經(jīng)超濾去除大部分 COD、大分子有機物，最終經(jīng)納濾實現(xiàn)對一、二價鹽的分離，納濾產(chǎn)水進入NaCl蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，通過控制蒸發(fā)終點濃度在氯化鈉的結(jié)晶區(qū)，加熱、蒸發(fā)、循環(huán)濃縮達到過飽和結(jié)晶出NaCl，經(jīng)干燥后包裝。結(jié)晶鹽品質(zhì)指標滿足GB/T5462-2015工業(yè)干鹽一級品要求。

超濾、納濾濃水回流至前端催化氧化單元；當(dāng)Na2SO4結(jié)晶母液、硅和COD累積到影響結(jié)晶鹽的品質(zhì)時，通過旁路，可將母液直接送至雜鹽干化裝置；氯化鈉結(jié)晶母液根據(jù)母液中富集的雜質(zhì)離子的量外排至雜鹽干化裝置。該裝置在刮板薄膜蒸發(fā)器內(nèi)對料液進行蒸發(fā)，到達一定濃度后，由耙式干燥機進行干燥，經(jīng)干燥后水分<0.2%由帶式輸送機送至雜鹽料倉中。

3.3.2 主要工藝參數(shù)

1)催化氧化裝置處理能力Q=160m3/h，一級催化氧化池兩座，二級催化氧化池一座，調(diào)節(jié)池、釋放池各一座，單池規(guī)格L×B×H=4.0m×8.0m×7.5m；臭氧發(fā)生器(含冷水機)兩臺，40kg/h，尾氣破壞系統(tǒng)一套。

2)MVR蒸發(fā)裝置處理能力Q=160m3/h，MVR降膜蒸發(fā)器兩臺，面積5000m2；蒸汽壓縮機兩臺，功率1400kW。

3)硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶裝置處理能力Q=50m3/h，一效加熱室兩臺，面積300m2，一效分離室一臺，Φ3600mm×5500mm，二效加熱室兩臺，面積300m2，二效結(jié)晶器一臺，Φ4000mm×6000mm。

4)膜分離裝置處理能力Q=20m3/h，超濾平均通量15L/(m2·h)，四套，膜元件48只，采用卷式超濾膜及錯流運行方式，納濾平均通量8L/(m2·h)，八套，膜元件96只，采用卷式膜。

5)氯化鈉蒸發(fā)結(jié)晶裝置處理能力Q=18m3/h，一效加熱室一臺，面積300m2；旋流器一臺，Φ2800mm×6000mm等。

6)雜鹽干化段處理能力Q=1.0m3/h，刮板薄膜蒸發(fā)器一臺，面積20m3，耙式干燥機一臺，功率15kW等。

3.3.3 建(構(gòu))筑物

根據(jù)處理規(guī)模和工藝需求，確定了主要建(構(gòu))筑物，具體見表7。

表7 建(構(gòu))筑物特征表

4 經(jīng)濟分析

4.1 投資概算

該工程靜態(tài)總投資66214.71萬元，包括從籌建到竣工的全部土建、設(shè)備安裝及其他費的工程建設(shè)總投資。

4.2 成本估算

各工藝環(huán)節(jié)及整個工藝鏈直接運行費用及成本估算情況見表8。

表8 運行費用及成本估算表

該工程噸水處理直接運行費用4.563元/m3，計入職工薪酬、維護費、大修理基金、管理費等其他費用，裝置投運后，年總成本費用為24191.36萬元，估算處理成本為8.77元/m3。

4.3 效益分析

裝置投運后可為煤礦企業(yè)節(jié)省礦井水排污費，也可為化工企業(yè)節(jié)省生產(chǎn)外購水費。經(jīng)調(diào)研，項目所在地礦井水排污費為5.6元/t(含稅)，生產(chǎn)水取用黃河水地表水，直接費用為5.3元/t(含稅)，按照節(jié)省費用即為收益的原則，考慮裝置投運后硫酸鈉及氯化鈉的外銷收入，按照不含稅價計算，估算本項目年平均收益收入為25325萬元。

5 結(jié) 論

面對日益嚴峻的水資源短缺和水環(huán)境惡化問題，采用技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的廢水處理工藝是當(dāng)今污水治理發(fā)展的必然趨勢。故在同類工程設(shè)計中，應(yīng)從以下幾個方面多加重視，從真正意義上為緩解當(dāng)?shù)厮Y源匱乏、改善周邊地表水環(huán)境質(zhì)量帶來經(jīng)濟、社會效益。

1)考慮煤礦井下排水量的不穩(wěn)定性，首先應(yīng)多方論證，合理確定處理規(guī)模；其次應(yīng)對處理設(shè)施及設(shè)備進行模塊化設(shè)計，實現(xiàn)不同來水工況時的靈活運行。

2)考慮深度處理工藝鏈長，各工藝環(huán)節(jié)間水質(zhì)波動大，應(yīng)適當(dāng)放大設(shè)計裕度，為應(yīng)對后續(xù)工藝環(huán)節(jié)檢修帶來的事故排水，應(yīng)適當(dāng)加大各環(huán)節(jié)之間的調(diào)節(jié)容積。

3)應(yīng)充分重視礦井水中的鈣、鎂、硅等結(jié)垢離子以及COD等污堵因子，采取有效的預(yù)處理措施，并應(yīng)優(yōu)化藥劑投加品種及投加量，避免帶來人為污泥增量及鹽量增加。

4)膜法分鹽存在著納濾膜性能衰減快、回收率低等一系列問題缺點，故應(yīng)對如何保證納濾膜的性能和回收率的穩(wěn)定性進行重點關(guān)注。

5)應(yīng)對硫酸鈉、氯化鈉的銷售地點、銷售半徑以及目標產(chǎn)品鹽用戶對產(chǎn)品鹽的標準要求等項內(nèi)容進行重點關(guān)注，為合理確定項目產(chǎn)品鹽標準提供產(chǎn)品支撐。