王 媛

(西山煤電集團有限責任公司公用事業(yè)分公司，山西 太原 030053)

引 言

煤炭作為我國的基礎(chǔ)能源，在我國的能源消費結(jié)構(gòu)中比重達到70%。煤礦在采掘過程中，礦井深部巖層、煤層會產(chǎn)生大量的礦井水，若不經(jīng)處理直接排放會對自然生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞，還會造成水資源的浪費。當前，我國環(huán)境保護及管理形勢嚴峻，礦井水處理不達標，已經(jīng)嚴重制約煤礦的正常生產(chǎn)秩序。據(jù)行業(yè)統(tǒng)計，2017年我國礦井水的年排放量達78.6億 m3，給礦井水的凈化處理和環(huán)境保護帶來巨大壓力。現(xiàn)階段，我國的大部分礦井在建設(shè)階段均同步建設(shè)礦井水處理站；甚至還有礦井在礦井水處理上因地制宜，采用中水復用的方式，如，神華集團神東煤業(yè)哈拉溝煤礦就地取材采用煤礦井下采空區(qū)的煤矸石作為過濾和凈化礦井污水的主要載體,在礦井采掘過程中直接將礦井排水注入采空區(qū)進行初級過濾凈化,在通過管道輸送至處理站進行二次處理，經(jīng)處理后的中水可重復使用于礦井的生產(chǎn)，達到雙重功效。但是，大部分的煤礦在礦井水處理時仍采用傳統(tǒng)的絮凝-沉淀-過濾聯(lián)合處理工藝，在高礦化度的礦井水中懸浮物多、pH值低時往往處理達不到排放標準。近些年，隨著水處理技術(shù)的不斷發(fā)展，超濾-反滲透雙膜法在礦井水處理中的應(yīng)用，使礦井水過濾處理取得良好的效果[1-5]。

1 工程概況

鎮(zhèn)城底礦位于西山煤田的西北邊緣,地處古交市西北,汾河延井田北部穿過，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力150萬t/a，礦井涌水量1 800 m3/h。由于鎮(zhèn)城底礦地質(zhì)條件復雜，煤層含水量大，隨著回采工作面的增加，礦井的實際涌水量達2 300 m3/h,礦井水在排放過程中受采掘的煤塵影響，懸浮物的質(zhì)量濃度達190 mg/L、溶解性總固體質(zhì)量濃度約為7 500 mg/L,屬典型的高礦化度水質(zhì)。經(jīng)檢測鎮(zhèn)城底礦礦井水中的H2CO3質(zhì)量濃度約55 mg/L,CODcr為 3.5 mg/L,水質(zhì)硬度 200 mg/L,pH值8.3。

為處理礦井水配套建設(shè)了一座處理量40 500 m3/d 的凈化處理站，結(jié)合鎮(zhèn)城底礦煤質(zhì)特征采用絮凝-沉淀-過濾聯(lián)合處理工藝。由于礦井涌水量大、水質(zhì)不穩(wěn)定、處理效果差，采用超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜法對原工藝系統(tǒng)的深度處理部分進行技術(shù)改造，將處理后的中水復用于礦井采掘生產(chǎn)，多余部分處理達標后進行排放。

2 超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜分離技術(shù)

為了實現(xiàn)礦井水的中水復用和零排放，鎮(zhèn)城底礦采用超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜分離技術(shù)，對原有的礦井水過濾系統(tǒng)進行技術(shù)升級改造。膜分離技術(shù)作為新型分離凈化與濃縮技術(shù)，主要用于礦井污水的深度過濾回用工程中，通過物理作用將礦井水逐步進行分離、分級、提純與富集的技術(shù)。鎮(zhèn)城底礦水處理站主要采用超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜技術(shù)，技改后礦井水處理系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示。

圖1 工藝流程圖

2.1 超濾膜(UF)

超濾技術(shù)采用壓力差作為推動礦井水流動進行篩孔分離凈化的技術(shù)。超濾膜(UF)的材質(zhì)主要為聚氯乙烯等無機膜材料，其孔徑約為0.002 μm～0.1 μm,截留相對分子質(zhì)量大約為500～500 000。在系統(tǒng)的壓力差推動下，礦井水從高壓的料液側(cè)透過超濾膜(UF)過濾到低壓側(cè)，從而得到過濾后的凈化液體，而相對分子質(zhì)量較大的雜質(zhì)則被截留。超濾過程是動態(tài)的，但雜質(zhì)分離則是在流動狀態(tài)下完成的，截留的雜質(zhì)包裹在超濾膜表面，只需通過清洗即可恢復使用效果。完整的(UF)超濾系統(tǒng)主要由水泵、自動反洗預過濾器、超濾膜(UF)組件、反向過濾泵、PLC控制系統(tǒng)和檢測裝置構(gòu)成。

超濾系統(tǒng)采用PLC控制系統(tǒng)進行自動運行管理，實現(xiàn)了礦井水的過濾、系統(tǒng)內(nèi)部的自動反沖洗、壓空吹掃及故障自檢功能，超濾系統(tǒng)的主要運行流程如下：

1) 進水過濾：經(jīng)混合沉淀和原水過濾系統(tǒng)處理后的礦井水，流入回用水池，再由超濾進水泵將水泵入UF超濾裝置。水流經(jīng)超濾膜柱的底泵入膜柱內(nèi)部，水壓為0.2 MPa。UF超濾處理系統(tǒng)的膜柱內(nèi)部的水流方向是由外向內(nèi)的擠壓方式，單個超濾膜柱的產(chǎn)能約5 t/h。

2) 反向過濾清洗：UF超濾系統(tǒng)在處理礦井水時，為保護超濾膜的使用壽命，PLC控制系統(tǒng)會按照設(shè)定程序定期對UF超濾膜進行反沖洗，以保證其使用壽命。反沖洗時，水泵會將回水從膜柱的純凈水出口逆向沖入膜柱，這種由內(nèi)而外的反向沖洗方式，可有效將截留在UF超濾膜上的懸浮物質(zhì)沖洗掉。

2.2 反滲透

RO反滲透膜技術(shù)是在高于溶液滲透壓的作用下，依據(jù)其他物質(zhì)不能透過半透膜而將這些物質(zhì)和水分離開來。反滲透膜的膜孔徑非常小，因此能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機物等。系統(tǒng)具有水質(zhì)好、耗能低、無污染、工藝簡單、操作簡便等優(yōu)點。RO反滲透工藝主要包括預處理、反滲透及后處理三部分。

1) 預處理：經(jīng)超濾系統(tǒng)過濾后的回用水，可降低大顆粒物質(zhì)對RO反滲透膜的損失。通常在預處理過程中，利用提升泵將水壓提升到一定高度，使其達到反滲透裝置所需的壓強，保證RO反滲透系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；在回用水中添加阻垢劑主要預防懸浮物質(zhì)在RO反滲透膜表面結(jié)垢；而多余的氧化劑則用還原劑進行處理，可有效避免對RO反滲透膜的損傷；并在系統(tǒng)的尾端加裝保安過濾器可預防顆粒較小的懸浮物質(zhì)堵塞RO滲透膜。

2) 反滲透：反滲透可以將礦井水中的懸浮物、無機鹽離子、硫化物、細菌和病毒有效去除。由于反滲透膜具有自動反沖洗功能，可結(jié)合RO反滲透膜的使用情況和過濾量，配制反沖洗溶液，對RO反滲透膜進行沖洗，延長反滲透膜的使用壽命和特性。

3) 后處理：將反滲透過濾處理后的清水，儲存并采用紫外線進行消毒。反滲透工藝見圖2。

圖2 反滲透工藝流程圖

3 處理效果分析

鎮(zhèn)城底礦采用超濾膜(UF)-反滲透膜(RO)分離技術(shù)用于礦井水的深度處理，效果提升顯著，設(shè)備及工藝簡單易操作，RO膜組件簡潔緊湊，自動化操作程度高，降低后期的檢修成本。

經(jīng)統(tǒng)計，采用雙膜分離技術(shù)后，每噸礦井水約耗電0.23元；每噸水約使用水處理藥劑0.15元；超濾/反滲透膜的使用周期為6 a，折和每噸水的處理成本約0.6元，合計每噸礦井水的處理費用約為0.98元。而原系統(tǒng)每噸礦井水的處理費用約為2.3元，按鎮(zhèn)城底礦水處理系統(tǒng)每年4萬t的處理量計算，年節(jié)約費用52 800元，體現(xiàn)出顯著的社會與經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)的礦井水處理技術(shù)前期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本投入高，且后期的運行維護費用大，處理效果難以達到排放標準，所以不能適應(yīng)礦井水排放處理要求。鎮(zhèn)城底礦采用的超濾(UF)-反滲透(RO)雙膜法具

有前期投入低、脫鹽和脫泥效果高、生產(chǎn)成本低、自動化程度高和操作便捷的特點，作為新型的礦井水處理技術(shù)，大幅提升處理效率，實現(xiàn)中水重復。