胡 林

(麥王環(huán)境技術(shù)股份有限公司，上海 200082)

礦井廢水是指采煤過程中所有滲入井下開采空間的地下水。我國煤炭開采行業(yè)每年產(chǎn)生的礦井廢水為80億t左右，利用率未超過30%[1]。短期內(nèi)，我國能源仍是煤炭占據(jù)主導(dǎo)地位，實現(xiàn)礦井廢水的資源化利用、減少對周邊水系統(tǒng)的破壞，具有非常重大的社會、環(huán)境、經(jīng)濟效應(yīng)。礦井廢水零排放的設(shè)計及應(yīng)用均借鑒煤化工、垃圾填埋滲濾液等行業(yè)的工程經(jīng)驗，礦井廢水行業(yè)目前經(jīng)驗較少，處于探討摸索階段[2]。肖艷等[3]認(rèn)為，礦井廢水中含乳化油等污堵反滲透膜的因子，大量工程實踐證明“過濾+超濾”能有效去除油類和膠體顆粒，從而減輕后續(xù)反滲透膜處理負(fù)荷，避免膜被污染。目前，已建礦井廢水系統(tǒng)中膜法脫鹽在工程中極易產(chǎn)生膜結(jié)垢、變形等問題，膜使用壽命短、處理成本增加[4]。膜分離技術(shù)在深度處理的脫鹽、減量化、物料提濃等方面應(yīng)用較多[5-6]。蒸發(fā)系統(tǒng)較多地論述以膜濃縮后的高濃鹽水為進水的設(shè)計應(yīng)用工況，未涉及到前端的預(yù)處理和濃縮的情況[7]，以及各獨立單元的研究，無法反映整體設(shè)計思路，對實際項目的應(yīng)用借鑒意義不足。

本文針對零排放工程中易污堵、易結(jié)垢、固廢回收利用等方面提出了具體解決方案，同時參考相關(guān)行業(yè)經(jīng)驗，從多級除硬、多級反滲透濃縮、多效蒸發(fā)等重點工藝單元進行剖析，并以技術(shù)經(jīng)濟分析為基礎(chǔ)，以工藝全流程的角度對礦井廢水零排放設(shè)計進行了探討與總結(jié)，對同類型項目的設(shè)計提供一定的指導(dǎo)與參考。

1 項目概況

某礦目前礦井廢水最大排水量為8 541.6 m3/d，平均排水量為8 315.7 m3/d，新采區(qū)開采后，每天排水量約增加1 900 m3，井下排水量預(yù)計將達10 215.7 m3/d，本工程設(shè)計規(guī)模按照10 000 m3/d。經(jīng)過粗過濾的水，直接回用2 000 m3/d，剩余8 000 m3/d經(jīng)過深度脫鹽處理，分別直接供礦區(qū)電廠與井下回用5 000 m3/d、地面復(fù)用(礦區(qū)其他工業(yè)用水或達標(biāo)排放)2 800 m3/d。蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)設(shè)計規(guī)模按照15 m3/h，產(chǎn)出300 t/d Na2SO4、0.22 t/d NaCl、1.88 t/d雜鹽、母液外排量≤1 t/d；蒸發(fā)凝結(jié)水回用，其中，母液按危廢處理。含水率為70%的干污泥全部作為固廢處理，24 t/d。

項目設(shè)計主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計進出水水質(zhì)Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

注：設(shè)計上下限負(fù)荷為±10%

2 工藝流程

礦井廢水自井下提升至預(yù)沉調(diào)節(jié)池，經(jīng)過澄清池去除大部分懸浮物后，再經(jīng)過多介質(zhì)過濾池深度去除微小顆粒，出水SS≤1 mg/L。錳砂過濾器去除鐵污染，超濾去除水中的懸浮物、膠體及細(xì)菌等后，進入第一級反滲透，投加阻垢劑、非氧化性殺菌劑、還原劑等，濃水中鈣、鎂等易結(jié)垢離子濃度非常高，濃水進入管式微濾膜(以下簡稱TMF)系統(tǒng)除硬除硅，同時降低水中的SS，確保出水滿足二級反滲透系統(tǒng)的進水要求。預(yù)處理后的水進入第二級反滲透，投加阻垢劑、非氧化性殺菌劑等，濃水進入離子交換系統(tǒng)，去除管式微濾單元未去除的鈣、鎂等硬度。趨近于零硬度的高鹽水進入DTRO系統(tǒng)深度提濃，提高全系統(tǒng)的回收率并減量濃水。DTRO的濃鹽水進入蒸發(fā)結(jié)晶繼續(xù)處理。其中，工藝輔助系統(tǒng)設(shè)有：污泥脫水系統(tǒng)、過濾單元反洗系統(tǒng)、膜單元清洗系統(tǒng)、干燥及包裝系統(tǒng)、儲配藥系統(tǒng)等。具體主工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程圖Fig.1 Flow Chart of the Process

3 主要設(shè)備及建(構(gòu))筑物參數(shù)

3.1 預(yù)處理及膜濃縮段主要設(shè)備及建(構(gòu))筑物參數(shù)

(1)預(yù)沉調(diào)節(jié)池。處理能力為10 000 m3/d，2座，有效停留時間為40 min。

(2)澄清池。單組處理能力為250 m3/h，2座?？傮w積為1 020 m3；分離區(qū)表面負(fù)荷為2.21 m/h。配套設(shè)備：乙丙共聚蜂窩狀斜管填料、中心傳動刮泥機、污泥循環(huán)泵及剩余污泥泵等。

(3)多介質(zhì)過濾池。單組處理能力為250 m3/h，2座。總體積為152 m3，濾速為7.81 m/h。池內(nèi)含卵石20 t、石英砂40 t、無煙煤20 t。

(4)除鐵過濾器。單組處理能力為67 m3/h，6用1備，共7套，回收率≥95%。過濾器筒體尺寸為?3.40 m×7.00 m，結(jié)構(gòu)為碳鋼襯塑，濾速為7.50 m/h。

(5)超濾。外壓式PVDF超濾膜，單套處理能力為200 m3/h，2套，回收率≥95%，平均通量≤40 L/(m2·h)。

(6)一級反滲透。采用卷式抗污染復(fù)合膜，單套設(shè)計進水量為180 m3/h，2 套，排列方式為一級兩段，回收率≥75%，脫鹽率≥98%，通量≤18 L/(m2·h)。

(7)TMF。采用PVDF 膜，單只膜面積為4.25 m2，單只膜長度為1.828 8 m，單只膜61只膜管，膜內(nèi)徑為12.7 mm，膜孔徑為0.05 μm。單套設(shè)計進水量為45 m3/h，2套，回收率≥98%，過濾通量≤300 L/(m2·h)。含4套功率55 kW的循環(huán)泵，2套11 kW的反洗泵。

(8)二級反滲透。一段采用卷式抗污染復(fù)合膜，二段海水淡化膜。單套設(shè)計進水量為45 m3/h，2套，排列方式為一級兩段，回收率≥70%，脫鹽率≥98%，通量≤16 L/(m2·h)。

(9)離子軟化。采用氫型弱酸陽樹脂進行軟化除硬。過濾器筒體尺寸為?1.60 m×5.50 m；樹脂填充量高度為2.5 m。單套設(shè)計進水量為27 m3/h，1用1備。配套再生酸加藥系統(tǒng)1套。

(10)DTRO系統(tǒng)。單套設(shè)計進水量為15 m3/h，2套，采用聚酰胺工業(yè)抗污染RO膜；單只膜規(guī)格參數(shù)：長度為1 400 mm，外部直徑為224 mm，內(nèi)部直徑為202 mm，導(dǎo)流盤數(shù)量為210片，209個膜片，膜面積為9.405 m2；總膜面積為1 692.9 m2，膜柱串聯(lián)布置，設(shè)計壓力120 MPa?；厥章蕿?0%，脫鹽率≥95%，通量≤10 L/(m2·h)。

(11)建(構(gòu))筑物。

根據(jù)工藝設(shè)計路線，確定主要建(構(gòu))筑物尺寸如表2所示。

表2 建(構(gòu))筑物設(shè)計參數(shù)Tab.2 Design Parameters of Buildings and Structures

3.2 蒸發(fā)結(jié)晶段主要設(shè)備及建(構(gòu))筑物參數(shù)

(1)主體設(shè)備。一效加熱器1臺，換熱面積為340 m2，工作溫度為(100±5)℃；二效加熱器1臺，換熱面積為300 m2，工作溫度為(85±5)℃；三效加熱器1臺，換熱面積為300 m2，工作溫度為(75±5)℃;冷凝器1臺，換熱面積為300 m2，工作溫度為(85±5)℃；稠厚釜1臺，容積為5 m3，設(shè)計溫度為100 ℃；NaCl蒸發(fā)釜1臺，容積為3 m3。雜鹽蒸發(fā)釜1臺，容積為3 m3。

(2)干燥及包裝系統(tǒng)。流化床1臺，產(chǎn)量為2.0 t/h，材質(zhì)為316 L；干燥鼓風(fēng)機1臺，裝機功率為3.7 kW；25 kg包裝線1套，含螺旋喂料機、夾袋機構(gòu)、人工碼垛升降平臺等。

(3)蒸發(fā)結(jié)晶車間。尺寸：長×寬×高=36.00 m×12.0 m×20.0 m，框架結(jié)構(gòu)，安裝蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)設(shè)備。

4 關(guān)鍵工藝技術(shù)

4.1 管式微濾除硬+離子軟化除硬

傳統(tǒng)的高效軟化澄清池，占地面積大、現(xiàn)場運維環(huán)境較差，較適用于大水量工段。本項目用地緊張，水量較小，一級除硬工藝選用TMF。TMF系統(tǒng)一次投資成本偏高，運行費用略低(不投加PAC、PAM)。TMF運行溫度≤45 ℃，最大進水壓力為0.3 MPa。一級反滲透濃縮高鹽水，其總硬度(以CaCO3計)≤830 mg/L，總硅≤160 mg/L。通過投加鎂劑、NaOH、Ca(OH)2等除硬藥劑，在pH值為10～11的條件下，將水中鈣、鎂等硬度因子生成CaCO3、Mg(OH)2沉淀物，TMF以錯流過濾的方式將污水中微米級及以上粒徑的SS、COD等攔截濃縮在回流液中，清水則通過TMF產(chǎn)水通道匯集。TMF系統(tǒng)設(shè)計出水中Ca2+≤20 mg/L、Mg2+≤20 mg/L、總硅≤20 mg/L、濁度≤1 NTU、SDI≤5，滿足后續(xù)反滲透系統(tǒng)的進水要求。

離子軟化樹脂系統(tǒng)的進水為二級反滲透的濃縮液，總硬度(以CaCO3計)≤300 mg/L。氫型弱酸陽樹脂能大量置換硬度，經(jīng)離子軟化單元的設(shè)計出水，其硬度≤5 mg/L，最大程度地限制了進入后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)中廢水的總硬度值，防止結(jié)垢發(fā)生。

TMF、離子軟化的再生廢液經(jīng)化學(xué)沉淀處理后，產(chǎn)生的泥渣配板框壓濾處理，上清液返回至二級濃縮系統(tǒng)，循環(huán)利用，固廢委托外包單位處理。

4.2 高鹽濃縮DTRO系統(tǒng)

DTRO系統(tǒng)在垃圾滲濾液處理、海水、苦咸水脫鹽凈化、物料脫鹽濃縮及廢水處理中有廣泛的應(yīng)用和成功案例[9]。膜片采用工業(yè)物料分離級別的抗污染RO膜片，表面電荷性能趨中性，強化了脫鹽穩(wěn)定性及抗污染能力；膜片采用圓形結(jié)構(gòu)，有效地消除了料液沖擊，提高了組件內(nèi)部的穩(wěn)定性，降低了膜片被刺穿的可能性；膜組件支撐板上設(shè)有大量花紋凸點，該凸點可增強廢水流動過程中的湍流，降低膜面的濃差極化，故適用于高污染、高鹽分的物料濃縮。

二級反滲透濃液TDS為56 000 mg/L，CODCr為150 mg/L。該股濃液TDS高、滲透壓高、COD高、污染程度高，普通反滲透無法適用于該工況，為進一步將濃鹽水減量，減少蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)負(fù)荷與投資，本項目采用DTRO系統(tǒng)進行濃縮。DTRO濃縮液設(shè)計TDS為110 000 mg/L，CODCr為300 mg/L，該數(shù)值能確保整套DTRO系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，維護及清洗頻次在可接納范圍內(nèi)。DTRO系統(tǒng)設(shè)計的產(chǎn)水TDS≤3 000 mg/L，CODCr為5 mg/L，產(chǎn)水經(jīng)與其他反滲透產(chǎn)水混合后滿足地面復(fù)用水水質(zhì)要求。DTRO系統(tǒng)單獨配置1套清洗系統(tǒng)，定期恢復(fù)系統(tǒng)的生產(chǎn)性能。

4.3 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)

雜鹽處理成本較高，為減少雜鹽量，結(jié)合設(shè)計水質(zhì)，對本項目進行分鹽處理，常用的工藝方法有多效蒸發(fā)(以下簡稱MEV)、機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)工藝等[10]。MEV工藝操作難度低，該礦區(qū)有可利用的蒸汽，因此，本項目選用MEV工藝。蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程如圖2所示。

圖2 蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程圖Fig.2 Process Flow Chart of Evaporation and Crystallization

蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)進水主要成分：Na2SO4為9.92%(wt)；NaCl為0.33%(wt)。根據(jù)100 ℃時NaCl與Na2SO4的飽和相圖，NaCl的飽和濃度控制不能超過23%(wt)，故蒸發(fā)系統(tǒng)濃縮倍數(shù)約為70倍。采用雙級活塞推料離心機進行Na2SO4副產(chǎn)鹽的固液分離。NaCl鹽采用立式刮刀離心機分離，采用振動流化床干燥機。蒸發(fā)濃縮混合液中CODCr約25 000 mg/L，總硅含量約4 000 mg/L，設(shè)計及時排出含高COD的大塊料，延緩干燥床死床周期。考慮硅鹽的結(jié)垢問題，為防止硅鹽在系統(tǒng)內(nèi)結(jié)垢，設(shè)計堿洗除硅系統(tǒng)。

定期排放母液來保證產(chǎn)品鹽品質(zhì)，結(jié)晶鹽分為Na2SO4、NaCl及雜鹽。品質(zhì)滿足如下要求：Na2SO4符合GB/T 6009—2014工業(yè)無水Na2SO4Ⅰ類一等品；NaCl符合GB/T 5462—2015日曬工業(yè)鹽二級指標(biāo)；雜鹽含水率≤8%。

5 礦井廢水零排放技術(shù)經(jīng)濟分析

5.1 投資概算

該設(shè)計工程總投資為8 015萬元，包含用地范圍內(nèi)的全部土建、設(shè)備安裝、調(diào)試及其他費用的工程建設(shè)總投資。具體各單項投資如表3所示。

表3 工程投資Tab.3 Investment of the Project

5.2 運行成本估算

所有費用均以400 m3/h的進水量計算，具體的運行成本統(tǒng)計如下。

(1)藥劑費用。本項目藥劑投加種類及投加量：5% PAC年投加量為100 t、0.1% PAM年投加量為2 t、10%次氯酸鈉年投加量為230 t、40%NaOH年投加量為480 t、98% H2SO4年投加量為2 950 t、95% Ca(OH)2年投加量為3 600 t、非氧化性殺菌劑年投加量為30 t、阻垢劑年投加量為5.6 t、亞硫酸氫鈉年投加量為8.1 t、鎂劑年投加量為151 t、消泡劑年投加量為0.85 t、EDTA年投加量為1.0 t等藥劑，年消耗量合計費用為2.714 元/m3。

(2)低壓蒸汽費用。供蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)給熱用，單價按180元/t，全年蒸汽消耗量為51 100 t，蒸汽費用為2.625元/m3。

(3)電費。單價按0.7 元/(kW·h)計，全年電耗為1 469.67×105kW·h，電費為2.936元/m3。

(4)人工成本。平均工資按8 000元/(人·月)計，本項目配置30人，年人工費為288萬元，折合噸水人工費為0.822元/m3。

(5)合計。總運行成本為9.097元/m3。

6 結(jié)論

零排放工程設(shè)計工藝段繁復(fù)、各單元工藝關(guān)系緊密，設(shè)計時需考慮前后工藝段的匹配性，明確各單元的設(shè)計目的。

(1)礦井廢水要達到零排放，必須對礦井廢水溶解性總固體進行處理，并達到生產(chǎn)、生活用水標(biāo)準(zhǔn)。本項目是保證某煤礦可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，其建設(shè)是非常必要的。

(2)礦井廢水回用將減少外取水量，節(jié)省排污費和水資源。每年減少外取水量165萬t，減少鹽排放量約10萬t。

(3)通過工藝比選，項目采用“過濾澄清+超濾+一級反滲透+一級TMF+二級反滲透+離子軟化+三級反滲透+多效蒸發(fā)”的工藝方案，投資省，運行穩(wěn)定可靠。

(4)礦井廢水經(jīng)初沉后，COD較低，多次濃縮后可引起系統(tǒng)污堵等，有必要增加COD深度處理的措施，充分保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性及末端結(jié)晶鹽的品質(zhì)。