李 杰

(1.國(guó)家能源投資集團(tuán) 煤炭開(kāi)采水資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102211；2.中國(guó)神華能源股份有限公司 神東煤炭分公司技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315)

0 引言

我國(guó)的煤炭資源和水資源明顯呈現(xiàn)逆向分布，西部地區(qū)(山西、陜西、內(nèi)蒙古、寧夏、甘肅和新疆)的煤炭資源總量占全國(guó)煤炭資源總量的81%左右，而該地區(qū)的水資源僅占全國(guó)水資源的7.9%[12]。西部地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺的情況一方面嚴(yán)重制約了該區(qū)域煤炭開(kāi)發(fā)及下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，另一方面也影響了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳a(chǎn)和生活[3]。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，地下水與煤、巖層接觸，發(fā)生一系列物理、化學(xué)作用而形成礦井水。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)礦井水總產(chǎn)生量約為69億t，平均利用率僅為35%[4]。礦井水的充分利用將在極大程度上解決我國(guó)西部煤炭產(chǎn)區(qū)的水資源短缺問(wèn)題。礦井水的水質(zhì)主要取決于地下水的原始水質(zhì)，此外也受煤粉、巖粉以及采礦過(guò)程中排放的乳化液、廢物等的影響，礦井水按污染特點(diǎn)可以分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含特殊污染物礦井水[56]。

高礦化度礦井水一般指溶解性總固體(TDS)質(zhì)量濃度不小于1 000 mg/L的礦井水，礦化度高的主要原因是地下水與碳酸鹽和硫酸鹽類(lèi)巖層接觸，使該類(lèi)礦物質(zhì)溶于礦井水[78]。西部地區(qū)礦井水中的主要污染物是懸浮物(SS)和溶解性無(wú)機(jī)鹽，懸浮物可以通過(guò)混凝—沉淀—過(guò)濾、高密度斜板沉淀、微砂絮凝、磁分離以及煤礦地下水庫(kù)采空區(qū)凈化等技術(shù)以較低成本去除，尤其是煤礦地下水庫(kù)采空區(qū)凈化技術(shù)充分利用了采空區(qū)中冒落的巖體對(duì)礦井水的過(guò)濾、沉淀、吸附等作用，實(shí)現(xiàn)了礦井水的大規(guī)模低成本處理[9]。脫鹽過(guò)程是高礦化度礦井水處理中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，常用的脫鹽技術(shù)可以分為膜法、電化學(xué)法和膜熱耦合法[10]。

1 膜法脫鹽

膜法脫鹽是在壓力作用下，通過(guò)膜上的孔將不同物質(zhì)進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)脫鹽作用，用于高礦化度礦井水脫鹽的膜技術(shù)主要是反滲透(RO)深度脫鹽技術(shù)、納濾(NF)適度脫鹽技術(shù)。

1.1 反滲透深度脫鹽

反滲透是一種以壓力作為推動(dòng)力，利用反滲透膜只允許水分子通過(guò)的特性，將水分子與水中的所有離子進(jìn)行分離的技術(shù)，處理后低濃度側(cè)為產(chǎn)水，高濃度側(cè)為高濃鹽水[11]。反滲透技術(shù)工藝成熟，膜系統(tǒng)主要以苦咸水淡化膜(BWRO)、海水淡化膜(SWRO)和蝶管式反滲透膜(DTRO)為主，具體根據(jù)礦井水的TDS和污染程度選擇使用。反滲透產(chǎn)水的TDS可滿足不大于30 mg/L，且水中的有機(jī)物和微生物等污染物也可以有效去除。基于產(chǎn)水水質(zhì)高的特性，RO已經(jīng)成為高礦化度礦井水脫鹽最主要的方法。同時(shí)，應(yīng)用RO技術(shù)脫鹽的企業(yè)也面臨著預(yù)處理要求高、膜結(jié)垢堵塞、產(chǎn)水回收率較低、高能耗、高成本等問(wèn)題，這也是制約RO技術(shù)在高礦化度礦井水脫鹽領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的因素。

國(guó)家能源集團(tuán)寧煤靈新煤礦礦井水的礦化度平均值達(dá)到了4 570 mg/L，該礦采用“直濾系統(tǒng)+反滲透系統(tǒng)”的“井下雙膜法”深度處理工藝，有效實(shí)現(xiàn)懸浮物的去除和脫鹽的效果[12]。靈新煤礦礦井水在井下經(jīng)預(yù)沉調(diào)節(jié)池進(jìn)入直濾系統(tǒng)，直濾過(guò)程可以去除水中懸浮物、膠體等分子較大的物質(zhì)。直濾產(chǎn)水經(jīng)保安過(guò)濾器后，通過(guò)高壓泵供至原水反滲透設(shè)備，脫去水中絕大多數(shù)無(wú)機(jī)鹽和其他污染物，產(chǎn)生的純水進(jìn)入純水產(chǎn)品池，產(chǎn)生的濃水進(jìn)入納濾除硬設(shè)備。納濾膜可以有效去除水中二鉀離子，除硬效率達(dá)到90%以上，軟化后的濃水進(jìn)入濃水池，軟化水經(jīng)保安過(guò)濾器，通過(guò)高壓泵供至濃水反滲透設(shè)備進(jìn)一步脫鹽，產(chǎn)生的純水進(jìn)入純水產(chǎn)品池，產(chǎn)生的濃水進(jìn)入濃水池。通過(guò)此套井下雙膜深度處理工藝，可以得到礦化度小于200 mg/L的產(chǎn)水，且產(chǎn)品水回收率達(dá)到85%以上。

韋文術(shù)等[13]對(duì)山東新巨龍煤礦井下礦井水處理裝置反滲透膜組件失效的原因進(jìn)行了分析。在測(cè)試源水水樣中硬度、渾濁度和離子濃度等參數(shù)的基礎(chǔ)上，使用VisualMINTEQ計(jì)算環(huán)境水化學(xué)平衡工具監(jiān)理了污染物預(yù)測(cè)模型，并通過(guò)肉眼檢測(cè)、燒矢量(LOI)、掃描電鏡(SEM)和藤原測(cè)試等方法對(duì)反滲透組件失效的原因進(jìn)行了分析。通過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)反滲透膜組件失效主要由是膜表面的結(jié)垢以及顆粒物沉積導(dǎo)致的，這主要是因?yàn)樵摰V井下供水的渾濁度和硬度過(guò)高，認(rèn)為反滲透膜組件失效的情況可以通過(guò)對(duì)保安過(guò)濾器維護(hù)、增加阻垢劑等方式得到緩解。

1.2 納濾適度脫鹽

葛光榮等[16]針對(duì)目前高礦化度礦井水脫鹽技術(shù)存在的能耗高、工藝復(fù)雜、脫鹽過(guò)度等問(wèn)題，提出了適用于礦區(qū)微咸礦井水(TDS在1 000～3 000 mg/L)的適度脫鹽工藝。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)納濾膜能夠允許95%以上的一價(jià)離子通過(guò)，同時(shí)截留大部分的二鉀離子，表現(xiàn)出了很好地選擇透過(guò)性；同時(shí)，納濾膜在不同工藝條件下表現(xiàn)出37.4%～98.25%的脫鹽率，在微咸礦井水適度脫鹽方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢(shì)；此外，相較反滲透膜，納濾膜由于運(yùn)行壓力低、孔徑大的特點(diǎn)，表現(xiàn)出了更好的抗污性能。

武睿等[17]以新疆某地地下水作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)淺層地下水表現(xiàn)出堿性大、礦化度高、硬度高的特點(diǎn)。針對(duì)地下水高硬度、高礦化度的特點(diǎn)，選用以納濾為主的處理工藝對(duì)地下水進(jìn)行處理，TDS去除率為81.37%、硬度去除率為90.88%，硫酸根的去除率為92.49%，出水水質(zhì)優(yōu)于飲用水國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)對(duì)反滲透和納濾工藝進(jìn)行了比較，反滲透去除TDS、硬度和硫酸根的效率都優(yōu)于反滲透，尤其是TDS去除率達(dá)到了97.51%，硬度和硫酸根的去除率方面相差不大，但是成本明顯高于納濾。

2 電化學(xué)法脫鹽

電化學(xué)法脫鹽主要實(shí)在外部電壓的作用下，高礦化度礦井水中正負(fù)離子定向移動(dòng)導(dǎo)致的脫鹽作用。常見(jiàn)的電化學(xué)法脫鹽工藝主要是電滲析(ED)和電吸附(EST)。

2.1 電滲析脫鹽

電滲析是一種結(jié)合電化學(xué)和膜技術(shù)的礦井水脫鹽技術(shù)。在正負(fù)電極之間交替放置陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜，利用陰陽(yáng)離子交換膜對(duì)陰陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性。在外加直流電廠的驅(qū)動(dòng)下，使陰陽(yáng)離子定向移動(dòng)，在陰陽(yáng)離子交換膜之間交替形成淡水室和濃水室，實(shí)現(xiàn)高礦化度礦井水的脫鹽[18]。電滲析脫鹽技術(shù)最適宜將礦化度為1 000～5 000 mg/L的礦井水脫至500 mg/L左右，我國(guó)西部地區(qū)絕大部分礦井水適宜采用電滲析技術(shù)脫鹽。電滲析技術(shù)具有應(yīng)用靈活、操作簡(jiǎn)單、維修方便、預(yù)處理簡(jiǎn)單和壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，很好就被應(yīng)用在礦井水脫鹽中。同時(shí)電滲析技術(shù)也因?yàn)椴荒苋コ袡C(jī)物、易結(jié)垢、脫鹽率低的問(wèn)題逐漸被反滲透技術(shù)取代。

叢鑫[19]對(duì)海州露天煤礦排水坑礦井水進(jìn)行了電滲析除鹽試驗(yàn)，利用電壓電流法測(cè)試了電滲析工藝的極限電流密度，不斷提高操作電壓獲得電流值與脫鹽率的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果顯示電滲析工藝的極限電流為1.86 A，對(duì)應(yīng)的操作電壓為55 V，此時(shí)礦井水的脫鹽率在70%以上，淡水中總硬度、溶解性總固體達(dá)到了飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 電吸附脫鹽

電吸附脫鹽技術(shù)是利用外加電場(chǎng)，在電極間形成靜電場(chǎng)，在靜電場(chǎng)的作用下，高礦化度礦井水中正負(fù)離子分別向不同的電極移動(dòng)，吸附在電極表面，從而達(dá)到高礦化度礦井水脫鹽的目的。與應(yīng)用較廣的反滲透和電滲析相比，電吸附具有除鹽總量大、無(wú)二次污染、耐沖擊性能強(qiáng)、不受余氯影響、預(yù)處理簡(jiǎn)單、結(jié)垢少、壽命長(zhǎng)、操作簡(jiǎn)單、成本低、除鹽率連續(xù)可調(diào)、可去除特殊離子(如F-)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在除鹽率低、再生時(shí)間長(zhǎng)等致命缺點(diǎn)，這也是導(dǎo)致電吸附技術(shù)目前在高礦化度礦井水脫鹽領(lǐng)域無(wú)法大面積使用的原因[21]。

李鳳山等[22]采用雙模塊電吸附裝置對(duì)礦井水進(jìn)行了20 d的連續(xù)試驗(yàn)，平均處理量為4 932 m3/d，試驗(yàn)主要研究電吸附工藝對(duì)溶解性總固體、堿度、硬度、Cl-、CODCr等指標(biāo)的處理效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)水TDS在1 600～1 800 mg/L時(shí)，脫鹽率可以達(dá)到40%～50%；產(chǎn)水的堿度和硬度分別保持在90～120 mg/L、60～100 mg/L，均達(dá)到電廠循環(huán)冷卻水水質(zhì)要求；產(chǎn)水中Cl-在投加鹽酸后仍可低于進(jìn)水濃度，且完全能夠滿足電廠循環(huán)冷卻水的要求；產(chǎn)水CODCr較原水略低，但去除效果不明顯。

濟(jì)寧三號(hào)煤礦利用混凝沉淀+電吸附技術(shù)該礦的高懸浮物、高礦化度礦井水進(jìn)行分質(zhì)處理和利用，取得了很好地經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益[23]。該礦礦井水具有高懸浮物、高礦化度的特性，其中懸浮物含量在300～2 000 mg/L，TDS為1 690 mg/L，總硬度和總堿度分別為216 mg/L和533 mg/L。電吸附設(shè)計(jì)處理能力為8 000 m3/d，產(chǎn)水率75%。以6 000 m3/d流量對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試時(shí)，產(chǎn)水率也達(dá)到了78.1%，產(chǎn)水TDS≤640 mg/L，總硬度和總堿度分別小于91 mg/L和189 mg/L，水質(zhì)優(yōu)于電廠循環(huán)冷卻水的要求。

3 膜-熱耦合法脫鹽

膜熱耦合法是結(jié)合傳統(tǒng)蒸餾工藝和膜技術(shù)的一種新型脫鹽方法。目前，用于礦井水脫鹽領(lǐng)域研究的技術(shù)只有膜蒸餾(MD)技術(shù)。

膜蒸餾技術(shù)是以疏水性微孔膜作為分離界面，以膜兩側(cè)蒸汽壓力差作為傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力的一種分離技術(shù)。膜蒸餾設(shè)備一般可以分為進(jìn)料側(cè)、疏水膜和滲透?jìng)?cè)。膜蒸餾過(guò)程可以分為3步：①高溫水在進(jìn)料側(cè)汽化；②水蒸氣穿過(guò)疏水膜進(jìn)入滲透?jìng)?cè);③水蒸氣在滲透?jìng)?cè)進(jìn)行冷凝。按照滲透?jìng)?cè)的不同冷凝方式，膜蒸餾可以分為以下4種：直接接觸式膜蒸餾(DCMD)、氣隙式膜蒸餾(AGMD)、吹掃氣式膜蒸餾(SGMD)和真空式膜蒸餾(VMD)[2425]。與傳統(tǒng)膜脫鹽技術(shù)相比，膜蒸餾技術(shù)操作壓力低、濃縮倍數(shù)高、產(chǎn)水水質(zhì)好。與傳統(tǒng)蒸餾技術(shù)相比，膜蒸餾技術(shù)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、溫度要求低、熱源要求低。由于目前膜蒸餾技術(shù)在高礦化度礦井水脫鹽領(lǐng)域研究起步較晚，還沒(méi)有成熟的進(jìn)行應(yīng)用。

卞偉等[2627]以西部某煤礦礦井水地面處理站超濾后的礦井水作為來(lái)水，研究了工藝參數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等對(duì)膜蒸餾處理效果和膜性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)膜通量影響最大的因素是冷側(cè)真空度，最優(yōu)操作條件為熱料液溫度75 ℃、流量1 L/min、真空度90 kPa；膜通量隨著濃縮倍速的增加而明顯降低，脫鹽率則始終不變，始終維持在99.5%以上；隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，膜通量逐漸下降，這主要是因?yàn)槟の廴竞湍?rùn)濕。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)有高礦化度礦井水脫鹽技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高效脫鹽，產(chǎn)水水質(zhì)完全可以滿足復(fù)用和排放要求，但現(xiàn)有技術(shù)普遍存在高能耗、高成本的問(wèn)題。

(2)針對(duì)高能耗、高成本的問(wèn)題，明確“分質(zhì)處理，分類(lèi)利用”的適度脫鹽的思路，從源頭上降低脫鹽成本。

(3)應(yīng)充分利用西部地區(qū)太陽(yáng)能、地?zé)豳Y源豐富的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)適合西部地區(qū)礦井水脫鹽處理的新技術(shù)。