張洪亮

（寧夏煤礦設計研究院有限責任公司，寧夏 銀川 750000）

引言

我國淡水資源貧乏，空間分布上也極不平衡、存在較大的差異，這點在煤炭工業(yè)中顯得尤為突出，有煤炭的地域缺水，而有水的地方缺煤。寧夏寧東煤炭地基地處西北腹地，坐落在寧夏回族自治區(qū)中東部，這里是典型的資源型缺水與工程型缺水并存的干旱地區(qū)，煤炭儲量豐富，但水資源匱乏，形成了“煤多水少”的局面。該區(qū)域年平均降水量在300 mm 以下，而蒸發(fā)系數較高，供水量與蓄水量矛盾逐年加劇。煤礦開采過程中產生設備冷卻水、降塵水、防滅火水和采空區(qū)涌水混合在一起形成礦井水，若礦井水未經處理排放，對地下水和地表水環(huán)境都會產生污染。本工程設計采用超濾膜和反滲透膜處理技術對礦井水進行深度處理，為煤礦企業(yè)提供了一種經濟合理、技術可靠的礦井水處理工藝方案。

1 礦井水處理工程現狀

1.1 現狀簡介

該煤礦位于寧夏回族自治區(qū)寧東煤田靈武礦區(qū)，礦井建設規(guī)模為18 Mt/a。近三年礦井水平均日涌水量為19 000 m3/d，生產生活平均日用水量11 000 m3/d，其中生活用水量2 000 m3/d，生產用水量9 000 m3/d。井下礦井水經中央水泵房提升至地面，地面礦井水處理站采用預沉+加砂速沉凈化+過濾工藝對礦井水進行預處理，去除水中懸浮物和濁度。因水的鹽分較高，達到8 000 mg/L，對設備和構筑物均有較強的腐蝕性，不能直接復用，澄清后礦井水僅少部分回用煤場降塵、道路灑水，大部分礦井水排至南湖臨時存蓄。礦井生活生產用水取自黃河水，由于近些年黃河流域生態(tài)環(huán)保政策調整，黃河用水指標逐年降低，已經影響到煤礦企業(yè)的正常生產，礦井供、用水矛盾加劇，生產用水不足的問題亟待解決[1]。

1.2 存在問題

根據該煤礦開采生產規(guī)劃和用水情況，并采取了節(jié)水措施降低生產用水量，預計2030 年前計劃生產用水量為8 000 m3/d，現有礦井水處理設施和處理工藝不滿足生產用水水質標準要求。

礦井水水源中溶解性總固體、總硬度、硫酸鹽、氯化物指標較高，無法直接復用，需要進一步深度處理。礦井水預處理后水質，如表1 所示。

表1 礦井水預處理后水質

2 深度處理技術方案

通過對礦井水水質、現有處理工藝和存在問題分析，首先明確生產用水水質要求，提出合理的工藝路線，并確定建設規(guī)模。建設規(guī)模：處理水量14 000 m3/d，設計回收率60%，產水量8 400 m3/d。主要建設內容：新建礦井水深度處理水廠，采用超濾+反滲透處理工藝，將預處理后礦井水進行深度處理回用。廠區(qū)總用地面積9 861 m2，總建筑面積2 967 m2。本次工程設計包括兩部分，分別為礦井水深度處理廠和復用水管網建設。深度水處理出水水質，如表2 所示。

表2 深度處理出水水質

3 深度處理工藝流程（見圖1）

圖1 礦井水深度處理工藝流程

4 工程設計

4.1 超濾系統(tǒng)

超濾膜可以截留溶解的大分子物質，主要是蛋白質、乳膠、細菌、微粒子等。超濾的操作壓力小，透水量大，運行費用低。超濾膜前設置自清洗過濾器，截留過濾精度100 μm 的顆粒物，再送入超濾系統(tǒng)，超濾配備反沖洗泵和相關化學清洗酸、堿及次氯酸鈉藥劑箱和計量泵。本設計選用外壓式立式超濾膜[2]。

在反滲透系統(tǒng)前增加超濾系統(tǒng)進行膜前預處理，預處理后水中剩余懸浮物被全部除去，超濾按照最大處理水量18 000 m3/d 設計，每套超設備的處理水量為q=210 m3/h，總處理量Q=1 050 m3/h，所需5 套，考慮1 套備用，共6 套，設計回收率＞90%。

裝置組成：超濾給水泵，Q=210 m3/h，H=30 m，N=37 kW，材質不銹鋼316 L，設6 臺，5 用1 備。膜組件，單支超濾膜面積75 m2，膜通量45 L/m2·h，選用中空纖維PVDF 膜，膜孔徑0.03 um，產水濁度＜0.2 NTU，膜高度2.5 m。超濾膜滑架每套安裝60 支外壓式膜組件，立式安裝，尺寸為6.5 m×3.0 m×3.5 m，材料采用碳鋼防腐。

超濾膜清洗系統(tǒng)：超濾系統(tǒng)運行中，隨著運行時間的增長，超濾膜孔會被水中的污染物所堵塞，從而導致膜通量降低。需要定期對超濾膜進行清洗，本設計采用氣水反沖洗與化學藥劑清洗的方法對超濾膜進行清洗。1）氣水反沖洗：常規(guī)反洗周期取30 min，氣擦洗時間20 s，氣水反洗30 s，排放時間40 s。超濾反洗泵，Q=400 m3/h，H=30 m，N=75 kW，材質不銹鋼316 L，設2 臺，1 用1 備。氣沖選用微油螺桿式空壓機，用于反沖氣源和氣動閥門控制，設2 臺，1 用1 備。2）化學清洗：當氣、水沖洗效果不理想時，則需要對超濾膜進行化學藥劑清洗?；瘜W清洗藥劑采用次氯酸鈉、鹽酸和液堿。溶藥和加藥設備選用成套設備，包含溶藥箱、計量加藥泵等，采用變頻控制。

附屬構筑物：1）緩沖水池：用于調節(jié)預處理來水和超濾系統(tǒng)處理水量的差值，形式為鋼筋混凝土水池一座，有效容積1 400 m3。2）反沖排水池：用于暫存超濾系統(tǒng)的反洗水和錯流排水。根據水量平衡，錯流排水按照5%設計，為900 m3/d，反洗排水為1 795 m3/d，設鋼筋混凝土水池一座，有效容積1 200 m3。3）超濾產水池：用于存放超濾產品水。設鋼筋混凝土水池一座，有效容積1 400 m3。

監(jiān)測儀表：為監(jiān)測水質指標，設PH、ORP 分析儀、高量程和低量程濁度儀、SDI 監(jiān)測儀。

4.2 反滲透系統(tǒng)

近年來，利用反滲透膜進行工業(yè)污廢水脫鹽處理已成為應用最成功、發(fā)展最快、普及最廣的膜濃縮分離技術。反滲透膜是采用特殊材料（如芳香聚酰胺等）和加工方法制成，具有半透性能的薄膜。反滲透脫鹽工藝就是利用反滲透膜和外加壓力（增壓泵）的作用，實現含鹽水濃縮分離的技術[3]。

考慮滿足煤礦生產用水量、水廠自用水量及水量波動的影響，本設計采用一級二段排列方式，設計回收率60%，通過水泵變頻調速，可靈活適應來水水量，保證供用水量平衡。本設計共設6 套反滲透裝置，5用1 備（低水量可采用4 用2 備方式或變頻調速方式適應），按工作時間20 h 考慮，每套反滲透裝置最大進水量為185 m3/h。

反滲透膜選型：設計選用陶氏公司膜計算軟件，淡水側選用BW 系列苦咸水膜，濃水側選用SW 系列海水膜。根據計算，單套一段選用BW30-400 膜組件24 組，每組6 支膜元件，二段選用SW30-400 膜組件12 組，每組6 支膜元件，單只膜元件膜面積均為400ft2，2：1 排列，1 級平均通量13.83 lmh。

裝置組成：

1）反滲透提升泵，Q=185 m3/h，H=35 m，N=30 kW，材質不銹鋼316 L，設6 臺，5 用1 備。

2）保安過濾器，處理能力Q=200 m3/h，過濾精度：5 μm，選用折疊式濾芯，設6 臺，5 用1 備。

3）高壓泵，選用進口水泵，臥式多級離心泵，Q=185 m3/h，H=150 m，P=132 kW，材質不銹鋼316 L，設6 臺，5 用1 備。

4）段間增壓泵，為保證濃水側反滲透膜的通量，每套設段間增壓泵1 臺，選用進口水泵，Q=110 m3/h，H=120 m，P=55 kW，材質雙相鋼2205，設6 臺，5 用1 備。

5）加藥系統(tǒng)，視進水水質情況，反滲透正常運行時需添加一定量的阻垢劑、還原劑、及非氧化性殺菌劑。加藥設備為撬裝式組合單元，將藥劑定量加入配置所需濃度的溶液，通過變頻控制的計量泵控制投藥量。

反滲透化學清洗系統(tǒng)：在廣泛應用中，膜污染仍是主要障礙。膜通量下降主因是運行中，反滲透膜表面會由于原水中顆粒、膠狀物、有機物等污染物質以及膜表面難溶鹽的濃縮而產生沉積、屏障，產水量下降、水質變差。根據產水水質情況，對膜進行化學藥劑清洗，可基本恢復膜的功能。化學清洗系統(tǒng)包括清洗過濾器、清洗泵、清洗液箱以及配套的閥門、儀表。酸、堿加藥系統(tǒng)與超濾系統(tǒng)共用。

附屬構筑物：反滲透產品水池，用于接納反滲透后的產水，利用水泵將深度處理后的產品水通過復用水管網輸送至各生產用水點。設鋼筋混凝土水池1座，分2 格，總有效容積2 100 m3。產品水供水泵，Q=240 m3/h，H=150 m，P=160 kW，材質碳鋼，設3 臺，2用1 備。

5 工程投資及經濟效益分析

該煤礦礦井水深度處理與復用工程的投資概算總額為8 793.05 萬元，在達到設計產能條件下，綜合藥劑費、動力費、職工薪酬、修理、折舊及攤銷等費用，測算本項目礦井水深度處理噸水成本為4.5 元/t。通過有無項目經濟成本分析，若不建設本項目，黃河水使用費用、礦井水預處理費、外排水輸送費、水資源稅及環(huán)保稅，全年總費用為4 410.83 萬元。若建設本項目，利用礦井水資源替換黃河水資源，全年總費用為3 103.65 萬元。也就是說，項目實施該煤礦每年生產用水費用將減少1 307.18 萬元。

6 結語

西北地區(qū)水資源匱乏，水資源不足已成為制約經濟社會發(fā)展的重要因素，煤礦礦井水水源的循環(huán)利用是黃河水資源不足的有效替代和補充，也是緩解礦區(qū)缺水問題的最佳途徑。充分利用好礦井水資源，不僅保護了區(qū)域水環(huán)境、節(jié)約水資源，也是對黃河流域生態(tài)環(huán)境治理與保護工作的促進和可靠支撐。本項目實施對煤礦企業(yè)節(jié)能減排具有重要意義，同時也為同類型企業(yè)提供了重要的參考與指導。