何興斌,劉 潘,鄒 一

(四川賽諾行環(huán)?？萍加邢薰?四川綿陽(yáng) 621000)

我國(guó)水資源分布極不均衡,北方煤炭基地大多位于缺水地區(qū),形成了“煤多水少”的局面,水資源不足已成為制約礦區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。與此同時(shí),根據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)平均采1 t煤,排放礦井水量約為2.1 m3,存在水資源嚴(yán)重浪費(fèi)的問(wèn)題[1]。因此,加強(qiáng)煤礦礦井水深度處理回用是必然的趨勢(shì),也是緩解礦區(qū)“煤多水少”問(wèn)題的最佳解決方法。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外礦井水的處理工藝多種多樣,其中去除懸浮物和普通污染物的工藝主要包括混凝沉淀過(guò)濾工藝、超磁分離工藝、高效旋流技術(shù)等。針對(duì)一些酸性礦井水、高氟礦井水、重金屬礦井水等特殊礦井水,還需要專門的處理,包括酸堿中和、離子交換、吸附、化學(xué)沉淀等。對(duì)于高礦化度礦井水或涉及到礦井水回用、對(duì)產(chǎn)水溶解性總固體(TDS)要求較高的場(chǎng)合,膜濃縮技術(shù)也得到了應(yīng)用,包括納濾(NF)、反滲透(RO)和電滲析(ED)等技術(shù)[1-3]。對(duì)于一些TDS不高的礦井水,但產(chǎn)水渾濁度要求很高的處理系統(tǒng)中,超濾(UF)技術(shù)也得到了較為廣泛的應(yīng)用。

陜西某煤礦礦井水原有處理工藝為“格柵+預(yù)沉調(diào)節(jié)池+磁加載沉淀”,沉淀池出水達(dá)標(biāo)后外排,其出水的礦化度和部分離子指標(biāo)無(wú)法滿足相關(guān)回用標(biāo)準(zhǔn)。為緩解礦區(qū)用水緊張的局面,同時(shí)滿足國(guó)家對(duì)礦井水回用的相關(guān)要求,并為后期將全部礦井水進(jìn)行深度處理回用做技術(shù)和工程上的探索,采用UF+RO雙膜法工藝,將一部分原有系統(tǒng)出水進(jìn)行深度處理,取得了良好的效果。

1 項(xiàng)目概況

1.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

深度處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)水量為7 200 m3/d(24 h工作制),產(chǎn)水量為4 800 m3/d(25 ℃),系統(tǒng)總回收率≥65%。

1.2 進(jìn)出水水質(zhì)

該系統(tǒng)原水為礦井涌水經(jīng)過(guò)“格柵+預(yù)沉調(diào)節(jié)池+磁加載沉淀”處理后的水。經(jīng)過(guò)多次取樣檢測(cè),部分關(guān)鍵指標(biāo)平均值如表1所示,來(lái)水水質(zhì)較為穩(wěn)定,波動(dòng)性較小。

深度處理系統(tǒng)產(chǎn)水主要回用于井下生產(chǎn),包括井下消防、灑水、液壓系統(tǒng)用水等,主要指標(biāo)如表2所示[4-5]。

表2 回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Standards of Reuse Water Quality

1.3 工藝選擇及流程

1.3.1 工藝選擇

本系統(tǒng)礦井水主要水質(zhì)特征如下:(1)TDS質(zhì)量濃度達(dá)到3 950 mg/L,礦化度高,其鹽類成分主要是Na+、Ca2+、硫酸鹽、酸式碳酸鹽和氯化物等;(2)硬度大,總硬度(以CaCO3計(jì))達(dá)到512 mg/L,

根據(jù)以上水質(zhì)特征,工藝思路如下。

(1)原水TDS較高,要去除水中的無(wú)機(jī)離子,以達(dá)到回用要求,國(guó)內(nèi)外的處理技術(shù)有化學(xué)法、熱力法及膜分離法等。化學(xué)法處理不夠徹底,主要去除硬度物質(zhì),且成本較高;熱力法包括多級(jí)閃蒸和機(jī)械蒸汽壓縮,其運(yùn)行過(guò)程中易結(jié)垢、易腐蝕,且蒸餾設(shè)備前期投入大,能耗高;較為成熟的工藝是膜工藝,包括NF和RO技術(shù)等[3,6]。本工程采用“UF+RO”雙膜法脫鹽處理,UF主要用于保障進(jìn)入RO膜裝置的淤泥密度指數(shù)(SDI)和渾濁度滿足要求,確保RO的穩(wěn)定運(yùn)行;并采用多介質(zhì)過(guò)濾器進(jìn)行預(yù)處理,去除大的雜質(zhì)和顆粒,保護(hù)膜系統(tǒng)。

(2)一般針對(duì)極硬且堿度較高的原水,須在預(yù)處理段設(shè)置軟化工藝段,通常采用石灰、碳酸鈉和硫酸等藥劑,以避免膜系統(tǒng)結(jié)垢,但同時(shí)也會(huì)增加系統(tǒng)的運(yùn)行成本,引入新的鹽分,提高進(jìn)入RO的鹽含量,導(dǎo)致RO運(yùn)行壓力升高。也可采用離子交換樹(shù)脂軟化,但需進(jìn)行樹(shù)脂再生,同時(shí)也會(huì)有高濃度鹽水產(chǎn)生,對(duì)于高硬度水的軟化經(jīng)濟(jì)性差,目前只有小型系統(tǒng)使用。表3是3種軟化工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比。經(jīng)過(guò)計(jì)算(表4),原水的朗格利爾指數(shù)(LSI)為0.1,濃水的史蒂夫戴維斯指數(shù)(S&DSI)為1.06,濃水離子積Ipb為溶度積Ksp的1.17倍[7],需要采取措施阻止結(jié)垢。隨著現(xiàn)今阻垢劑性能進(jìn)一步得到提升,通過(guò)優(yōu)化選型并定量添加復(fù)合阻垢劑,以防止RO膜的結(jié)垢[6],另外UF裝置酸洗不采用弱酸檸檬酸,而采用鹽酸清洗以強(qiáng)化酸洗除垢效果。因此,從節(jié)約投資、簡(jiǎn)化工藝路線、便于運(yùn)行管理的角度出發(fā),不設(shè)置預(yù)處理軟化工藝,采用投加復(fù)合阻垢劑的方式保障RO正常運(yùn)行。

表3 3種軟化工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比Tab.3 Technical and Economic Comparison of Three Softening Processes

表4 原水和RO濃水結(jié)垢指數(shù)Tab.4 Scale Index for Raw Water and RO Concentrated Water

(3)為便于檢修和化學(xué)清洗,設(shè)置多介質(zhì)過(guò)濾器4套、UF和RO裝置各設(shè)置2套,且工藝段間均設(shè)置中間池。在對(duì)其中任何一套裝置進(jìn)行檢修維護(hù)或者清洗時(shí),系統(tǒng)仍可不停產(chǎn)運(yùn)行,提高了系統(tǒng)在線率,最大化地保障礦區(qū)用水需求。

1.3.2 工藝流程

系統(tǒng)來(lái)水(經(jīng)格柵+預(yù)沉調(diào)節(jié)池+磁加載沉淀處理后的水)進(jìn)入原水池,用泵提升至多介質(zhì)過(guò)濾器,去除水中一部分膠體和大部分懸浮物,產(chǎn)水進(jìn)入中間池1。中間池1的水用泵提升至UF裝置,截留下膠體、蛋白質(zhì)、微生物及大分子有機(jī)物等污染物之后進(jìn)入中間池2。UF裝置前設(shè)有100 μm自清洗過(guò)濾器,以保護(hù)UF膜絲不被水中可能的大的雜質(zhì)損壞。中間池2的水經(jīng)由低壓泵提升至5 μm保安過(guò)濾器后,再由高壓泵加壓進(jìn)入RO裝置。RO裝置能有效截留絕大部分的溶解鹽分及分子量大于150的有機(jī)物[7],裝置出水進(jìn)入清水池,供井下回用。

多介質(zhì)過(guò)濾器反洗排水、UF氣洗排水、RO沖洗水及化學(xué)清洗廢水均排入污水池,然后用泵排至預(yù)處理系統(tǒng)后,同礦井水原水一起再次進(jìn)行預(yù)處理。RO濃水進(jìn)入濃水池,黃泥灌漿用水對(duì)水質(zhì)礦化度無(wú)要求,濃水用于井下黃泥灌漿。工藝流程和水量平衡如圖1、圖2所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

圖2 水量平衡圖Fig.2 Diagram of Water Balance

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 多介質(zhì)過(guò)濾工藝段

多介質(zhì)過(guò)濾工藝段包括原水池、多介質(zhì)過(guò)濾器。多介質(zhì)過(guò)濾器屬于壓力式過(guò)濾器設(shè)備,在供水泵提供的一定壓力下,使原液通過(guò)濾料,水中的懸浮物、不溶性顆粒物、絮狀沉淀等雜質(zhì)經(jīng)過(guò)濾料間的孔隙被截留和俘獲,對(duì)后續(xù)UF和RO工藝段起到保護(hù)作用。

(1)原水池:暫存經(jīng)“格柵+預(yù)沉調(diào)節(jié)池+磁加載沉淀”預(yù)處理工藝處理后的礦井水。原水池設(shè)計(jì)為地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),有效容積為300 m3,停留時(shí)間為1 h,池內(nèi)壁采用玻璃鋼防腐。配置多介質(zhì)提升泵3臺(tái),2用1備,單臺(tái)流量Q=145 m3/h,揚(yáng)程H=30 m,功率N=22 kW,過(guò)流部件材質(zhì)為SS316L,帶變頻電機(jī),配套1支投入式靜壓液位計(jì)。

(2)多介質(zhì)過(guò)濾器:4套,單套處理能力為75 m3/h,碳鋼防腐結(jié)構(gòu),內(nèi)部填充有石英砂和無(wú)煙煤,石英砂濾料粒徑為0.5～1 mm和1～2 mm兩種,裝填高度為800 mm,無(wú)煙煤粒徑為1～2 mm,裝填高度為400 mm,并配置了相應(yīng)的電動(dòng)閥和壓差檢測(cè)儀表。

2.2 UF工藝段

UF工藝段包括中間池1、自清洗過(guò)濾器和UF裝置。UF能夠去除水中的懸浮物、膠體、微生物以及大分子有機(jī)物,用于表示UF膜孔徑的切割分子量一般在1 000～500 000 Da,出水渾濁度＜0.1 NTU、SDI≤3,可以滿足RO的進(jìn)水要求。

(1)中間池1:暫存多介質(zhì)過(guò)濾器產(chǎn)水,設(shè)計(jì)為地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),有效容積為150 m3,停留時(shí)間為30 min,池內(nèi)壁采用玻璃鋼防腐。配置UF提升泵3臺(tái),2用1備,單臺(tái)Q=145 m3/h,H=30 m,N=22 kW,過(guò)流部件材質(zhì)為SS316L,帶變頻電機(jī)。另配置有多介質(zhì)反洗泵2臺(tái),1用1備,單臺(tái)Q=350 m3/h,H=20 m,N=30 kW,過(guò)流部件材質(zhì)為SS316L,帶變頻電機(jī),配套1支投入式靜壓液位計(jì)。

(2)自清洗過(guò)濾器:2臺(tái),精度為100 μm,用于截留大顆粒雜質(zhì),以保護(hù)UF裝置的安全運(yùn)行,避免UF膜絲被大顆粒物質(zhì)堵塞或者劃傷。

(3)UF裝置:2套,配置有相應(yīng)的流量計(jì)、濁度儀、壓力傳感器和氣動(dòng)閥門。單套裝置列裝58支膜元件,單支膜元件膜面積為52 m2,膜孔徑為0.04 μm,膜材質(zhì)為聚偏二氟乙烯(PVDF),處理能力為150 m3/h(25 ℃),設(shè)計(jì)平均通量為49.7 L/(m2·h),回收率≥93.5%。

2.3 RO工藝段

RO工藝段包括中間池2、RO裝置和清水池。RO裝置能有效截留絕大部分的溶解鹽分及大分子有機(jī)物[7],同時(shí)允許水分子通過(guò)。

(1)中間池2:暫存UF產(chǎn)水,設(shè)計(jì)為地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),有效容積為150 m3,停留時(shí)間為30 min,池內(nèi)壁采用玻璃鋼防腐。配置設(shè)備如下:①RO低壓泵3臺(tái),2用1備,單臺(tái)Q=135 m3/h,H=32 m,N=30 kW,過(guò)流部件材質(zhì)為SS316L,帶變頻電機(jī);②投入式靜壓液位計(jì)1支;③保安過(guò)濾器2套,單套處理能力為135 m3/h,配置4支5 μm大流量折疊濾芯;④RO高壓泵,3臺(tái),2用1冷備,立式多級(jí)離心泵,單臺(tái)Q=135 m3/h,H=150 m,N=110 kW,過(guò)流部件材質(zhì)為SS316L,帶變頻電機(jī)。

(2)RO裝置:2套,配置有相應(yīng)的流量計(jì)、電導(dǎo)率儀、pH儀、ORP儀、壓力傳感器、氣動(dòng)閥門、還原劑加藥裝置和阻垢劑加藥裝置等。單套裝置安裝144支抗污染型RO膜元件,24支六芯裝300PSI玻璃鋼膜殼,成2∶1排列,單支膜面積為37.2 m2,系統(tǒng)平均通量為18.9 L/(m2·h),產(chǎn)水能力為100 m3/h(25 ℃),回收率為74%,正常操作壓力為1.2 MPa。

(3)清水池:暫存RO產(chǎn)水,設(shè)計(jì)為地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),有效容積為300 m3,停留時(shí)間為1 h,池內(nèi)壁采用玻璃鋼防腐。配置RO沖洗泵2臺(tái),1用1備,單臺(tái)Q=126 m3/h,H=32 m,N=30 kW,過(guò)流部件材質(zhì)為SS316L,帶變頻電機(jī)。配置有1套次氯酸鈉消毒加藥裝置(設(shè)計(jì)投加質(zhì)量濃度為3 mg/L)、1支投入式靜壓液位計(jì)。

2.4 配套設(shè)施

其他配套設(shè)備包括鼓風(fēng)機(jī)、壓縮空氣系統(tǒng)、加藥及清洗系統(tǒng)、污泥池和污水池等。

(1)鼓風(fēng)機(jī):羅茨鼓風(fēng)機(jī),2臺(tái),1用1備,單臺(tái)Q=5 m3/min,升壓可至70 kPa,電機(jī)N=1.5 kW,用于多介質(zhì)過(guò)濾器和UF裝置的氣洗操作。

(2)壓縮空氣系統(tǒng):為所有氣動(dòng)閥門提供壓縮空氣,空壓機(jī)2臺(tái),1用1備,單臺(tái)Q=1 m3/min,壓力為0.6～0.8 MPa,N=5.5 kW;儲(chǔ)氣罐,1臺(tái),容積為1 m3,壓力等級(jí)為1.0 MPa;冷干機(jī)1臺(tái),Q=1.5 m3/min,N=0.55 kW。

(3)加藥及清洗系統(tǒng):設(shè)置有次氯酸鈉、鹽酸加藥系統(tǒng)。另有1套清洗系統(tǒng),包括1套清洗罐、2臺(tái)清洗泵和1臺(tái)5 μm清洗過(guò)濾器及其他配件,用于UF和RO裝置的在線清洗。

(4)污水池:1座,暫存多介質(zhì)過(guò)濾器反洗排水、UF氣洗排水及RO沖洗水等排污水。污水池設(shè)計(jì)為地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),有效容積為150 m3,池內(nèi)壁采用玻璃鋼防腐,配套1支投入式靜壓液位計(jì)。

(5)濃水池:1座,暫存RO濃水。濃水池設(shè)計(jì)為地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),有效容積為150 m3,池內(nèi)壁采用玻璃鋼防腐,配套1支投入式靜壓液位計(jì)。

系統(tǒng)平面布置如圖3所示。

圖3 平面布置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Plan Layout

3 處理效果及成本分析

3.1 處理效果

工程于2022年8月完成系統(tǒng)調(diào)試和試運(yùn)行,系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)的參數(shù)能夠平穩(wěn)運(yùn)行。系統(tǒng)平均進(jìn)水量為280 m3/h,產(chǎn)水量為200 m3/h,產(chǎn)水水量達(dá)到了設(shè)計(jì)要求;系統(tǒng)回收率為71.4%,優(yōu)于設(shè)計(jì)值(66.7%)。礦井水水溫穩(wěn)定在27 ℃上下,TDS質(zhì)量濃度在3 700～4 000 mg/L,硬度在450～500 mg/L,來(lái)水水質(zhì)波動(dòng)小。定期檢測(cè)數(shù)據(jù)表明,系統(tǒng)投用以來(lái),產(chǎn)水TDS及各離子含量遠(yuǎn)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求,且產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定,脫鹽率達(dá)到98%,滿足回用要求,具體如表5所示。

表5 出水水質(zhì)定期檢測(cè)數(shù)據(jù)Tab.5 Regular Detection Data of Effluent Quality

受益于礦井水有機(jī)物含量低,微生物含量也較低,水溫較高,UF膜系統(tǒng)進(jìn)水量為140～150 m3/h時(shí),跨膜壓差(TMP)為26 kPa左右,且較為穩(wěn)定。UF膜化學(xué)清洗以鹽酸為主,次氯酸鈉為輔。每3 d進(jìn)行一次0.2%的低濃度鹽酸化學(xué)清洗,每月進(jìn)行一次500 mg/L次氯酸鈉溶液及0.6%鹽酸溶液化學(xué)清洗,約半年進(jìn)行一次高濃度的次氯酸鈉和鹽酸溶液循環(huán)化學(xué)清洗。從清洗過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn),在進(jìn)行鹽酸溶液清洗時(shí),清洗液pH有升高趨勢(shì),此時(shí)應(yīng)適當(dāng)添加酸溶液,保障清洗效果,也說(shuō)明膜絲結(jié)垢現(xiàn)象的存在,主要是由于原水硬度和堿度較高,實(shí)踐證明通過(guò)規(guī)律的化學(xué)清洗可以控制。

3.2 成本分析

本工程設(shè)備總投資為512.9萬(wàn)元(不含水池和土建費(fèi)用),其中設(shè)備采購(gòu)費(fèi)為427.0萬(wàn)元,安裝及調(diào)試費(fèi)為55.1萬(wàn)元,其他費(fèi)用為30.8萬(wàn)元,即本項(xiàng)目噸水(以小時(shí)產(chǎn)水量為準(zhǔn))設(shè)備投資成本約為2.56萬(wàn)元/m3。

工程運(yùn)行成本主要包括人員工資福利、電費(fèi)、藥劑費(fèi)(次氯酸鈉、鹽酸、阻垢劑和還原劑等)、檢修維護(hù)費(fèi)用和折舊費(fèi)用等,本項(xiàng)目綜合運(yùn)行成本為1.51元/m3,具體如表6所示。

表6 運(yùn)行成本Tab.6 Operation Cost

原井下用水主要抽取地下水,其地下水用水成本為1.95元/m3。按每日運(yùn)行20 h計(jì)算,本工程投用后可以減少抽取地下水的量為146萬(wàn)m3/年,綜合計(jì)算可節(jié)約用水成本為64.24萬(wàn)元/年,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本工程采用UF+RO雙膜法工藝對(duì)高礦化度煤礦礦井水進(jìn)行深度處理回用,實(shí)踐證明技術(shù)可行、運(yùn)行穩(wěn)定可靠,工藝路線具有典型性。

(2)該工程來(lái)水為極硬水,硬度質(zhì)量濃度達(dá)到512 mg/L(以CaCO3計(jì)),且硫酸鹽和堿度也較高,經(jīng)過(guò)結(jié)垢傾向計(jì)算,通過(guò)合理選型阻垢藥劑種類和投加量,并優(yōu)化選取了UF化學(xué)清洗藥劑,省去了預(yù)處理軟化工藝段。從實(shí)際運(yùn)行效果來(lái)看,RO裝置段間壓差穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)明顯結(jié)垢的現(xiàn)象,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

(3)煤礦礦井水的深度處理回用,積極響應(yīng)了國(guó)家對(duì)加強(qiáng)礦井水回用的要求,減少了高礦化度礦井水的排放量,同時(shí)緩解了礦區(qū)用水緊張的局面,并對(duì)后續(xù)將全部礦井水進(jìn)行深度處理回用進(jìn)行了有益的工藝探索,具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。