中天合創(chuàng)高鹽礦井水深度處理工程工藝設(shè)計(jì)探討

荊波湧，張孔思

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

礦井水是由在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，進(jìn)入井下巷道的地下水、井下防塵灑水、設(shè)備冷卻水等組成。受礦區(qū)地理環(huán)境、煤層礦物成分及水文地質(zhì)等條件的影響，按其水質(zhì)特點(diǎn)可分為懸浮物廢水和高礦化度廢水(即高鹽礦井水)[1]。

高鹽礦井水主要分布在我國(guó)的西北和北方礦區(qū)，這些區(qū)域依托煤礦生產(chǎn)一般都建有大型煤化工企業(yè)，當(dāng)?shù)貐T乏的水資源已成為限制煤化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。而煤礦的高鹽礦井水經(jīng)常規(guī)處理后，一部分回用于煤礦自身生產(chǎn)用水，剩余大量的富裕水由于含鹽量遠(yuǎn)高于煤化工企業(yè)用水水質(zhì)指標(biāo)而無(wú)法回用，若直接排放，既浪費(fèi)水資源，又給當(dāng)?shù)卦敬嗳醯纳鷳B(tài)環(huán)境帶來(lái)危害[2，3]。國(guó)務(wù)院“水十條”明確了“推進(jìn)礦井水綜合利用，煤炭礦區(qū)的補(bǔ)充用水、周邊地區(qū)生產(chǎn)和生態(tài)用水應(yīng)優(yōu)先使用礦井水”及煤化工產(chǎn)業(yè)“就近利用、生態(tài)優(yōu)先”的原則[4]。據(jù)此對(duì)高鹽礦井水進(jìn)行深度處理并進(jìn)行資源化利用，就顯得尤為迫切與必要[4]。

高鹽水的深度處理及資源化利用是一種集合了水處理與化工等多學(xué)科應(yīng)用的新興技術(shù)，難度大，工藝鏈長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)在煤化工廢水、垃圾填埋滲濾液等行業(yè)應(yīng)用較多，高鹽礦井水多借鑒這些行業(yè)的處理技術(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)其自身水質(zhì)特點(diǎn)的處理工藝在實(shí)際中應(yīng)用較少。目前，我國(guó)一些煤炭行業(yè)的學(xué)者對(duì)這方面的內(nèi)容進(jìn)行了關(guān)注與研究，李福勤等從促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境及社會(huì)可持續(xù)發(fā)展等宏觀方面論述了礦井水資源化利用的緊迫性[1]，苗立勇等概念性的總結(jié)了目前高鹽礦井水深度處理的主要工藝并進(jìn)行了技術(shù)比較[2]，還有一些學(xué)者的研究多停留在工藝流程的某個(gè)工藝環(huán)節(jié)上[3，5，6]，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用的借鑒意義不大。本文結(jié)合工程實(shí)例，以詳細(xì)設(shè)計(jì)與投資概算為基礎(chǔ)，對(duì)整體工藝流程進(jìn)行了研究與總結(jié)，可對(duì)同類(lèi)型工程提供一定的指導(dǎo)與借鑒。

1 工程概況

該工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼吉爾特礦區(qū)，礦區(qū)所屬的葫蘆素及門(mén)克慶煤礦礦井水經(jīng)常規(guī)沉淀過(guò)濾后，交由本工程進(jìn)行深度處理，設(shè)計(jì)處理能力72000m3/d。最終產(chǎn)品水全部回用于中天合創(chuàng)化工項(xiàng)目的生產(chǎn)用水，實(shí)現(xiàn)零排放，水質(zhì)參照目前化工項(xiàng)目預(yù)處理后的黃河地表水水質(zhì)，并滿(mǎn)足《石油化工給水排水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》及《城市污水再生利用-工業(yè)用水水質(zhì)》的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(匯總見(jiàn)表1)；濃鹽水經(jīng)蒸發(fā)結(jié)晶為工業(yè)用硫酸鈉、氯化鈉及少量雜鹽，實(shí)現(xiàn)資源化率大于等于95%。

表1 原水主要水質(zhì) mg/L

2 工藝選擇

表2 工藝比選

從技術(shù)經(jīng)濟(jì)等諸多方面綜合考慮，選擇方案一為詳細(xì)設(shè)計(jì)的最終工藝，如圖1所示。

圖1 方案一工藝流程框圖

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 脫鹽

3.1.1 工藝簡(jiǎn)述

采用雙膜法脫鹽，預(yù)處理采用“高效沉淀池+V型濾池池體”組合。

原水經(jīng)調(diào)節(jié)池后，在高效沉淀池投加混凝劑、絮凝劑去除大部分懸浮物，出水SS<10mg/L；經(jīng)V型濾池進(jìn)一步去除細(xì)小顆粒，產(chǎn)水SS<1mg/L；經(jīng)超濾裝置投加殺菌劑去除膠體、細(xì)菌等物質(zhì)，產(chǎn)水濁度<0.1NTU、SDI<3，進(jìn)入反滲透裝置，投加還原劑、阻垢劑及非氧化性殺菌劑，產(chǎn)水回用，濃鹽水進(jìn)入二次濃縮。在超濾與反滲透裝置前端分別設(shè)有自清洗過(guò)濾器與保安過(guò)濾器，用于攔截前端來(lái)水的異常雜質(zhì)。

V型濾池、超濾及反滲透裝置的反洗、沖洗排水統(tǒng)一收集，回流至至高效沉淀池，沉淀池排泥經(jīng)污泥濃縮池濃縮，再經(jīng)污泥濃縮脫水機(jī)脫水，最終泥餅與化工廢渣統(tǒng)一處理。工藝流程如圖2所示。

圖2 脫鹽工藝流程圖

3.1.2 工藝參數(shù)

1)高效沉淀池處理能力Q=3508m3/h，六座，設(shè)混凝反應(yīng)池一座(L×B×H=2.4m×2.4m×3.1m)、絮凝反應(yīng)室一座(Φ2000mm)、澄清池一座(L×B×H=8.5m×8.5m×6.3m，表面負(fù)荷L=8.3 m3/(m2·h))。

2)V型濾池處理能力Q=3468m3/h，12座，每座兩格，單格面積25m2(L×B=10m×2.5m)，濾池總高3.90m；濾速：6m/h。

3)超濾裝置處理能力Q=3322m3/h，十五套(十四用一備)，處理能力Q=238m3/h，通量小于等于55L/(m2·h)，采用外壓式，PVDF，膜面積大于等于4328m2/套。

4)反滲透裝置處理能力Q=2583m3/h，十三套(十二用一備)，產(chǎn)水能力Q=162m3/h，通量小于等于20.0L/(m2·h)，產(chǎn)水率≥75%，采用卷式抗污染復(fù)合膜，膜面積37.2m2/支。

3.1.3 建(構(gòu))筑物

根據(jù)處理規(guī)模和工藝需求，確定了主要建(構(gòu))筑物，具體見(jiàn)表3。

表3 建(構(gòu))筑物特征表

3.2 二次濃縮

3.2.1 工藝簡(jiǎn)述

采用高效反滲透技術(shù)，利用石灰軟化、離子交換將水中的硬度去除，在高pH條件下，再利用反滲透去除大部分的鹽分，反滲透的回收率可提高到80%以上。

脫鹽產(chǎn)生的濃鹽水(主要水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表4)自濃鹽水池進(jìn)入接觸澄清池，投加氫氧化鈉、石灰、蘇打、絮凝劑，去除水中大部分的硬度和懸浮物顆粒，出水進(jìn)入中和水池，投加次氯酸鈉消毒和鹽酸調(diào)pH值后，經(jīng)多介質(zhì)過(guò)濾器、離子交換器進(jìn)一步去除殘留的懸浮物和硬度，再經(jīng)脫碳去堿度后，進(jìn)入反滲透裝置，投加還原劑、阻垢劑及非氧化性殺菌劑，產(chǎn)水回用，超濃鹽水進(jìn)入蒸發(fā)結(jié)晶。在反滲透裝置前端設(shè)有保安過(guò)濾器，用于攔截前端來(lái)水的異常雜質(zhì)。

表4 濃鹽水主要水質(zhì) mg/L

多介質(zhì)過(guò)濾器、弱酸陽(yáng)離子交換器及反滲透裝置的反洗、再生及沖洗排水統(tǒng)一收集，回流至接觸澄清池，澄清池排泥經(jīng)污泥濃縮池濃縮，再經(jīng)污泥濃縮脫水機(jī)脫水，最終泥餅與化工廢渣統(tǒng)一處理。工藝流程詳如圖3所示。

圖3 二次濃縮工藝流程圖

3.2.2 主要工藝參數(shù)

1)接觸澄清池處理能力Q=750m3/h，兩座，每座V=320m3(Φ×H=22.0×5.5m)，每座設(shè)反應(yīng)池三格、中和水池一格，每格V=16m3(L×B×H=3.5×3.5×3.5m)，出水SS<5mg/L。

2)多介質(zhì)過(guò)濾器處理能力Q=703m3/h，五臺(tái)(四用一備)，規(guī)格Φ×L=3.0×7.0m，濾料為800mm厚無(wú)煙煤(1～2mm)、400mm厚石英砂(0.5～2mm)，出水SS≤1mg/L。

3)弱酸陽(yáng)離子交換器處理能力Q=684m3/h，五臺(tái)(四用一備)，規(guī)格Φ×H=3.0×3.5m。

4)脫碳器處理能力Q=668m3/h，四臺(tái)，規(guī)格Φ×H=3.2×3.6m。

5)反滲透裝置處理能力Q=668m3/h，五套(四用一備)，產(chǎn)水170m3/h，產(chǎn)水率80%，脫鹽率98%，采用抗污染海水淡化膜。

3.2.3 建(構(gòu))筑物

根據(jù)處理規(guī)模和工藝需求，確定了主要建構(gòu)筑物，具體見(jiàn)表5。

3.3 蒸發(fā)結(jié)晶

3.3.1 工藝簡(jiǎn)述

蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程如圖4所示。二次濃縮超濃鹽水(水質(zhì)見(jiàn)表6)依次通過(guò)催化氧化單元、MVR蒸發(fā)濃縮單元后進(jìn)入硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶單元，MVR濃縮液通過(guò)硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶得到硫酸鈉晶體，硫酸鈉母液采用膜法分鹽技術(shù)，該技術(shù)利用納濾膜的選擇透過(guò)性，采用特殊寬流道高耐污染專(zhuān)用納濾分離膜對(duì)溶液中一價(jià)鹽和二價(jià)鹽進(jìn)行有效分離，納濾濃水回到前端硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶單元，納濾產(chǎn)水進(jìn)入后續(xù)氯化鈉蒸發(fā)結(jié)晶單元。

表5 建(構(gòu))筑物特征表

圖4 蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程圖

表6 超濃鹽水主要水質(zhì) mg/L

催化氧化單元是基于臭氧+雙氧水的高級(jí)氧化技術(shù)降解有機(jī)物，出水的CODCr<150mg/L，色度小于10倍，SS<1mg/L，送至減量化裝置。

減量化裝置采用MVR蒸發(fā)技術(shù)，通過(guò)蒸汽壓縮機(jī)對(duì)蒸發(fā)料液產(chǎn)生的二次汽進(jìn)行壓縮循環(huán)利用，可大量減少蒸汽耗量，將來(lái)水濃縮四倍；濃縮液進(jìn)入Na2SO4蒸發(fā)結(jié)晶裝置。

Na2SO4蒸發(fā)結(jié)晶裝置通過(guò)控制蒸發(fā)終點(diǎn)濃度在Na2SO4的結(jié)晶區(qū)，加熱、蒸發(fā)、循環(huán)濃縮達(dá)到過(guò)飽和結(jié)晶出Na2SO4，經(jīng)干燥后包裝，結(jié)晶鹽品質(zhì)滿(mǎn)足GB/T 6009—2014工業(yè)無(wú)水Na2SO4Ⅰ類(lèi)一等品要求。母液部分回流進(jìn)入系統(tǒng)，剩余部分至膜分離裝置。

膜分離裝置采用納濾分鹽技術(shù)，Na2SO4結(jié)晶母液經(jīng)預(yù)處理去除懸浮物后，再經(jīng)超濾去除大部分 COD、大分子有機(jī)物，最終經(jīng)納濾實(shí)現(xiàn)對(duì)一、二價(jià)鹽的分離，納濾產(chǎn)水進(jìn)入NaCl蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，通過(guò)控制蒸發(fā)終點(diǎn)濃度在氯化鈉的結(jié)晶區(qū)，加熱、蒸發(fā)、循環(huán)濃縮達(dá)到過(guò)飽和結(jié)晶出NaCl，經(jīng)干燥后包裝。結(jié)晶鹽品質(zhì)指標(biāo)滿(mǎn)足GB/T5462-2015工業(yè)干鹽一級(jí)品要求。

超濾、納濾濃水回流至前端催化氧化單元；當(dāng)Na2SO4結(jié)晶母液、硅和COD累積到影響結(jié)晶鹽的品質(zhì)時(shí)，通過(guò)旁路，可將母液直接送至雜鹽干化裝置；氯化鈉結(jié)晶母液根據(jù)母液中富集的雜質(zhì)離子的量外排至雜鹽干化裝置。該裝置在刮板薄膜蒸發(fā)器內(nèi)對(duì)料液進(jìn)行蒸發(fā)，到達(dá)一定濃度后，由耙式干燥機(jī)進(jìn)行干燥，經(jīng)干燥后水分<0.2%由帶式輸送機(jī)送至雜鹽料倉(cāng)中。

3.3.2 主要工藝參數(shù)

1)催化氧化裝置處理能力Q=160m3/h，一級(jí)催化氧化池兩座，二級(jí)催化氧化池一座，調(diào)節(jié)池、釋放池各一座，單池規(guī)格L×B×H=4.0m×8.0m×7.5m；臭氧發(fā)生器(含冷水機(jī))兩臺(tái)，40kg/h，尾氣破壞系統(tǒng)一套。

2)MVR蒸發(fā)裝置處理能力Q=160m3/h，MVR降膜蒸發(fā)器兩臺(tái)，面積5000m2；蒸汽壓縮機(jī)兩臺(tái)，功率1400kW。

3)硫酸鈉蒸發(fā)結(jié)晶裝置處理能力Q=50m3/h，一效加熱室兩臺(tái)，面積300m2，一效分離室一臺(tái)，Φ3600mm×5500mm，二效加熱室兩臺(tái)，面積300m2，二效結(jié)晶器一臺(tái)，Φ4000mm×6000mm。

4)膜分離裝置處理能力Q=20m3/h，超濾平均通量15L/(m2·h)，四套，膜元件48只，采用卷式超濾膜及錯(cuò)流運(yùn)行方式，納濾平均通量8L/(m2·h)，八套，膜元件96只，采用卷式膜。

5)氯化鈉蒸發(fā)結(jié)晶裝置處理能力Q=18m3/h，一效加熱室一臺(tái)，面積300m2；旋流器一臺(tái)，Φ2800mm×6000mm等。

6)雜鹽干化段處理能力Q=1.0m3/h，刮板薄膜蒸發(fā)器一臺(tái)，面積20m3，耙式干燥機(jī)一臺(tái)，功率15kW等。

3.3.3 建(構(gòu))筑物

根據(jù)處理規(guī)模和工藝需求，確定了主要建(構(gòu))筑物，具體見(jiàn)表7。

表7 建(構(gòu))筑物特征表

4 經(jīng)濟(jì)分析

4.1 投資概算

該工程靜態(tài)總投資66214.71萬(wàn)元，包括從籌建到竣工的全部土建、設(shè)備安裝及其他費(fèi)的工程建設(shè)總投資。

4.2 成本估算

各工藝環(huán)節(jié)及整個(gè)工藝鏈直接運(yùn)行費(fèi)用及成本估算情況見(jiàn)表8。

表8 運(yùn)行費(fèi)用及成本估算表

該工程噸水處理直接運(yùn)行費(fèi)用4.563元/m3，計(jì)入職工薪酬、維護(hù)費(fèi)、大修理基金、管理費(fèi)等其他費(fèi)用，裝置投運(yùn)后，年總成本費(fèi)用為24191.36萬(wàn)元，估算處理成本為8.77元/m3。

4.3 效益分析

裝置投運(yùn)后可為煤礦企業(yè)節(jié)省礦井水排污費(fèi)，也可為化工企業(yè)節(jié)省生產(chǎn)外購(gòu)水費(fèi)。經(jīng)調(diào)研，項(xiàng)目所在地礦井水排污費(fèi)為5.6元/t(含稅)，生產(chǎn)水取用黃河水地表水，直接費(fèi)用為5.3元/t(含稅)，按照節(jié)省費(fèi)用即為收益的原則，考慮裝置投運(yùn)后硫酸鈉及氯化鈉的外銷(xiāo)收入，按照不含稅價(jià)計(jì)算，估算本項(xiàng)目年平均收益收入為25325萬(wàn)元。

5 結(jié) 論

面對(duì)日益嚴(yán)峻的水資源短缺和水環(huán)境惡化問(wèn)題，采用技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的廢水處理工藝是當(dāng)今污水治理發(fā)展的必然趨勢(shì)。故在同類(lèi)工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)從以下幾個(gè)方面多加重視，從真正意義上為緩解當(dāng)?shù)厮Y源匱乏、改善周邊地表水環(huán)境質(zhì)量帶來(lái)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。

1)考慮煤礦井下排水量的不穩(wěn)定性，首先應(yīng)多方論證，合理確定處理規(guī)模；其次應(yīng)對(duì)處理設(shè)施及設(shè)備進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同來(lái)水工況時(shí)的靈活運(yùn)行。

2)考慮深度處理工藝鏈長(zhǎng)，各工藝環(huán)節(jié)間水質(zhì)波動(dòng)大，應(yīng)適當(dāng)放大設(shè)計(jì)裕度，為應(yīng)對(duì)后續(xù)工藝環(huán)節(jié)檢修帶來(lái)的事故排水，應(yīng)適當(dāng)加大各環(huán)節(jié)之間的調(diào)節(jié)容積。

3)應(yīng)充分重視礦井水中的鈣、鎂、硅等結(jié)垢離子以及COD等污堵因子，采取有效的預(yù)處理措施，并應(yīng)優(yōu)化藥劑投加品種及投加量，避免帶來(lái)人為污泥增量及鹽量增加。

4)膜法分鹽存在著納濾膜性能衰減快、回收率低等一系列問(wèn)題缺點(diǎn)，故應(yīng)對(duì)如何保證納濾膜的性能和回收率的穩(wěn)定性進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。

5)應(yīng)對(duì)硫酸鈉、氯化鈉的銷(xiāo)售地點(diǎn)、銷(xiāo)售半徑以及目標(biāo)產(chǎn)品鹽用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品鹽的標(biāo)準(zhǔn)要求等項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，為合理確定項(xiàng)目產(chǎn)品鹽標(biāo)準(zhǔn)提供產(chǎn)品支撐。