煤炭礦井水處理工藝簡(jiǎn)析

王 前

江蘇源拓環(huán)境科技有限公司

1 前言

煤炭是我國(guó)重要的基礎(chǔ)能源和原料，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要的戰(zhàn)略地位，在我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中，煤炭占到70%以上，2019年，全國(guó)原煤產(chǎn)量為37.5億噸，為我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。在煤炭開(kāi)采的過(guò)程中不可避免地大量排放礦井水和破壞水資源。

目前，全國(guó)煤礦礦井水排放量巨大，噸煤廢水量約為2m3～4m3，按2019年原煤產(chǎn)量計(jì)算，廢水排放量超過(guò)100億立方米，約占整個(gè)采礦業(yè)(有色冶金、黃金、化工等礦山)的80%，而利用率約為26%。且我國(guó)大部分富煤地區(qū)就是貧水地區(qū)，這些礦區(qū)用水短缺十分嚴(yán)重。一邊是大量排放的有污染的礦井水，一邊是生產(chǎn)生活所需潔凈水的巨大缺口，這就是我國(guó)煤炭開(kāi)采業(yè)所面臨的現(xiàn)實(shí)。因而將礦井水進(jìn)行處理、回收再利用，不但能減輕環(huán)保壓力，改善生態(tài)環(huán)境，還能實(shí)現(xiàn)一部分經(jīng)濟(jì)效益。

2 礦井水來(lái)源及特點(diǎn)

2.1 礦水的來(lái)源

礦井建設(shè)和生產(chǎn)過(guò)程中，流向井筒和巷道的水稱為礦井水。礦井水來(lái)至大氣降水、地表水、地下水和老窯積水等。

2.2 礦井水的分類(lèi)及特點(diǎn)

（1）潔凈礦井水：水質(zhì)清潔，與地下水相當(dāng)。

（2）懸浮物礦井水：主要懸浮物為煤粉顆粒，還包含一部分巖粉和黏土等，顏色為黑色，含有一定的鹽分、硬度、堿度等。

（3）高礦化度礦井水：高含鹽量，一般同時(shí)具有高硬度、高堿度的特點(diǎn)。

（4）酸性礦井水：PH值較低。

2.3 礦井水處理的技術(shù)現(xiàn)狀

含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水和酸性礦井水的處理工藝基本成熟，其處理流程如下。

（1）含懸浮物礦井水。含懸浮物礦井水的處理目前多采用一體化凈水工藝。該工藝集混凝、沉淀、過(guò)濾于一體，采用鋼制結(jié)構(gòu)，具有緊湊、占地面積小、建設(shè)周期短、投資省、易于室內(nèi)布置、便于冬季保暖和平時(shí)維護(hù)的特點(diǎn)。

（2）高礦化礦井水。高礦化度礦井水的預(yù)處理工藝同常規(guī)礦井水相同，在后續(xù)工序中增加了除鹽工序。除鹽工序有蒸餾法、離子交換法、電滲析法和反滲透法等，因反滲透法具有成本低、模塊化、快速建設(shè)的特點(diǎn)，已經(jīng)成為現(xiàn)階段我過(guò)礦井水除鹽工序的主流工藝。

（3）酸性礦井水。酸性礦井水的處理主要是采用石灰或氫氧化鈉加藥進(jìn)行中和后再利用高礦化礦井水工藝進(jìn)行處理。

（4）深度濃縮。以上傳統(tǒng)處理方法都不能實(shí)現(xiàn)廢水的零排放，且經(jīng)過(guò)反滲透濃縮后雖然回用了80%左右的產(chǎn)水，但仍有20%的廢水需要排放，且這部分廢水的鹽度更高，對(duì)環(huán)境污染更大，因此需要對(duì)這部分濃縮后的廢水進(jìn)行進(jìn)一步處理。

深度濃縮是在傳統(tǒng)處理的工藝基礎(chǔ)上增加蒸發(fā)結(jié)晶工藝段，從而將固體鹽分徹底分離處理，實(shí)現(xiàn)徹底的廢水零排放。其中固體鹽可進(jìn)行固化等無(wú)害化處理后進(jìn)行填埋處理，回用水可用于生產(chǎn)及生活用水。

3 礦井水深度回用及資源化利用

目前的主流工藝已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了淡水資源的部分回收利用，但廢水中仍有部分淡水進(jìn)行了排放，且廢水中的有用鹽分并未得到利用，反而是作為了污染源進(jìn)行排放。礦井水深度回用的核心是水的回收率接近100%；資源化利用的核心是將廢水中的主要鹽分進(jìn)行分離提純，使之達(dá)到可工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，也就是分鹽結(jié)晶工藝。

礦井水等高鹽廢水中分鹽結(jié)晶過(guò)程的分離對(duì)象主要是氯化鈉和硫酸鈉，其它成分要么含量少，要么在預(yù)處理過(guò)程中轉(zhuǎn)化成了氯化鈉和硫酸鈉。分鹽結(jié)晶工藝主要有兩種流派：傳統(tǒng)流派是直接利用廢水中不同無(wú)機(jī)鹽的濃度差異和溶解度差異，通過(guò)在結(jié)晶過(guò)程中控制合適的運(yùn)行溫度和濃縮倍數(shù)等來(lái)實(shí)現(xiàn)鹽的分離，即通常所說(shuō)的熱法分鹽結(jié)晶工藝；新興流派是隨著高分子膜產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展而出現(xiàn)并逐步擴(kuò)大市場(chǎng)的，新興流派是利用氯離子和硫酸根離子的離子半徑或電荷特性等的差異，通過(guò)膜分離過(guò)程在結(jié)晶之前實(shí)現(xiàn)不同鹽之間的分離或富集，再用熱法結(jié)晶過(guò)程得到固體，即膜法分鹽結(jié)晶工藝。

熱法分鹽通常有直接蒸發(fā)、冷凍（冷卻）結(jié)晶、鹽硝聯(lián)產(chǎn)等方式，由于直接結(jié)晶得到的鹽純度較差，冷凍結(jié)晶能耗較大，因此實(shí)際應(yīng)用上多以鹽硝聯(lián)產(chǎn)為主。膜法分鹽目前主要是應(yīng)用納濾膜來(lái)進(jìn)行一價(jià)鹽和二價(jià)鹽的分離。

3.1 鹽硝聯(lián)產(chǎn)

為了得到工業(yè)級(jí)精制鹽的純度，熱法分鹽通常采用鹽硝聯(lián)產(chǎn)的方式，在礦井水處理上，采用高溫出硝→硝母液低溫出鹽→鹽母液回高溫出硝的嵌套聯(lián)產(chǎn)工藝，同時(shí)得到高純度的工業(yè)級(jí)氯化鈉和無(wú)水硫酸鈉。工藝流程如圖1。

3.2 納濾分鹽

納濾分鹽工藝主要利用納濾膜對(duì)二價(jià)鹽的選擇性截留特性，實(shí)現(xiàn)一價(jià)鹽氯化鈉和二價(jià)鹽硫酸鈉在液相中的分離，氯化鈉主要進(jìn)入納濾透過(guò)液，硫酸鈉則在納濾濃水中被濃縮。通過(guò)對(duì)納濾透過(guò)液和濃縮液分別進(jìn)行結(jié)晶處理，最終實(shí)現(xiàn)氯化鈉和硫酸鈉結(jié)晶鹽的回收。目前高性能的納濾膜可以做到產(chǎn)水側(cè)氯化鈉含量與濃水側(cè)硫酸鈉含量均達(dá)到98%的水平，經(jīng)納濾分開(kāi)后的兩種鹽溶液分別蒸發(fā)結(jié)晶得到高純度的工業(yè)鹽，由于濃水側(cè)也會(huì)截留部分COD、重金屬等，因此，納濾分鹽常結(jié)合再結(jié)晶工藝或深度預(yù)處理工藝。

圖1

圖2

3.3 分鹽工藝投資與運(yùn)行成本對(duì)比

本文針對(duì)礦井水零排放的投資和運(yùn)行成本做了簡(jiǎn)要的測(cè)算，測(cè)算是建立在處理水量不小于20t/h，含鹽量5%的假設(shè)條件下，測(cè)算結(jié)果如表1。

表1

經(jīng)測(cè)算，鹽硝聯(lián)產(chǎn)工藝因不需要購(gòu)置納濾膜，因此在初投資上占有優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)椴糠謴U水反復(fù)循環(huán)蒸發(fā)，導(dǎo)致運(yùn)行成本較高；而納濾膜則反之，初投資較大，但一次性分鹽后分別蒸發(fā)，無(wú)反復(fù)過(guò)程，因此運(yùn)行成本較低。因此，兩種工藝互有短長(zhǎng)，都成為主流的礦井水處理工藝之一。

4 結(jié)論

隨著環(huán)保政策的收緊以及企業(yè)的自身發(fā)展需要，煤炭開(kāi)采行業(yè)產(chǎn)生的礦井水逐漸由簡(jiǎn)單處理后達(dá)標(biāo)排放轉(zhuǎn)變?yōu)閺U水的零排放，提高水的回收率的同時(shí)，也可以回收礦井水中的鹽分進(jìn)行資源綜合利用，礦井水零排放處理已經(jīng)成為了時(shí)代要求和企業(yè)的必然選擇。鹽硝聯(lián)產(chǎn)工藝和納濾分鹽工藝已經(jīng)成為主流的資源化利用主要手段，兩者在投資造價(jià)和運(yùn)行成本上各有優(yōu)劣，均有一定的市場(chǎng)占有率。