陶瓷超濾膜處理煤礦礦井水的中試研究

李新望，谷曉娟，左大海，彭康明

（納諾斯通水務(wù)技術(shù)（上海）有限公司，上海200041）

為減少煤炭生產(chǎn)開發(fā)對(duì)環(huán)境的影響及提高水資源綜合利用水平，《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》提出到2020年全國(guó)礦井水綜合利用率達(dá)到80%左右的目標(biāo)。我國(guó)部分地區(qū)因水資源缺乏及環(huán)境承載力低而導(dǎo)致其礦井水礦化度高，為減少礦井水對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，部分西部礦區(qū)的礦井水要求實(shí)現(xiàn)零排放〔1〕。本研究以陜西某高礦化度礦井水為研究對(duì)象，考察了陶瓷超濾膜處理礦井水的效果及運(yùn)行條件，以期為提升礦井水資源化利用率提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)部分

1.1 礦井水水質(zhì)

礦井水水質(zhì)見表1。

由表1可知，此礦井水具有硬度高、濁度高且波動(dòng)幅度大的特點(diǎn)。經(jīng)一級(jí)凈化處理后，水質(zhì)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18920—2002《城市污水再生利用城市雜用水水質(zhì)》，需進(jìn)行深度處理。

表1 礦井水水質(zhì)

1.2 現(xiàn)有系統(tǒng)處理工藝

現(xiàn)有系統(tǒng)處理工藝見圖1。

圖1 現(xiàn)有礦井水處理工藝流程

礦井水經(jīng)混凝澄清過濾預(yù)處理后，視進(jìn)水水質(zhì)情況，投加一定量的聚合氯化鋁（PAC）（20～40 mg/L）和聚丙烯酰胺（PAM）（1～2 mg/L）進(jìn)行調(diào)整，超濾進(jìn)水COD隨濁度的下降而大幅降低，通常小于20 mg/L；而濁度因進(jìn)水水量水質(zhì)波動(dòng)大，預(yù)處理加藥量難以控制，導(dǎo)致超濾進(jìn)水濁度變化大。運(yùn)行期間超濾進(jìn)水濁度平均值為4.3 NTU，但頻繁地出現(xiàn)數(shù)小時(shí)內(nèi)躍升至20 NTU甚至躍升至接近100 NTU的情況。

現(xiàn)有工藝的浸沒式超濾膜運(yùn)行中出現(xiàn)了產(chǎn)水量低、易污堵和難清洗等問題。因預(yù)處理系統(tǒng)受到水質(zhì)沖擊而導(dǎo)致過濾發(fā)生短流，進(jìn)而導(dǎo)致浸沒式超濾膜進(jìn)口發(fā)生污堵、難清洗和斷絲的問題，此前也有報(bào)導(dǎo)〔2〕。本研究以陶瓷超濾膜替代浸沒式超濾膜進(jìn)行中試研究，考察其處理該煤礦礦井水的運(yùn)行效果。中試取水點(diǎn)為現(xiàn)有系統(tǒng)的超濾原水箱。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備及運(yùn)行參數(shù)

中試設(shè)備采用納諾斯通水務(wù)公司為工業(yè)化應(yīng)用而設(shè)計(jì)的集裝箱式試驗(yàn)裝置，工藝流程見圖2。

試驗(yàn)裝置為全自動(dòng)控制。其中CM-131陶瓷超濾膜元件的膜面積為19 m2，過濾精度為30 nm，過濾層材料采用α-Al2O3，具有親水性強(qiáng)、易清洗、通量高、機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性高的顯著優(yōu)點(diǎn)〔3〕。在線濁度儀采用美國(guó)GF的TURBIDIMETER-4150 W/L，在線壓力變送器采用美國(guó)HOFFER的HFDPTHG-RGP05E2，在線流量計(jì)采用美國(guó)HOFFER的HFMAGWP2-HG-F-50-25。

中試正式開始前，由預(yù)調(diào)試所獲得的運(yùn)行數(shù)據(jù)確定中試采用以下設(shè)置：過濾時(shí)間為30 min/周期，反洗30s，正沖30s；超濾進(jìn)水投加13~15mg/LPAC。

2 討論與分析

2.1 跨膜壓差數(shù)據(jù)分析

考察在運(yùn)行通量為260 L/（m2·h）， 運(yùn)行時(shí)間為22 d的運(yùn)行效果，結(jié)果見圖3。

圖3 運(yùn)行通量為260 L/（m2·h）時(shí)的跨膜壓差

由圖3可知，過濾期間的跨膜壓差穩(wěn)定在0.03~0.08 MPa（此區(qū)間以外離散數(shù)據(jù)為在線壓力變送器記錄的反洗/正沖等操作下的壓力數(shù)據(jù)，下同）。前期數(shù)據(jù)波動(dòng)較大是由閥門故障等機(jī)械故障引起的，其中11.5~12.3 d（夜間）跨膜壓差上升接近0.13 MPa是由進(jìn)水PAC加藥軟管出現(xiàn)突發(fā)性破損導(dǎo)致PAC投加異常所引起的，修復(fù)后經(jīng)維護(hù)性化學(xué)清洗恢復(fù)至正常，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

由于煤礦礦井水同時(shí)存在水量波動(dòng)大的問題，為驗(yàn)證陶瓷超濾膜在不利條件下運(yùn)行的穩(wěn)定性及清洗后膜滲透性的恢復(fù)，考察運(yùn)行通量為 315L/（m2·h），運(yùn)行時(shí)間為12.3 d的運(yùn)行效果，結(jié)果見圖4。

圖4 運(yùn)行通量為315 L/（m2·h）時(shí)的跨膜壓差

由圖4可知，運(yùn)行期間跨膜壓差主要分布在0.04~0.06 MPa，呈規(guī)律性變化，反洗和化學(xué)清洗均能有效恢復(fù)跨膜壓差，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)。結(jié)合1.2中中試期間超濾進(jìn)水的濁度數(shù)據(jù)，其中高濁度沖擊期間（28.5~29 d，中試期間最不利工況）的跨膜壓差數(shù)據(jù)分析見圖5。

圖5 高濁度沖擊期間的跨膜壓差

由圖5可知，進(jìn)水濁度在60~100 NTU期間，跨膜壓差在0.05~0.06 MPa之間規(guī)律地周期性變化，僅略高于進(jìn)水濁度低于20NTU的跨膜壓差（0.05MPa），表明陶瓷超濾膜在高濁度及120%進(jìn)水量的沖擊下穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 產(chǎn)水水質(zhì)

考察陶瓷超濾膜產(chǎn)水的濁度，結(jié)果表明，中試期間陶瓷超濾膜產(chǎn)水濁度穩(wěn)定低于0.1 NTU，優(yōu)于后續(xù)納濾進(jìn)水濁度要求（＜0.2 NTU）。表明陶瓷超濾膜在水量和水質(zhì)波動(dòng)大的煤礦礦井水處理中可作為納濾和反滲透前的可靠保障措施，其替代浸沒式超濾膜的可行性得到驗(yàn)證。

3 結(jié)論

（1）在進(jìn)水投加 13～15 mg/L PAC 的條件下，陶瓷超濾膜在 260 L/（m2·h）的目標(biāo)通量及 315 L/（m2·h）的挑戰(zhàn)通量下運(yùn)行平穩(wěn)。

（2）陶瓷超濾膜對(duì)進(jìn)水濁度沖擊耐受性強(qiáng)，在進(jìn)水濁度波動(dòng)頻繁且波動(dòng)幅度大（高達(dá)100 NTU）的不利工況下保持穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）產(chǎn)水濁度穩(wěn)定＜0.1 NTU，完全滿足后續(xù)納濾的進(jìn)水要求。