雙膜法集成工藝在井下高礦化度礦井水處理中的應(yīng)用

虎曉龍，李小龍，武書泉，宋喜東，邸衛(wèi)猛，王志慧，趙 雷，崔永紅

(1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)公司靈新煤礦，寧夏 靈武 751410；2.中煤(北京)環(huán)保工程有限公司，北京 100013)

我國煤礦礦井水的綜合利用率低，傳統(tǒng)處理煤礦礦井水的工藝設(shè)置在地面，占地面積大、投資費(fèi)用高，礦井水經(jīng)提升至地面處理后又回用于井下，工藝環(huán)節(jié)多、能源浪費(fèi)高，預(yù)處理過濾膜、反滲透膜的“雙膜法”處理工藝尚未應(yīng)用在井下。

在《關(guān)于煤炭工業(yè)“十三五”節(jié)能環(huán)保與資源綜合利用的指導(dǎo)意見》中提出：推動礦井水產(chǎn)業(yè)化，提高礦井水利用率，加強(qiáng)水資源節(jié)約、保護(hù)和循環(huán)高效利用；煤礦生產(chǎn)、生活用水應(yīng)優(yōu)先使用礦井水，條件具備的地區(qū)應(yīng)主要采用礦井水作為第一水源。

隨著礦區(qū)水資源日益緊缺，礦井水的資源價(jià)值越來越受到重視，特別是在缺水礦區(qū)，礦井水已成為主要的工業(yè)生活用水水源，建設(shè)高效、低耗的煤礦礦井水處理系統(tǒng)工程已經(jīng)成為煤礦必不可少的工作環(huán)節(jié)，并在煤礦生產(chǎn)中起著重要的作用。

1 推動礦井水井下處理的必要性分析

(1)減少清倉次數(shù)，降低勞動強(qiáng)度，降低清倉成本。

(2) 減少主排水泵及管路的磨損，降低能耗，降低運(yùn)行成本。

(3)增強(qiáng)井下用水可靠性，簡化供水環(huán)節(jié)，降低供水成本。

2 高礦化度礦井水井下處理的難點(diǎn)

(1)傳統(tǒng)處理工藝占地面積大，礦建投資費(fèi)用高。

(2) 傳統(tǒng)處理工藝設(shè)備尺寸不符合井下復(fù)雜的地質(zhì)工況條件，設(shè)備設(shè)置存在局限性。

(3) 深度處理產(chǎn)生的濃鹽水無法在井下處理。

3 井下雙膜法集成工藝

某次實(shí)地取樣化驗(yàn)本項(xiàng)目的井下礦井水水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

3.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

根據(jù)在不同時(shí)段、多次實(shí)地觀測待處理的井下礦井水的來水量，并留有一定富余量，本項(xiàng)目的水處理設(shè)計(jì)規(guī)模定為550 m3/h。

3.2 產(chǎn)水水質(zhì)要求

處理后的礦井水作為生活飲用水、井下消防灑水、井下黃泥灌漿用水、工業(yè)場地消防用水、綜合辦公樓自噴消防用水、工業(yè)場地綠化及工業(yè)用水水源。產(chǎn)品水水質(zhì)需達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。

表1 本項(xiàng)目井下礦井水水質(zhì)實(shí)測結(jié)果

3.3 項(xiàng)目處理廢水水質(zhì)分析

本項(xiàng)目處理廢水(原水)主要為采礦區(qū)采煤廢水，水質(zhì)如下。

3.3.1 懸浮物SS含量、濁度等超標(biāo)

原水水質(zhì)一般情況下SS含量為1 000 mg/L，不同時(shí)期排水濃度也有很大差異，水質(zhì)不穩(wěn)定期間SS含量會超過2 000 mg/L，甚至更高。

礦井水中構(gòu)成懸浮物SS的主要是煤屑、巖粉、粘土等細(xì)小顆粒物，尤其是煤粉，懸浮物穩(wěn)定性好、不易脫穩(wěn)沉降。由于受到煤、廢機(jī)油、乳化油等污染，礦井水中還含有一定量的油類。

3.3.2 離子濃度超標(biāo)

原水水質(zhì)中鈣、鎂、鈉、鋁、硼、氟化物、氯化物、硫酸鹽、溶解性總固體、總硬度等指標(biāo)超標(biāo)。礦井水礦化度為5 742 mg/L，為高礦化度礦井水。

3.4 水處理工藝

水處理工藝采用(直濾+反滲透)的“井下雙膜法”集成工藝，分為柔性陶瓷直濾膜撬裝設(shè)備處理單元和反滲透膜撬裝設(shè)備處理單元兩部分。原水經(jīng)直濾設(shè)備過濾去除懸浮物后，經(jīng)反滲透設(shè)備進(jìn)一步濃縮產(chǎn)生純水。濃水排至濃鹽水庫封存，產(chǎn)水供至產(chǎn)品水池復(fù)用。

3.5 工藝流程描述

3.5.1 柔性陶瓷直濾膜撬裝設(shè)備處理單元

來自三采區(qū)、四采區(qū)、五采區(qū)的礦井涌水以及一采區(qū)主斜井膠帶巷的地面沖洗水分別沿地溝匯集自流至沉淀池，分別經(jīng)渣漿泵提升至旋分除固系統(tǒng)進(jìn)行處理，去除粒徑大于0.2 mm的顆粒，產(chǎn)水沿1050大巷地溝(見圖1)與六采區(qū)井底水倉管道來水匯集后自流至預(yù)沉調(diào)節(jié)池；一采區(qū)風(fēng)井、一采區(qū)副井、一采區(qū)四區(qū)段礦井涌水及一采區(qū)南翼采空區(qū)回流水等其他礦井水沿地溝匯集自流至清水池。

預(yù)沉調(diào)節(jié)池及清水池內(nèi)的礦井水經(jīng)提升泵提升供至直濾設(shè)備，去除水中的懸浮物、膠體、微粒、細(xì)菌等大分子物質(zhì)后，產(chǎn)水經(jīng)管道自流至直濾產(chǎn)水池；直濾設(shè)備的錯流水通過地溝自流至預(yù)沉調(diào)節(jié)池；直濾設(shè)備產(chǎn)生的污泥水、化學(xué)清洗水沿地溝自流至污泥暫存池，最終經(jīng)泵排至+1045標(biāo)高的一采區(qū)南翼采空區(qū)，污泥水經(jīng)采空區(qū)自然過濾、截留后，又與其他礦井涌水匯合沿地溝自流至清水池。工藝流程見圖1。

圖1 柔性陶瓷直濾膜撬裝設(shè)備處理單元工藝流程

3.5.2 反滲透膜撬裝設(shè)備處理單元

直濾產(chǎn)水池內(nèi)的清水由原水反滲透供水泵提升，依次經(jīng)過保安過濾器過濾、高壓泵增壓后供至原水反滲透設(shè)備，脫除水中大部分的鹽分，產(chǎn)生的純水經(jīng)管道收集并自流至純水產(chǎn)品水池，產(chǎn)生的濃水經(jīng)管道收集自流至濃水池。

濃水池內(nèi)的濃水，由納濾除硬供水泵提升，經(jīng)保安過濾器過濾、高壓泵增壓后，供至納濾除硬設(shè)備進(jìn)行軟化，軟化產(chǎn)水經(jīng)管道收集自流至軟化水池，產(chǎn)生的濃水經(jīng)管道收集自流至濃鹽水池。

軟化水池內(nèi)的軟化水，由濃水反滲透供水泵提升，經(jīng)保安過濾器過濾、高壓泵增壓后，供至濃水反滲透設(shè)備進(jìn)一步脫鹽處理，以提高產(chǎn)水率。濃水反滲透設(shè)備產(chǎn)生的純水經(jīng)管道收集與原水反滲透產(chǎn)水匯合并自流至純水產(chǎn)品水池；產(chǎn)生的濃水經(jīng)管道收集自流至濃鹽水池，與納濾除硬設(shè)備產(chǎn)生的濃水匯合，最終經(jīng)濃鹽水泵提升至一采區(qū)北翼采空區(qū)的濃鹽水庫進(jìn)行封存。原水反滲透設(shè)備、濃水反滲透設(shè)備的不合格產(chǎn)水、沖洗水、化學(xué)清洗加藥箱廢水均排至地溝，自流至預(yù)沉調(diào)節(jié)池。

井下礦井涌水經(jīng)深度處理后，產(chǎn)生的純水儲存在產(chǎn)品水池內(nèi)，一部分井下回用，另外一部分供至地面回用。事故時(shí)，根據(jù)水池內(nèi)的液位儀與管道自動閥聯(lián)動排至原井下副水倉，產(chǎn)品水池溢流水排至原井下主水倉。工藝流程見圖2，各工序雜離子質(zhì)量濃度變化見表2。

圖2 反滲透膜撬裝設(shè)備處理單元工藝流程

表2 水處理工藝各階段的水質(zhì) mg/L

4 結(jié) 語

(直濾+反滲透)的雙膜法集成工藝應(yīng)用在高礦化度礦井水井下處理中，大大減少了占地面積，節(jié)省了礦建投資費(fèi)用；通過對水處理設(shè)備尺寸的優(yōu)化，很好地適應(yīng)了井下復(fù)雜的地質(zhì)工況條件；直濾處理設(shè)備的污泥水經(jīng)采空區(qū)自然過濾截留，省掉了傳統(tǒng)的壓濾工藝，反滲透設(shè)備產(chǎn)生的濃水封存在采空區(qū)，無需傳統(tǒng)的蒸發(fā)結(jié)晶，減少了工藝環(huán)節(jié)，很好地解決了濃鹽水的去向問題，降低了投資，降低了運(yùn)行成本；通過對反滲透工藝的優(yōu)化，提高了產(chǎn)水率。

綜上所述，(直濾+反滲透)的雙膜法集成工藝應(yīng)用在高礦化度礦井水井下處理中，有很大的參考意義和推廣價(jià)值。