煤礦礦井水深度處理與復(fù)用的應(yīng)用研究

張洪亮

（寧夏煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750000）

引言

我國淡水資源貧乏，空間分布上也極不平衡、存在較大的差異，這點(diǎn)在煤炭工業(yè)中顯得尤為突出，有煤炭的地域缺水，而有水的地方缺煤。寧夏寧東煤炭地基地處西北腹地，坐落在寧夏回族自治區(qū)中東部，這里是典型的資源型缺水與工程型缺水并存的干旱地區(qū)，煤炭儲(chǔ)量豐富，但水資源匱乏，形成了“煤多水少”的局面。該區(qū)域年平均降水量在300 mm 以下，而蒸發(fā)系數(shù)較高，供水量與蓄水量矛盾逐年加劇。煤礦開采過程中產(chǎn)生設(shè)備冷卻水、降塵水、防滅火水和采空區(qū)涌水混合在一起形成礦井水，若礦井水未經(jīng)處理排放，對地下水和地表水環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生污染。本工程設(shè)計(jì)采用超濾膜和反滲透膜處理技術(shù)對礦井水進(jìn)行深度處理，為煤礦企業(yè)提供了一種經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可靠的礦井水處理工藝方案。

1 礦井水處理工程現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)狀簡介

該煤礦位于寧夏回族自治區(qū)寧東煤田靈武礦區(qū)，礦井建設(shè)規(guī)模為18 Mt/a。近三年礦井水平均日涌水量為19 000 m3/d，生產(chǎn)生活平均日用水量11 000 m3/d，其中生活用水量2 000 m3/d，生產(chǎn)用水量9 000 m3/d。井下礦井水經(jīng)中央水泵房提升至地面，地面礦井水處理站采用預(yù)沉+加砂速沉凈化+過濾工藝對礦井水進(jìn)行預(yù)處理，去除水中懸浮物和濁度。因水的鹽分較高，達(dá)到8 000 mg/L，對設(shè)備和構(gòu)筑物均有較強(qiáng)的腐蝕性，不能直接復(fù)用，澄清后礦井水僅少部分回用煤場降塵、道路灑水，大部分礦井水排至南湖臨時(shí)存蓄。礦井生活生產(chǎn)用水取自黃河水，由于近些年黃河流域生態(tài)環(huán)保政策調(diào)整，黃河用水指標(biāo)逐年降低，已經(jīng)影響到煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)，礦井供、用水矛盾加劇，生產(chǎn)用水不足的問題亟待解決[1]。

1.2 存在問題

根據(jù)該煤礦開采生產(chǎn)規(guī)劃和用水情況，并采取了節(jié)水措施降低生產(chǎn)用水量，預(yù)計(jì)2030 年前計(jì)劃生產(chǎn)用水量為8 000 m3/d，現(xiàn)有礦井水處理設(shè)施和處理工藝不滿足生產(chǎn)用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

礦井水水源中溶解性總固體、總硬度、硫酸鹽、氯化物指標(biāo)較高，無法直接復(fù)用，需要進(jìn)一步深度處理。礦井水預(yù)處理后水質(zhì)，如表1 所示。

表1 礦井水預(yù)處理后水質(zhì)

2 深度處理技術(shù)方案

通過對礦井水水質(zhì)、現(xiàn)有處理工藝和存在問題分析，首先明確生產(chǎn)用水水質(zhì)要求，提出合理的工藝路線，并確定建設(shè)規(guī)模。建設(shè)規(guī)模：處理水量14 000 m3/d，設(shè)計(jì)回收率60%，產(chǎn)水量8 400 m3/d。主要建設(shè)內(nèi)容：新建礦井水深度處理水廠，采用超濾+反滲透處理工藝，將預(yù)處理后礦井水進(jìn)行深度處理回用。廠區(qū)總用地面積9 861 m2，總建筑面積2 967 m2。本次工程設(shè)計(jì)包括兩部分，分別為礦井水深度處理廠和復(fù)用水管網(wǎng)建設(shè)。深度水處理出水水質(zhì)，如表2 所示。

表2 深度處理出水水質(zhì)

3 深度處理工藝流程（見圖1）

圖1 礦井水深度處理工藝流程

4 工程設(shè)計(jì)

4.1 超濾系統(tǒng)

超濾膜可以截留溶解的大分子物質(zhì)，主要是蛋白質(zhì)、乳膠、細(xì)菌、微粒子等。超濾的操作壓力小，透水量大，運(yùn)行費(fèi)用低。超濾膜前設(shè)置自清洗過濾器，截留過濾精度100 μm 的顆粒物，再送入超濾系統(tǒng)，超濾配備反沖洗泵和相關(guān)化學(xué)清洗酸、堿及次氯酸鈉藥劑箱和計(jì)量泵。本設(shè)計(jì)選用外壓式立式超濾膜[2]。

在反滲透系統(tǒng)前增加超濾系統(tǒng)進(jìn)行膜前預(yù)處理，預(yù)處理后水中剩余懸浮物被全部除去，超濾按照最大處理水量18 000 m3/d 設(shè)計(jì)，每套超設(shè)備的處理水量為q=210 m3/h，總處理量Q=1 050 m3/h，所需5 套，考慮1 套備用，共6 套，設(shè)計(jì)回收率＞90%。

裝置組成：超濾給水泵，Q=210 m3/h，H=30 m，N=37 kW，材質(zhì)不銹鋼316 L，設(shè)6 臺(tái)，5 用1 備。膜組件，單支超濾膜面積75 m2，膜通量45 L/m2·h，選用中空纖維PVDF 膜，膜孔徑0.03 um，產(chǎn)水濁度＜0.2 NTU，膜高度2.5 m。超濾膜滑架每套安裝60 支外壓式膜組件，立式安裝，尺寸為6.5 m×3.0 m×3.5 m，材料采用碳鋼防腐。

超濾膜清洗系統(tǒng)：超濾系統(tǒng)運(yùn)行中，隨著運(yùn)行時(shí)間的增長，超濾膜孔會(huì)被水中的污染物所堵塞，從而導(dǎo)致膜通量降低。需要定期對超濾膜進(jìn)行清洗，本設(shè)計(jì)采用氣水反沖洗與化學(xué)藥劑清洗的方法對超濾膜進(jìn)行清洗。1）氣水反沖洗：常規(guī)反洗周期取30 min，氣擦洗時(shí)間20 s，氣水反洗30 s，排放時(shí)間40 s。超濾反洗泵，Q=400 m3/h，H=30 m，N=75 kW，材質(zhì)不銹鋼316 L，設(shè)2 臺(tái)，1 用1 備。氣沖選用微油螺桿式空壓機(jī)，用于反沖氣源和氣動(dòng)閥門控制，設(shè)2 臺(tái)，1 用1 備。2）化學(xué)清洗：當(dāng)氣、水沖洗效果不理想時(shí)，則需要對超濾膜進(jìn)行化學(xué)藥劑清洗?；瘜W(xué)清洗藥劑采用次氯酸鈉、鹽酸和液堿。溶藥和加藥設(shè)備選用成套設(shè)備，包含溶藥箱、計(jì)量加藥泵等，采用變頻控制。

附屬構(gòu)筑物：1）緩沖水池：用于調(diào)節(jié)預(yù)處理來水和超濾系統(tǒng)處理水量的差值，形式為鋼筋混凝土水池一座，有效容積1 400 m3。2）反沖排水池：用于暫存超濾系統(tǒng)的反洗水和錯(cuò)流排水。根據(jù)水量平衡，錯(cuò)流排水按照5%設(shè)計(jì)，為900 m3/d，反洗排水為1 795 m3/d，設(shè)鋼筋混凝土水池一座，有效容積1 200 m3。3）超濾產(chǎn)水池：用于存放超濾產(chǎn)品水。設(shè)鋼筋混凝土水池一座，有效容積1 400 m3。

監(jiān)測儀表：為監(jiān)測水質(zhì)指標(biāo)，設(shè)PH、ORP 分析儀、高量程和低量程濁度儀、SDI 監(jiān)測儀。

4.2 反滲透系統(tǒng)

近年來，利用反滲透膜進(jìn)行工業(yè)污廢水脫鹽處理已成為應(yīng)用最成功、發(fā)展最快、普及最廣的膜濃縮分離技術(shù)。反滲透膜是采用特殊材料（如芳香聚酰胺等）和加工方法制成，具有半透性能的薄膜。反滲透脫鹽工藝就是利用反滲透膜和外加壓力（增壓泵）的作用，實(shí)現(xiàn)含鹽水濃縮分離的技術(shù)[3]。

考慮滿足煤礦生產(chǎn)用水量、水廠自用水量及水量波動(dòng)的影響，本設(shè)計(jì)采用一級二段排列方式，設(shè)計(jì)回收率60%，通過水泵變頻調(diào)速，可靈活適應(yīng)來水水量，保證供用水量平衡。本設(shè)計(jì)共設(shè)6 套反滲透裝置，5用1 備（低水量可采用4 用2 備方式或變頻調(diào)速方式適應(yīng)），按工作時(shí)間20 h 考慮，每套反滲透裝置最大進(jìn)水量為185 m3/h。

反滲透膜選型：設(shè)計(jì)選用陶氏公司膜計(jì)算軟件，淡水側(cè)選用BW 系列苦咸水膜，濃水側(cè)選用SW 系列海水膜。根據(jù)計(jì)算，單套一段選用BW30-400 膜組件24 組，每組6 支膜元件，二段選用SW30-400 膜組件12 組，每組6 支膜元件，單只膜元件膜面積均為400ft2，2：1 排列，1 級平均通量13.83 lmh。

裝置組成：

1）反滲透提升泵，Q=185 m3/h，H=35 m，N=30 kW，材質(zhì)不銹鋼316 L，設(shè)6 臺(tái)，5 用1 備。

2）保安過濾器，處理能力Q=200 m3/h，過濾精度：5 μm，選用折疊式濾芯，設(shè)6 臺(tái)，5 用1 備。

3）高壓泵，選用進(jìn)口水泵，臥式多級離心泵，Q=185 m3/h，H=150 m，P=132 kW，材質(zhì)不銹鋼316 L，設(shè)6 臺(tái)，5 用1 備。

4）段間增壓泵，為保證濃水側(cè)反滲透膜的通量，每套設(shè)段間增壓泵1 臺(tái)，選用進(jìn)口水泵，Q=110 m3/h，H=120 m，P=55 kW，材質(zhì)雙相鋼2205，設(shè)6 臺(tái)，5 用1 備。

5）加藥系統(tǒng)，視進(jìn)水水質(zhì)情況，反滲透正常運(yùn)行時(shí)需添加一定量的阻垢劑、還原劑、及非氧化性殺菌劑。加藥設(shè)備為撬裝式組合單元，將藥劑定量加入配置所需濃度的溶液，通過變頻控制的計(jì)量泵控制投藥量。

反滲透化學(xué)清洗系統(tǒng)：在廣泛應(yīng)用中，膜污染仍是主要障礙。膜通量下降主因是運(yùn)行中，反滲透膜表面會(huì)由于原水中顆粒、膠狀物、有機(jī)物等污染物質(zhì)以及膜表面難溶鹽的濃縮而產(chǎn)生沉積、屏障，產(chǎn)水量下降、水質(zhì)變差。根據(jù)產(chǎn)水水質(zhì)情況，對膜進(jìn)行化學(xué)藥劑清洗，可基本恢復(fù)膜的功能?；瘜W(xué)清洗系統(tǒng)包括清洗過濾器、清洗泵、清洗液箱以及配套的閥門、儀表。酸、堿加藥系統(tǒng)與超濾系統(tǒng)共用。

附屬構(gòu)筑物：反滲透產(chǎn)品水池，用于接納反滲透后的產(chǎn)水，利用水泵將深度處理后的產(chǎn)品水通過復(fù)用水管網(wǎng)輸送至各生產(chǎn)用水點(diǎn)。設(shè)鋼筋混凝土水池1座，分2 格，總有效容積2 100 m3。產(chǎn)品水供水泵，Q=240 m3/h，H=150 m，P=160 kW，材質(zhì)碳鋼，設(shè)3 臺(tái)，2用1 備。

5 工程投資及經(jīng)濟(jì)效益分析

該煤礦礦井水深度處理與復(fù)用工程的投資概算總額為8 793.05 萬元，在達(dá)到設(shè)計(jì)產(chǎn)能條件下，綜合藥劑費(fèi)、動(dòng)力費(fèi)、職工薪酬、修理、折舊及攤銷等費(fèi)用，測算本項(xiàng)目礦井水深度處理噸水成本為4.5 元/t。通過有無項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)成本分析，若不建設(shè)本項(xiàng)目，黃河水使用費(fèi)用、礦井水預(yù)處理費(fèi)、外排水輸送費(fèi)、水資源稅及環(huán)保稅，全年總費(fèi)用為4 410.83 萬元。若建設(shè)本項(xiàng)目，利用礦井水資源替換黃河水資源，全年總費(fèi)用為3 103.65 萬元。也就是說，項(xiàng)目實(shí)施該煤礦每年生產(chǎn)用水費(fèi)用將減少1 307.18 萬元。

6 結(jié)語

西北地區(qū)水資源匱乏，水資源不足已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，煤礦礦井水水源的循環(huán)利用是黃河水資源不足的有效替代和補(bǔ)充，也是緩解礦區(qū)缺水問題的最佳途徑。充分利用好礦井水資源，不僅保護(hù)了區(qū)域水環(huán)境、節(jié)約水資源，也是對黃河流域生態(tài)環(huán)境治理與保護(hù)工作的促進(jìn)和可靠支撐。本項(xiàng)目實(shí)施對煤礦企業(yè)節(jié)能減排具有重要意義，同時(shí)也為同類型企業(yè)提供了重要的參考與指導(dǎo)。