高礦化度礦井水“零排放”成套技術(shù)與設(shè)備

朱 峰

（兗礦能源（鄂爾多斯）有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 礦井處理技術(shù)及創(chuàng)新性

目前我國(guó)主流的處理工藝為“預(yù)處理+生化處理+納濾+反滲透”等，礦井水工藝能有效保證出水水質(zhì)較好。但現(xiàn)有處理工藝主要缺點(diǎn)有反滲透濃水很難處理，鹽份很高；也有部分采用蒸發(fā)濃縮液的方式實(shí)現(xiàn)濃縮液的減量化，蒸發(fā)處理后剩下的濃縮母液仍未找到很好的處理方法，結(jié)晶鹽純度較低難以資源化利用，反滲透成本高[1]。

該項(xiàng)目技術(shù)采用“預(yù)處理+多級(jí)膜高效濃縮+多效強(qiáng)制蒸發(fā)結(jié)晶+分鹽”的治理工藝，進(jìn)行工程化和集成化開(kāi)發(fā)，通過(guò)多級(jí)膜高效濃縮，蒸發(fā)結(jié)晶、分鹽資源化實(shí)現(xiàn)礦井水深度處理達(dá)標(biāo)，其創(chuàng)新點(diǎn)及技術(shù)先進(jìn)性如下：

1）采用多級(jí)膜高效濃縮組合工藝，開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟(jì)高效的膜濃縮技術(shù)及裝備，提高了膜濃縮回收率，解決了濃液減量化難題。

2）采用化學(xué)除硬，避免了結(jié)垢的問(wèn)題，克服修復(fù)技術(shù)施工、運(yùn)行的限制，降低運(yùn)行成本。

3）采用多效強(qiáng)制蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)，多效蒸發(fā)器提高了鹽的純度，且為降低系統(tǒng)中雜質(zhì)離子的濃縮聚集，為系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)離子設(shè)置了一個(gè)出口，使系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)離子維持在一定水平，以保證結(jié)晶鹽的品質(zhì)，從而解決了結(jié)晶鹽純度較低難以資源化利用的難題。

4）形成了一套典型的礦井水深度處理工程模式。

2 主要工藝流程及指標(biāo)

3 重點(diǎn)創(chuàng)新內(nèi)容的實(shí)施

項(xiàng)目技術(shù)主要采用“預(yù)處理+多級(jí)膜濃縮處理+多效強(qiáng)制蒸發(fā)結(jié)晶+分鹽”的工藝流程（圖1）。其中，二級(jí)膜濃縮和三級(jí)膜濃縮通常需要協(xié)調(diào)考慮，是零排放的重點(diǎn)和難點(diǎn)，工藝路線較多，主要技術(shù)難題是經(jīng)濟(jì)高效的防結(jié)垢預(yù)處理技術(shù)和高倍濃縮技術(shù)。設(shè)計(jì)出水指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)出水水質(zhì)指標(biāo)

圖1 工藝流程圖

3.1 預(yù)處理技術(shù)

井下預(yù)處理沒(méi)有考慮除鐵錳，沒(méi)有過(guò)濾裝置，地面預(yù)處理目的是調(diào)節(jié)井下避峰就谷排水，去除水中鐵、錳離子，進(jìn)一步去除水中懸浮物膠體等影響膜濃縮處理系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的因素[2]。預(yù)處理采用“調(diào)節(jié)曝氣+過(guò)濾”的工藝。礦井水處理過(guò)程中的過(guò)濾形式采用V型濾池。V 型濾池不僅濾料層厚度能夠滿足要求，納污能力強(qiáng)，且采用氣水反沖洗，沖洗效果好，濾速高，能耗較低，占地面積小，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的自動(dòng)化程度。

3.2 多級(jí)膜濃縮處理技術(shù)

一級(jí)濃縮處理處理技術(shù)相對(duì)成熟，采用“超濾+BW反滲透”工藝，UF 回收率可以達(dá)到95%以上，出水濁度≤1 NTU，SDI15（污染指數(shù)）≤5，為反滲透處理提供較好的進(jìn)水條件。本項(xiàng)目二級(jí)膜濃縮前采用藥劑軟化+管式微濾（TMF）的預(yù)處理工藝，在三級(jí)膜濃縮前采用管式微濾（TMF）+離子交換+除碳工藝，二級(jí)膜濃縮采用BWRO 工藝，三級(jí)膜濃縮采用DTRO 工藝。通過(guò)膜技術(shù)處理將絕大部分污染物質(zhì)截留在濃水一側(cè)，實(shí)現(xiàn)ρ（TDS）≤1 000 mg/L，濃縮后的濃鹽水水量占總水量的10%以下，ρ（TDS）在10 000 mg/L以上，滿足蒸發(fā)結(jié)晶的經(jīng)濟(jì)性要求，并為后續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶做好準(zhǔn)備。

3.3 多效強(qiáng)制蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)

蒸發(fā)結(jié)晶是零排放過(guò)程中濃鹽水處理的最主要方法，也是最終方法，主要有蒸發(fā)塘（晾曬池）工藝、多效蒸發(fā)工藝（MED）和機(jī)械蒸汽再壓縮蒸發(fā)工藝（MVR）[3]。該項(xiàng)目采用MED 多效蒸發(fā)工藝，MED 利用蒸汽加熱物料，之后再利用物料產(chǎn)生的二次蒸汽加熱后一效的物料，依次循環(huán)，一般三效蒸發(fā)具有較高的性價(jià)比，同時(shí)可以分別控制各效溫度，有利于分鹽操作；運(yùn)行費(fèi)用方面，在蒸汽價(jià)格較低的地方MED 優(yōu)勢(shì)更加明顯，電費(fèi)0.8 元/（kW·h）情況下，蒸汽費(fèi)70 元/t。相比較而言，工程投資較低，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，且運(yùn)行電耗低。該工藝技術(shù)將膜濃縮產(chǎn)生的少量濃鹽水中的溶解性鹽類(lèi)分離出來(lái)，實(shí)現(xiàn)固化，便于利用及最終處置，同時(shí)產(chǎn)生合格產(chǎn)品水。產(chǎn)品水ρ（TDS）≤1 000 mg/L，體積流量近乎等于濃鹽水的體積流量；根據(jù)具體要求，產(chǎn)生的固體鹽類(lèi)可以是混鹽，也可以是滿足一定技術(shù)要求的工業(yè)原料鹽。

4 技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用示范案例

4.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)述

某煤礦礦井水深度處理工程，建設(shè)地點(diǎn)在內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市烏審旗嘎魯圖鎮(zhèn)，建設(shè)時(shí)間為2019 年2 月至2019 年8 月。

該礦現(xiàn)有2 000 m3/h 的地面凈化處理站，主要以去除水中懸浮物為目的，出水達(dá)到《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB20426—2002，但因處理系統(tǒng)主要設(shè)備為租用環(huán)保設(shè)備廠家，且能力不能滿足今后水量增大的需求，經(jīng)礦方多次論證后，準(zhǔn)備在井下建一座預(yù)處理系統(tǒng)，處理能力3 000 m3/h。根據(jù)水質(zhì)分析，該煤礦礦井水含鹽量3 300 mg/L 左右，因此，需要對(duì)礦井水進(jìn)行深度處理。深度處理項(xiàng)目處理對(duì)象為井下預(yù)處理系統(tǒng)的出水。

設(shè)計(jì)一級(jí)濃縮采用“超濾+BW 反滲透”工藝，二級(jí)濃縮采用BW 反滲透工藝，三級(jí)濃縮采用DTRO 反滲透工藝，系統(tǒng)中除硬采用“藥劑軟化+管式微濾膜”工藝，濃鹽水處理采用“多效蒸發(fā)+分鹽結(jié)晶”工藝，生產(chǎn)Na2SO4，占地面積省，技術(shù)成熟可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，處理效果好，可保證出水水質(zhì)滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB 3838—2002》表1 三類(lèi)水質(zhì)（非湖、庫(kù)）和表2水質(zhì)指標(biāo)要求，同時(shí)ρ（TDS）＜500 mg/L，ρ（硫酸鹽）＜250 mg/L，ρ（氯化物）＜250 mg/L，且系統(tǒng)回收率不小于96%。

4.2 項(xiàng)目工藝流程

礦井水提升上來(lái)后先進(jìn)入調(diào)節(jié)池，調(diào)節(jié)池內(nèi)設(shè)曝氣系統(tǒng)，氧化水中鐵錳離子，出水進(jìn)入V 型濾池，過(guò)濾去除水中殘留懸浮物、膠體及鐵錳沉淀物，出水進(jìn)入一級(jí)預(yù)處理系統(tǒng)，一級(jí)膜濃縮預(yù)處理采用自清洗過(guò)濾器和超濾工藝，進(jìn)一步提高反滲透進(jìn)水水質(zhì)，減少污染堵塞，延長(zhǎng)膜使用壽命，一級(jí)膜濃縮回收率70%；一級(jí)膜濃縮的濃水作為二級(jí)膜濃縮的進(jìn)水，該濃水經(jīng)過(guò)藥劑軟化去除鈣、鎂、硅，通過(guò)管式微濾去除鈣、鎂、硅的沉淀物，進(jìn)入二級(jí)膜濃縮的反滲透單元，進(jìn)一步濃縮，回收率80%；二級(jí)膜濃縮的濃水濃縮后含鹽量40 000 mg/L 左右，加藥進(jìn)一步軟化去除鈣、鎂，通過(guò)管式微濾去除鈣、鎂沉淀物后進(jìn)入離子交換系統(tǒng)，去除鋇離子及少量鈣、鎂離子，脫碳后進(jìn)入三級(jí)膜濃縮，回收率55%，濃縮后濃鹽水質(zhì)量濃度達(dá)100 000 mg/L以上，待蒸發(fā)結(jié)晶。三級(jí)膜濃縮產(chǎn)生的產(chǎn)品水混合后收集到產(chǎn)品水池，待回用。管式微濾的濃縮液、離子交換的再生廢液收集經(jīng)管式微濾、化學(xué)沉淀處理后，產(chǎn)生的泥渣壓濾處理，上清液返回至各級(jí)濃水預(yù)處理系統(tǒng)，循環(huán)處理利用，產(chǎn)生的固廢委托有相關(guān)資質(zhì)的部門(mén)處理。濾池反沖洗水經(jīng)澄清處理后清水回至調(diào)節(jié)池，污泥水送至洗煤廠濃縮池處理。工藝技術(shù)框圖如圖2 所示。

圖2 預(yù)處理和膜濃縮工藝流程圖

該煤礦礦井水為Na—SO4型水質(zhì)，氯化物占比質(zhì)量比不足1/20，分離Na2SO4結(jié)晶鹽后，再分離NaCl并不經(jīng)濟(jì)，因此少量氯化鈉與雜鹽一起結(jié)晶分離處理。

濃鹽水經(jīng)上料泵并經(jīng)二次汽冷凝水預(yù)熱后首先進(jìn)入到三效蒸發(fā)器中，經(jīng)三效蒸發(fā)器循環(huán)泵在三效加熱室和分離室中循環(huán)濃縮，部分濃縮液由轉(zhuǎn)料泵排入二效分離室中，經(jīng)二效蒸發(fā)器循環(huán)泵在二效加熱室和分離室中循環(huán)，進(jìn)水得到進(jìn)一步濃縮，部分濃縮液由轉(zhuǎn)料泵排入一效結(jié)晶分離室中，經(jīng)一效蒸發(fā)器循環(huán)泵在一效加熱室和結(jié)晶器中循環(huán)，進(jìn)水最終濃縮達(dá)到過(guò)飽和結(jié)晶出硫酸鈉，關(guān)鍵是控制蒸發(fā)終點(diǎn)濃度在硫酸鈉的結(jié)晶區(qū)。一效蒸發(fā)的部分漿液經(jīng)出料泵排入稠厚器，使一效結(jié)晶器固液處于平衡狀態(tài)。

一效結(jié)晶器設(shè)鹽腿進(jìn)行淘洗，以提高鹽的純度。進(jìn)入稠厚器的晶漿，再進(jìn)入離心機(jī)中離心分離脫水；離心分離得到的結(jié)晶為Na2SO4結(jié)晶單鹽（含水率≤5%），硫酸鈉結(jié)晶經(jīng)干燥后包裝，可以考慮作為普通玻璃、燃料、造紙等工業(yè)以及天然堿或元明粉行業(yè)的原料出售。離心母液可由母液泵送回一效蒸發(fā)結(jié)晶器。為降低系統(tǒng)中雜質(zhì)離子的濃縮聚集，外排一部分母液去雜鹽干化系統(tǒng)，為系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)離子找一個(gè)出口，使系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)離子維持在一定水平，以保證結(jié)晶鹽的品質(zhì)。工藝技術(shù)框圖如圖3 所示。

圖3 蒸發(fā)結(jié)晶工藝流程圖

4.3 項(xiàng)目效益分析

本項(xiàng)目的實(shí)施，可減少礦井水排放對(duì)周?chē)h(huán)境的污染，改善周邊居民的居住環(huán)境；每天最多可為礦區(qū)及周邊企業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供65 000 m3以上的可利用水源，減少了地下水的取水量，保護(hù)了地區(qū)地下水資源的自然平衡，解決地區(qū)用水量日益增加和水資源越來(lái)越短缺的矛盾，提高煤礦企業(yè)的綜合效益，促進(jìn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)增加了50 人的就業(yè)機(jī)會(huì)，對(duì)促進(jìn)社會(huì)穩(wěn)定和諧發(fā)展起到積極作用。

5 實(shí)施效果

項(xiàng)目技術(shù)產(chǎn)品包含多級(jí)膜高效濃縮及多效強(qiáng)制蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)，工藝系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)備多，投資大，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，技術(shù)水平高，對(duì)礦井水的深度處理具有示范作用。該項(xiàng)目技術(shù)產(chǎn)品主要應(yīng)用推廣領(lǐng)域?yàn)榈V井水深度處理，適用行業(yè)為各地區(qū)的煤礦廠等，可根據(jù)不同的進(jìn)水水質(zhì)，調(diào)整運(yùn)行方式和參數(shù)，適用于各類(lèi)礦井水。