雙膜法工藝在礦井水深度處理中的應用實例

何興斌,劉 潘,鄒 一

(四川賽諾行環?？萍加邢薰?四川綿陽 621000)

我國水資源分布極不均衡,北方煤炭基地大多位于缺水地區,形成了“煤多水少”的局面,水資源不足已成為制約礦區經濟發展的重要因素。與此同時,根據統計,全國平均采1 t煤,排放礦井水量約為2.1 m3,存在水資源嚴重浪費的問題[1]。因此,加強煤礦礦井水深度處理回用是必然的趨勢,也是緩解礦區“煤多水少”問題的最佳解決方法?，F階段國內外礦井水的處理工藝多種多樣,其中去除懸浮物和普通污染物的工藝主要包括混凝沉淀過濾工藝、超磁分離工藝、高效旋流技術等。針對一些酸性礦井水、高氟礦井水、重金屬礦井水等特殊礦井水,還需要專門的處理,包括酸堿中和、離子交換、吸附、化學沉淀等。對于高礦化度礦井水或涉及到礦井水回用、對產水溶解性總固體(TDS)要求較高的場合,膜濃縮技術也得到了應用,包括納濾(NF)、反滲透(RO)和電滲析(ED)等技術[1-3]。對于一些TDS不高的礦井水,但產水渾濁度要求很高的處理系統中,超濾(UF)技術也得到了較為廣泛的應用。

陜西某煤礦礦井水原有處理工藝為“格柵+預沉調節池+磁加載沉淀”,沉淀池出水達標后外排,其出水的礦化度和部分離子指標無法滿足相關回用標準。為緩解礦區用水緊張的局面,同時滿足國家對礦井水回用的相關要求,并為后期將全部礦井水進行深度處理回用做技術和工程上的探索,采用UF+RO雙膜法工藝,將一部分原有系統出水進行深度處理,取得了良好的效果。

1 項目概況

1.1 設計規模

深度處理系統設計進水量為7 200 m3/d(24 h工作制),產水量為4 800 m3/d(25 ℃),系統總回收率≥65%。

1.2 進出水水質

該系統原水為礦井涌水經過“格柵+預沉調節池+磁加載沉淀”處理后的水。經過多次取樣檢測,部分關鍵指標平均值如表1所示,來水水質較為穩定,波動性較小。

深度處理系統產水主要回用于井下生產,包括井下消防、灑水、液壓系統用水等,主要指標如表2所示[4-5]。

表2 回用水水質標準Tab.2 Standards of Reuse Water Quality

1.3 工藝選擇及流程

1.3.1 工藝選擇

本系統礦井水主要水質特征如下:(1)TDS質量濃度達到3 950 mg/L,礦化度高,其鹽類成分主要是Na+、Ca2+、硫酸鹽、酸式碳酸鹽和氯化物等;(2)硬度大,總硬度(以CaCO3計)達到512 mg/L,

根據以上水質特征,工藝思路如下。

(1)原水TDS較高,要去除水中的無機離子,以達到回用要求,國內外的處理技術有化學法、熱力法及膜分離法等?；瘜W法處理不夠徹底,主要去除硬度物質,且成本較高;熱力法包括多級閃蒸和機械蒸汽壓縮,其運行過程中易結垢、易腐蝕,且蒸餾設備前期投入大,能耗高;較為成熟的工藝是膜工藝,包括NF和RO技術等[3,6]。本工程采用“UF+RO”雙膜法脫鹽處理,UF主要用于保障進入RO膜裝置的淤泥密度指數(SDI)和渾濁度滿足要求,確保RO的穩定運行;并采用多介質過濾器進行預處理,去除大的雜質和顆粒,保護膜系統。

(2)一般針對極硬且堿度較高的原水,須在預處理段設置軟化工藝段,通常采用石灰、碳酸鈉和硫酸等藥劑,以避免膜系統結垢,但同時也會增加系統的運行成本,引入新的鹽分,提高進入RO的鹽含量,導致RO運行壓力升高。也可采用離子交換樹脂軟化,但需進行樹脂再生,同時也會有高濃度鹽水產生,對于高硬度水的軟化經濟性差,目前只有小型系統使用。表3是3種軟化工藝的技術經濟對比。經過計算(表4),原水的朗格利爾指數(LSI)為0.1,濃水的史蒂夫戴維斯指數(S&DSI)為1.06,濃水離子積Ipb為溶度積Ksp的1.17倍[7],需要采取措施阻止結垢。隨著現今阻垢劑性能進一步得到提升,通過優化選型并定量添加復合阻垢劑,以防止RO膜的結垢[6],另外UF裝置酸洗不采用弱酸檸檬酸,而采用鹽酸清洗以強化酸洗除垢效果。因此,從節約投資、簡化工藝路線、便于運行管理的角度出發,不設置預處理軟化工藝,采用投加復合阻垢劑的方式保障RO正常運行。

表3 3種軟化工藝的技術經濟對比Tab.3 Technical and Economic Comparison of Three Softening Processes

表4 原水和RO濃水結垢指數Tab.4 Scale Index for Raw Water and RO Concentrated Water

(3)為便于檢修和化學清洗,設置多介質過濾器4套、UF和RO裝置各設置2套,且工藝段間均設置中間池。在對其中任何一套裝置進行檢修維護或者清洗時,系統仍可不停產運行,提高了系統在線率,最大化地保障礦區用水需求。

1.3.2 工藝流程

系統來水(經格柵+預沉調節池+磁加載沉淀處理后的水)進入原水池,用泵提升至多介質過濾器,去除水中一部分膠體和大部分懸浮物,產水進入中間池1。中間池1的水用泵提升至UF裝置,截留下膠體、蛋白質、微生物及大分子有機物等污染物之后進入中間池2。UF裝置前設有100 μm自清洗過濾器,以保護UF膜絲不被水中可能的大的雜質損壞。中間池2的水經由低壓泵提升至5 μm保安過濾器后,再由高壓泵加壓進入RO裝置。RO裝置能有效截留絕大部分的溶解鹽分及分子量大于150的有機物[7],裝置出水進入清水池,供井下回用。

多介質過濾器反洗排水、UF氣洗排水、RO沖洗水及化學清洗廢水均排入污水池,然后用泵排至預處理系統后,同礦井水原水一起再次進行預處理。RO濃水進入濃水池,黃泥灌漿用水對水質礦化度無要求,濃水用于井下黃泥灌漿。工藝流程和水量平衡如圖1、圖2所示。

圖1 工藝流程Fig.1 Process Flow

圖2 水量平衡圖Fig.2 Diagram of Water Balance

2 工程設計

2.1 多介質過濾工藝段

多介質過濾工藝段包括原水池、多介質過濾器。多介質過濾器屬于壓力式過濾器設備,在供水泵提供的一定壓力下,使原液通過濾料,水中的懸浮物、不溶性顆粒物、絮狀沉淀等雜質經過濾料間的孔隙被截留和俘獲,對后續UF和RO工藝段起到保護作用。

(1)原水池:暫存經“格柵+預沉調節池+磁加載沉淀”預處理工藝處理后的礦井水。原水池設計為地下式鋼筋混凝土結構,有效容積為300 m3,停留時間為1 h,池內壁采用玻璃鋼防腐。配置多介質提升泵3臺,2用1備,單臺流量Q=145 m3/h,揚程H=30 m,功率N=22 kW,過流部件材質為SS316L,帶變頻電機,配套1支投入式靜壓液位計。

(2)多介質過濾器:4套,單套處理能力為75 m3/h,碳鋼防腐結構,內部填充有石英砂和無煙煤,石英砂濾料粒徑為0.5～1 mm和1～2 mm兩種,裝填高度為800 mm,無煙煤粒徑為1～2 mm,裝填高度為400 mm,并配置了相應的電動閥和壓差檢測儀表。

2.2 UF工藝段

UF工藝段包括中間池1、自清洗過濾器和UF裝置。UF能夠去除水中的懸浮物、膠體、微生物以及大分子有機物,用于表示UF膜孔徑的切割分子量一般在1 000～500 000 Da,出水渾濁度＜0.1 NTU、SDI≤3,可以滿足RO的進水要求。

(1)中間池1:暫存多介質過濾器產水,設計為地下式鋼筋混凝土結構,有效容積為150 m3,停留時間為30 min,池內壁采用玻璃鋼防腐。配置UF提升泵3臺,2用1備,單臺Q=145 m3/h,H=30 m,N=22 kW,過流部件材質為SS316L,帶變頻電機。另配置有多介質反洗泵2臺,1用1備,單臺Q=350 m3/h,H=20 m,N=30 kW,過流部件材質為SS316L,帶變頻電機,配套1支投入式靜壓液位計。

(2)自清洗過濾器:2臺,精度為100 μm,用于截留大顆粒雜質,以保護UF裝置的安全運行,避免UF膜絲被大顆粒物質堵塞或者劃傷。

(3)UF裝置:2套,配置有相應的流量計、濁度儀、壓力傳感器和氣動閥門。單套裝置列裝58支膜元件,單支膜元件膜面積為52 m2,膜孔徑為0.04 μm,膜材質為聚偏二氟乙烯(PVDF),處理能力為150 m3/h(25 ℃),設計平均通量為49.7 L/(m2·h),回收率≥93.5%。

2.3 RO工藝段

RO工藝段包括中間池2、RO裝置和清水池。RO裝置能有效截留絕大部分的溶解鹽分及大分子有機物[7],同時允許水分子通過。

(1)中間池2:暫存UF產水,設計為地下式鋼筋混凝土結構,有效容積為150 m3,停留時間為30 min,池內壁采用玻璃鋼防腐。配置設備如下:①RO低壓泵3臺,2用1備,單臺Q=135 m3/h,H=32 m,N=30 kW,過流部件材質為SS316L,帶變頻電機;②投入式靜壓液位計1支;③保安過濾器2套,單套處理能力為135 m3/h,配置4支5 μm大流量折疊濾芯;④RO高壓泵,3臺,2用1冷備,立式多級離心泵,單臺Q=135 m3/h,H=150 m,N=110 kW,過流部件材質為SS316L,帶變頻電機。

(2)RO裝置:2套,配置有相應的流量計、電導率儀、pH儀、ORP儀、壓力傳感器、氣動閥門、還原劑加藥裝置和阻垢劑加藥裝置等。單套裝置安裝144支抗污染型RO膜元件,24支六芯裝300PSI玻璃鋼膜殼,成2∶1排列,單支膜面積為37.2 m2,系統平均通量為18.9 L/(m2·h),產水能力為100 m3/h(25 ℃),回收率為74%,正常操作壓力為1.2 MPa。

(3)清水池:暫存RO產水,設計為地下式鋼筋混凝土結構,有效容積為300 m3,停留時間為1 h,池內壁采用玻璃鋼防腐。配置RO沖洗泵2臺,1用1備,單臺Q=126 m3/h,H=32 m,N=30 kW,過流部件材質為SS316L,帶變頻電機。配置有1套次氯酸鈉消毒加藥裝置(設計投加質量濃度為3 mg/L)、1支投入式靜壓液位計。

2.4 配套設施

其他配套設備包括鼓風機、壓縮空氣系統、加藥及清洗系統、污泥池和污水池等。

(1)鼓風機:羅茨鼓風機,2臺,1用1備,單臺Q=5 m3/min,升壓可至70 kPa,電機N=1.5 kW,用于多介質過濾器和UF裝置的氣洗操作。

(2)壓縮空氣系統:為所有氣動閥門提供壓縮空氣,空壓機2臺,1用1備,單臺Q=1 m3/min,壓力為0.6～0.8 MPa,N=5.5 kW;儲氣罐,1臺,容積為1 m3,壓力等級為1.0 MPa;冷干機1臺,Q=1.5 m3/min,N=0.55 kW。

(3)加藥及清洗系統:設置有次氯酸鈉、鹽酸加藥系統。另有1套清洗系統,包括1套清洗罐、2臺清洗泵和1臺5 μm清洗過濾器及其他配件,用于UF和RO裝置的在線清洗。

(4)污水池:1座,暫存多介質過濾器反洗排水、UF氣洗排水及RO沖洗水等排污水。污水池設計為地下式鋼筋混凝土結構,有效容積為150 m3,池內壁采用玻璃鋼防腐,配套1支投入式靜壓液位計。

(5)濃水池:1座,暫存RO濃水。濃水池設計為地下式鋼筋混凝土結構,有效容積為150 m3,池內壁采用玻璃鋼防腐,配套1支投入式靜壓液位計。

系統平面布置如圖3所示。

圖3 平面布置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Plan Layout

3 處理效果及成本分析

3.1 處理效果

工程于2022年8月完成系統調試和試運行,系統按照設計的參數能夠平穩運行。系統平均進水量為280 m3/h,產水量為200 m3/h,產水水量達到了設計要求;系統回收率為71.4%,優于設計值(66.7%)。礦井水水溫穩定在27 ℃上下,TDS質量濃度在3 700～4 000 mg/L,硬度在450～500 mg/L,來水水質波動小。定期檢測數據表明,系統投用以來,產水TDS及各離子含量遠優于設計要求,且產水水質穩定,脫鹽率達到98%,滿足回用要求,具體如表5所示。

表5 出水水質定期檢測數據Tab.5 Regular Detection Data of Effluent Quality

受益于礦井水有機物含量低,微生物含量也較低,水溫較高,UF膜系統進水量為140～150 m3/h時,跨膜壓差(TMP)為26 kPa左右,且較為穩定。UF膜化學清洗以鹽酸為主,次氯酸鈉為輔。每3 d進行一次0.2%的低濃度鹽酸化學清洗,每月進行一次500 mg/L次氯酸鈉溶液及0.6%鹽酸溶液化學清洗,約半年進行一次高濃度的次氯酸鈉和鹽酸溶液循環化學清洗。從清洗過程中可以發現,在進行鹽酸溶液清洗時,清洗液pH有升高趨勢,此時應適當添加酸溶液,保障清洗效果,也說明膜絲結垢現象的存在,主要是由于原水硬度和堿度較高,實踐證明通過規律的化學清洗可以控制。

3.2 成本分析

本工程設備總投資為512.9萬元(不含水池和土建費用),其中設備采購費為427.0萬元,安裝及調試費為55.1萬元,其他費用為30.8萬元,即本項目噸水(以小時產水量為準)設備投資成本約為2.56萬元/m3。

工程運行成本主要包括人員工資福利、電費、藥劑費(次氯酸鈉、鹽酸、阻垢劑和還原劑等)、檢修維護費用和折舊費用等,本項目綜合運行成本為1.51元/m3,具體如表6所示。

表6 運行成本Tab.6 Operation Cost

原井下用水主要抽取地下水,其地下水用水成本為1.95元/m3。按每日運行20 h計算,本工程投用后可以減少抽取地下水的量為146萬m3/年,綜合計算可節約用水成本為64.24萬元/年,具有明顯的經濟效益。

4 結語

(1)本工程采用UF+RO雙膜法工藝對高礦化度煤礦礦井水進行深度處理回用,實踐證明技術可行、運行穩定可靠,工藝路線具有典型性。

(2)該工程來水為極硬水,硬度質量濃度達到512 mg/L(以CaCO3計),且硫酸鹽和堿度也較高,經過結垢傾向計算,通過合理選型阻垢藥劑種類和投加量,并優化選取了UF化學清洗藥劑,省去了預處理軟化工藝段。從實際運行效果來看,RO裝置段間壓差穩定,沒有出現明顯結垢的現象,系統運行穩定。

(3)煤礦礦井水的深度處理回用,積極響應了國家對加強礦井水回用的要求,減少了高礦化度礦井水的排放量,同時緩解了礦區用水緊張的局面,并對后續將全部礦井水進行深度處理回用進行了有益的工藝探索,具有明顯的經濟效益和社會效益。