煤礦礦井水綜合利用方案研究

于傳鵬

（遼寧北方環境保護有限公司 遼寧 沈陽 110000）

引言

在煤礦建設和生產過程中，流向井筒和巷道的水稱為礦井水，礦井水包括大氣降水、地表水、地下水和老窯積水等。礦井水是煤炭生產過程中排放量最多的水資源，礦井水如果不進行處理而直接排放會造成水資源浪費，同時也會污染環境[1]。對煤礦礦井水進行有效處理和綜合利用，不但可以防止水資源流失、避免礦井水對水環境造成污染，而且對緩解礦區用水緊張、改善礦區生態環境、最大限度地滿足生產和生活用水需要具有重大意義[2]。遼寧某煤礦緊跟國家環保政策，高度履行企業環境責任，堅持生態優先、綠色發展，積極探索節能降碳新路徑，并在這一大背景下建設了礦井水處理站，對礦井水進行除鹽及綜合利用，既促進了礦區綠色發展，又對實現煤礦企業高質量運行起到推進作用。

1 工程概況

遼寧某礦礦井水地面處理站設計處理量為1000m3/h。礦井水經處理后150m3/h 供井下生產用水，80m3/h 供給防塵恒壓供水站用于地面灑水、煤場防塵燈，這2 部分用水大部分回到礦井水處理；另外的40m3/h 用于職工洗浴用水，80m3/h 送至生活恒壓供水站作為生活用水、洗衣用水等，這2 項作為生活污水經處理站進行處理后同其他礦井水勾兌后外排。當井下正常生產時，礦井水的最大涌水量為800m3/h，生活污水排放量為100m3/h。同時，要求考慮未來5 年涌水量上升100m3/h，最終需對1000m3/h 的水量處理后外排。

2 工程條件

2.1 建設內容

遼寧某礦礦井水處理站項目所有系統單元（預處理系統單元、膜濃縮單元、蒸發結晶單元、污泥脫水單元、附屬構筑物）的工藝建（構）筑物，及其配套的建筑、結構、工藝管線、電氣、儀表自控、采暖通風、通信、照明、消防、接地與防雷、視頻監控系統、給排水、公用設施、場地道路等設備或設施[3]。

2.2 水源及水量

本項目設計處理水量為1000m3/h，處理水源為經過調節池、高效澄清池、濾池預處理后的井下礦井水（日間井下排水量800m3/h，夜間井下排水量峰值為1600m3/h）。生活污水處理站排放污水100m3/h，會同處理后的礦井水勾兌外排。

2.3 設計水溫

該煤礦所處地理位置地熱資源豐富，導致礦井水水溫偏高，夏季最高達35℃，冬季最高達32℃。另外，煤礦配套的水源熱泵冬季制熱、夏季制冷導致水溫波動范圍變大，一般會引起水溫±3～5℃的變化。根據工程經驗，礦井水水溫受季節影響較小，這對于本系統的穩定運行意義重大，因此建議在本工程建設完成后，將水源熱泵取水點移至最終產水池。本項目產水中懸浮物和硬度值更低，對減緩水源熱泵堵塞、結垢有顯著效果。綜上分析，本項目設計進水水溫按照32 ～35℃設計[4]。

2.4 進出水水質

進水水質指標如表1 所示。根據設計要求，200m3/h 系統產水作為回用水，供給礦上生活用水，回用水需達到《采暖空調系統水質》(GB/T29044-2012)及《生活飲用水衛生標準》(GB 5749-2006)[5]的要求。

表1 進水水質指標

一部分產水與生活污水勾兌后，同時滿足《關于進一步加強煤炭資源開發環境影響評價管理的通知》，主要指標含鹽量不得高于1000mg/L，硫酸鹽不得高于250mg/L[6]。

3 礦井水綜合利用工藝方案的研究

3.1 整體工藝方案及流程

遼寧某礦礦井水地面處理站的礦井水綜合利用工藝流程如圖1所示。根據確定的工藝流程，該工程分為3 個工藝段，依次是一級分鹽濃縮工藝段、脫穩分鹽濃縮工藝段、蒸發結晶工藝段。一級分鹽濃縮工藝段為經預處理后來水+ 纖維過濾器+CDRO（NF）+產水利用；脫穩分鹽濃縮工藝段為CDRO（NF）濃水進入脫穩裝置+高密池+ 砂濾器+ 離子交換+CDNF + 產水利用；蒸發結晶工藝段為CDNF 濃水進入機械蒸汽再壓縮（MVR）+干燥系統。

圖1 礦井水綜合利用工藝流程示意圖

3.2 一級分鹽濃縮工藝段

預處理后的產水經過管道進入調節池均質均量。通過水泵加壓提升進入纖維過濾器。通過纖維過濾器過濾后，出水進入CDRO（NF）系統進行預濃縮處理。CDRO（NF）系統的濃縮液進入下一工藝段，產水進入產品水箱[7]。

纖維過濾器采用一種新型柔軟纖維絲作為濾元，過濾精度可達幾微米，具有比表面積大、過濾阻力小的優點。過濾過程為對纖維絲施以回轉機具壓榨，使其縱向之間孔隙變小，水中的懸浮物均被擋在纖維絲外，過濾后得到清潔的處理水。當過濾器內被截留的懸浮污物(雜質)增多，處理水量下降，壓力達到設定值或達到設定的時間，則自動進入反沖洗過程。纖維過濾器過濾速度快、設備占地面積小、公用工程配套少、自動化程度高。

CD 裝置主要由特種平板膜、導流盤組成。集成的導流盤和膜片安裝在壓力容器內，通過O 型圈把透過液和原液隔離，壓力容器通過高壓軟管聯接到給水管、濃縮液管。廢水在進水泵增壓獲得初步壓力并經過保安過濾器過濾后即進入高壓泵提供壓力，而循環泵提供較大流量以滿足CD 膜面的流速要求。通過螺旋形流道引導流體通過導流盤，在所有膜表面上可獲得穩定的流體狀態，液體中的小分子顆粒物、溶解態的離子等被截留在濃水側，透過液經由產水隔網回流到中心管。CD 膜組件的應用，大大減小了壓力損失，同時也減少了濃差極化現象。

3.3 脫穩分鹽濃縮工藝段

CDRO（NF）濃水經提升泵加壓進入脫穩裝置，通過投加脫穩劑使過飽和的硫酸鈣析出，達到去除水中鈣硬度的目的。經過脫穩裝置可去除水中較多的鈣硬度，有效降低后續軟化藥劑的投加費用。

脫穩裝置的出水自流進入高密池中，通過投加石灰、氫氧化鈉、碳酸鈉、除氟劑、鎂劑、混凝劑、絮凝劑等藥劑去除水中絕大多數的硬度、堿度、二氧化硅、氟離子等。高密池產生的污泥進入污泥脫水工藝段，出水加入硫酸回調pH 后自流進入中間水池。中間水池的出水經過砂濾器，懸浮物、膠體等均被部分截留后進入離子交換系統。通過離子交換樹脂的吸附作用，去除水中殘存的大部分硬度。離子交換出入通過除碳器去除部分堿度后進入CDNF 系統，進一步分鹽濃縮。

高密度沉淀池是一種高效沉淀池，主要由混凝反應格、絮凝構筑物、澄清-濃縮區組成。高密度沉淀池前設置反應格，各格設置反應攪拌機，分別用來投加熟石灰、氫氧化鈉、純堿混凝劑、助凝劑等藥劑，起到混凝絮凝、沉淀澄清、污泥濃縮等功能。高密度沉淀池的應用具備7 個突出的特點，即①占地面積小，占地為常規沉淀技術的1/4 ～1/10，節約土建造價；②沉淀效率高；③排泥干度高；④抗負荷變化能力強；⑤節約藥劑；⑥水量損失較低；⑦運行、維護方便。

該工藝段采用“平板膜+晶種法”工藝，可解決礦井水近零排放的難題，打破了傳統藥劑化學法完全軟化處理的工藝路線，利用平板膜濃縮和自誘導結晶相結合，將溶解在水中的過飽和狀態硫酸鈣通過加入不溶的添加物（晶種），形成晶核，加快或促進與之晶型（或立體構型）相同的對映異構體結晶的生長。晶種不斷被誘導析出，循環往復，由于未向水中引入新的溶解性物質，因此脫穩結晶軟化法會使原水的含鹽量降低，且原水中硫酸鈣越高，去除量越大，則水中含鹽量降低越多，是真正的“減法”工藝。

3.4 蒸發結晶工藝段

CDNF 濃水通過蒸發進水泵經由預熱器與蒸發冷凝水預熱升溫后進入到機械蒸汽再壓縮（MVR）裝置，在所控制的料液溫度下達到Na2SO4的過飽和濃度后，大量硫酸鈉以晶體的形式結晶析出，經排料泵排至增稠器增稠，由離心機實現固液分離，經脫水機后得結晶鹽，該部分結晶鹽可進入干燥器進一步干燥脫除剩余水分。經干燥器干燥后，排料口排出的固體物料含水量可減少至0.2%以下。經脫水后的硫酸鈉結晶鹽由脫水機進入干燥機，干燥后的硫酸鈉結晶鹽通過噸袋包裝機進行包裝。

機械蒸汽壓縮再循環蒸發技術是目前世界上處理高鹽分廢水可靠、有效的解決方案之一。機械式蒸汽再壓縮蒸發器（MVR）的原理是利用高能效蒸汽壓縮機壓縮蒸發產生的二次蒸汽把電能轉換成熱能，提高二次蒸汽的燴，被提高熱能的二次蒸汽進入蒸發室進行加熱，循環利用二次蒸汽己有的熱能，從而達到補充極少量外部鮮蒸汽即可保證系統熱能平衡，并通過蒸發器自循環來實現蒸發濃縮的目的。強制循環蒸發結晶系統可大大降低由于可能存在的化學反應產生沉淀結晶而堵管結垢的風險，在強制循環蒸發器內蒸發后，物料達到過飽和狀態，此時開始不斷地析出結晶。

每次啟動系統需要新蒸汽作為MVR 蒸發結晶系統的加熱熱源，待罐內有二次蒸汽產生時，緩慢啟動機械蒸汽壓縮風機將低品質的二次蒸汽轉化為高品質的加熱蒸汽，逐步實現系統熱能平衡。

3.5 產物及去向分析

3.5.1 最終產品和產物

膜濃縮過程的產物為產品水和濃鹽水，濃鹽水經蒸發結晶后產物為物料冷凝水和結晶鹽。而在膜濃縮過程中，通過軟化方式去除鈣、鎂、硅時，還會產生一定的軟化污泥；通過脫穩方式去除鈣、硫酸根時，還產生一定的脫穩石膏。該項目產生的產品（水、鹽、污泥、石膏）情況如表2 所示。

表2 最終產物情況

3.5.2 產水和副產物去向

3.5.2.1 產品水

零排放系統產品水共972.5m3/h，其中200m3/h作為回用水用于洗浴、洗衣、空調系統補給水、井下降溫系統補水等；其余產品水與原有的生化系統排放水勾兌達標排放。

3.5.2.2 綜合外排水

綜合外排水共872.5m3/h，主要由部分產品水（772.5m3/h）與經生活污水處理站處理后的生活污水（100m3/h）混合后達標外排。

3.5.2.3 硫酸鈉

硫酸鈉可作為化工原料銷售。

3.5.2.4 污泥

產生的污泥回收利用。

3.5.2.5 石膏

石膏可作為副產品銷售。

3.6 各工藝段處理能力

根據確認進水水量，礦井外排水除鹽及綜合利用工程規模按1000m3/h 建設，各工藝段處理能力如表3 所示。

表3 各工藝段處理規模

結論

遼寧某礦礦井水處理站總處理規模為1000m3/h，采用“平板膜+晶種法”工藝為核心技術的煤礦礦井水低成本零排放創新解決方案。項目投產后，產水水質實現分質回用。部分水經過預處理達到井下消防、灑水要求，水質滿足《煤礦井下消防、灑水設計規范》（GB 50383-2016）表B 中的標準要求；部分經過反滲透系統的產水達到礦井一般生產、生活用水要求，水質滿足GB 5749-2022；最終外排水水質滿足《地表水環境質量標準》（GB 3838-2022）中Ⅲ類標準且滿足環評[2020]63 號文TDS ≤1000mg/L。產品鹽硫酸鈉達到GB/T 6009-2014 Ⅱ類一等品標準，實現了礦井水近零排放和副產物資源化利用，促進了綠色經濟循環增長和“雙碳”目標協調發展。