顾桥矿矿井水深度处理：超滤＋反渗透系统设计研究

潘凌潇，刘汉湖，何春东

（1.江苏省资源环境信息工程重点实验室，中国矿业大学，江苏 徐州 221116；2.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏 徐州 221116）

煤炭是我国重要的基础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位，在我国一次能源结构中，煤炭占到70%以上。随着煤炭的不断开采，如何提高矿井水的资源化利用成为了一个研究热点。目前，对煤矿高矿化度矿井水深度处理的工艺主要有离子交换法、蒸馏法、电渗析法和反渗透法等。离子交换法通常适用于含盐量小于500mg/L的原水淡化，蒸馏法适合于热源充足的场所，电渗析通常适用于含盐量为1000～5000mg/L的原水淡化，反渗透适用范围较电渗析宽［1］。在国外，矿井水处理一般不以利用为主要目的，而以排放为目的。对于高矿化度矿井水深度处理技术，国外主要以反渗透技术为主，以零污染排放为目的，努力提高系统自动化水平，降低系统能耗。我国煤矿高矿化度矿井水深度处理通常采用电渗析法和反渗透法。

顾桥矿高矿化度矿井水的水质具有“两高”的特点，即溶解性总固体含量高和氯化物含量高。目前该矿已建有一级净化处理，处理后的水质中悬浮固体浓 度 在1000mg/L 左右，TDS在1000mg/L 以上，不能达到饮用水要求，所以需要对部分净化处理后的水再进行深度处理。双膜技术反渗透除盐淡化技术具有适用范围广、工艺简单、脱盐率高（＞95%）、水回收率高、出水水质好等特点。根据顾桥矿矿井水水质和水量特点，设计的深度处理工艺流程为叠片过滤—超滤—反渗透。

1 顾桥矿矿井水水质水量特点

顾桥矿水文地质条件比较复杂，矿井水主要来自于三个综采作业面、掘进巷道以及地下渗水等。顾桥矿矿井水由地下水泵房抽排至地面矿井水处理站。根据对该矿外排水量变化资料的分析，顾桥矿矿井水近几年抽排量最大5306.79m3/d（2009年2月）最小为1581.00m3/d（2008年3月），平均值为3269.09m3/d，日变化系数 Kt为 1.62。从总体情况上看，其排放量近几年来一直在增加，尤其是2008年下半年之后的抽排量要明显多于之前年份的抽排量，不过最近两年维持在3500m3/d左右。

根据对2007～2010年的矿井水水质资料分析，得出其SS、CODcr值普遍偏高（SS四年平均值为903mg/L，CODcr为93.74mg/L），同时经过实地水样的监测，得出2011年该矿矿井水悬浮固体浓度和TDS均已超过1000mg/L，pH在6～9之间。该矿井水属于典型的高悬浮物高矿化度矿井水。该类矿井水需经过一级净化处理后才能加以回用，若回用于生活饮用水，则更需要进行深度淡化除盐处理。

2 矿井水现有处理工艺与效果

目前，顾桥矿工业场地内已经建成矿井水净化处理站一座，矿井水由井下抽排至地面矿井水处理站。经处理后送至选煤厂或送至井下、防火灌浆站等地使用。矿井水采用水力循环澄清处理工艺，处理规模为3500m3/d。工艺流程图见图1。

图1 顾桥矿矿井水处理工艺流程图（现状）

顾桥矿矿井水经过水力循环澄清池—重力式无阀滤池工艺处理后，其悬浮物浓度和CODcr值明显下降，SS平均值由原来的903mg/L降为46.82mg/L，CODcr由原来的93.74mg/L降为20.79mg/L，出水pH在6～9之间，各指标值见表1。这些指标均达到《煤炭工业污染物排放标准》（GB20426—2006）的相关规定。

表1 顾桥矿矿井水一级处理后水质表

与饮用水标准相比，处理后的矿井水的悬浮物含量和矿物质含量（主要是Cl－、S）仍然偏高，TDS依然在1000mg/L以上，处理后的水仍属高矿化度矿井水。若要将这些水以饮用水形式加以回收利用，则必须再进行深度处理，才能符合饮用水标准。

3 矿井水深度处理工艺设计

为了综合利用矿井水资源，现对3500m3矿井水中的1000m3进行深度处理，处理后达到饮用水标准；其余2500m3在经过一级净化处理后进行回用，包括井下生产、防火灌浆和绿化洒水等。根据国内外矿井水深度处理技术发展趋势及相关文献［2－4］，顾桥矿矿井水深度处理工艺采用“超滤＋反渗透”（双膜工艺），工艺流程见图2。

深度处理流程为：一级净化出水经增压泵增压后输入叠片过滤器，除去水中的悬浮物杂质后，进入超滤进行有机物、色度、大分子物质等的去除，其产水进入超滤池，在保证出水污染指数SDI值＜1时再经保安过滤器及高压泵进入反渗透机组，同时在保安滤器之前加入阻垢剂，防止钙镁在反渗透膜表面沉淀结垢。制得纯水进入纯水池，再用外输纯水泵送出，供各用户使用。

图2 顾桥矿矿井水深度处理设计流程图

3.1 叠片过滤器的选择

叠片过滤处理位于整个深度处理的最前端，根据进水水质SS为46.82mg/L，流量为41.7t/h，可以选择2英寸SPIN KLIN作为过滤单元，4个过滤单元组成整个过滤系统。总管材料选用316不锈钢或 U-PVC。

3.2 超滤膜的设计

工业上常用的超滤膜器件主要有五种类型：板框式、圆管式、螺旋卷式、中空纤维式、毛细管式［5］。各种基本类型膜均有不同的适用性，在工业上应用最为广泛的是中空纤维式。中空纤维超滤膜膜易清洗、水通量高、易于彻底检查。根据进入超滤设备前的水质、水量特点以及出水要求，选用海德能HUF10-200型号的超滤膜。

设计时选用透量 V＝60L/m2·h，设计温度25℃，产水量900m3/d（回收率为90%）。膜的平均水通量取60L/m2·H，膜的有效面积为31.8m2，得出所需超滤膜数量为20根，并选择内装4根元件的膜壳，八英寸压力容器5个。

一般而言，因超滤所需压力较低，离心泵即可满足要求。超滤原水泵的流量为41.7m3/h，超滤原水泵的扬程选择约为30m；膜反洗选定每30min反洗一次，反洗时间40s，反洗水为超滤产水，每次反洗前后各一次正洗，每次正洗t＝15s，正洗水可用原水；清洗装置的清洗箱设计为0.96m3。清洗泵选用316不锈钢离心泵或玻璃钢泵［5］。考虑保安过滤器的压降、管道的阻力损失等，此处设计压力为0.3MPa。

3.3 反渗透装置的设计

反渗透膜常用的是卷式和中空纤维式。对于卷式构型，常用膜有醋酸纤维素膜（CA膜）和复合膜（TFC），利用这些膜制成膜元件，把膜元件放在压力容器中构成膜组件。中空纤维式反渗透器对给水要求较高，加上一次性投资费用比卷式设备的要高，因此卷式反渗透装置应用更多［6］。TFC膜与CA膜比较，不易水解，可在pH值2～11之间运行，抗生物侵蚀能力强，且能抗膜的压密。该膜的最大优点，一是可在较低压力下运行，节约能源；二是不易水解，透盐量能维持稳定。故本设计选择TFC膜作为渗透膜元件。

反渗透布置系统有单程式、循环式和多段式，本设计选用多段式系统，可充分提高水的回收率，用于产水量大的场合，膜组件逐渐减少是为了保持一定流速以减轻膜表面浓差极化现象。根据水质水量和回收率（75%），本设计采用DOW陶氏公司生产的反渗透膜，型号为BW30～400。反渗透膜元件的有效面积400ft2、反渗透的产水为675t/d，平均水通量10gfd（8～14gfd）。每只压力容器中装膜6支，需要压力容器7个，膜数量共42支。

为了使反渗透装置达到给定的回收率，同时保持水在每个装置内的每个组件中处于大致相同的流动状态，必须将装置内的组件分为多段锥形排列，段内并联，段间串联。将42根膜元件合成7支反渗透膜组件，即6根一组，要使达到75%的回收率，将组件设计为一级二段，组合布置图见图3。

图3 反渗透膜的组合排列

利用ROSA7.2反渗透计算软件模拟反渗透段各膜元件，结果设备回收率为74.99%，与预设的相符，最终出水TDS为24.94mg/L，溶解性总固体≤1000mg/L，符合国家标准《生活饮用水卫生标准》。

此外从软件计算结果报告中得出给水压力9.26bar。针对水质特点，选择多级离心泵。选择由中国大连水泵厂苏尔寿公司提供的ZA系列水泵；选择由Codeline公司生产的型号为E8S/SP-6W的压力容器，共7个，内装6个膜元件。在反渗透装置上，按压力分高压管路和低压管路。高压管路通常采用不锈钢材料，通常采用SS304。低压管路如高压泵，产水管路选择ABS材料，大管径采用钢衬胶管和不锈钢管。

清洗装置由清洗箱、清洗泵、保安过滤器、管道、阀门、控制仪表组成。清洗箱体积为1.812m3，用耐腐蚀材料制作，如聚丙烯、玻璃钢。清洗泵通常是316不锈钢离心泵或玻璃钢泵。考虑保安过滤器的压降、管道的阻力损失等，此处设计压力为0.5MPa。

4 效益分析

工程总投资主要包括土建工程投资、设备工程投资和安装工程投资，经过预算，顾桥矿矿井水深度处理总投资为115万元。

运行费用主要包括电费、膜更换费用、化学试剂费用、劳动力费用和维修费用等等。按照花费2.4元/m3产水，一年的运行费用为591300元。如果按自来水水费1.8元/t，水资源费1.2元/t，折旧费每年55000元进行计算，每年可盈利105143元。

该项目的实施可以为煤矿生产、生活提供优质水源，减少煤矿取水量，节约水资源。矿井水深度处理利用后，提高了利用率，从根本上解决了矿井水对环境的污染问题，有效地缓解地下水位下降的幅度，对防止水源枯竭，维持地下水的良性循环，改善矿区生态环境，搞好矿区的环境保护工作有积极作用。

5 结论及建议

顾桥矿矿井水具有高悬浮物、高矿化度的特点，针对其水量和水质，设计出深度处理工艺流程为叠片过滤＋超滤＋反渗透，本工艺运行稳定、可靠，抗冲击负荷能力强，水回收率达到65%以上，反渗透脱盐率达到95%以上。利用ROSA7.2反渗透计算软件模拟，最终出水水质浊度＜1NTU，TDS为24.94mg/L，可以达到国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）中的规定。

今后须深入完善现有的矿井水处理设施，保证矿井水处理设备正常稳定运行；进一步完善矿井水收集、利用管网系统，提高系统运行效率及可靠性，保障出水水质达标；完善矿井水回用分配，对每一项用途进行估计和权衡，直正实现矿井水资源化。

［1］冯逸仙.反渗透水处理系统工程［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［2］杨静，李福勤，何绪文，等.鹤壁矿区矿井水水质特征及其资源化技术［J］.煤炭工程，2007，36（9）：59-61.

［3］何绪文，胡滇建，胡振玉，等.煤矿高矿化度矿井水处理技术研究［J］.煤炭科学技术，2002，30（8）：38-41.

［4］何绪文，宋志伟，王殿芳，等.反渗透技术在煤矿苦咸水处理中的应用研究［J］.中国矿业大学学报，2002，31（6）：618-621.

［5］华耀祖.超滤技术与应用［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［6］冯逸仙，杨世纯.反渗透水处理工程［M］.北京：中国电力出版社，2000.