膜分离技术在矿井水处理中的应用

奥艳文

(西山煤电公用事业分公司，山西 太原 030053)

引 言

污染排放问题一直都是工业发展过程中的重点和难点问题，它关乎着人们赖以生存的环境是否舒适和健康。水污染是影响饮用水和工业供水的重要环境污染源。如何进行水资源的回收和利用是现阶段我国主要面临的问题。20世纪70年代，我国开始进行矿井水处理。传统的矿井水处理工艺对于矿井水仅为处理和排放，不仅对环境存在污染，同时矿井水净化处理的成本高，出水水质不高。我国主要煤炭矿产区在华东、华北、东北、西北等北方缺水地区，其中有40%的矿区严重缺水，极大限制了矿区的生活用水和工业用水，制约了矿区发展。随着膜分离技术的高速发展，该技术在矿井水处理中得到广泛应用。这项技术在矿井水回收利用并加以资源化起到了技术奠基作用。膜分离这一水处理技术因其能耗低、操作简单、选择性好、适应性强、无二次污染等特点给矿井水污染环境与矿区供水严重短缺这对矛盾提供了非常优良的解决办法。给环境工程的保护和发展提供了实施前提和技术基础。

1 膜分离技术简要介绍

1.1 工艺原理

膜分离技术是指利用混合物中物质粒径不同，在外力作用下通过半透膜，从而实现选择性分离的技术。膜分离技术在基本工艺原理方面是比较简单的。混合物首先经过泵的加压，以一定流速通过半透膜(滤膜)，大于膜截留分子量的回流形成回流液或浓缩液，小于膜截留分子量的透过半透膜形成透析液。具体工艺如图1所示。

图1 矿井水膜分离工艺示意图

1.2 分类

膜分离技术可以从以下几个方面分类。结构类型方面分为液膜和固体膜，过程类型方面可分为微滤(MF)、超滤(UF)、纳滤(NF)、反渗透(RO)、电渗析(ED)、气体渗透分离、渗透蒸发等等。

1.3 技术特点及应用

在矿井水回收利用方面，目前广泛应用的方法有微滤、超滤、纳滤和反渗透。以下将对四种常用膜分离进行技术特点及应用的介绍。

1.3.1 微滤(MF)

微滤是膜分离技术中最早应用的产业化技术，它采用均匀多孔滤膜对溶液或混合液进行过滤，主要应用于对水质要求不高的过滤工艺中，或应用于有深度过滤要求的过滤技术的预处理工艺中。多孔滤膜因孔径均匀、较大，因此微滤技术具有过滤精度高，过滤速度快，滤液纯度高等特点。目前微滤技术以广泛应用于污废水处理和重金属废水的预处理。矿区中可使用混凝—微滤工艺处理矿井水，出水中悬浮物、细菌及COD去除率分别可以达到86 % ,99.9%及98 %，出水浊度<2 NTU，细菌数<35 CFU/mL,ρ(CODMn)<1.4 mg/L，可适用于井下降尘用水[1]。为矿井水回收再利用提供了新途径。

1.3.2 超滤(UF)

超滤是一种介于微滤和纳滤之间的二次过滤技术。超滤使用压力驱动在膜表面，膜滤孔进行筛分和吸附，能够有效筛分截留蛋白质、胶体等大分子有机物质。超滤技术具有过滤精度高、过滤产量大、过滤能力稳定等特点，同时超滤技术的截留筛分能力在溶液浓缩和分离方面具有较大优势。目前超滤技术已广泛应用于饮用水深度处理工艺中。部分矿区中已采用混凝—超滤工艺处理矿井水，出水浊度<0.3NTU ,ρ(COD)<11 mg/L，细菌去除率99.9 %，出水可回用于水质要求较高的煤矿生活用水和消防洒水等。

1.3.3 纳滤(NF)

纳滤是目前较为热门的一种膜分离技术，它是一种低压反渗透过滤技术，分离、过滤能力介于超滤和反渗透之间，属于分子级膜分离技术。纳滤采用压力驱动，使用较低的操作压力，通过滤膜表面负电荷，在筛分效应和道南效应下，能够对特定的溶质具有高脱除率，从而实现有效去除小分子有机物和无机盐等有毒有害物质。纳滤技术具有成本低、选择性好、截留率高、软化水质等特点。纳滤膜分离技术主要应用于高矿化废水处理，饮用水处理和有机物质回收等领域。目前，对于较清洁的矿井水，聂锦旭等人已设计出纳滤膜组合工艺，实现滤后的出水水质符合日常生活饮用水的卫生标准(GB 5749-85)[2]。而对于高污染矿井水经纳滤膜处理，也有工艺能够实现出水水质符合再生水标准，这对于矿区中冷却用水回用和饮用水软化等具有较为实际的应用。近几年来，随着纳滤膜性能的不断提高，纳滤膜组件的价格不断下降，纳滤膜在投资、操作和维护等方面已接近甚至优于常规法。

1.3.4 反渗透(RO)

反渗透又称逆渗透，是以滤膜两侧溶剂静压力差作为推动力，当一侧溶剂的压力值超过渗透压时，膜两侧溶剂会逆着自然渗透方向进行，使得低压侧得到透过的溶剂，即为渗透液；高压侧得到浓缩的溶液，即浓缩液。反渗透膜分离技术具有能耗低、运行成本低、设计简单、建设周期短、净化率高、环境安全无污染。反渗透膜分离技术主要应用于高品质用水的深度处理，出水水质极高，目前已能够于矿井水处理、回收形成饮用水的工艺。同时，黄陵一号煤矿已采用超滤—反渗透工艺处理矿井水，出水水质完全能够回用作为电厂循环冷却水使用[3]。四种常用膜分离技术示意图，如图2所示。

图2 四种常用膜分离技术对比示意图

2 矿井水处理工艺的注意事项

矿井水多为含悬浮物矿井水，其水量约占我国矿井涌水量60%以上。矿井水中主要含有以煤岩粉为主的悬浮物，可溶的无机盐类，有机污染物较少，一般不含有毒物质。在进行膜分离工艺对矿井水进行处理回收过程中，悬浮物和不溶于水的杂质严重降低了出水率和出水质量，同时降低了滤膜的使用寿命。因此在预处理工艺同样重要。目前，微滤及超滤工艺的主要预处理方法有混凝沉淀，纳滤、反渗透工艺的主要预处理方法包括混凝沉淀、微滤和超滤等[4]。同时，在预处理工艺中，还应根据不同来源的矿井水进行有针对性的预处理，如水中多含有煤屑悬浮物，可以施加化学药剂形成松散结合的矾花。同时通过静置沉积和普通滤网进行预处理，即可有效防止膜污染、膜孔堵塞。

纳滤和反渗透工艺属于压力驱动的膜分离技术，在膜运行过程中，提高压力可增加溶剂膜通过率、提高分离效率。但高压会加剧滤膜损伤及膜孔污染速度。因此合理规定膜运行压力，定期维护清洗滤膜，能够有效延长滤膜使用寿命，降低滤膜污染带来的出水水质不良等情况。

3 结语

矿井水处理，是解决矿区水污染严重和水资源匮乏局面的新出路，是社会、环境、经济发展的利益导向。相较于传统矿井水处理工艺，膜分离技术具有投资少，运行安全、出水质量稳定，出水品质高等优势。随着膜分离技术和材料技术的不断发展，膜分离技术在工艺实现上具有更高可实施性和效益稳定性。同时对于全球面临的环境保护难题有着重要意义。膜处理技术在矿井水资源净化领域具有良好的发展前景及不可替代的位置。