超滤-反渗透双膜法在镇城底矿井水处理系统改造应用

2020-05-29王媛

山西化工 2020年2期

王媛

(西山煤电集团有限责任公司公用事业分公司，山西太原 030053)

引言

煤炭作为我国的基础能源，在我国的能源消费结构中比重达到70%。煤矿在采掘过程中，矿井深部岩层、煤层会产生大量的矿井水，若不经处理直接排放会对自然生态环境造成严重破坏，还会造成水资源的浪费。当前，我国环境保护及管理形势严峻，矿井水处理不达标，已经严重制约煤矿的正常生产秩序。据行业统计，2017年我国矿井水的年排放量达78.6亿 m3，给矿井水的净化处理和环境保护带来巨大压力。现阶段，我国的大部分矿井在建设阶段均同步建设矿井水处理站；甚至还有矿井在矿井水处理上因地制宜，采用中水复用的方式，如，神华集团神东煤业哈拉沟煤矿就地取材采用煤矿井下采空区的煤矸石作为过滤和净化矿井污水的主要载体,在矿井采掘过程中直接将矿井排水注入采空区进行初级过滤净化,在通过管道输送至处理站进行二次处理，经处理后的中水可重复使用于矿井的生产，达到双重功效。但是，大部分的煤矿在矿井水处理时仍采用传统的絮凝-沉淀-过滤联合处理工艺，在高矿化度的矿井水中悬浮物多、pH值低时往往处理达不到排放标准。近些年，随着水处理技术的不断发展，超滤-反渗透双膜法在矿井水处理中的应用，使矿井水过滤处理取得良好的效果[1-5]。

1 工程概况

镇城底矿位于西山煤田的西北边缘,地处古交市西北,汾河延井田北部穿过，矿井设计生产能力150万t/a，矿井涌水量1 800 m3/h。由于镇城底矿地质条件复杂，煤层含水量大，随着回采工作面的增加，矿井的实际涌水量达2 300 m3/h,矿井水在排放过程中受采掘的煤尘影响，悬浮物的质量浓度达190 mg/L、溶解性总固体质量浓度约为7 500 mg/L,属典型的高矿化度水质。经检测镇城底矿矿井水中的H2CO3质量浓度约55 mg/L,CODcr为 3.5 mg/L,水质硬度 200 mg/L,pH值8.3。

为处理矿井水配套建设了一座处理量40 500 m3/d 的净化处理站，结合镇城底矿煤质特征采用絮凝-沉淀-过滤联合处理工艺。由于矿井涌水量大、水质不稳定、处理效果差，采用超滤(UF)-反渗透(RO)双膜法对原工艺系统的深度处理部分进行技术改造，将处理后的中水复用于矿井采掘生产，多余部分处理达标后进行排放。

2 超滤(UF)-反渗透(RO)双膜分离技术

为了实现矿井水的中水复用和零排放，镇城底矿采用超滤(UF)-反渗透(RO)双膜分离技术，对原有的矿井水过滤系统进行技术升级改造。膜分离技术作为新型分离净化与浓缩技术，主要用于矿井污水的深度过滤回用工程中，通过物理作用将矿井水逐步进行分离、分级、提纯与富集的技术。镇城底矿水处理站主要采用超滤(UF)-反渗透(RO)双膜技术，技改后矿井水处理系统工艺流程图如图1所示。

图1 工艺流程图

2.1 超滤膜(UF)

超滤技术采用压力差作为推动矿井水流动进行筛孔分离净化的技术。超滤膜(UF)的材质主要为聚氯乙烯等无机膜材料，其孔径约为0.002 μm～0.1 μm,截留相对分子质量大约为500～500 000。在系统的压力差推动下，矿井水从高压的料液侧透过超滤膜(UF)过滤到低压侧，从而得到过滤后的净化液体，而相对分子质量较大的杂质则被截留。超滤过程是动态的，但杂质分离则是在流动状态下完成的，截留的杂质包裹在超滤膜表面，只需通过清洗即可恢复使用效果。完整的(UF)超滤系统主要由水泵、自动反洗预过滤器、超滤膜(UF)组件、反向过滤泵、PLC控制系统和检测装置构成。

超滤系统采用PLC控制系统进行自动运行管理，实现了矿井水的过滤、系统内部的自动反冲洗、压空吹扫及故障自检功能，超滤系统的主要运行流程如下：

1) 进水过滤：经混合沉淀和原水过滤系统处理后的矿井水，流入回用水池，再由超滤进水泵将水泵入UF超滤装置。水流经超滤膜柱的底泵入膜柱内部，水压为0.2 MPa。UF超滤处理系统的膜柱内部的水流方向是由外向内的挤压方式，单个超滤膜柱的产能约5 t/h。

2) 反向过滤清洗：UF超滤系统在处理矿井水时，为保护超滤膜的使用寿命，PLC控制系统会按照设定程序定期对UF超滤膜进行反冲洗，以保证其使用寿命。反冲洗时，水泵会将回水从膜柱的纯净水出口逆向冲入膜柱，这种由内而外的反向冲洗方式，可有效将截留在UF超滤膜上的悬浮物质冲洗掉。

2.2 反渗透

RO反渗透膜技术是在高于溶液渗透压的作用下，依据其他物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来。反渗透膜的膜孔径非常小，因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等。系统具有水质好、耗能低、无污染、工艺简单、操作简便等优点。RO反渗透工艺主要包括预处理、反渗透及后处理三部分。

1) 预处理：经超滤系统过滤后的回用水，可降低大颗粒物质对RO反渗透膜的损失。通常在预处理过程中，利用提升泵将水压提升到一定高度，使其达到反渗透装置所需的压强，保证RO反渗透系统的稳定运行；在回用水中添加阻垢剂主要预防悬浮物质在RO反渗透膜表面结垢；而多余的氧化剂则用还原剂进行处理，可有效避免对RO反渗透膜的损伤；并在系统的尾端加装保安过滤器可预防颗粒较小的悬浮物质堵塞RO渗透膜。

2) 反渗透：反渗透可以将矿井水中的悬浮物、无机盐离子、硫化物、细菌和病毒有效去除。由于反渗透膜具有自动反冲洗功能，可结合RO反渗透膜的使用情况和过滤量，配制反冲洗溶液，对RO反渗透膜进行冲洗，延长反渗透膜的使用寿命和特性。

3) 后处理：将反渗透过滤处理后的清水，储存并采用紫外线进行消毒。反渗透工艺见图2。

图2 反渗透工艺流程图

3 处理效果分析

镇城底矿采用超滤膜(UF)-反渗透膜(RO)分离技术用于矿井水的深度处理，效果提升显著，设备及工艺简单易操作，RO膜组件简洁紧凑，自动化操作程度高，降低后期的检修成本。

经统计，采用双膜分离技术后，每吨矿井水约耗电0.23元；每吨水约使用水处理药剂0.15元；超滤/反渗透膜的使用周期为6 a，折和每吨水的处理成本约0.6元，合计每吨矿井水的处理费用约为0.98元。而原系统每吨矿井水的处理费用约为2.3元，按镇城底矿水处理系统每年4万t的处理量计算，年节约费用52 800元，体现出显著的社会与经济效益。