矿井废水处理零排放工艺设计实例

胡 林

(麦王环境技术股份有限公司，上海 200082)

矿井废水是指采煤过程中所有渗入井下开采空间的地下水。我国煤炭开采行业每年产生的矿井废水为80亿t左右，利用率未超过30%[1]。短期内，我国能源仍是煤炭占据主导地位，实现矿井废水的资源化利用、减少对周边水系统的破坏，具有非常重大的社会、环境、经济效应。矿井废水零排放的设计及应用均借鉴煤化工、垃圾填埋渗滤液等行业的工程经验，矿井废水行业目前经验较少，处于探讨摸索阶段[2]。肖艳等[3]认为，矿井废水中含乳化油等污堵反渗透膜的因子，大量工程实践证明“过滤+超滤”能有效去除油类和胶体颗粒，从而减轻后续反渗透膜处理负荷，避免膜被污染。目前，已建矿井废水系统中膜法脱盐在工程中极易产生膜结垢、变形等问题，膜使用寿命短、处理成本增加[4]。膜分离技术在深度处理的脱盐、减量化、物料提浓等方面应用较多[5-6]。蒸发系统较多地论述以膜浓缩后的高浓盐水为进水的设计应用工况，未涉及到前端的预处理和浓缩的情况[7]，以及各独立单元的研究，无法反映整体设计思路，对实际项目的应用借鉴意义不足。

本文针对零排放工程中易污堵、易结垢、固废回收利用等方面提出了具体解决方案，同时参考相关行业经验，从多级除硬、多级反渗透浓缩、多效蒸发等重点工艺单元进行剖析，并以技术经济分析为基础，以工艺全流程的角度对矿井废水零排放设计进行了探讨与总结，对同类型项目的设计提供一定的指导与参考。

1 项目概况

某矿目前矿井废水最大排水量为8 541.6 m3/d，平均排水量为8 315.7 m3/d，新采区开采后，每天排水量约增加1 900 m3，井下排水量预计将达10 215.7 m3/d，本工程设计规模按照10 000 m3/d。经过粗过滤的水，直接回用2 000 m3/d，剩余8 000 m3/d经过深度脱盐处理，分别直接供矿区电厂与井下回用5 000 m3/d、地面复用(矿区其他工业用水或达标排放)2 800 m3/d。蒸发结晶系统设计规模按照15 m3/h，产出300 t/d Na2SO4、0.22 t/d NaCl、1.88 t/d杂盐、母液外排量≤1 t/d；蒸发凝结水回用，其中，母液按危废处理。含水率为70%的干污泥全部作为固废处理，24 t/d。

项目设计主要水质指标如表1所示。

表1 设计进出水水质Tab.1 Designed Water Quality of Influent and Effluent

注：设计上下限负荷为±10%

2 工艺流程

矿井废水自井下提升至预沉调节池，经过澄清池去除大部分悬浮物后，再经过多介质过滤池深度去除微小颗粒，出水SS≤1 mg/L。锰砂过滤器去除铁污染，超滤去除水中的悬浮物、胶体及细菌等后，进入第一级反渗透，投加阻垢剂、非氧化性杀菌剂、还原剂等，浓水中钙、镁等易结垢离子浓度非常高，浓水进入管式微滤膜(以下简称TMF)系统除硬除硅，同时降低水中的SS，确保出水满足二级反渗透系统的进水要求。预处理后的水进入第二级反渗透，投加阻垢剂、非氧化性杀菌剂等，浓水进入离子交换系统，去除管式微滤单元未去除的钙、镁等硬度。趋近于零硬度的高盐水进入DTRO系统深度提浓，提高全系统的回收率并减量浓水。DTRO的浓盐水进入蒸发结晶继续处理。其中，工艺辅助系统设有：污泥脱水系统、过滤单元反洗系统、膜单元清洗系统、干燥及包装系统、储配药系统等。具体主工艺流程如图1所示。

图1 工艺流程图Fig.1 Flow Chart of the Process

3 主要设备及建(构)筑物参数

3.1 预处理及膜浓缩段主要设备及建(构)筑物参数

(1)预沉调节池。处理能力为10 000 m3/d，2座，有效停留时间为40 min。

(2)澄清池。单组处理能力为250 m3/h，2座。总体积为1 020 m3；分离区表面负荷为2.21 m/h。配套设备：乙丙共聚蜂窝状斜管填料、中心传动刮泥机、污泥循环泵及剩余污泥泵等。

(3)多介质过滤池。单组处理能力为250 m3/h，2座。总体积为152 m3，滤速为7.81 m/h。池内含卵石20 t、石英砂40 t、无烟煤20 t。

(4)除铁过滤器。单组处理能力为67 m3/h，6用1备，共7套，回收率≥95%。过滤器筒体尺寸为ø3.40 m×7.00 m，结构为碳钢衬塑，滤速为7.50 m/h。

(5)超滤。外压式PVDF超滤膜，单套处理能力为200 m3/h，2套，回收率≥95%，平均通量≤40 L/(m2·h)。

(6)一级反渗透。采用卷式抗污染复合膜，单套设计进水量为180 m3/h，2 套，排列方式为一级两段，回收率≥75%，脱盐率≥98%，通量≤18 L/(m2·h)。

(7)TMF。采用PVDF 膜，单只膜面积为4.25 m2，单只膜长度为1.828 8 m，单只膜61只膜管，膜内径为12.7 mm，膜孔径为0.05 μm。单套设计进水量为45 m3/h，2套，回收率≥98%，过滤通量≤300 L/(m2·h)。含4套功率55 kW的循环泵，2套11 kW的反洗泵。

(8)二级反渗透。一段采用卷式抗污染复合膜，二段海水淡化膜。单套设计进水量为45 m3/h，2套，排列方式为一级两段，回收率≥70%，脱盐率≥98%，通量≤16 L/(m2·h)。

(9)离子软化。采用氢型弱酸阳树脂进行软化除硬。过滤器筒体尺寸为ø1.60 m×5.50 m；树脂填充量高度为2.5 m。单套设计进水量为27 m3/h，1用1备。配套再生酸加药系统1套。

(10)DTRO系统。单套设计进水量为15 m3/h，2套，采用聚酰胺工业抗污染RO膜；单只膜规格参数：长度为1 400 mm，外部直径为224 mm，内部直径为202 mm，导流盘数量为210片，209个膜片，膜面积为9.405 m2；总膜面积为1 692.9 m2，膜柱串联布置，设计压力120 MPa。回收率为50%，脱盐率≥95%，通量≤10 L/(m2·h)。

(11)建(构)筑物。

根据工艺设计路线，确定主要建(构)筑物尺寸如表2所示。

表2 建(构)筑物设计参数Tab.2 Design Parameters of Buildings and Structures

3.2 蒸发结晶段主要设备及建(构)筑物参数

(1)主体设备。一效加热器1台，换热面积为340 m2，工作温度为(100±5)℃；二效加热器1台，换热面积为300 m2，工作温度为(85±5)℃；三效加热器1台，换热面积为300 m2，工作温度为(75±5)℃;冷凝器1台，换热面积为300 m2，工作温度为(85±5)℃；稠厚釜1台，容积为5 m3，设计温度为100 ℃；NaCl蒸发釜1台，容积为3 m3。杂盐蒸发釜1台，容积为3 m3。

(2)干燥及包装系统。流化床1台，产量为2.0 t/h，材质为316 L；干燥鼓风机1台，装机功率为3.7 kW；25 kg包装线1套，含螺旋喂料机、夹袋机构、人工码垛升降平台等。

(3)蒸发结晶车间。尺寸：长×宽×高=36.00 m×12.0 m×20.0 m，框架结构，安装蒸发结晶系统设备。

4 关键工艺技术

4.1 管式微滤除硬+离子软化除硬

传统的高效软化澄清池，占地面积大、现场运维环境较差，较适用于大水量工段。本项目用地紧张，水量较小，一级除硬工艺选用TMF。TMF系统一次投资成本偏高，运行费用略低(不投加PAC、PAM)。TMF运行温度≤45 ℃，最大进水压力为0.3 MPa。一级反渗透浓缩高盐水，其总硬度(以CaCO3计)≤830 mg/L，总硅≤160 mg/L。通过投加镁剂、NaOH、Ca(OH)2等除硬药剂，在pH值为10～11的条件下，将水中钙、镁等硬度因子生成CaCO3、Mg(OH)2沉淀物，TMF以错流过滤的方式将污水中微米级及以上粒径的SS、COD等拦截浓缩在回流液中，清水则通过TMF产水通道汇集。TMF系统设计出水中Ca2+≤20 mg/L、Mg2+≤20 mg/L、总硅≤20 mg/L、浊度≤1 NTU、SDI≤5，满足后续反渗透系统的进水要求。

离子软化树脂系统的进水为二级反渗透的浓缩液，总硬度(以CaCO3计)≤300 mg/L。氢型弱酸阳树脂能大量置换硬度，经离子软化单元的设计出水，其硬度≤5 mg/L，最大程度地限制了进入后续蒸发结晶系统中废水的总硬度值，防止结垢发生。

TMF、离子软化的再生废液经化学沉淀处理后，产生的泥渣配板框压滤处理，上清液返回至二级浓缩系统，循环利用，固废委托外包单位处理。

4.2 高盐浓缩DTRO系统

DTRO系统在垃圾渗滤液处理、海水、苦咸水脱盐净化、物料脱盐浓缩及废水处理中有广泛的应用和成功案例[9]。膜片采用工业物料分离级别的抗污染RO膜片，表面电荷性能趋中性，强化了脱盐稳定性及抗污染能力；膜片采用圆形结构，有效地消除了料液冲击，提高了组件内部的稳定性，降低了膜片被刺穿的可能性；膜组件支撑板上设有大量花纹凸点，该凸点可增强废水流动过程中的湍流，降低膜面的浓差极化，故适用于高污染、高盐分的物料浓缩。

二级反渗透浓液TDS为56 000 mg/L，CODCr为150 mg/L。该股浓液TDS高、渗透压高、COD高、污染程度高，普通反渗透无法适用于该工况，为进一步将浓盐水减量，减少蒸发结晶系统负荷与投资，本项目采用DTRO系统进行浓缩。DTRO浓缩液设计TDS为110 000 mg/L，CODCr为300 mg/L，该数值能确保整套DTRO系统长期稳定运行，维护及清洗频次在可接纳范围内。DTRO系统设计的产水TDS≤3 000 mg/L，CODCr为5 mg/L，产水经与其他反渗透产水混合后满足地面复用水水质要求。DTRO系统单独配置1套清洗系统，定期恢复系统的生产性能。

4.3 蒸发结晶系统

杂盐处理成本较高，为减少杂盐量，结合设计水质，对本项目进行分盐处理，常用的工艺方法有多效蒸发(以下简称MEV)、机械蒸汽再压缩蒸发工艺等[10]。MEV工艺操作难度低，该矿区有可利用的蒸汽，因此，本项目选用MEV工艺。蒸发结晶工艺流程如图2所示。

图2 蒸发结晶工艺流程图Fig.2 Process Flow Chart of Evaporation and Crystallization

蒸发结晶系统进水主要成分：Na2SO4为9.92%(wt)；NaCl为0.33%(wt)。根据100 ℃时NaCl与Na2SO4的饱和相图，NaCl的饱和浓度控制不能超过23%(wt)，故蒸发系统浓缩倍数约为70倍。采用双级活塞推料离心机进行Na2SO4副产盐的固液分离。NaCl盐采用立式刮刀离心机分离，采用振动流化床干燥机。蒸发浓缩混合液中CODCr约25 000 mg/L，总硅含量约4 000 mg/L，设计及时排出含高COD的大块料，延缓干燥床死床周期。考虑硅盐的结垢问题，为防止硅盐在系统内结垢，设计碱洗除硅系统。

定期排放母液来保证产品盐品质，结晶盐分为Na2SO4、NaCl及杂盐。品质满足如下要求：Na2SO4符合GB/T 6009—2014工业无水Na2SO4Ⅰ类一等品；NaCl符合GB/T 5462—2015日晒工业盐二级指标；杂盐含水率≤8%。

5 矿井废水零排放技术经济分析

5.1 投资概算

该设计工程总投资为8 015万元，包含用地范围内的全部土建、设备安装、调试及其他费用的工程建设总投资。具体各单项投资如表3所示。

表3 工程投资Tab.3 Investment of the Project

5.2 运行成本估算

所有费用均以400 m3/h的进水量计算，具体的运行成本统计如下。

(1)药剂费用。本项目药剂投加种类及投加量：5% PAC年投加量为100 t、0.1% PAM年投加量为2 t、10%次氯酸钠年投加量为230 t、40%NaOH年投加量为480 t、98% H2SO4年投加量为2 950 t、95% Ca(OH)2年投加量为3 600 t、非氧化性杀菌剂年投加量为30 t、阻垢剂年投加量为5.6 t、亚硫酸氢钠年投加量为8.1 t、镁剂年投加量为151 t、消泡剂年投加量为0.85 t、EDTA年投加量为1.0 t等药剂，年消耗量合计费用为2.714 元/m3。

(2)低压蒸汽费用。供蒸发结晶系统给热用，单价按180元/t，全年蒸汽消耗量为51 100 t，蒸汽费用为2.625元/m3。

(3)电费。单价按0.7 元/(kW·h)计，全年电耗为1 469.67×105kW·h，电费为2.936元/m3。

(4)人工成本。平均工资按8 000元/(人·月)计，本项目配置30人，年人工费为288万元，折合吨水人工费为0.822元/m3。

(5)合计。总运行成本为9.097元/m3。

6 结论

零排放工程设计工艺段繁复、各单元工艺关系紧密，设计时需考虑前后工艺段的匹配性，明确各单元的设计目的。

(1)矿井废水要达到零排放，必须对矿井废水溶解性总固体进行处理，并达到生产、生活用水标准。本项目是保证某煤矿可持续发展的基础设施，其建设是非常必要的。

(2)矿井废水回用将减少外取水量，节省排污费和水资源。每年减少外取水量165万t，减少盐排放量约10万t。

(3)通过工艺比选，项目采用“过滤澄清+超滤+一级反渗透+一级TMF+二级反渗透+离子软化+三级反渗透+多效蒸发”的工艺方案，投资省，运行稳定可靠。

(4)矿井废水经初沉后，COD较低，多次浓缩后可引起系统污堵等，有必要增加COD深度处理的措施，充分保证系统运行的稳定性及末端结晶盐的品质。