双膜法集成工艺在井下高矿化度矿井水处理中的应用

虎晓龙，李小龙，武书泉，宋喜东，邸卫猛，王志慧，赵 雷，崔永红

(1.国家能源集团宁夏煤业公司灵新煤矿，宁夏 灵武 751410；2.中煤(北京)环保工程有限公司，北京 100013)

我国煤矿矿井水的综合利用率低，传统处理煤矿矿井水的工艺设置在地面，占地面积大、投资费用高，矿井水经提升至地面处理后又回用于井下，工艺环节多、能源浪费高，预处理过滤膜、反渗透膜的“双膜法”处理工艺尚未应用在井下。

在《关于煤炭工业“十三五”节能环保与资源综合利用的指导意见》中提出：推动矿井水产业化，提高矿井水利用率，加强水资源节约、保护和循环高效利用；煤矿生产、生活用水应优先使用矿井水，条件具备的地区应主要采用矿井水作为第一水源。

随着矿区水资源日益紧缺，矿井水的资源价值越来越受到重视，特别是在缺水矿区，矿井水已成为主要的工业生活用水水源，建设高效、低耗的煤矿矿井水处理系统工程已经成为煤矿必不可少的工作环节，并在煤矿生产中起着重要的作用。

1 推动矿井水井下处理的必要性分析

(1)减少清仓次数，降低劳动强度，降低清仓成本。

(2) 减少主排水泵及管路的磨损，降低能耗，降低运行成本。

(3)增强井下用水可靠性，简化供水环节，降低供水成本。

2 高矿化度矿井水井下处理的难点

(1)传统处理工艺占地面积大，矿建投资费用高。

(2) 传统处理工艺设备尺寸不符合井下复杂的地质工况条件，设备设置存在局限性。

(3) 深度处理产生的浓盐水无法在井下处理。

3 井下双膜法集成工艺

某次实地取样化验本项目的井下矿井水水质指标如表1所示。

3.1 设计规模

根据在不同时段、多次实地观测待处理的井下矿井水的来水量，并留有一定富余量，本项目的水处理设计规模定为550 m3/h。

3.2 产水水质要求

处理后的矿井水作为生活饮用水、井下消防洒水、井下黄泥灌浆用水、工业场地消防用水、综合办公楼自喷消防用水、工业场地绿化及工业用水水源。产品水水质需达到生活饮用水卫生标准。

表1 本项目井下矿井水水质实测结果

3.3 项目处理废水水质分析

本项目处理废水(原水)主要为采矿区采煤废水，水质如下。

3.3.1 悬浮物SS含量、浊度等超标

原水水质一般情况下SS含量为1 000 mg/L，不同时期排水浓度也有很大差异，水质不稳定期间SS含量会超过2 000 mg/L，甚至更高。

矿井水中构成悬浮物SS的主要是煤屑、岩粉、粘土等细小颗粒物，尤其是煤粉，悬浮物稳定性好、不易脱稳沉降。由于受到煤、废机油、乳化油等污染，矿井水中还含有一定量的油类。

3.3.2 离子浓度超标

原水水质中钙、镁、钠、铝、硼、氟化物、氯化物、硫酸盐、溶解性总固体、总硬度等指标超标。矿井水矿化度为5 742 mg/L，为高矿化度矿井水。

3.4 水处理工艺

水处理工艺采用(直滤+反渗透)的“井下双膜法”集成工艺，分为柔性陶瓷直滤膜撬装设备处理单元和反渗透膜撬装设备处理单元两部分。原水经直滤设备过滤去除悬浮物后，经反渗透设备进一步浓缩产生纯水。浓水排至浓盐水库封存，产水供至产品水池复用。

3.5 工艺流程描述

3.5.1 柔性陶瓷直滤膜撬装设备处理单元

来自三采区、四采区、五采区的矿井涌水以及一采区主斜井胶带巷的地面冲洗水分别沿地沟汇集自流至沉淀池，分别经渣浆泵提升至旋分除固系统进行处理，去除粒径大于0.2 mm的颗粒，产水沿1050大巷地沟(见图1)与六采区井底水仓管道来水汇集后自流至预沉调节池；一采区风井、一采区副井、一采区四区段矿井涌水及一采区南翼采空区回流水等其他矿井水沿地沟汇集自流至清水池。

预沉调节池及清水池内的矿井水经提升泵提升供至直滤设备，去除水中的悬浮物、胶体、微粒、细菌等大分子物质后，产水经管道自流至直滤产水池；直滤设备的错流水通过地沟自流至预沉调节池；直滤设备产生的污泥水、化学清洗水沿地沟自流至污泥暂存池，最终经泵排至+1045标高的一采区南翼采空区，污泥水经采空区自然过滤、截留后，又与其他矿井涌水汇合沿地沟自流至清水池。工艺流程见图1。

图1 柔性陶瓷直滤膜撬装设备处理单元工艺流程

3.5.2 反渗透膜撬装设备处理单元

直滤产水池内的清水由原水反渗透供水泵提升，依次经过保安过滤器过滤、高压泵增压后供至原水反渗透设备，脱除水中大部分的盐分，产生的纯水经管道收集并自流至纯水产品水池，产生的浓水经管道收集自流至浓水池。

浓水池内的浓水，由纳滤除硬供水泵提升，经保安过滤器过滤、高压泵增压后，供至纳滤除硬设备进行软化，软化产水经管道收集自流至软化水池，产生的浓水经管道收集自流至浓盐水池。

软化水池内的软化水，由浓水反渗透供水泵提升，经保安过滤器过滤、高压泵增压后，供至浓水反渗透设备进一步脱盐处理，以提高产水率。浓水反渗透设备产生的纯水经管道收集与原水反渗透产水汇合并自流至纯水产品水池；产生的浓水经管道收集自流至浓盐水池，与纳滤除硬设备产生的浓水汇合，最终经浓盐水泵提升至一采区北翼采空区的浓盐水库进行封存。原水反渗透设备、浓水反渗透设备的不合格产水、冲洗水、化学清洗加药箱废水均排至地沟，自流至预沉调节池。

井下矿井涌水经深度处理后，产生的纯水储存在产品水池内，一部分井下回用，另外一部分供至地面回用。事故时，根据水池内的液位仪与管道自动阀联动排至原井下副水仓，产品水池溢流水排至原井下主水仓。工艺流程见图2，各工序杂离子质量浓度变化见表2。

图2 反渗透膜撬装设备处理单元工艺流程

表2 水处理工艺各阶段的水质 mg/L

4 结 语

(直滤+反渗透)的双膜法集成工艺应用在高矿化度矿井水井下处理中，大大减少了占地面积，节省了矿建投资费用；通过对水处理设备尺寸的优化，很好地适应了井下复杂的地质工况条件；直滤处理设备的污泥水经采空区自然过滤截留，省掉了传统的压滤工艺，反渗透设备产生的浓水封存在采空区，无需传统的蒸发结晶，减少了工艺环节，很好地解决了浓盐水的去向问题，降低了投资，降低了运行成本；通过对反渗透工艺的优化，提高了产水率。

综上所述，(直滤+反渗透)的双膜法集成工艺应用在高矿化度矿井水井下处理中，有很大的参考意义和推广价值。