高盐矿井水回用反渗透阻垢剂的阻垢性能试验

2022-05-12王曰锋暴彦慧尹新旺孙海兵孙永军

净水技术 2022年5期

洪宇，王曰锋,*，暴彦慧，闫浩，尹新旺，孙海兵，孙永军

(1.金瓷科技实业发展有限公司，宁夏银川 750000；2.南京工业大学城市建设学院，江苏南京 211816)

我国煤炭以井工开采为主，在所有煤炭产量中约占97%。矿井水是矿区所采煤层及开拓巷道附近的地下水，有时也含有少量渗入的地表水。煤矿每年产生大量的矿井水，但大部分作为废水外排，只有少部分作为生产用水被再次利用，利用率比较低，不仅污染周围环境，还造成水资源的严重浪费。

矿井水的主要来源是地下涌水，其中溶解了大量的岩石部分，一般情况下Ca2+、Mg2+含量较大。而现用的输水管道大多为铸铁管，当矿井水通过输水管道时，常常会在管道内侧结垢，导致输水管道有效直径逐渐变小，降低管道的使用性能，并且会腐蚀管道，缩短管道的使用寿命[1]。阻垢剂是具有分散水中难溶性无机盐、阻止或干扰难溶性无机盐在金属表面沉淀、结垢功能，并维持金属设备良好传热效果的一类药剂[2]。阻垢剂的阻垢比较复杂，一般认为成垢物质和溶液之间存在着动态平衡，阻垢剂能够被吸附到成垢物质上，并影响垢的生长和溶解的动态平衡[3]。现阶段，国内很多水处理系统中所使用的阻垢剂多来自国外品牌，但是其产品性能不一定能满足各种水质特点，且价格昂贵[4]。

宁夏某煤矿矿井水处理系统于2014年12月建设完成并投入使用。建设预处理规模为10 800 m3/d，深度处理产水量为5 220 m3/d。2018年根据某煤矿生产接续和原工程存在的问题进行扩能和技术改造，其中新增预处理规模为10 800 m3/d，新增深度处理产水量为1 500 m3/d。预处理系统包括调节池、高效澄清池、V型滤池；深度处理系统包括超滤、反渗透，超滤膜和反渗透膜均采用DOW进口品牌膜。项目自建成投产后，深度处理系统尤其是反渗透装置受制于众多因素，反渗透运行一直不稳定，产水量及脱盐率衰减严重，尤其是反渗透膜的浓水侧结垢明显，氧化铁污堵物显著，造成反渗透产水量一直达不到设计要求。系统运行6年中已经更换3次反渗透膜，造成企业成本倍增，同时也影响煤矿井下生产用水。为了更好地运行反渗透系统，项目自建成后就一直使用国外某品牌阻垢剂，但国外品牌阻垢剂难以满足高盐矿井水水质，所以开发适合于特定水质的反渗透阻垢剂尤为重要。本文以马来酸-丙烯酸共聚物、丙烯酸-2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸共聚物(AA/AMPS)、树枝状高分子化合物(DTPA-PAMAM)为原料，制备出适用于宁东地区高含盐矿井水的反渗透阻垢剂(JC-660)。通过静态阻垢试验、动态模拟试验和现场应用等方法测试其性能，并与国外某进口品牌阻垢剂(以下简称F)进行性能比较。本研究为开发和设计新型高效的阻垢剂提供了新思路，为国内众多矿井水处理系统提供了多样化的选择，且具有降低成本、提高效益的现实意义。

1 材料和方法

1.1 阻垢剂的制备

试验原水取自宁夏某煤矿污水处理厂矿井水，水质如表1所示。

表1 宁夏某煤矿污水处理厂矿井水水质Tab.1 Mine Water Quality of a Coal Mine WWTP in Ningxia

本研究通过高效复配[5]的方法成功地研制生产适合于高硬度、高碱度、高矿化度的反渗透阻垢剂JC-660。JC-660主要由DTPA-PAMAM、马来酸-丙烯酸共聚物、AA/AMPS合成。按一定比例将DTPA-PAMAM、马来酸-丙烯酸共聚物、AA/AMPS混合，加入一定量的去离子水，于60 ℃的水浴中恒温加热2 h；利用NaOH溶液和去离子水调节pH值至6.0左右，搅拌均匀；最后在110 ℃条件下干燥数小时得到淡黄色产物。

1.2 阻垢试验

1.2.1 静态阻垢试验

对分别加不同阻垢剂的试验水进行加热，促使CaCO3析出，然后再测定水中保留的Ca2+含量的变化，若水中的Ca2+含量愈高，则生成钙垢就愈少，阻垢效果愈好。现场采用两种试验水做静态试验，第一种是配置试验水，Ca2+质量浓度为300 mg/L、NaCl质量浓度为2 935 mg/L、pH值为7.93；第二种是煤矿污水处理厂反渗透原水。取6个1 000 mL的容量瓶，分别装入500 mL的试验水，反渗透阻垢剂投加量分别为2、3、4、5、6 mg/L，在恒温水浴箱40 ℃下持续加热48 h，试验完毕均采用乙二胺四乙酸(EDTA)络合滴定法滴定浓缩后水中Ca2+浓度。

阻垢性能以η计，计算如式(1)。

η=(C4-C3)/(C-C3)

(1)

其中：C4——加入水处理剂试液试验后的Ca2+质量浓度，mg/L；

C3——空白试液试验后Ca2+质量浓度，mg/L；

C——实际工况水或配置水中Ca2+质量浓度，mg/L。

1.2.2 动态模拟试验

注：PI为压力；Ps为压差开关；FI为流量图1 现场动态循环装置流程示意图Fig.1 Flow Diagram of Field Dynamic Circulation Device

2 结果和讨论

2.1 静态阻垢试验结果

静态阻垢试验是一种用来评定阻垢剂优劣的常规试验方法，具备易于操作、试验结果准确等优点。在本试验中以自配水为试验水样，试验温度控制在40 ℃，试验时间为48 h，滴定完成的试验数据如表2～表4所示。3种阻垢剂的阻垢率均随其投加量的增加而上升，表2中JC-660的投加量为2 mg/L时，阻垢率高达84.38%，并且随着药剂质量浓度升至4 mg/L，阻垢率也达到最高(98.44%)。由表3和表4可知，F的11倍浓缩液和8倍浓缩液在2 mg/L时的阻垢率也分别达到了81.36%和83.33%，并且在质量浓度为4 mg/L时达到最高阻垢率(98.31%和95.00%)。因此，JC-660具有与F相当的阻垢性能，在较低浓度时更是稍优于F。由此可知，自制的JC-660阻垢剂凭借更为低廉的成本和优异的阻垢性能在静态阻垢试验中表现更为优秀。

2.2 动态阻垢试验

在动态阻垢试验中考察了JC-660在动态循环中的阻垢性能，动态循环试验数据如表5所示。在表5中，把JC-660投加量分别设置为2、3、4 mg/L这3组。当投加量为2 mg/L、浓缩倍数K=2.5时，LSI开始表现为结垢；当投加量为3 mg/L、K=3.0时，LSI开始表现为结垢；当投加量为4 mg/L，K=3.0时，LSI开始表现为结垢。由表中数据可知，在相同药剂浓度的水平下，随着浓缩倍数的提高，水质表现为结垢，这是因为阻垢剂在其中实现了非常好的阻垢性能，只有通过浓缩水体的手段实现水中的Ca2+浓度的提高，进而导致LSI>0，才会表现为结垢。动态阻垢试验结果与静态阻垢试验均证明JC-660阻垢剂拥有非常优异的阻垢性能。

表2 JC-660极限碳酸盐沉积法试验结果Tab.2 Test Results of JC-660 Limit Carbonate Deposition

表3 F(11倍)极限碳酸盐沉积法试验结果Tab.3 Test Results of F Extreme Carbonate Deposition (11 Times)

表4 F(8倍)极限碳酸盐沉积法试验结果数据Tab.4 Test Results of F Extreme Carbonate Deposition (8 Times)

表5 反渗透阻垢剂JC-660动态循环试验结果Tab.5 Dynamic Cycle Test Results of Reverse Osmosis Scale Inhibitor JC-660

2.3 现场应用

宁夏某煤矿污水处理工艺流程如图2所示，反渗透系统中反渗透膜采用海德能BW30FR-40，一段为84支膜，二段为42支膜。本系统脱盐率≥97%，设计进水量为115 m3/h，设计产水量为75 m3/h，工作压力为1.2 MPa，有效膜面积为37 m2。阻垢剂加药系统主要参数：加药箱1套，体积为0.5 m3，PE材质；配2台药泵，Q=0～10.1 L/h，P=0.41 MPa，N=0.12 kW。文中对反渗透系统使用阻垢剂JC-660后一年内的各项数据进行统计分析，反渗透化学清洗前、后和运行时的各项数据如表6所示。表中各项数据均保持在非常稳定的状态，反渗透系统运行正常，说明反渗透系统浓水侧并未出现明显的结垢现象，侧面说明JC-660阻垢剂发挥了非常重要的作用，实现较好的阻垢效果。