某矿井水零排放项目改造经验分析

周立武，蒋靖波

（陕西化工研究院有限公司，陕西西安 710000）

在煤矿挖掘过程中，需要向外排出大量的矿井水，导致淡水资源严重污染[1]，影响了矿区居民的生活及煤矿的正常生产，制约了煤炭工业持续稳定地发展[3-6]。因此，煤炭矿井水资源的处理技术已经成为决定煤矿企业长久发展的决定性因素。

例如某煤化工废水“近零排放”项目系统设计处理规模1 200 m3/h，自2015年投运以来，正常处理量为970 m3/h，但由于矿井水地下涌水量增大，该项目急需进行提产改造，实现系统长期稳定可靠运行。通过现场调研及踏勘，并针对性地开展了改造，使系统实现了100%设计负荷。基于上述原因，本文将该零排放改造项目改造中解决问题的过程进行了简要介绍，以期为类似项目的及运营提供经验和参考。

1 某矿井水零排放项目工艺介绍

本项目设计处理规模1 200 m3/h，主要工艺流程分为预处理段、脱盐浓缩处理段和蒸发结晶段，产生的产品水达到《循环冷却水用再生水水质标准》（HG/T 3923—2007）），主要用于循环水及除盐水的补水，蒸发结晶产生的无水硫酸钠需达到GB/T 6009—2014《工业无水硫酸钠》Ⅰ类一等品标准，氯化钠达到GB/T 5462—2015《工业盐》精制工业盐一级品标准，实现废水资源化综合再利用。

本项目工艺路线具体如图1所示：即调节池+高密度澄清池1+浸没式超滤+弱酸阳床+反渗透1+反渗透2+高密度澄清池2+浸没式超滤+催化氧化塔+活性炭吸附+多介质过滤器+反渗透3+硫酸钠MVR+多效蒸发+冷冻结晶+母液干化。

图1 某矿井水零排放系统工艺路线图

2 零排放项目存在的问题分析

2.1 高密除硬单元

根据高密池设计水质与实际进水水质对比表，见表1及表2，可以看出，该系统基本维持原设计进水水质，呈现高硬度高碱度的特点，进水水质中碱度离子偏低。

表1 高效澄清池1设计进出水水质与实际水质对比单位：mg/L

表2 高效澄清池2设计进出水水质与实际水质对比单位：mg/L

本项目系统设计高密池功能定位为脱除原水中的硬度，在零排放项目中，脱除硬度的组合工艺多为“高密池+离子交换”，高密池作为综合性处理单元对来水进行水量水质的缓冲，并去除大部分硬度，离子交换作为精处理单元，二者搭配，将硬度离子处理至5 mg/L 以下。但由于控制运行成本，高密单元限制投加药剂，运行效果较差，产水硬度长期＞290 mg/L，导致后续弱酸阳床再生频繁，且产水指标无法稳定，硬度离子经常击穿，导致进入反渗透的硬度离子超过50 mg/L，加剧了膜的结垢和化学清洗频次。

高密度澄清池2 也呈现类似运行特点，二氧化硅去除率不到40%，由于受前端来水中阻垢剂的影响，投加石灰后钙离子浓度不减反增，尽管能达到≤200 mg/L 的工艺指标，但过高的结垢性离子浓度仍对后端软化床的稳定运行造成较大的压力。

高密单元的运行良好可显著延长树脂运行周期，可靠保障膜的运行环境等；故而该单元的运行效果需优化并维持，相关的药剂投加及维护应始终保证。

2.2 膜单元

根据实际运行数据表表3分析，除反渗透3产水量及收率较低外，膜单元基本可实现设计指标，但由于膜单元投资较高，项目实施过程中一般不考虑备用，导致装置冗余度较低，抗冲击性变差，以反渗透2为例，反渗透2中任何一套装置出现冲洗、化洗或故障维护，整个膜单元的处理能力立即下降50%（下降146 m3/h）。

表3 膜单元设计参数与实际运行参数对比

针对反渗透膜结垢污染和COD/Si 污染，可以采用添加针对性的阻垢剂、调节pH 和进行化学清洗的方法使反渗透膜维持正常运行。但对于零排放，在水体中添加的任何药剂都要在末端分离，前端投加的药剂会给末端分离带来困难，应避免采用。

2.3 脱COD单元

如表4 所示，本项目脱COD 单元未正常投运，通常COD 过高情况下会导致RO 膜的污堵频率变大，膜的清洗化洗周期缩短，也会导致蒸发器雾沫夹带严重，结晶堵塞风险增压，杂盐率升高等。

表4 脱COD单元设计参数与实际运行参数对比

2.4 蒸发结晶单元

根据实际运行数据表表5分析，蒸发结晶单元四效有效温度差较设计温度差偏小，蒸发处理负荷偏小，主要由于前端硬度离子控制不利，系统结垢严重，导致换热效率下降，蒸发负荷不足。此外原系统一效、二效强制循环泵运行时容易跳停，影响正常操作，根据工程设计经验，蒸发器循环管流速最佳取值范围为2.0～2.2 m/s，超过此流速，循环管直径增大，投资成本增加，低于此流速，则循环管中溶液容易结晶进而阻塞循环管路。根据强制循环泵参数及循环管管径核算，循环管流速约1.76 m/s，流速稍低，且一二效蒸发器循环管中硫酸钠浓度较三四效蒸发器更高，硫酸钠晶体容易析出，流体密度增加，管阻增加，进而使泵功率增加，导致电机超负荷跳停。

表5 蒸发结晶单元设计参数与实际运行参数对比

3 系统改造方案及设计

对于项目改造，基本原则是在现有条件下，对既有构筑物、设备不大改的前提下确保系统处理达到原设计100%负荷。考虑到目前系统最大的问题是降硬效果差和系统冗余度差。因此，可行的方案是提高高密降硬效果、扩大膜浓缩系统冗余度和四效蒸发器的产能，从而实现系统中的水平衡及盐平衡。

3.1 高密除硬单元

高密除硬单元主要问题在于全面改善高密池的工艺和运行工况，优化矿井水高密的加药种类和配比，采用双碱法，使高密产水硬度降至20×10–6以内；彻底解决硬度限制因素，进而解决离子交换再生频繁问题。

通过现场小试实验，调整加药量，其中液碱投加量1 890 mg/L，纯碱投加量830 mg/L，反应pH 在10.5左右，并最终控制高密产水硬度＜25 mg/L（CaCO3计）。

3.2 膜单元

为了保证系统达到100%设计负荷，根据系统核算结合运行实际数据，浸没式超滤1、反渗透1、反渗透2、浸没式超滤2、反渗透3等单元已接近系统处理能力上限。为保证系统稳定运行，需增设备用设备，主要新增设备如下：浸没式超滤增加300 m3，处理能力增加到250 m3/h×6；反渗透1新增一套，单套进水量235 m3/h，回收率74%，膜通量≯18 L/m2.h，选用高抗污染、高除盐率高压聚酰胺复合膜；反渗透2新增一套，单套进水量175 m3/h，回收率50%，膜通量≯14 L/m2·h，选用高抗污染、高除盐率高压聚酰胺复合膜；反渗透3新增1套，单套进水量46 m3/h，回收率65%，膜通量≯14 L/m2·h，选用高抗污染、高除盐率高压聚酰胺复合膜。

3.3 脱COD单元

目前装置COD 单元未投运，系统仍可正常运行，但产品盐白度存在超标现象，故系统脱COD 装置需正常投用，降低系统COD 含量，以便提高成品盐的回收率。

3.4 蒸发结晶单元

蒸发结晶装置，当前工况下，各蒸发器可达到设计处理能力，但为了保证并提升全系统的运行能力，四效装置检修时需注意清理管壁结垢，确保管路清洁，同时更换一二效强制循环泵电机，确保装置正常运行。

4 技术经济分析

本次改造工程的建设投资额为2 730.64万元，其中，设备费用为1 863.66万元，材料费用为235万元，建筑工程费用为57.6万元，安装工程费用为256.40万元，其他费用为317.98万元。改造后本装置系统运行成本合计为11.23元/m3。

5 结束语

矿井水系统来水水质稳定，硫酸根、氯离子含量稳定，微量离子波动有限，难降解有机物组分含量低，系统未能满负荷原因在于预处理未达到精致化要求，树脂再生废液量较大，造成系统内循环水量增大，内耗增大，膜系统设计冗余程度偏低，影响系统处理能力。通过上述改造，成功将系统的稳定处理能力提高到100%设计负荷，且系统稳定性明显提升，可长期稳定可靠运行，实现了矿井水的近零排放，带了良好的社会效益和环境效益。