双膜法工艺在矿井水深度处理中的应用实例

2024-01-25何兴斌

净水技术 2024年1期

何兴斌,刘潘,邹一

(四川赛诺行环保科技有限公司,四川绵阳 621000)

我国水资源分布极不均衡,北方煤炭基地大多位于缺水地区,形成了“煤多水少”的局面,水资源不足已成为制约矿区经济发展的重要因素。与此同时,根据统计,全国平均采1 t煤,排放矿井水量约为2.1 m3,存在水资源严重浪费的问题[1]。因此,加强煤矿矿井水深度处理回用是必然的趋势,也是缓解矿区“煤多水少”问题的最佳解决方法。现阶段国内外矿井水的处理工艺多种多样,其中去除悬浮物和普通污染物的工艺主要包括混凝沉淀过滤工艺、超磁分离工艺、高效旋流技术等。针对一些酸性矿井水、高氟矿井水、重金属矿井水等特殊矿井水,还需要专门的处理,包括酸碱中和、离子交换、吸附、化学沉淀等。对于高矿化度矿井水或涉及到矿井水回用、对产水溶解性总固体(TDS)要求较高的场合,膜浓缩技术也得到了应用,包括纳滤(NF)、反渗透(RO)和电渗析(ED)等技术[1-3]。对于一些TDS不高的矿井水,但产水浑浊度要求很高的处理系统中,超滤(UF)技术也得到了较为广泛的应用。

陕西某煤矿矿井水原有处理工艺为“格栅+预沉调节池+磁加载沉淀”,沉淀池出水达标后外排,其出水的矿化度和部分离子指标无法满足相关回用标准。为缓解矿区用水紧张的局面,同时满足国家对矿井水回用的相关要求,并为后期将全部矿井水进行深度处理回用做技术和工程上的探索,采用UF+RO双膜法工艺,将一部分原有系统出水进行深度处理,取得了良好的效果。

1 项目概况

1.1 设计规模

深度处理系统设计进水量为7 200 m3/d(24 h工作制),产水量为4 800 m3/d(25 ℃),系统总回收率≥65%。

1.2 进出水水质

该系统原水为矿井涌水经过“格栅+预沉调节池+磁加载沉淀”处理后的水。经过多次取样检测,部分关键指标平均值如表1所示,来水水质较为稳定,波动性较小。

深度处理系统产水主要回用于井下生产,包括井下消防、洒水、液压系统用水等,主要指标如表2所示[4-5]。

表2 回用水水质标准Tab.2 Standards of Reuse Water Quality

1.3 工艺选择及流程

1.3.1 工艺选择

本系统矿井水主要水质特征如下:(1)TDS质量浓度达到3 950 mg/L,矿化度高,其盐类成分主要是Na+、Ca2+、硫酸盐、酸式碳酸盐和氯化物等;(2)硬度大,总硬度(以CaCO3计)达到512 mg/L,

根据以上水质特征,工艺思路如下。

(1)原水TDS较高,要去除水中的无机离子,以达到回用要求,国内外的处理技术有化学法、热力法及膜分离法等。化学法处理不够彻底,主要去除硬度物质,且成本较高;热力法包括多级闪蒸和机械蒸汽压缩,其运行过程中易结垢、易腐蚀,且蒸馏设备前期投入大,能耗高;较为成熟的工艺是膜工艺,包括NF和RO技术等[3,6]。本工程采用“UF+RO”双膜法脱盐处理,UF主要用于保障进入RO膜装置的淤泥密度指数(SDI)和浑浊度满足要求,确保RO的稳定运行;并采用多介质过滤器进行预处理,去除大的杂质和颗粒,保护膜系统。

(2)一般针对极硬且碱度较高的原水,须在预处理段设置软化工艺段,通常采用石灰、碳酸钠和硫酸等药剂,以避免膜系统结垢,但同时也会增加系统的运行成本,引入新的盐分,提高进入RO的盐含量,导致RO运行压力升高。也可采用离子交换树脂软化,但需进行树脂再生,同时也会有高浓度盐水产生,对于高硬度水的软化经济性差,目前只有小型系统使用。表3是3种软化工艺的技术经济对比。经过计算(表4),原水的朗格利尔指数(LSI)为0.1,浓水的史蒂夫戴维斯指数(S&DSI)为1.06,浓水离子积Ipb为溶度积Ksp的1.17倍[7],需要采取措施阻止结垢。随着现今阻垢剂性能进一步得到提升,通过优化选型并定量添加复合阻垢剂,以防止RO膜的结垢[6],另外UF装置酸洗不采用弱酸柠檬酸,而采用盐酸清洗以强化酸洗除垢效果。因此,从节约投资、简化工艺路线、便于运行管理的角度出发,不设置预处理软化工艺,采用投加复合阻垢剂的方式保障RO正常运行。

表3 3种软化工艺的技术经济对比Tab.3 Technical and Economic Comparison of Three Softening Processes

表4 原水和RO浓水结垢指数Tab.4 Scale Index for Raw Water and RO Concentrated Water

(3)为便于检修和化学清洗,设置多介质过滤器4套、UF和RO装置各设置2套,且工艺段间均设置中间池。在对其中任何一套装置进行检修维护或者清洗时,系统仍可不停产运行,提高了系统在线率,最大化地保障矿区用水需求。

1.3.2 工艺流程

系统来水(经格栅+预沉调节池+磁加载沉淀处理后的水)进入原水池,用泵提升至多介质过滤器,去除水中一部分胶体和大部分悬浮物,产水进入中间池1。中间池1的水用泵提升至UF装置,截留下胶体、蛋白质、微生物及大分子有机物等污染物之后进入中间池2。UF装置前设有100 μm自清洗过滤器,以保护UF膜丝不被水中可能的大的杂质损坏。中间池2的水经由低压泵提升至5 μm保安过滤器后,再由高压泵加压进入RO装置。RO装置能有效截留绝大部分的溶解盐分及分子量大于150的有机物[7],装置出水进入清水池,供井下回用。

多介质过滤器反洗排水、UF气洗排水、RO冲洗水及化学清洗废水均排入污水池,然后用泵排至预处理系统后,同矿井水原水一起再次进行预处理。RO浓水进入浓水池,黄泥灌浆用水对水质矿化度无要求,浓水用于井下黄泥灌浆。工艺流程和水量平衡如图1、图2所示。

图1 工艺流程Fig.1 Process Flow

图2 水量平衡图Fig.2 Diagram of Water Balance

2 工程设计

2.1 多介质过滤工艺段

多介质过滤工艺段包括原水池、多介质过滤器。多介质过滤器属于压力式过滤器设备,在供水泵提供的一定压力下,使原液通过滤料,水中的悬浮物、不溶性颗粒物、絮状沉淀等杂质经过滤料间的孔隙被截留和俘获,对后续UF和RO工艺段起到保护作用。

(1)原水池:暂存经“格栅+预沉调节池+磁加载沉淀”预处理工艺处理后的矿井水。原水池设计为地下式钢筋混凝土结构,有效容积为300 m3,停留时间为1 h,池内壁采用玻璃钢防腐。配置多介质提升泵3台,2用1备,单台流量Q=145 m3/h,扬程H=30 m,功率N=22 kW,过流部件材质为SS316L,带变频电机,配套1支投入式静压液位计。

(2)多介质过滤器:4套,单套处理能力为75 m3/h,碳钢防腐结构,内部填充有石英砂和无烟煤,石英砂滤料粒径为0.5～1 mm和1～2 mm两种,装填高度为800 mm,无烟煤粒径为1～2 mm,装填高度为400 mm,并配置了相应的电动阀和压差检测仪表。

2.2 UF工艺段

UF工艺段包括中间池1、自清洗过滤器和UF装置。UF能够去除水中的悬浮物、胶体、微生物以及大分子有机物,用于表示UF膜孔径的切割分子量一般在1 000～500 000 Da,出水浑浊度＜0.1 NTU、SDI≤3,可以满足RO的进水要求。

(1)中间池1:暂存多介质过滤器产水,设计为地下式钢筋混凝土结构,有效容积为150 m3,停留时间为30 min,池内壁采用玻璃钢防腐。配置UF提升泵3台,2用1备,单台Q=145 m3/h,H=30 m,N=22 kW,过流部件材质为SS316L,带变频电机。另配置有多介质反洗泵2台,1用1备,单台Q=350 m3/h,H=20 m,N=30 kW,过流部件材质为SS316L,带变频电机,配套1支投入式静压液位计。

(2)自清洗过滤器:2台,精度为100 μm,用于截留大颗粒杂质,以保护UF装置的安全运行,避免UF膜丝被大颗粒物质堵塞或者划伤。

(3)UF装置:2套,配置有相应的流量计、浊度仪、压力传感器和气动阀门。单套装置列装58支膜元件,单支膜元件膜面积为52 m2,膜孔径为0.04 μm,膜材质为聚偏二氟乙烯(PVDF),处理能力为150 m3/h(25 ℃),设计平均通量为49.7 L/(m2·h),回收率≥93.5%。

2.3 RO工艺段

RO工艺段包括中间池2、RO装置和清水池。RO装置能有效截留绝大部分的溶解盐分及大分子有机物[7],同时允许水分子通过。

(1)中间池2:暂存UF产水,设计为地下式钢筋混凝土结构,有效容积为150 m3,停留时间为30 min,池内壁采用玻璃钢防腐。配置设备如下:①RO低压泵3台,2用1备,单台Q=135 m3/h,H=32 m,N=30 kW,过流部件材质为SS316L,带变频电机;②投入式静压液位计1支;③保安过滤器2套,单套处理能力为135 m3/h,配置4支5 μm大流量折叠滤芯;④RO高压泵,3台,2用1冷备,立式多级离心泵,单台Q=135 m3/h,H=150 m,N=110 kW,过流部件材质为SS316L,带变频电机。

(2)RO装置:2套,配置有相应的流量计、电导率仪、pH仪、ORP仪、压力传感器、气动阀门、还原剂加药装置和阻垢剂加药装置等。单套装置安装144支抗污染型RO膜元件,24支六芯装300PSI玻璃钢膜壳,成2∶1排列,单支膜面积为37.2 m2,系统平均通量为18.9 L/(m2·h),产水能力为100 m3/h(25 ℃),回收率为74%,正常操作压力为1.2 MPa。

(3)清水池:暂存RO产水,设计为地下式钢筋混凝土结构,有效容积为300 m3,停留时间为1 h,池内壁采用玻璃钢防腐。配置RO冲洗泵2台,1用1备,单台Q=126 m3/h,H=32 m,N=30 kW,过流部件材质为SS316L,带变频电机。配置有1套次氯酸钠消毒加药装置(设计投加质量浓度为3 mg/L)、1支投入式静压液位计。

2.4 配套设施

其他配套设备包括鼓风机、压缩空气系统、加药及清洗系统、污泥池和污水池等。

(1)鼓风机:罗茨鼓风机,2台,1用1备,单台Q=5 m3/min,升压可至70 kPa,电机N=1.5 kW,用于多介质过滤器和UF装置的气洗操作。

(2)压缩空气系统:为所有气动阀门提供压缩空气,空压机2台,1用1备,单台Q=1 m3/min,压力为0.6～0.8 MPa,N=5.5 kW;储气罐,1台,容积为1 m3,压力等级为1.0 MPa;冷干机1台,Q=1.5 m3/min,N=0.55 kW。

(3)加药及清洗系统:设置有次氯酸钠、盐酸加药系统。另有1套清洗系统,包括1套清洗罐、2台清洗泵和1台5 μm清洗过滤器及其他配件,用于UF和RO装置的在线清洗。

(4)污水池:1座,暂存多介质过滤器反洗排水、UF气洗排水及RO冲洗水等排污水。污水池设计为地下式钢筋混凝土结构,有效容积为150 m3,池内壁采用玻璃钢防腐,配套1支投入式静压液位计。

(5)浓水池:1座,暂存RO浓水。浓水池设计为地下式钢筋混凝土结构,有效容积为150 m3,池内壁采用玻璃钢防腐,配套1支投入式静压液位计。

系统平面布置如图3所示。

图3 平面布置示意图Fig.3 Schematic Diagram of Plan Layout

3 处理效果及成本分析

3.1 处理效果

工程于2022年8月完成系统调试和试运行,系统按照设计的参数能够平稳运行。系统平均进水量为280 m3/h,产水量为200 m3/h,产水水量达到了设计要求;系统回收率为71.4%,优于设计值(66.7%)。矿井水水温稳定在27 ℃上下,TDS质量浓度在3 700～4 000 mg/L,硬度在450～500 mg/L,来水水质波动小。定期检测数据表明,系统投用以来,产水TDS及各离子含量远优于设计要求,且产水水质稳定,脱盐率达到98%,满足回用要求,具体如表5所示。

表5 出水水质定期检测数据Tab.5 Regular Detection Data of Effluent Quality

受益于矿井水有机物含量低,微生物含量也较低,水温较高,UF膜系统进水量为140～150 m3/h时,跨膜压差(TMP)为26 kPa左右,且较为稳定。UF膜化学清洗以盐酸为主,次氯酸钠为辅。每3 d进行一次0.2%的低浓度盐酸化学清洗,每月进行一次500 mg/L次氯酸钠溶液及0.6%盐酸溶液化学清洗,约半年进行一次高浓度的次氯酸钠和盐酸溶液循环化学清洗。从清洗过程中可以发现,在进行盐酸溶液清洗时,清洗液pH有升高趋势,此时应适当添加酸溶液,保障清洗效果,也说明膜丝结垢现象的存在,主要是由于原水硬度和碱度较高,实践证明通过规律的化学清洗可以控制。