煤矿矿井水综合利用方案研究

于传鹏

（辽宁北方环境保护有限公司 辽宁 沈阳 110000）

引言

在煤矿建设和生产过程中，流向井筒和巷道的水称为矿井水，矿井水包括大气降水、地表水、地下水和老窑积水等。矿井水是煤炭生产过程中排放量最多的水资源，矿井水如果不进行处理而直接排放会造成水资源浪费，同时也会污染环境[1]。对煤矿矿井水进行有效处理和综合利用，不但可以防止水资源流失、避免矿井水对水环境造成污染，而且对缓解矿区用水紧张、改善矿区生态环境、最大限度地满足生产和生活用水需要具有重大意义[2]。辽宁某煤矿紧跟国家环保政策，高度履行企业环境责任，坚持生态优先、绿色发展，积极探索节能降碳新路径，并在这一大背景下建设了矿井水处理站，对矿井水进行除盐及综合利用，既促进了矿区绿色发展，又对实现煤矿企业高质量运行起到推进作用。

1 工程概况

辽宁某矿矿井水地面处理站设计处理量为1000m3/h。矿井水经处理后150m3/h 供井下生产用水，80m3/h 供给防尘恒压供水站用于地面洒水、煤场防尘灯，这2 部分用水大部分回到矿井水处理；另外的40m3/h 用于职工洗浴用水，80m3/h 送至生活恒压供水站作为生活用水、洗衣用水等，这2 项作为生活污水经处理站进行处理后同其他矿井水勾兑后外排。当井下正常生产时，矿井水的最大涌水量为800m3/h，生活污水排放量为100m3/h。同时，要求考虑未来5 年涌水量上升100m3/h，最终需对1000m3/h 的水量处理后外排。

2 工程条件

2.1 建设内容

辽宁某矿矿井水处理站项目所有系统单元（预处理系统单元、膜浓缩单元、蒸发结晶单元、污泥脱水单元、附属构筑物）的工艺建（构）筑物，及其配套的建筑、结构、工艺管线、电气、仪表自控、采暖通风、通信、照明、消防、接地与防雷、视频监控系统、给排水、公用设施、场地道路等设备或设施[3]。

2.2 水源及水量

本项目设计处理水量为1000m3/h，处理水源为经过调节池、高效澄清池、滤池预处理后的井下矿井水（日间井下排水量800m3/h，夜间井下排水量峰值为1600m3/h）。生活污水处理站排放污水100m3/h，会同处理后的矿井水勾兑外排。

2.3 设计水温

该煤矿所处地理位置地热资源丰富，导致矿井水水温偏高，夏季最高达35℃，冬季最高达32℃。另外，煤矿配套的水源热泵冬季制热、夏季制冷导致水温波动范围变大，一般会引起水温±3～5℃的变化。根据工程经验，矿井水水温受季节影响较小，这对于本系统的稳定运行意义重大，因此建议在本工程建设完成后，将水源热泵取水点移至最终产水池。本项目产水中悬浮物和硬度值更低，对减缓水源热泵堵塞、结垢有显著效果。综上分析，本项目设计进水水温按照32 ～35℃设计[4]。

2.4 进出水水质

进水水质指标如表1 所示。根据设计要求，200m3/h 系统产水作为回用水，供给矿上生活用水，回用水需达到《采暖空调系统水质》(GB/T29044-2012)及《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)[5]的要求。

表1 进水水质指标

一部分产水与生活污水勾兑后，同时满足《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》，主要指标含盐量不得高于1000mg/L，硫酸盐不得高于250mg/L[6]。

3 矿井水综合利用工艺方案的研究

3.1 整体工艺方案及流程

辽宁某矿矿井水地面处理站的矿井水综合利用工艺流程如图1所示。根据确定的工艺流程，该工程分为3 个工艺段，依次是一级分盐浓缩工艺段、脱稳分盐浓缩工艺段、蒸发结晶工艺段。一级分盐浓缩工艺段为经预处理后来水+ 纤维过滤器+CDRO（NF）+产水利用；脱稳分盐浓缩工艺段为CDRO（NF）浓水进入脱稳装置+高密池+ 砂滤器+ 离子交换+CDNF + 产水利用；蒸发结晶工艺段为CDNF 浓水进入机械蒸汽再压缩（MVR）+干燥系统。

图1 矿井水综合利用工艺流程示意图

3.2 一级分盐浓缩工艺段

预处理后的产水经过管道进入调节池均质均量。通过水泵加压提升进入纤维过滤器。通过纤维过滤器过滤后，出水进入CDRO（NF）系统进行预浓缩处理。CDRO（NF）系统的浓缩液进入下一工艺段，产水进入产品水箱[7]。

纤维过滤器采用一种新型柔软纤维丝作为滤元，过滤精度可达几微米，具有比表面积大、过滤阻力小的优点。过滤过程为对纤维丝施以回转机具压榨，使其纵向之间孔隙变小，水中的悬浮物均被挡在纤维丝外，过滤后得到清洁的处理水。当过滤器内被截留的悬浮污物(杂质)增多，处理水量下降，压力达到设定值或达到设定的时间，则自动进入反冲洗过程。纤维过滤器过滤速度快、设备占地面积小、公用工程配套少、自动化程度高。

CD 装置主要由特种平板膜、导流盘组成。集成的导流盘和膜片安装在压力容器内，通过O 型圈把透过液和原液隔离，压力容器通过高压软管联接到给水管、浓缩液管。废水在进水泵增压获得初步压力并经过保安过滤器过滤后即进入高压泵提供压力，而循环泵提供较大流量以满足CD 膜面的流速要求。通过螺旋形流道引导流体通过导流盘，在所有膜表面上可获得稳定的流体状态，液体中的小分子颗粒物、溶解态的离子等被截留在浓水侧，透过液经由产水隔网回流到中心管。CD 膜组件的应用，大大减小了压力损失，同时也减少了浓差极化现象。

3.3 脱稳分盐浓缩工艺段

CDRO（NF）浓水经提升泵加压进入脱稳装置，通过投加脱稳剂使过饱和的硫酸钙析出，达到去除水中钙硬度的目的。经过脱稳装置可去除水中较多的钙硬度，有效降低后续软化药剂的投加费用。

脱稳装置的出水自流进入高密池中，通过投加石灰、氢氧化钠、碳酸钠、除氟剂、镁剂、混凝剂、絮凝剂等药剂去除水中绝大多数的硬度、碱度、二氧化硅、氟离子等。高密池产生的污泥进入污泥脱水工艺段，出水加入硫酸回调pH 后自流进入中间水池。中间水池的出水经过砂滤器，悬浮物、胶体等均被部分截留后进入离子交换系统。通过离子交换树脂的吸附作用，去除水中残存的大部分硬度。离子交换出入通过除碳器去除部分碱度后进入CDNF 系统，进一步分盐浓缩。

高密度沉淀池是一种高效沉淀池，主要由混凝反应格、絮凝构筑物、澄清-浓缩区组成。高密度沉淀池前设置反应格，各格设置反应搅拌机，分别用来投加熟石灰、氢氧化钠、纯碱混凝剂、助凝剂等药剂，起到混凝絮凝、沉淀澄清、污泥浓缩等功能。高密度沉淀池的应用具备7 个突出的特点，即①占地面积小，占地为常规沉淀技术的1/4 ～1/10，节约土建造价；②沉淀效率高；③排泥干度高；④抗负荷变化能力强；⑤节约药剂；⑥水量损失较低；⑦运行、维护方便。

该工艺段采用“平板膜+晶种法”工艺，可解决矿井水近零排放的难题，打破了传统药剂化学法完全软化处理的工艺路线，利用平板膜浓缩和自诱导结晶相结合，将溶解在水中的过饱和状态硫酸钙通过加入不溶的添加物（晶种），形成晶核，加快或促进与之晶型（或立体构型）相同的对映异构体结晶的生长。晶种不断被诱导析出，循环往复，由于未向水中引入新的溶解性物质，因此脱稳结晶软化法会使原水的含盐量降低，且原水中硫酸钙越高，去除量越大，则水中含盐量降低越多，是真正的“减法”工艺。

3.4 蒸发结晶工艺段

CDNF 浓水通过蒸发进水泵经由预热器与蒸发冷凝水预热升温后进入到机械蒸汽再压缩（MVR）装置，在所控制的料液温度下达到Na2SO4的过饱和浓度后，大量硫酸钠以晶体的形式结晶析出，经排料泵排至增稠器增稠，由离心机实现固液分离，经脱水机后得结晶盐，该部分结晶盐可进入干燥器进一步干燥脱除剩余水分。经干燥器干燥后，排料口排出的固体物料含水量可减少至0.2%以下。经脱水后的硫酸钠结晶盐由脱水机进入干燥机，干燥后的硫酸钠结晶盐通过吨袋包装机进行包装。

机械蒸汽压缩再循环蒸发技术是目前世界上处理高盐分废水可靠、有效的解决方案之一。机械式蒸汽再压缩蒸发器（MVR）的原理是利用高能效蒸汽压缩机压缩蒸发产生的二次蒸汽把电能转换成热能，提高二次蒸汽的烩，被提高热能的二次蒸汽进入蒸发室进行加热，循环利用二次蒸汽己有的热能，从而达到补充极少量外部鲜蒸汽即可保证系统热能平衡，并通过蒸发器自循环来实现蒸发浓缩的目的。强制循环蒸发结晶系统可大大降低由于可能存在的化学反应产生沉淀结晶而堵管结垢的风险，在强制循环蒸发器内蒸发后，物料达到过饱和状态，此时开始不断地析出结晶。

每次启动系统需要新蒸汽作为MVR 蒸发结晶系统的加热热源，待罐内有二次蒸汽产生时，缓慢启动机械蒸汽压缩风机将低品质的二次蒸汽转化为高品质的加热蒸汽，逐步实现系统热能平衡。

3.5 产物及去向分析

3.5.1 最终产品和产物

膜浓缩过程的产物为产品水和浓盐水，浓盐水经蒸发结晶后产物为物料冷凝水和结晶盐。而在膜浓缩过程中，通过软化方式去除钙、镁、硅时，还会产生一定的软化污泥；通过脱稳方式去除钙、硫酸根时，还产生一定的脱稳石膏。该项目产生的产品（水、盐、污泥、石膏）情况如表2 所示。

表2 最终产物情况

3.5.2 产水和副产物去向

3.5.2.1 产品水

零排放系统产品水共972.5m3/h，其中200m3/h作为回用水用于洗浴、洗衣、空调系统补给水、井下降温系统补水等；其余产品水与原有的生化系统排放水勾兑达标排放。

3.5.2.2 综合外排水

综合外排水共872.5m3/h，主要由部分产品水（772.5m3/h）与经生活污水处理站处理后的生活污水（100m3/h）混合后达标外排。

3.5.2.3 硫酸钠

硫酸钠可作为化工原料销售。

3.5.2.4 污泥

产生的污泥回收利用。

3.5.2.5 石膏

石膏可作为副产品销售。

3.6 各工艺段处理能力

根据确认进水水量，矿井外排水除盐及综合利用工程规模按1000m3/h 建设，各工艺段处理能力如表3 所示。

表3 各工艺段处理规模

结论

辽宁某矿矿井水处理站总处理规模为1000m3/h，采用“平板膜+晶种法”工艺为核心技术的煤矿矿井水低成本零排放创新解决方案。项目投产后，产水水质实现分质回用。部分水经过预处理达到井下消防、洒水要求，水质满足《煤矿井下消防、洒水设计规范》（GB 50383-2016）表B 中的标准要求；部分经过反渗透系统的产水达到矿井一般生产、生活用水要求，水质满足GB 5749-2022；最终外排水水质满足《地表水环境质量标准》（GB 3838-2022）中Ⅲ类标准且满足环评[2020]63 号文TDS ≤1000mg/L。产品盐硫酸钠达到GB/T 6009-2014 Ⅱ类一等品标准，实现了矿井水近零排放和副产物资源化利用，促进了绿色经济循环增长和“双碳”目标协调发展。