高矿化度矿井水“零排放”成套技术与设备

朱 峰

（兖矿能源（鄂尔多斯）有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000）

1 矿井处理技术及创新性

目前我国主流的处理工艺为“预处理+生化处理+纳滤+反渗透”等，矿井水工艺能有效保证出水水质较好。但现有处理工艺主要缺点有反渗透浓水很难处理，盐份很高；也有部分采用蒸发浓缩液的方式实现浓缩液的减量化，蒸发处理后剩下的浓缩母液仍未找到很好的处理方法，结晶盐纯度较低难以资源化利用，反渗透成本高[1]。

该项目技术采用“预处理+多级膜高效浓缩+多效强制蒸发结晶+分盐”的治理工艺，进行工程化和集成化开发，通过多级膜高效浓缩，蒸发结晶、分盐资源化实现矿井水深度处理达标，其创新点及技术先进性如下：

1）采用多级膜高效浓缩组合工艺，开发出经济高效的膜浓缩技术及装备，提高了膜浓缩回收率，解决了浓液减量化难题。

2）采用化学除硬，避免了结垢的问题，克服修复技术施工、运行的限制，降低运行成本。

3）采用多效强制蒸发结晶技术，多效蒸发器提高了盐的纯度，且为降低系统中杂质离子的浓缩聚集，为系统内的杂质离子设置了一个出口，使系统内的杂质离子维持在一定水平，以保证结晶盐的品质，从而解决了结晶盐纯度较低难以资源化利用的难题。

4）形成了一套典型的矿井水深度处理工程模式。

2 主要工艺流程及指标

3 重点创新内容的实施

项目技术主要采用“预处理+多级膜浓缩处理+多效强制蒸发结晶+分盐”的工艺流程（图1）。其中，二级膜浓缩和三级膜浓缩通常需要协调考虑，是零排放的重点和难点，工艺路线较多，主要技术难题是经济高效的防结垢预处理技术和高倍浓缩技术。设计出水指标见表1。

表1 设计出水水质指标

图1 工艺流程图

3.1 预处理技术

井下预处理没有考虑除铁锰，没有过滤装置，地面预处理目的是调节井下避峰就谷排水，去除水中铁、锰离子，进一步去除水中悬浮物胶体等影响膜浓缩处理系统稳定运行的因素[2]。预处理采用“调节曝气+过滤”的工艺。矿井水处理过程中的过滤形式采用V型滤池。V 型滤池不仅滤料层厚度能够满足要求，纳污能力强，且采用气水反冲洗，冲洗效果好，滤速高，能耗较低，占地面积小，能够实现较高的自动化程度。

3.2 多级膜浓缩处理技术

一级浓缩处理处理技术相对成熟，采用“超滤+BW反渗透”工艺，UF 回收率可以达到95%以上，出水浊度≤1 NTU，SDI15（污染指数）≤5，为反渗透处理提供较好的进水条件。本项目二级膜浓缩前采用药剂软化+管式微滤（TMF）的预处理工艺，在三级膜浓缩前采用管式微滤（TMF）+离子交换+除碳工艺，二级膜浓缩采用BWRO 工艺，三级膜浓缩采用DTRO 工艺。通过膜技术处理将绝大部分污染物质截留在浓水一侧，实现ρ（TDS）≤1 000 mg/L，浓缩后的浓盐水水量占总水量的10%以下，ρ（TDS）在10 000 mg/L以上，满足蒸发结晶的经济性要求，并为后续蒸发结晶做好准备。

3.3 多效强制蒸发结晶技术

蒸发结晶是零排放过程中浓盐水处理的最主要方法，也是最终方法，主要有蒸发塘（晾晒池）工艺、多效蒸发工艺（MED）和机械蒸汽再压缩蒸发工艺（MVR）[3]。该项目采用MED 多效蒸发工艺，MED 利用蒸汽加热物料，之后再利用物料产生的二次蒸汽加热后一效的物料，依次循环，一般三效蒸发具有较高的性价比，同时可以分别控制各效温度，有利于分盐操作；运行费用方面，在蒸汽价格较低的地方MED 优势更加明显，电费0.8 元/（kW·h）情况下，蒸汽费70 元/t。相比较而言，工程投资较低，运行维护费用低，且运行电耗低。该工艺技术将膜浓缩产生的少量浓盐水中的溶解性盐类分离出来，实现固化，便于利用及最终处置，同时产生合格产品水。产品水ρ（TDS）≤1 000 mg/L，体积流量近乎等于浓盐水的体积流量；根据具体要求，产生的固体盐类可以是混盐，也可以是满足一定技术要求的工业原料盐。

4 技术产品应用示范案例

4.1 项目简述

某煤矿矿井水深度处理工程，建设地点在内蒙古自治区鄂尔多斯市乌审旗嘎鲁图镇，建设时间为2019 年2 月至2019 年8 月。

该矿现有2 000 m3/h 的地面净化处理站，主要以去除水中悬浮物为目的，出水达到《煤炭工业污染物排放标准》GB20426—2002，但因处理系统主要设备为租用环保设备厂家，且能力不能满足今后水量增大的需求，经矿方多次论证后，准备在井下建一座预处理系统，处理能力3 000 m3/h。根据水质分析，该煤矿矿井水含盐量3 300 mg/L 左右，因此，需要对矿井水进行深度处理。深度处理项目处理对象为井下预处理系统的出水。

设计一级浓缩采用“超滤+BW 反渗透”工艺，二级浓缩采用BW 反渗透工艺，三级浓缩采用DTRO 反渗透工艺，系统中除硬采用“药剂软化+管式微滤膜”工艺，浓盐水处理采用“多效蒸发+分盐结晶”工艺，生产Na2SO4，占地面积省，技术成熟可靠，运行稳定，处理效果好，可保证出水水质满足《地表水环境质量标准GB 3838—2002》表1 三类水质（非湖、库）和表2水质指标要求，同时ρ（TDS）＜500 mg/L，ρ（硫酸盐）＜250 mg/L，ρ（氯化物）＜250 mg/L，且系统回收率不小于96%。

4.2 项目工艺流程

矿井水提升上来后先进入调节池，调节池内设曝气系统，氧化水中铁锰离子，出水进入V 型滤池，过滤去除水中残留悬浮物、胶体及铁锰沉淀物，出水进入一级预处理系统，一级膜浓缩预处理采用自清洗过滤器和超滤工艺，进一步提高反渗透进水水质，减少污染堵塞，延长膜使用寿命，一级膜浓缩回收率70%；一级膜浓缩的浓水作为二级膜浓缩的进水，该浓水经过药剂软化去除钙、镁、硅，通过管式微滤去除钙、镁、硅的沉淀物，进入二级膜浓缩的反渗透单元，进一步浓缩，回收率80%；二级膜浓缩的浓水浓缩后含盐量40 000 mg/L 左右，加药进一步软化去除钙、镁，通过管式微滤去除钙、镁沉淀物后进入离子交换系统，去除钡离子及少量钙、镁离子，脱碳后进入三级膜浓缩，回收率55%，浓缩后浓盐水质量浓度达100 000 mg/L以上，待蒸发结晶。三级膜浓缩产生的产品水混合后收集到产品水池，待回用。管式微滤的浓缩液、离子交换的再生废液收集经管式微滤、化学沉淀处理后，产生的泥渣压滤处理，上清液返回至各级浓水预处理系统，循环处理利用，产生的固废委托有相关资质的部门处理。滤池反冲洗水经澄清处理后清水回至调节池，污泥水送至洗煤厂浓缩池处理。工艺技术框图如图2 所示。

图2 预处理和膜浓缩工艺流程图

该煤矿矿井水为Na—SO4型水质，氯化物占比质量比不足1/20，分离Na2SO4结晶盐后，再分离NaCl并不经济，因此少量氯化钠与杂盐一起结晶分离处理。

浓盐水经上料泵并经二次汽冷凝水预热后首先进入到三效蒸发器中，经三效蒸发器循环泵在三效加热室和分离室中循环浓缩，部分浓缩液由转料泵排入二效分离室中，经二效蒸发器循环泵在二效加热室和分离室中循环，进水得到进一步浓缩，部分浓缩液由转料泵排入一效结晶分离室中，经一效蒸发器循环泵在一效加热室和结晶器中循环，进水最终浓缩达到过饱和结晶出硫酸钠，关键是控制蒸发终点浓度在硫酸钠的结晶区。一效蒸发的部分浆液经出料泵排入稠厚器，使一效结晶器固液处于平衡状态。

一效结晶器设盐腿进行淘洗，以提高盐的纯度。进入稠厚器的晶浆，再进入离心机中离心分离脱水；离心分离得到的结晶为Na2SO4结晶单盐（含水率≤5%），硫酸钠结晶经干燥后包装，可以考虑作为普通玻璃、燃料、造纸等工业以及天然碱或元明粉行业的原料出售。离心母液可由母液泵送回一效蒸发结晶器。为降低系统中杂质离子的浓缩聚集，外排一部分母液去杂盐干化系统，为系统内的杂质离子找一个出口，使系统内的杂质离子维持在一定水平，以保证结晶盐的品质。工艺技术框图如图3 所示。

图3 蒸发结晶工艺流程图

4.3 项目效益分析

本项目的实施，可减少矿井水排放对周围环境的污染，改善周边居民的居住环境；每天最多可为矿区及周边企业、农业生产提供65 000 m3以上的可利用水源，减少了地下水的取水量，保护了地区地下水资源的自然平衡，解决地区用水量日益增加和水资源越来越短缺的矛盾，提高煤矿企业的综合效益，促进矿区的可持续发展，同时增加了50 人的就业机会，对促进社会稳定和谐发展起到积极作用。

5 实施效果

项目技术产品包含多级膜高效浓缩及多效强制蒸发结晶系统，工艺系统复杂，设备多，投资大，专业性强，技术水平高，对矿井水的深度处理具有示范作用。该项目技术产品主要应用推广领域为矿井水深度处理，适用行业为各地区的煤矿厂等，可根据不同的进水水质，调整运行方式和参数，适用于各类矿井水。