反渗透技术在煤矿水处理中的应用分析.pdf

反渗透技术在煤矿水处理中的应用分析张洋洋(冀中能源股份有限公司,河北 邢台 054000)摘 要:为节省水资源,解决煤矿生产中水资源的浪费问题,提升井下水的利用率,促进节能减排生产目标的实现,从水资源回收再利用的角度出发,对矿井水处理中关键的反渗透技术进行了分析,阐述了反渗透技术在煤矿水处理中的应用,以期为煤矿生产提供参考。关键词:反渗透技术;煤矿水处理;应用中图分类号:X703 文献标识码:A 文章编号:1005-8397(2023)06-0085-05Application of reverse osmosis technology in coal mine water treatmentZHANG Yang-yang(Jizhong Energy Co.,Ltd.,Xingtai,Hebei 054000,China)Abstract:In order to save water resources,solve the waste of water resources in coal mine production,improve the utilization rate of underground water,and promote the realization of energy saving and emission reduction production goals,from the perspective of water resources recycling,the key technology of mine water treatment reverse osmosis technology is analyzed,and the application of reverse osmosis technology in coal mine water treatment is elaborated in detail,hoping to provide reference for coal mine production.Keywords:reverse osmosis technology;coal mine water treatment;application收稿日期:2023-05-05 DOI:10.16200/ki.11-2627/td.2023.06.021作者简介:张洋洋(1989),女,河北邢台人,2013 年毕业于邢台学院化学专业,工学学士,冀中能源股份有限公司环境保护工程师。引用格式:张洋洋.反渗透技术在煤矿水处理中的应用分析 J.煤炭加工与综合利用,2023(6):85-89.我国煤矿资源丰富,分布广泛,虽然为工业和生活提供了生产能源,但是煤矿开采也污染了环境,生产过程还产生了大量的矿井水,矿井水杂质量大,含有一定的化学物质、重金属成分等有害物质。在以往水处理技术不成熟的时代,大量的矿井水被直接外排,污染了土地和水源,也造成了水资源的浪费,当下水处理技术逐渐成熟,生产也向着绿色环保的方向发展,煤矿水的处理得到了重视。合理应用反渗透技术处理煤矿水,不仅可以让污水实现回收利用,减少生产资源的浪费,也可以构建更加绿色环保的煤矿生产模式,有助于煤矿生产企业的稳定发展。1 反渗透技术介绍反渗透技术属于膜分离技术的一种,是当前水处理应用最广泛的技术之一,其原理是对有盐分的水施加比自然渗透压力更大的压力,通过反向渗透,将高度盐水中的水分子压向膜的反面,变为洁净的水,实现除去水中杂质、盐分的效果,其应用原理图如图 1 所示。利用膜分离技术,可以高效除去水中的盐分、细菌、杂质、有机物等。膜分离技术包含多个不同技术,其中反渗透技术是主要的技术之一,此外还有微孔膜过滤技术、超过滤技术等。反渗透技术广泛应用于工业领域,应用反渗透技术,可以高效处理工业废水,如电子废水、食品废水等1。反渗透技术优势明显,脱盐率高,且整体应用成本低,适合多种污水、废水的处理,操作简单,省时省力,是膜分离技术中应用最广泛的技术,尤其反渗透技术在纯净水制造领域的优势也万分突出。水透过反渗透膜的微孔,可以将微生物、杂质、盐分等有效截留,甚至可以截留分子量极小的有机物,将反渗透技术应用在矿井水处理中,是将水中的盐分进行截留,以提升水的应用标准,经过处理的水按照不同标准,可用作喷淋灌溉生产用水,也可以用作饮用水。58煤炭加工与综合利用No.6,2023 COAL PROCESSING&COMPREHENSIVE UTILIZATION 图 1 反渗透技术2 反渗透技术应用于矿井水深度处理的技术关键高矿化度矿井水除了采用常规处理工艺进行预处理外,关键是要进行除盐处理。随着膜材料的发展和膜组件的工业化,反渗透法因其节能、经济、装置简单、操作方便等优点,广泛应用在高矿化度矿井水深度处理中。反渗透膜污染防治及复合清洗技术是提高高矿化度矿井水深度处理效率和长期稳定运行的关键。为了防止膜污染,对进水水质都要求严格。一般水质要满足以下要求,才能发挥反渗透技术的优势,浊度1.0 NTU,(余氯)0.1 mg/L,SDI5,(Fe)0.1 mg/L,同时水的酸碱度应在 411 2。因此进水必须经过预处理,一般预处理过程包括混凝、沉淀、过滤、吸附和消毒等几个步骤。2.1 预处理技术预处理的目的是通过此工序将进水中的悬浮物等污染物去除,提高后续工序进水水质,使膜分离系统的长期性和稳定性得以实现。良好的预处理是反渗透系统长期稳定运行的保障。反渗透系统预处理的具体目的是:(1)防止膜表面污染和机械损伤,包括悬浮杂质、胶体物质以及有机物等附着在膜表面上或污堵膜元件的水流通道,特别是固体颗粒物对膜表面的划伤。(2)防止膜表面结垢,反渗透装置在运行中,一 些 难 溶 盐,如 CaCO3、CaSO4、BaSO4、SrSO4、CaF2等易沉积在膜表面,需提前清除这些水垢。(3)防止膜的微生物污染,原水中含有过量有机物和微生物,是微生物污染的主要根源,预处理对有机物和生物量的去除,是防止微生物污染的关键。总之,反渗透系统的效率和寿命与原水的预处理效果密切相关。预处理就是要把进水对膜的污染、结垢、损伤降到最低,从而使反渗透系统的产水量、脱盐率、回收率达到最优,延长膜的使用寿命,降低运行费用。2.2 反渗透系统优化设计反渗透除盐装置的设计正确与否,直接关系到膜元件(组件)的使用寿命。在设计反渗透除盐装置时应充分考虑如下因素:(1)根据需要,确定反渗透装置的出力、系统回收率、系统脱盐率;(2)通过技术经济比较,选择合理的膜类型和膜构型;(3)根据已知条件,计算所需膜元件(组件)的数量;(4)测算膜组件合理的排列组合,尽量使各段膜元件的出力和压降相当;(5)选择合适的高压给水泵,确定合适的安装位置;(6)合理选择连接管道,如材质应耐腐蚀、耐高压;(7)合理选择与水接触的就地仪表及探测敏感元件;(8)确定集中控制盘与就地控制盘的内容;(9)合理选择使用阀门的类型,如球阀、蝶阀、截止阀、针形阀等;(10)确定高压给水泵的启动方式;(11)制定反渗透装置本体进水与出水和外部的连接方式与要求;(12)严格遵循 RO 膜元件(组件)供应商从实践中总结出来的设计导则。2.3 反渗透膜污染及控制反渗透的污染物各不相同,常见的污染物质有:胶体污染、生物污染、化学结垢及颗粒污堵。胶体和颗粒污堵可严重影响反渗透元件的性能,使系统产水量下降,压差增加;当难溶盐类在膜元件内不断被浓缩且超过其溶解度极限时,它们就会在反渗透膜膜面上发生结垢,称为化学污染;有机物在膜表面上的吸附会引起膜通量的损失,称为有机物污染;微生物进入反渗透系统后,找到水中溶解性的有机营养物,在反渗透膜表面形成生物膜,严重影响反渗透系统性能,压差迅速增加,产水量下降,甚至产品水受到污染,视为生物污染。反渗透系统膜污染控制的首要方法是做好预处理,严格控制进水水质,如控制进水的SDI 值、pH 值、有机物和微生物等污染物含量等。具体针对不同污染采取相应的措施。反渗透系统运行过程中,膜表面由于给水带入的物质的污染而产生污垢,例如金属氧化物的68 煤炭加工与综合利用2023 年第 6 期水合物、钙的沉淀物、有机物和微生物。在实际应用中,最主要是采用化学清洗的方法。3 反渗透技术在某矿矿井水深度处理中的应用3.1 水质目标设计某矿矿井水水质含盐量 2 216 mg/L,属于高矿化度矿井水。硬度平均为 36 mg/L,硬度含量不高。矿井水目前预处理工艺为:预沉调节池提升泵房高效澄清池无阀滤池清水池,预处理后出水进入深度处理工艺。深度处理后的水有两种利用方案:方案一,反渗透产水直接供给企业回用,出水水质按反渗透系统除盐率 97%估算;方案二,通过预处理水勾兑,水质达到一般工业用水水质,满足(优于)GB/T 199232005城市污水再生利用 工业用水水质 要求,实际能够达到 GB 57492006 生活饮用水卫生标准 要求。深度处理进出水和勾兑后供水主要水质指标如表 1 所示。表 1 深度处理进出水及勾兑后供水水质指标水质指标pHTDS/(mgL-1)浊度(NTU)COD/(mgL-1)SS/(mgL-1)硬度/(mgL-1)反渗透进水水质8.322 216119-45反渗透出水水质6966(除盐率按 97%)-2勾兑后水质691000(设计按 800)1-4503.2 反渗透深度处理工艺流程由表 1 可以看出,某矿矿井水深度处理的主要去除对象就是除盐。根据某矿矿井水水质特点和深度处理要求,采用双膜法,即超滤+反渗透工艺,工艺流程如图 2 所示。图 2 某矿矿井水深度处理工艺流程3.3 某矿矿井水深度处理工艺设计某矿矿井水深度处理工艺设计按超滤进水量4 200 m3/d,反渗透进水量 4 000 m3/d,每天按20 h 运 行。设 2 套 超 滤 装 置,每 套 进 水 量105 m3/h,产水量 100 m3/h。设 2 套反渗透装置,每 套 进 水 量 100 m3/h,淡 水 产 水 量75 m3/h。反渗透装置是脱盐系统的关键设备,选用 RO-75 型反渗透装置 2 套,同时工作,每套 RO 装 置 进 水 量 为 100 m3/h,淡 水 产 量75 m3/h,淡水排放量 25 m3/h,回收率 75%,系统脱盐率大于 97%。每套系统中包括保安过滤器、高压泵、流量计、压力仪表、控制装置、在线电导率仪等。反渗透膜采用美国陶氏公司 BW30-400 膜元件,数量 96 支,压力容器采用 80A30-6 型,共16 根,每支压力容器中装 6 支膜元件,膜组件按10 6 排列。反渗透膜组件参数如表 2 所示。表 2 反渗透膜组件参数组件参数数值膜组件系列数量/套2系列设备出力/(m3h-1)75膜元件制造商美国陶氏型式及型号BW30-400脱盐率/%99.5材料聚酰胺复合膜单只膜有效面积/m237.2系列排列10:6膜元件总数量/(只套-1)96配套压力容器制造商哈尔滨乐普数量(支套-1)16材料玻璃钢工作压力/MPa2.1装置运行工况进水流量/(m3h-1)100回收率/%75总脱盐率/%973.4 反渗透清洗装置采用化学清洗,装置包括 1 台清洗液箱、清洗过滤器、清洗泵以及配套管道、阀门和仪表,清洗系统如图 3 所示。当膜组件受污染时,可以用它进行 RO 系统的化学清洗。清洗溶液箱容积为 3 000 L,直径 1 600 mm,高度 2 150 mm,材料为 PE,共 1 只。清洗泵选用 GZA80-50-200 型水泵,Q=50 m3/h,H=30 m,电机功率 11 kW,材质为782023 年第 6 期张洋洋:反渗透技术在煤矿水处理中的应用分析图 3 清洗系统示意304 不锈钢,共 1 台。保安过滤器采用圆形不锈钢压力容器,直径800,共 1 台,单台处理能力 50 m3/h,工作压力0.4 MPa,滤网材料为 PP 熔喷,过滤精度 5 m。3.5 效果及效益经济效益:经核算,某矿矿井水深度处理运行成本 2.709 元/t,按前方案一,反渗透产水直接供给玻纤公司回用,出水水质按反渗透产水(150 m3/h),水质优良,可按售价 4 元/t 水计算,吨水效益 1.291 元,年利润 139.4 万元。环境效益:本工程的实施将改变目前某矿矿井水含盐量高、直径排放引起的环境问题,提高了环境质量,节约了水资源,具有良好的环境效益。4 反渗透技术应用效果及发展前景 在经济高速发展的时代背景下,人类对水资源需求量不断增加,用水压力与日俱增,尤其在工业和能源业迅猛发展的阶段,大量的地下水被生产所污染,人类可用水越来越少,因此要重视煤矿矿井水的利用。只有充分利用矿井涌水,有意识地控制地面废水的排放,节省有限的淡水资源,才能促进煤炭行业的新发展。在前期的矿井水处理中,多将其转化成消防用水、绿化用水,经过预处理后的水一部分可以继续用于井下生产作业,另一部分可以经过深度处理转化成饮用水,以实现节水减排的目的3。反渗透技术有着低耗能,低成本优势,同时反渗透装置结构合理,占地面积小,转化率高,自动化水平高,在煤矿废水处理中的应用越来越广泛。当然,随着反渗透装置的不断优化与升级,其性能也会更加全面,转化效果也会有所提升,故从反渗透装置在矿井水处理中的应用来看,反渗透技术还有很大的探索空间。5 反渗透技术关键要点把控在矿井水废水处理中应用反渗透技术时,应注意以下几点,把控关键要点,才能提升废水转化处理效果,提升水资源的利用率。5.1 明确反渗透装置的台数经过反渗透装置处理的废水,一般都达到了饮用水的标准,而对于矿井水制饮用水来说,一般水量都不会太大,因此矿区设置 1 台反渗透装置即可满足废水处理需求。当用水量较大时,可以结合用水需求增加 1 台反渗透装置,或者也可以增加多台反渗透装置,每 1 台反渗透装置都应该设置单独的进水管,还应该设置压力泵,这 2台设备可用于其他反渗透装置,以方便管理,一旦某台反渗透装置的进水管道发生故障,其他反渗透装置可以正常运行,可以切断故障进水管的阀门,从备用进水管引水。压力泵可以选用同型号变频控制泵,当一台压力泵检修时可以启动另外一台压力泵,实现水处理系统的程序化控制,提升整个设备的运行效果。5.2 设置好清洗装置反渗透装置长期处于运行中,要处理大量的矿井水的同时保证处理效果,还要重视反渗透装置的清洗,定期清洗可以减少杂质掺入水中。一般反渗透装置上都应该设置清洗装置,常用清洗装置都带有自动反冲洗功能或定时反冲洗功能,满足了反渗透装置长期运行的实际需求。当反渗透装置运行一段时间后,或者水质发生变化时,反渗透膜表层会附着一层污垢,或者会被堵塞、污染,就会导致进水压力剧增,也会让浓水压力增高,跨膜压差增大后出水量会明显减少。此时,应该及时清理反渗透装置的膜,经过清洗和杀菌处理后,可以提升速度,减少堵塞,如果清洗不及时,会增加设备的运行成本,如果膜污染严重,清洗效果不好,就要及时更换膜,否则会造成资源的浪费。5.3 选择反渗透膜要发挥反渗透装置在矿井水处理中的应用效果,还要重视反渗透装置膜的选择,这一设备的核心配件就是膜,由于膜为特殊工艺、材质所造,其造价极高,合理选择膜,可以提升废水处理效果,也可以保证反渗透装置的长期稳定运行,节省了废水处理的投入,控制了资源的浪88 煤炭加工与综合利用2023 年第 6 期费。从反渗透装置的处理性能来看,选择的膜不同,反渗透处理的工艺也稍有差距,在转化同品质水的条件下,投入成本也不同,因此要合理选择反渗透装置的膜,才能在保证品质的情况下,提升反渗透装置的运行效果4。当下,最常用的反渗透装置的膜为醋酸纤维素膜和 TFC 复合膜两种,这两种膜适合应用不同的矿水处理,从北方很多地区的矿井水水质来看,经过预处理后的矿井水适合 TFC 复合膜。矿井水预处理环节,所用的净水器多为一体化自动化设备,经过处理后要加氯处理,应用反渗透装置前还要用亚硫酸钠处理或者活性炭过滤。由于两种膜性能不同,对水的 pH 值和预处理标准不同,所以要结合水质标准选择合适的膜,以下是两种膜对比:第一,价格方面,醋酸纤维素膜比 TFC 复合膜便宜;第二,脱盐率方面,醋酸纤维素膜脱盐率在 90%,而 TFC 复合膜的脱盐率高达99%;第三,酸碱值方面,醋酸纤维素膜适合应用在酸碱度在 4 6之间的水,而 TFC 复合膜适合应用在 211 之间的水;第四,预处理方式不同,醋酸纤维素膜需要加酸、加氯,还需要加如阻垢剂,TFC 复合膜在处理废水时,要加亚硫酸钠或者活性炭即可;第五,后期的运维方式也存在差异,醋酸纤维素膜用淡水冲洗即可,TFC 复合膜需要应用到阻垢剂,并要进行杀菌处理。通过对比可以了解到,TFC 复合膜脱盐性能更高,性能更优越,实际应用中要结合多个因素综合选择。5.4 膜的维护在膜的运行使用中,要严格按照生产厂家提出的规则维护膜,同时应该制定合理的维护流程,设计合理的维护方法,才能提升膜的使用年限。在设备的运行中,应该密切关注过滤器的运行,发现过滤器的滤芯失效后要及时更换。6 结 论综上所述,反渗透技术处理矿井水,预处理十分关键,当然也要重视设备的日常维护,只有保证进水顺利,定期做好维护工作,才能让反渗透装置长期稳定运行,才能提升煤矿的废水处理效果。反渗透技术是作为处理矿井水,实施的首选技术,处理效果好,满足环保生产的要求,实际应用中应把控设备台数,科学设置清洗设备,合理选择反渗透膜,做好膜的维护,才能处理好矿井水。参考文献1 杜旭昌.反渗透技术在锅炉水处理中的工程应用 J.设备管理与维修,2022(10):145-146.2 刘 陈.反渗透技术在水处理中的应用研究 J.技术与市场,2021,28(2):135-137.3 孙 芮.反渗透技术在多种水处理应用中的分析 J.绿色环保建材,2020(9):52-53.4 杨 辰.反渗透技术在电厂水处理中的应用 J.中国高新科技,2020(1):104-105.(上接第 84 页)就业 300 人,间接就业 1 000 人,峰值间接就业3 000 人。随着项目知名度的提升和可持续发展策略,预测第 3 a 能够实现盈利,年均收入增长率可达 20%以上,快速带动当地就业居民步入小康生活。同时,该项目作为环保公益和沉陷区生态修复示范案例,还有望在 5 a 内被打造成为同类项目的样板工程,在国内外享有一定的知名度和美誉度,进一步改善当地的生态、生活和投资环境,大幅提升当地居民的幸福生活指数,加速实现“乡村振兴战略”总体目标。参考文献1 中华人民共和国环境保护法 M.北京:中国法制出版社,2014.2 王美丽.生态文明建设之星,齐鲁大地上的“新巨龙”生态文明建设典型矿井山东新巨龙能源有限公司专访 J.煤炭加工与综合利用,2014(5):75-78.3 习近平谈新时代坚持和发展中国特色社会主义的基本方略EB/OL.(2017-10-17)中国政府网().4 刘秋月,王 嵘,刘 涛,等.徐州市潘安湖煤炭塌陷区湿地生态治理 J.江苏科技信息,2016(27):52-54.5 NB/T 105332021,采煤沉陷区治理技术规范 S.6 胡炳南,郭文砚.我国采煤沉陷区现状、综合治理模式及治理建议 J.煤矿开采,2018,23(2):1-4.7 王培剑.煤矿塌陷区集约化规模化利用模式研究与实践J.科协论坛下半月,2013(10):62-63.982023 年第 6 期张洋洋:反渗透技术在煤矿水处理中的应用分析