陶瓷超滤膜处理煤矿矿井水的中试研究

李新望，谷晓娟，左大海，彭康明

（纳诺斯通水务技术（上海）有限公司，上海200041）

为减少煤炭生产开发对环境的影响及提高水资源综合利用水平，《煤炭工业发展“十三五”规划》提出到2020年全国矿井水综合利用率达到80%左右的目标。我国部分地区因水资源缺乏及环境承载力低而导致其矿井水矿化度高，为减少矿井水对生态环境的影响，部分西部矿区的矿井水要求实现零排放〔1〕。本研究以陕西某高矿化度矿井水为研究对象，考察了陶瓷超滤膜处理矿井水的效果及运行条件，以期为提升矿井水资源化利用率提供技术参考。

1 试验部分

1.1 矿井水水质

矿井水水质见表1。

由表1可知，此矿井水具有硬度高、浊度高且波动幅度大的特点。经一级净化处理后，水质不能满足标准GB/T 18920—2002《城市污水再生利用城市杂用水水质》，需进行深度处理。

表1 矿井水水质

1.2 现有系统处理工艺

现有系统处理工艺见图1。

图1 现有矿井水处理工艺流程

矿井水经混凝澄清过滤预处理后，视进水水质情况，投加一定量的聚合氯化铝（PAC）（20～40 mg/L）和聚丙烯酰胺（PAM）（1～2 mg/L）进行调整，超滤进水COD随浊度的下降而大幅降低，通常小于20 mg/L；而浊度因进水水量水质波动大，预处理加药量难以控制，导致超滤进水浊度变化大。运行期间超滤进水浊度平均值为4.3 NTU，但频繁地出现数小时内跃升至20 NTU甚至跃升至接近100 NTU的情况。

现有工艺的浸没式超滤膜运行中出现了产水量低、易污堵和难清洗等问题。因预处理系统受到水质冲击而导致过滤发生短流，进而导致浸没式超滤膜进口发生污堵、难清洗和断丝的问题，此前也有报导〔2〕。本研究以陶瓷超滤膜替代浸没式超滤膜进行中试研究，考察其处理该煤矿矿井水的运行效果。中试取水点为现有系统的超滤原水箱。

1.3 试验设备及运行参数

中试设备采用纳诺斯通水务公司为工业化应用而设计的集装箱式试验装置，工艺流程见图2。

试验装置为全自动控制。其中CM-131陶瓷超滤膜元件的膜面积为19 m2，过滤精度为30 nm，过滤层材料采用α-Al2O3，具有亲水性强、易清洗、通量高、机械强度和化学稳定性高的显著优点〔3〕。在线浊度仪采用美国GF的TURBIDIMETER-4150 W/L，在线压力变送器采用美国HOFFER的HFDPTHG-RGP05E2，在线流量计采用美国HOFFER的HFMAGWP2-HG-F-50-25。

中试正式开始前，由预调试所获得的运行数据确定中试采用以下设置：过滤时间为30 min/周期，反洗30s，正冲30s；超滤进水投加13~15mg/LPAC。

2 讨论与分析

2.1 跨膜压差数据分析

考察在运行通量为260 L/（m2·h）， 运行时间为22 d的运行效果，结果见图3。

图3 运行通量为260 L/（m2·h）时的跨膜压差

由图3可知，过滤期间的跨膜压差稳定在0.03~0.08 MPa（此区间以外离散数据为在线压力变送器记录的反洗/正冲等操作下的压力数据，下同）。前期数据波动较大是由阀门故障等机械故障引起的，其中11.5~12.3 d（夜间）跨膜压差上升接近0.13 MPa是由进水PAC加药软管出现突发性破损导致PAC投加异常所引起的，修复后经维护性化学清洗恢复至正常，系统运行稳定。

由于煤矿矿井水同时存在水量波动大的问题，为验证陶瓷超滤膜在不利条件下运行的稳定性及清洗后膜渗透性的恢复，考察运行通量为 315L/（m2·h），运行时间为12.3 d的运行效果，结果见图4。

图4 运行通量为315 L/（m2·h）时的跨膜压差

由图4可知，运行期间跨膜压差主要分布在0.04~0.06 MPa，呈规律性变化，反洗和化学清洗均能有效恢复跨膜压差，系统运行平稳。结合1.2中中试期间超滤进水的浊度数据，其中高浊度冲击期间（28.5~29 d，中试期间最不利工况）的跨膜压差数据分析见图5。

图5 高浊度冲击期间的跨膜压差

由图5可知，进水浊度在60~100 NTU期间，跨膜压差在0.05~0.06 MPa之间规律地周期性变化，仅略高于进水浊度低于20NTU的跨膜压差（0.05MPa），表明陶瓷超滤膜在高浊度及120%进水量的冲击下稳定运行。

2.2 产水水质

考察陶瓷超滤膜产水的浊度，结果表明，中试期间陶瓷超滤膜产水浊度稳定低于0.1 NTU，优于后续纳滤进水浊度要求（＜0.2 NTU）。表明陶瓷超滤膜在水量和水质波动大的煤矿矿井水处理中可作为纳滤和反渗透前的可靠保障措施，其替代浸没式超滤膜的可行性得到验证。

3 结论

（1）在进水投加 13～15 mg/L PAC 的条件下，陶瓷超滤膜在 260 L/（m2·h）的目标通量及 315 L/（m2·h）的挑战通量下运行平稳。

（2）陶瓷超滤膜对进水浊度冲击耐受性强，在进水浊度波动频繁且波动幅度大（高达100 NTU）的不利工况下保持稳定运行。

（3）产水浊度稳定＜0.1 NTU，完全满足后续纳滤的进水要求。