高硫酸盐、低氯化物矿井水全盐量膜处理工艺对比

孟维玻 刘翠华

肥城矿业集团梁宝寺能源有限责任公司，中国·山东 济宁 272404

1 引言

中国济宁市位于南四湖汇水区域内，境内有40多对矿井。随着2019年3月10日DB37/3416.1——2018《流域水污染物综合排放标准第1部分：南四湖东平湖流域》正式实施，外排废水全盐量、硫酸盐执行限值为1600mg/L、650mg/L。济宁市多家煤矿实施矿井水全盐量、硫酸盐治理工程。论文以中国梁宝寺矿为例，对比矿井水膜浓缩处理工艺，提出合理可靠、经济可行的深度处理方案。

2 中国梁宝寺矿矿井水水质特点

根据梁宝寺矿水质分析报告，矿井井下涌水水质类型为“SO42--Na++HCO3--Ca2+”型，含盐量约2600mg/L，水量约3600m³/d。

进水水质指标见表1。

表1 进水水质指标

梁宝寺矿矿井水水质具有高含盐量、高硫酸盐、低氯化物及高碱度的特点，矿井水深度处理主要需要降低的指标为全盐量和硫酸盐；此外钙、镁离子及碱度的浓度也较高，在浓缩处理过程中容易结垢、堵塞，需要考虑结垢影响因素；最终矿井水经多次浓缩后的高盐水需要固化结晶处理。这三者是处理工艺设计的核心部分，论文针对全盐量和硫酸盐的去除对膜浓缩工艺进行进行详细对比[1]。

3 预处理系统工艺比选

3.1 超滤（UF）

超滤是一种流体切向流动和压力驱动的过滤过程，并按分子量大小来分离颗粒。超滤膜的孔径大约在0.002～0.1μm范围内。

3.2 活性炭过滤(ACF)

活性碳是用煤、木炭、果核和果壳等为原料，经高温炭化和活化处理而成，具有很大的比表面积(1g活性碳有800～2000m2)。

3.3 管式微滤膜（TMF）

管式微滤膜是一种类似超滤膜元件，由超高分子聚合物制成的多孔膜，膜孔径范围为0.1～1.0μm。

3.4 管式超滤膜（TUF）

管式超滤膜是一种陶瓷膜过滤器，核心部件是陶瓷膜过滤元件，其分离层（膜层）膜孔径为0.1μm。

3.5 工艺比选

表2中三种方案均能满足工程需要。

表2 预处理工艺方案比较表

在类似项目中，在过去超滤过滤价格较贵，且没有大范围推广应用时期经常采用活性炭过滤，但近年来，在水处理中通常超滤已取代了活性炭过滤；管式过滤是近几年发展的新工艺，其适应复杂水质能力强，通常用于零排放处理浓缩液处理中。结合现场实际情况，推荐超滤(UF)作为工程离子膜脱盐前过滤工艺。

4 膜脱盐浓缩系统工艺比选

根据水质特点，膜脱盐浓缩系统分为三级脱盐浓缩,矿井水经三级膜浓缩后含盐量控制在9万～10万mg/L左右。膜脱盐浓缩系统采用的离子膜主要有纳滤膜（NF）、反渗透膜（RO）、电渗析膜（ED）等，其中反渗透膜（RO）分类较多，分为普通膜、苦咸水膜（BWRO）、海水膜（SWRO）以及适合高盐水脱盐浓缩处理的碟管式高压反渗透(DTRO)、网管式高压反渗透(STRO)膜等，高压纳滤及电渗析膜也适合高盐水脱盐浓缩处理[2]。

脱盐浓缩处理比选表见表3。

表3 脱盐浓缩处理比选表

脱盐浓缩系统选择直接关系到后续固化结晶盐纯度高低，同时与投资、运行费用密切相关。薄膜蒸发PFET技术为近年发展起来的高新技术，其运行时需要投加蒸汽，投资及运行费用相对较低，但目前在中国工程业绩尚较少；高压钠滤（NF）目前工程业绩也较少。因此，本次膜脱盐浓缩工艺对钠滤（NF）、反渗透(RO)及电渗析（ED）进行比选[3]。

根据表4可以看出，针对本工程水质而言，采用了NF分盐比RO脱盐的方案，在三级浓缩后的浓水中氯离子比例要低，根据计算方案一中固化结晶盐中硫酸钠理论计算纯度99.6%，而方案二中固化结晶盐中硫酸钠理论计算纯度97%，且采用方案一蒸发结晶系统母液极少，可以混合在矿井水中外排，水中TDS增加不超过28mg/L，没有影响矿井水达标排放。方案三采用了电渗析ED，投资比DTRO省，设计考虑到国产ED比进口ED技术尚存在较大差距，可供选择的进口品牌ED较少，因此不推荐。目前DTRO工程案例较多，且中国生产厂家也较多，因此价位较低，推荐采用DTRO进行高盐水浓缩。

表4 三级浓缩处理方案组合比选表

5 结语

可以看出，采用多级NF浓缩分盐是提高硫酸钠纯度、降低氯化物含量有效保障措施，一则可以不产生或少产生NF膜元件的混盐，二则氯化物含量低可以降低后续蒸发结晶工艺材质要求，如采用S316L不锈钢、S2205双相钢代替钛合金，从而降低了蒸发结晶系统投资，但NF膜元件选型应根据本工程的水质特点来选择透水量大、一二价离子选择性高、化学稳定性好、机械强度好、端面自锁连接、极强抗污染、低能耗的特种分盐纳滤膜。

经综合比较，推荐“NF+NF+DTRO”作为脱盐浓缩系统主导方案。