以绿色环保为目标的煤矿矿井水综合处理系统构建与实施

创造单位：陕西华电榆横煤电有限责任公司

主 创 人：高 峰 石建祥

创 造 人：陈加更 李敏恒 朱南京 汪庆喜 刘天文 封 云 李 标 张瑾超

一、前言

近年来，陕西华电榆横煤电有限责任公司（简称“榆横煤电公司”）以“奉献清洁能源，创造美好生活”为使命，深入贯彻落实国家环保政策，认真践行绿水青山就是金山银山的发展理念，切实履行央企社会责任，积极创建煤电路一体化绿色能源示范企业，极大地改善了企业驻地人民群众生产生活环境。

榆横煤电公司小纪汗煤矿，地处毛乌素沙漠与陕北黄土高原接壤地带，属陕北侏罗纪煤田榆横矿区。矿区内植被覆盖面积很少，水土流失严重，土地贫瘠，农、工、牧业皆不发达，经济落后。

多年来，由于矿区内煤矿项目建设较为集中，矿井水长期排放，在周边形成了黑湖、咸水湖，且面积逐年扩大，导致出现土壤盐碱化和浅层地下水含盐量增大等一系列严重危害。

为彻底解决陕北荒漠长期缺水困难和所属矿区及下游城市水污染问题，榆横煤电公司决定投资4.62亿元建设陕西规模最大、投资最大的水处理示范项目——小纪汗煤矿矿井水综合利用项目，用实际行动为煤矿生产注入绿色元素。

二、实施背景

党的十九大报告提出，大力推进生态文明建设，坚持节约资源和保护环境的基本国策，坚持节约优先、保护优先、自然恢复为主的方针，着力推进绿色发展、循环发展、低碳发展，形成节约资源和保护环境的空间格局、产业结构、生产方式、生活方式，从源头上扭转生态环境恶化趋势，为人民创造良好生产生活环境，为全球生态安全作出贡献。

陕西省环保厅与榆林市环保局对榆林地区煤矿矿井水处理利用提出了明确要求，强调减少和防止环境污染是一项重要的任务，更是建设资源节约型、环境友好型国家循环经济示范区的基本要求，建设矿井水处理站并充分利用矿井水已刻不容缓。

根据2011年10月环保部环评〔2011〕300号文“关于陕西华电榆横煤电有限责任公司小纪汗（汉）矿井及选煤厂环境影响报告书的批复”中的第二项（四）条“提高水资源的综合利用率，落实矿井水和生活污水处理设施。矿井水、生活污水处理达标后全部回用和综合利用，选煤厂煤泥水实现一级闭路循环，不外排”的要求。

《陕西华电榆横煤电有限责任公司小纪汗煤矿13盘区涌水量预测报告》显示，小纪汗煤矿2018年到2025年的预测水量逐年增加，2021年可达最大涌水量1762m3/h，远远超过目前已有井下水处理站的处理能力。

综上所述，根据小纪汗煤矿目前的实际情况和存在问题，对矿井水进行综合利用的设计，以便满足环保要求，同时保证企业的可持续发展。对小纪汗煤矿矿井外排水进行处理，建设矿井水深度处理工程，做为榆横工业园区的生产用水的补充水源是必要的，也是合理的。

三、项目概况

项目总投资46208.60万元，其中建设期利息909.78万元，建设规模为45600m3/d（1900m3/h），设计增加脱盐和蒸发结晶工艺段，该工艺采用目前国内较为成熟的高密度澄清池（药剂软化）+超滤+反渗透+浓水池+高密度沉淀池（药剂软化）+变孔隙滤池+超滤+弱酸阳离子交换+脱碳+纳滤+碟管式反渗透（DTRO）+混凝沉淀+微滤+AOP氧化+MVR强制结晶工艺。

四、工艺创新及目标

（一）工艺创新

1.采用国内、外先进技术和成熟工艺，采用高效、节能、效果好的处理设施，实现废水零排放，同时实现结晶盐的资源化利用率≥95%，外排杂盐≤5%。

2.工艺流程简单，操作简便，便于管理和维护，投资小，运行成本低。

3.设计美观大方，构筑物布置紧凑合理，设施及管线布置流畅整齐，减少占地面积和管道费用。

4.系统的自控水平高，配套高性能的在线仪表，实现自动化运行，操作管理的劳动强度低，系统运行可靠安全。

（二）达到目标

该项目完成投运后，高矿化度矿井水经预处理软化除盐，产水水质将达到国家《地下水质量标准》（GB/T14848-2017）III类标准并满足《石油化工给水排水水质标准》（SH3099-2000）的要求，一部分供煤矿生产及生活；一部分可通过已建成的小纪汗煤矿至榆横电厂的复用水管道输送至榆横发电厂作为循环冷却补充用水；一部分可供给周边水资源缺乏地区作为其生态补充用水及农田灌溉用水；剩余全部输送给榆林市水务集团统一调配使用。同时系统产出的浓盐水经过浓缩结晶处理后，全部转化为符合GB/T6009-2014的I类一等品工业硫酸钠，最终实现浓水零排放。(见表1）

表1 出水水质

五、建设情况与成效

小纪汗煤矿矿井水综合利用项目从项目规划、设计、施工到建成投产，以及投产后的各项技术经济指标均处于集团系统和西北区域领先水平，地方政府领导多次组织其他企业参观学习，各大院校师生现场实践交流，水处理新技术的成功应用为学者们提供了较好的研究案例，也得到了政府环保部门对企业绿色发展举措的高度评价及认可，项目被陕西省榆林市榆阳区列为重点示范项目。公司成为集团首家拥有矿井井水综合利用项目的煤炭企业，为周边及系统煤炭企业起到了良好示范作用，实现了让水更清、心更暖的环保目标。

（一）项目建设情况

项目于2018年底正式开工建设，并成立项目管理办公室，明确项目负责人，配备齐全各专业人员，全力确保工期计划稳步推进。项目建设时处严冬时节，陕北地区冬季风雪频发，施工难度巨大，面对工期紧、难度大的施工条件，全体施工人员坚持春节不休息、风雪不停工，重点加强计划管理，建立严格的进度奖罚制度和激励机制，实行目标管理，奖罚分明；科学组织实施，严格按施工连锁工期控制各单位工程和各分项工程工期开展工作，施工过程中不断改进施工工艺，主动寻求新技术、新工艺，对新技术应用的可行性反复对比研究，合理确定技术方案，做好各工序的衔接，最大限度提高工艺效率，降低工序时间，确保总工期的实现。

项目经过不到一年的高效率施工，在相继克服工期紧张、冬季施工困难、风沙大、调试时间短等重重难关后，小纪汗煤矿矿井水综合利用项目于2019年4月15日按期完成预处理及膜浓缩减量系统调试运行并出合格水；7月18日，小纪汗煤矿去榆横电厂管路冲洗完成，开始连续供水；9月16日，系统开始全水处理，总处理水量1416m3/h，产出合格水1208m3/h，其中煤矿自用280m3/h，剩余合格水供至榆林市水务集团进行统一调配使用；9月30日，按期完成蒸发结晶系统及全系统调试运行并出合格硫酸钠产品盐；2020年1月，开始向榆林市水务集团连续稳定供水，实现矿井水资源100%复用、零排放目标。2020年7月完成项目单项工程质量认证，8月完成项目工程水保验收和固废验收，9月份完成废气、环境噪声等全部环保验收项目。

（二）高矿化度矿井水处理工艺实际应用效果

小纪汗煤矿矿井水属于含悬浮物、钙离子及高硫酸根的高矿化度矿井水。（见表2）

表2 预处理进水水质

由于原水中TDS和硬度较高，膜元件内不断被浓缩且超过其溶解度极限时，会在膜面上结垢，回收率越高，产生结垢的风险性就越大。预处理的主要作用是降低原水中总硬度、总碱度、胶体和悬浮物，使出水水质满足后续脱盐设备的进水要求。

1.原水药剂软化

药剂软化法主要是投加化学药剂（碳酸钠、氢氧化钠等），通过化学反应使钙镁离子沉淀析出，从而降低水的硬度。小纪汗煤矿矿井原水进入高密度澄清池前混池，通过投加碳酸钠、氢氧化钠，搅拌混合后进入絮凝沉淀区，使产生的碳酸钙充分沉淀，从而达到降低硬度的作用，出水Ca2+含量小于150 mg/L。

2.原水降浊度

小纪汗煤矿矿井原水进入高密度澄清池絮凝沉淀区，通过投加聚合硫酸铁和PAM，使水中的碳酸钙、悬浮物和胶体等物质充分混合絮凝沉降后，达到水质澄清的作用，出水浊度小于5NTU。

为了使后续脱盐设备的进水浊度小于0.2NTU、SDI小于3，本项目又增加了超滤系统。超滤是一种能够将溶液进行净化、分离、浓缩的膜分离技术，超滤膜可有效去除水中的悬浮物、胶体微粒、细菌和大部分病毒等，对有机物的去除率为20%-60%。

3.软化水脱盐处理

脱盐系统主要作用是降低原水中含盐量，使产水满足回用水水质要求，同时得到尽可能高的回收率，尽量减少浓盐水的产生量。本项目脱盐系统采用反渗透处理工艺，回收率75%，除盐率98%以上。

综上所述，小纪汗煤矿矿井水预处理及脱盐段采用工艺先进稳定的高密度澄清池（药剂软化）+超滤+反渗透工艺，产品水达到国家饮用水标准。（见表3）

表3 预处理脱盐进水及产水水质对比

4.反渗透浓水二次浓缩处理

本工艺段来水为前段脱盐工艺产生的浓盐水，采用膜法处理，因此需解决两个的关键问题：

（1）有机物及生物污染

从原水水质来看，有机物含量较低，但是有一定的微生物。处理过程中为了抑制菌藻滋生对系统产生影响，可投加杀菌剂等，避免细菌、微生物附着在膜的表面，严重影响膜的使用效果。

（2）高浓缩倍数下结垢性污染

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，会在膜面上结垢，回收率越高，产生结垢的风险性就越大。常见的难溶盐为CaSO4、CaCO3、CaF2和SiO2等。

5.反渗透浓水药剂软化降浊度

反渗透浓水供至高密度沉淀池，在第一个反应格先通过加药泵投加氢氧化钙及氧化镁，调节p H 在11以上，然后进入第二格，继续投加氢氧化钙溶液，降低水中总硅，然后进入第三格，通过投加碳酸钠降低水中硬度、碱度，通过投加聚合硫酸铁，形成较大絮体，出水进入高密池絮凝区，投加PAM并通过反应搅拌机混合形成大量成片絮体，进入高密池澄清分离区域，上清液进入集水槽后流入中和水池，中和水池通过投加硫酸回调pH至9左右后，自流进入变孔隙滤池去除大量SS后，出水进入浓水超滤系统，最终产水浊度小于0.2NTU、SDI小于3。

6.纳滤+碟管式反渗透（DTRO）工艺二次浓缩

纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程，纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右，能截留分子量大于100的有机物以及多价离子，允许小分子有机物和单价离子透过；可在高温、酸、碱等苛刻条件下运行，耐污染；运行压力低，膜通量高，装置运行费用低；可以和其他污水处理过程相结合以进一步降低费用和提高处理效果。在水处理中，纳滤膜主要用于含溶剂废水的处理，能有效地去除水中的色度、硬度和异味。

碟管式反渗透（DTRO）是反渗透的一种形式，是专门用来处理高浓度污水的膜组件，其核心技术是碟管式膜片膜柱。把反渗透膜片和水力导流盘叠放在一起，用中心拉杆和端板进行固定，然后置入耐压套管中，形成一个膜柱。DTRO克服了一般反渗透系统在处理渗滤液时容易堵塞的缺点，使系统更加稳定、运行费用更低。DT膜柱的使用寿命长达3年以上。碟管式反渗透技术是目前国内能保证垃圾渗滤液出水稳定、持续达到国家一级或二级排放标准的成熟技术。DTRO系统操作方式灵活，处理后的净水可确保达到标准。系统经济的净产水率为75%-80%，也可根据客户要求配备高压系统，达到90%-95%的产水率。DTRO系统可与其他工艺组合使用，作为最终排放前的处理工序，确保处理后的出水可靠达标。

综上所述，小纪汗煤矿反渗透浓水二次浓缩处理段采用高密度沉淀池（药剂软化）+变孔隙滤池+超滤+弱酸阳床离子交换+脱碳+纳滤+碟管式反渗透（DTRO）工艺。（本工艺段进、出水水质见表4）

表4 浓水二次浓缩处理进水及产水水质对比

7.高盐浓水蒸发结晶处理，实现“零排放”

为了真正实现废水“零排放”，必须对碟管式反渗透（DTRO）浓缩后的高浓盐水进行进一步蒸发结晶处理。针对浓盐水总硅较高、盐分高等因素，还需对原水进行蒸发预处理，去除一定的总硅和COD，将蒸发系统进水总硅控制在40mg/L以下，COD控制在200mg/L以下，最终确保结晶盐的色度和结晶盐的资源化率。

D T R O 浓水送至调节罐进行均质均量，然后进入混凝沉淀系统处理。混凝沉淀系统内有两个反应槽，在反应槽1 内添加一定量的氧化镁溶液，溶解镁离子至水中；在反应槽2 内添加液碱溶液控制pH 在11 左右，使原水中的碱度转化为碳酸根，并且提供氢氧根重点形成Mg(OH)2沉淀，同时与硅形成共沉，同时通过镁剂中夹带的氧化钙杂质消耗掉原水中的碱度，使最终出水碱度较低。反应槽分别进行搅拌，反应槽2做pH 监控，反应后的混合液溢流到管式微滤膜的浓缩槽内，用循环泵将浓缩槽内废水输送到管式膜进行固液分离。此外，大流量的水在废水浓缩槽和管式膜之间循环，部分膜透过液进入p H 调节槽调整p H 后进入后续系统。同时，管式膜产生的浓缩污泥送往前端膜浓缩污泥脱水系统进行综合处置。

蒸发预处理单元产水经蒸发进水原水池均质后，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降膜蒸发器进行浓缩，料液经降膜蒸发罐内浓缩至TDS约23万mg/L左右后，转料进入MVR硫酸钠结晶罐。经MVR降膜蒸发器浓缩后的料液转料至MVR硫酸钠结晶罐后进一步蒸发浓缩，在所控制的料液温度下达到硫酸钠的过饱和浓度后，大量的硫酸钠以晶体的形式结晶析出。MVR蒸发结晶系统的浆液自流进入硝浆桶内，经排料泵排至增稠器增稠，由双级推料离心机实现固液分离，分离后的结晶盐分别依次经干燥、包装，白度、纯度均达到GB/T6009-2014《工业无水硫酸钠》A类一等品标准，全部资源化利用，真正实现废水“零排放”。

（三）经济与社会效益评价

1.环境与社会效益

该项目不仅是对水资源的拓宽开发，更是极大地缓解了所属矿区缺水问题，同时成为保护生态环境、防止水污染的重要途径。一方面矿井水处理置换出了大量宝贵的地表及地下水资源，全面促进了水资源结构的优化，有利于保护地表及地下水资源，改善了陕北荒漠缺水的现实问题，年节约水资源33万m3；另一方面，减少了所属矿区内因过度开采地下水造成的地下水位下降和地面沉降等问题，同时也避免了直接排放，减少了对水源和周边环境的污染，在优化矿区水资源结构中发挥独特的作用，满足了建设资源节约型、环境友好型国家循环经济示范区的基本要求，对实现煤矿企业节能减排具有重要意义，在实现100%复用、零排放目标的基础上造福企业、造福人民，创造了更大环境与社会效益。

2.经济效益

自矿井水综合利用项目系统调试运行至今，日平均处理水量3.4万m3，日平均产水量约2.9万m3，水质达标，其中煤矿生产生活日自用水量6156m3，剩余约2.3万m3产水供给榆横电厂和榆林市水务集团，水量稳定。

小纪汗煤矿也由此被成功纳入2019年全国绿色矿山名录，荣获国家2019年度绿色矿山科学技术奖重大工程类二等奖，2020年小纪汗煤矿顺利通过国家一级安全生产标准化矿井验收。

本矿井经处理后的水复用于榆横电厂、空港新区、煤矿采空区及周边农村。作为电厂生产补水、采空区生态补水及周边农灌用水。结合当前市场，后期每吨水售价（不含税）约为4-6元，目前无水硫酸钠（不含税）售价约为51-61元/吨，两者均可产生一定的收入。本项目年运行成本为13374.57万元，销售产品可用于折减年运行费用。经计算，折减销售收入后（包括后期水费），预计年运行费为5435.57万元，折合实际单位成本约为4.11元/m3。

生态文明建设功在当代、利在千秋。作为国有企业，榆横煤电公司秉承绿色循环经济理念，牢固树立社会主义生态文明观，积极融入山川绿化、生态治理事业，始终发扬“永不服输、永不气馁、永不止步”的企业精神，为保护生态环境做出了一代人的努力，让茫茫荒漠的天更蓝、水更清、沙更绿，人民心里更温暖，让中国华电“奉献清洁能源，创造美好生活”的公司使命走进每一个人的心中。