煤矿矿井水深度处理与复用的应用研究

张洪亮

（宁夏煤矿设计研究院有限责任公司，宁夏 银川 750000）

引言

我国淡水资源贫乏，空间分布上也极不平衡、存在较大的差异，这点在煤炭工业中显得尤为突出，有煤炭的地域缺水，而有水的地方缺煤。宁夏宁东煤炭地基地处西北腹地，坐落在宁夏回族自治区中东部，这里是典型的资源型缺水与工程型缺水并存的干旱地区，煤炭储量丰富，但水资源匮乏，形成了“煤多水少”的局面。该区域年平均降水量在300 mm 以下，而蒸发系数较高，供水量与蓄水量矛盾逐年加剧。煤矿开采过程中产生设备冷却水、降尘水、防灭火水和采空区涌水混合在一起形成矿井水，若矿井水未经处理排放，对地下水和地表水环境都会产生污染。本工程设计采用超滤膜和反渗透膜处理技术对矿井水进行深度处理，为煤矿企业提供了一种经济合理、技术可靠的矿井水处理工艺方案。

1 矿井水处理工程现状

1.1 现状简介

该煤矿位于宁夏回族自治区宁东煤田灵武矿区，矿井建设规模为18 Mt/a。近三年矿井水平均日涌水量为19 000 m3/d，生产生活平均日用水量11 000 m3/d，其中生活用水量2 000 m3/d，生产用水量9 000 m3/d。井下矿井水经中央水泵房提升至地面，地面矿井水处理站采用预沉+加砂速沉净化+过滤工艺对矿井水进行预处理，去除水中悬浮物和浊度。因水的盐分较高，达到8 000 mg/L，对设备和构筑物均有较强的腐蚀性，不能直接复用，澄清后矿井水仅少部分回用煤场降尘、道路洒水，大部分矿井水排至南湖临时存蓄。矿井生活生产用水取自黄河水，由于近些年黄河流域生态环保政策调整，黄河用水指标逐年降低，已经影响到煤矿企业的正常生产，矿井供、用水矛盾加剧，生产用水不足的问题亟待解决[1]。

1.2 存在问题

根据该煤矿开采生产规划和用水情况，并采取了节水措施降低生产用水量，预计2030 年前计划生产用水量为8 000 m3/d，现有矿井水处理设施和处理工艺不满足生产用水水质标准要求。

矿井水水源中溶解性总固体、总硬度、硫酸盐、氯化物指标较高，无法直接复用，需要进一步深度处理。矿井水预处理后水质，如表1 所示。

表1 矿井水预处理后水质

2 深度处理技术方案

通过对矿井水水质、现有处理工艺和存在问题分析，首先明确生产用水水质要求，提出合理的工艺路线，并确定建设规模。建设规模：处理水量14 000 m3/d，设计回收率60%，产水量8 400 m3/d。主要建设内容：新建矿井水深度处理水厂，采用超滤+反渗透处理工艺，将预处理后矿井水进行深度处理回用。厂区总用地面积9 861 m2，总建筑面积2 967 m2。本次工程设计包括两部分，分别为矿井水深度处理厂和复用水管网建设。深度水处理出水水质，如表2 所示。

表2 深度处理出水水质

3 深度处理工艺流程（见图1）

图1 矿井水深度处理工艺流程

4 工程设计

4.1 超滤系统

超滤膜可以截留溶解的大分子物质，主要是蛋白质、乳胶、细菌、微粒子等。超滤的操作压力小，透水量大，运行费用低。超滤膜前设置自清洗过滤器，截留过滤精度100 μm 的颗粒物，再送入超滤系统，超滤配备反冲洗泵和相关化学清洗酸、碱及次氯酸钠药剂箱和计量泵。本设计选用外压式立式超滤膜[2]。

在反渗透系统前增加超滤系统进行膜前预处理，预处理后水中剩余悬浮物被全部除去，超滤按照最大处理水量18 000 m3/d 设计，每套超设备的处理水量为q=210 m3/h，总处理量Q=1 050 m3/h，所需5 套，考虑1 套备用，共6 套，设计回收率＞90%。

装置组成：超滤给水泵，Q=210 m3/h，H=30 m，N=37 kW，材质不锈钢316 L，设6 台，5 用1 备。膜组件，单支超滤膜面积75 m2，膜通量45 L/m2·h，选用中空纤维PVDF 膜，膜孔径0.03 um，产水浊度＜0.2 NTU，膜高度2.5 m。超滤膜滑架每套安装60 支外压式膜组件，立式安装，尺寸为6.5 m×3.0 m×3.5 m，材料采用碳钢防腐。

超滤膜清洗系统：超滤系统运行中，随着运行时间的增长，超滤膜孔会被水中的污染物所堵塞，从而导致膜通量降低。需要定期对超滤膜进行清洗，本设计采用气水反冲洗与化学药剂清洗的方法对超滤膜进行清洗。1）气水反冲洗：常规反洗周期取30 min，气擦洗时间20 s，气水反洗30 s，排放时间40 s。超滤反洗泵，Q=400 m3/h，H=30 m，N=75 kW，材质不锈钢316 L，设2 台，1 用1 备。气冲选用微油螺杆式空压机，用于反冲气源和气动阀门控制，设2 台，1 用1 备。2）化学清洗：当气、水冲洗效果不理想时，则需要对超滤膜进行化学药剂清洗。化学清洗药剂采用次氯酸钠、盐酸和液碱。溶药和加药设备选用成套设备，包含溶药箱、计量加药泵等，采用变频控制。

附属构筑物：1）缓冲水池：用于调节预处理来水和超滤系统处理水量的差值，形式为钢筋混凝土水池一座，有效容积1 400 m3。2）反冲排水池：用于暂存超滤系统的反洗水和错流排水。根据水量平衡，错流排水按照5%设计，为900 m3/d，反洗排水为1 795 m3/d，设钢筋混凝土水池一座，有效容积1 200 m3。3）超滤产水池：用于存放超滤产品水。设钢筋混凝土水池一座，有效容积1 400 m3。

监测仪表：为监测水质指标，设PH、ORP 分析仪、高量程和低量程浊度仪、SDI 监测仪。

4.2 反渗透系统

近年来，利用反渗透膜进行工业污废水脱盐处理已成为应用最成功、发展最快、普及最广的膜浓缩分离技术。反渗透膜是采用特殊材料（如芳香聚酰胺等）和加工方法制成，具有半透性能的薄膜。反渗透脱盐工艺就是利用反渗透膜和外加压力（增压泵）的作用，实现含盐水浓缩分离的技术[3]。

考虑满足煤矿生产用水量、水厂自用水量及水量波动的影响，本设计采用一级二段排列方式，设计回收率60%，通过水泵变频调速，可灵活适应来水水量，保证供用水量平衡。本设计共设6 套反渗透装置，5用1 备（低水量可采用4 用2 备方式或变频调速方式适应），按工作时间20 h 考虑，每套反渗透装置最大进水量为185 m3/h。

反渗透膜选型：设计选用陶氏公司膜计算软件，淡水侧选用BW 系列苦咸水膜，浓水侧选用SW 系列海水膜。根据计算，单套一段选用BW30-400 膜组件24 组，每组6 支膜元件，二段选用SW30-400 膜组件12 组，每组6 支膜元件，单只膜元件膜面积均为400ft2，2：1 排列，1 级平均通量13.83 lmh。

装置组成：

1）反渗透提升泵，Q=185 m3/h，H=35 m，N=30 kW，材质不锈钢316 L，设6 台，5 用1 备。

2）保安过滤器，处理能力Q=200 m3/h，过滤精度：5 μm，选用折叠式滤芯，设6 台，5 用1 备。

3）高压泵，选用进口水泵，卧式多级离心泵，Q=185 m3/h，H=150 m，P=132 kW，材质不锈钢316 L，设6 台，5 用1 备。

4）段间增压泵，为保证浓水侧反渗透膜的通量，每套设段间增压泵1 台，选用进口水泵，Q=110 m3/h，H=120 m，P=55 kW，材质双相钢2205，设6 台，5 用1 备。

5）加药系统，视进水水质情况，反渗透正常运行时需添加一定量的阻垢剂、还原剂、及非氧化性杀菌剂。加药设备为撬装式组合单元，将药剂定量加入配置所需浓度的溶液，通过变频控制的计量泵控制投药量。

反渗透化学清洗系统：在广泛应用中，膜污染仍是主要障碍。膜通量下降主因是运行中，反渗透膜表面会由于原水中颗粒、胶状物、有机物等污染物质以及膜表面难溶盐的浓缩而产生沉积、屏障，产水量下降、水质变差。根据产水水质情况，对膜进行化学药剂清洗，可基本恢复膜的功能。化学清洗系统包括清洗过滤器、清洗泵、清洗液箱以及配套的阀门、仪表。酸、碱加药系统与超滤系统共用。

附属构筑物：反渗透产品水池，用于接纳反渗透后的产水，利用水泵将深度处理后的产品水通过复用水管网输送至各生产用水点。设钢筋混凝土水池1座，分2 格，总有效容积2 100 m3。产品水供水泵，Q=240 m3/h，H=150 m，P=160 kW，材质碳钢，设3 台，2用1 备。

5 工程投资及经济效益分析

该煤矿矿井水深度处理与复用工程的投资概算总额为8 793.05 万元，在达到设计产能条件下，综合药剂费、动力费、职工薪酬、修理、折旧及摊销等费用，测算本项目矿井水深度处理吨水成本为4.5 元/t。通过有无项目经济成本分析，若不建设本项目，黄河水使用费用、矿井水预处理费、外排水输送费、水资源税及环保税，全年总费用为4 410.83 万元。若建设本项目，利用矿井水资源替换黄河水资源，全年总费用为3 103.65 万元。也就是说，项目实施该煤矿每年生产用水费用将减少1 307.18 万元。

6 结语

西北地区水资源匮乏，水资源不足已成为制约经济社会发展的重要因素，煤矿矿井水水源的循环利用是黄河水资源不足的有效替代和补充，也是缓解矿区缺水问题的最佳途径。充分利用好矿井水资源，不仅保护了区域水环境、节约水资源，也是对黄河流域生态环境治理与保护工作的促进和可靠支撑。本项目实施对煤矿企业节能减排具有重要意义，同时也为同类型企业提供了重要的参考与指导。