陶瓷膜工艺在矿井水处理中的应用

王亚平 张永杰 李 棒 殷世强 顾效纲

（1.河南平煤神马环保节能有限公司，河南 平顶山，467000；2.河南城建学院 市政与环境工程学院，河南 平顶山，467036）

我国地大物博，江河湖泊众多，但依然存在着水资源地区分布不均衡的问题，人均水资源也处于世界较低水平。另外，我国作为煤炭开采大国，在煤炭开采过程中会产生大量回收难度大、利用效率低的矿井水，尤其在水资源相对匮乏的西北地区，矿井水的高效回收利用迫在眉睫。矿井水成分复杂，主要包括夹杂着煤泥和岩土颗粒的矿井涌水以及在煤炭开采过程中的降尘、消防用水以及机械设备产生的含有烟尘的废水。我国2020年大约产生矿井水33.47亿m3，直接排放造成大量水资源浪费的同时，将对周边生态环境造成污染，严重危害人体健康[1-3]。

由于矿区开采环境的差异，不同地区的矿井水水质呈现出不同的理化性质。根据矿井水中污染物的含量占比，将矿井水分为五种类型：高矿化度矿井水、酸性矿井水、高悬浮物矿井水、含特殊污染物矿井水以及洁净矿井水。不同地区矿井水水质特征存在差异，其主要特征包含有大量的悬浮污染物和有机污染物（废机油、乳化液等）。西北地区的矿井水中50%为高矿化度矿井水，其高效回收利用难度极大[4-5]。

近年来，我国逐步加强对矿井水的资源化利用，水质较好的矿井水通过絮凝、沉淀、过滤技术去除水中的污染物后作为矿区的生活用水。而高矿化度矿井水水质复杂，在预处理之后仍需要通过一些深度脱盐技术（离子交换法、电渗析和反渗透法）才能达到水质回用的要求[6-8]。陶瓷膜由于其优于传统聚合物膜的优点而受到越来越多的关注，如更强的机械、热和化学稳定性，更高的耐污染性和更长的膜寿命。此外，与聚合物膜相比，陶瓷膜系统中水的浪费或再处理性较低，这是因为反冲洗的频率较低。在传统技术的基础上，陶瓷膜系统更高的分离精度和分离效率显著提高矿井水深度处理效果，对水中悬浮物、有机污染物和盐类均有超高的截留效率，从而实现矿井水的深度净化。

1 陶瓷膜技术

陶瓷膜又叫CT膜，是一种典型的固态膜，最早由日本的大日本印刷株式会社和东洋油墨制造株式会社在1996年开发并引入市场。

1.1 陶瓷膜结构

对于水和废水处理中的陶瓷膜，有两种基本配置，即平板陶瓷膜和管状多孔陶瓷膜。与平板陶瓷膜相比，管状陶瓷膜因其较高的比表面积而得到更加广泛的应用。（1）从微观结构来看，陶瓷膜可分为对称膜和非对称膜，通常情况下，用于水和废水处理的陶瓷膜属于非对称膜。相比于对称膜，非对称膜具有更多的优势。（2）从膜的断面来看，可将膜分为支撑层、中间层和分离层。非对称膜的底部为支撑层，其具有较大的孔径和孔隙率，作为整个膜的支柱，提供较高的机械强度。中间层处于顶部致密分离层和底部支撑层之间，起到一个衔接两者的作用，并防止分离层的污染物渗透至支撑层。在某些情况下，中间层的作用也包括调整整体孔径、孔隙率水平和机械强度。分离层拥有更致密的活性层，在污染物的分离中起着主导作用。（3）根据陶瓷膜分离层的分离效果可将其分为微滤（孔径大于50nm）、超滤（孔径2-50nm）和纳滤（孔径小于2nm）等种类。

1.2 陶瓷膜特性

相对于传统聚合物膜分离材料，陶瓷膜主要由Al2O3、ZrO2、TiO2和SiO2等无机材料制备而来，具有分离效率高、效果稳定、化学稳定性高、耐酸碱、耐有机溶剂、机械强度高、使用寿命长、操作维护简单、可反向冲洗等众多优势。但是陶瓷膜也存在造价较高、材料脆性大、弹性小等不足。

1.3 陶瓷膜分离原理

陶瓷膜分离技术采用“错流过滤”的液体分离方式，进料液在膜表面快速流动，在压力的驱动下，水分子沿着与之垂直方向向外分别通过分离层，中间层和支撑层最终到达渗透侧，而在这过程中污染物被截留下来，从而实现液体高效分离纯化的目的。

1.4 陶瓷膜制备方法

陶瓷膜的制备主要包括支撑体的成型和膜层的成型，根据不同的膜结构，其制备方法存在差异。支撑体的成型方法主要包括：注浆成型、流延成型、挤出成型、横压成型、相转化技术；膜层的成型方法主要包括：浸渍提拉法、喷涂法、转移法[9]。

2 陶瓷膜技术在矿井水中的应用

与传统技术相比，陶瓷膜通量高、出水水质好、抗污染、耐酸碱、寿命长的特点使其在各种复杂工业废水的深度处理中占据一席之地。近年来，随着陶瓷膜技术的发展应用，其在矿井水深度处理中也取得了一定的成果。

孙传文[10]等研究了平板陶瓷膜处理矿井水过程中的通量性能变化，研究表明陶瓷膜对浊度和色度的去除效果较好；增加曝气有益于减缓陶瓷膜的污染。王庆耀[11]等提出一种超高效螺旋进水无机陶瓷膜水处理净化系统，并在现场建立了中试设备，研究表明在前12天，出水效率稳定在80%左右，随后出水效率逐渐降低。经过净化后的水质达到井下消防洒水水质和采煤废水污染物排放水质标准要求，对总悬浮物和COD的去除效率分别达到95.08%和94.33%，并在现场建立了应用装置，具有可观的经济效益。

为有效降低膜分离过程中的膜污染，通常需要一定的预处理。高志超等通过粗滤网、预沉调节池、前置层滤网等措施，有效降低矿井水中的悬浮污染物，降低了陶瓷膜工艺的负担。经过陶瓷膜处理后，净化的矿井水能够满足《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的指标要求，保障了矿山的正常生产，彰显出可观的收益。杨溢[12]等采用调节池、陶瓷膜设备，碳基磷灰石以及活性炭过滤器等工艺对矿井水进行深度处理，其对陶瓷膜系统的实际运行情况进行了分析，提出改进措施提高陶瓷膜工艺实际处理过程中的稳定性：采用多套陶瓷膜系统并联运行；对出水要求较高的水厂，建议增加配套处理系统，提高出水水质；不建议投加PAM，其易造成膜孔堵塞。廖求文等以矿井水为研究对象，进行了陶瓷膜去除矿井水悬浮物的研究。研究表明，陶瓷膜工艺适合煤矿矿井水的处理，陶瓷膜运行错流流速是影响运行能耗的决定因素；循环泵变频控制调节能够达到减缓膜污染和降低能耗的效果，陶瓷膜工艺在矿井水处理中具有显著的优势。

3 展望

矿井水作为煤矿开采过程中产生的典型废水，为保障矿区水资源的综合回收利用，其深度处理回收是缓解矿区水资源紧张的重要措施。

陶瓷膜技术作为近年来快速发展的膜分离技术，其杰出的分离效果，便捷的运行方式使其成为目前工业废水深度处理中的热点。目前陶瓷膜较高的制备成本和容易发生膜污染的问题在一定程度上制约了其大规模工业化应用。首先，针对陶瓷膜制备过程中成本控制是其推广应用的重中之重，要实现陶瓷膜的低成本化生产，结合实际工程应用实现膜材料的设计与制备；其次，要进一步提高陶瓷膜的分离精度和分离稳定性，使其在长期处理过程中能保持性能稳定。研制出更加耐酸耐碱的稳定性膜材料，针对污染物的特征，通过陶瓷膜的表面改性来提高其抗污染的能力，有利于强化陶瓷膜在矿井水深度处理中的应用。