大同是我國(guó)重要的煤炭基地，但在煤炭開采和利用過程中，對(duì)地下水資源的破壞較為嚴(yán)重，造成大多數(shù)礦區(qū)嚴(yán)重缺水。馬脊梁煤礦的礦井廢水礦化度高且鐵錳嚴(yán)重超標(biāo)，以往的簡(jiǎn)單處理工藝根本無法達(dá)到工業(yè)用水要求，更談不上滿足生活飲用水的標(biāo)準(zhǔn);另外，由于遠(yuǎn)離大同城區(qū)，取水需經(jīng)過多級(jí)泵站加壓，用水成本較高。所以，水源已經(jīng)成為制約該礦工業(yè)生產(chǎn)和居民生活水平提高的重要因素。為解決這一問題，同煤集團(tuán)決定采用BOT形式興建一座小規(guī)模水廠，并作為礦井廢水回用工程的試點(diǎn)工程。
根據(jù)該礦井廢水水質(zhì)特性，經(jīng)過考察和現(xiàn)場(chǎng)中試，決定采用預(yù)處理/雙膜法處理工藝。為了實(shí)現(xiàn)水資源的綜合利用，滿足不同用戶的用水要求，采用了分質(zhì)供水方式，一是超濾處理出水直供煤礦工業(yè)用水管網(wǎng);二是超濾出水和反滲透出水按比例勾兌達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)后送礦區(qū)生活用水管網(wǎng);三是反滲透濃鹽水送洗煤廠作補(bǔ)充水¨。
1水質(zhì)及水量
含鐵酸性礦井水是在開采高硫煤層時(shí)，煤中的硫鐵礦與空氣、水及微生物作用，發(fā)生一系列物化、生化反應(yīng)，使礦井水呈酸性，pH值一般為2～5。水中主要含有Fe2+、Fe3+、Mn2+、Ca2+、Mg2+、so42-及其他離子，其中Fe2+、Fe3+、、so42-是由FeS2氧化形成的，Ca2+、Mg2+是由其金屬硫化物或其可溶性鹽溶于酸性礦井水而形成的，因此硬度和礦化度均較高。該礦的礦井廢水平均排放量為4000m3/d，間歇排放，主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。
2工藝流程及經(jīng)濟(jì)分析
2.1預(yù)處理
原水中不僅鐵、錳含量高，而且ca¨、SO一濃度也很高，這些都是導(dǎo)致膜污染的重要因素。鐵、錳在酸性水中以離子和膠體的形態(tài)存在。當(dāng)廢水流經(jīng)膜時(shí)，鐵、錳離子和其膠體物質(zhì)被截留后附著在膜表面，堵塞膜孔，使得膜通量下降；鐵、錳離子作為催化物質(zhì)，還可使水中的氧化物質(zhì)與膜發(fā)生反應(yīng)，使膜變脆，不耐高壓，最終發(fā)生破裂。CaSO是一種難溶性物質(zhì)，當(dāng)濃縮超過其飽和極限時(shí)，會(huì)從濃水中沉淀出來，在膜面上形成結(jié)垢，降低膜通量，增加運(yùn)行壓力，而且一旦形成CaSO垢，就很難清除，對(duì)膜將是一種不可恢復(fù)性損害。利用膜設(shè)備廠家的專用軟件對(duì)處理系統(tǒng)進(jìn)行反向模擬，計(jì)算結(jié)果顯示：只有在水中TFe≤0.05mg/L、Mn≤0.05mg/L、Ca≤260mg/L及其他水質(zhì)條件不變的情況下，通過加入一定量阻垢劑才能保證反滲透系統(tǒng)的安全。所以預(yù)處理部分主要是除鐵錳、降鈣硬。
①一級(jí)預(yù)處理
原水在調(diào)節(jié)池進(jìn)行簡(jiǎn)單曝氣后進(jìn)入中和曝氣池前段。投加石灰乳將pH值調(diào)整到7.0～7.5并曝氣30rain。主要發(fā)生如下反應(yīng)：
Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4+2H2O(1)
Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3J+2H2O(2)
Ca(OH)2+FeSO4=Fe(OH)2+CaSO4(3)
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3(4)
原水經(jīng)過上述中和曝氣反應(yīng)后，自流進(jìn)入中和曝氣池的后段，投加Na：CO將pH值調(diào)整至8.0～8.5，并繼續(xù)曝氣30rain。主要發(fā)生如下反應(yīng)：
CaSO4+Na2CO=Na2SO4+CaCO3(5)
原水在中和曝氣池內(nèi)經(jīng)過加藥曝氣反應(yīng)后自流進(jìn)入反應(yīng)澄清池。通過加入助凝劑PAM，反應(yīng)產(chǎn)生的Fe(OH)和CaCO大量沉淀下來，濁度也得以降低，出水水質(zhì)變得清澈。
②二級(jí)預(yù)處理
由于原水中的錳含量較高，且錳很難被氧化，上述反應(yīng)只能部分除錳。為了保證反滲透進(jìn)水的安全，在反應(yīng)池后又加上二級(jí)處理即1#中間曝氣池/錳砂過濾器。通過一、二級(jí)預(yù)處理將出水中一些指標(biāo)嚴(yán)格控制在反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求范圍之內(nèi)。二級(jí)預(yù)處理后的水質(zhì)指標(biāo)見表2。
2.2超濾
超濾設(shè)備采用聚砜中空纖維膜，進(jìn)行錯(cuò)流式過濾，系統(tǒng)回收率≥90％。本系統(tǒng)確保出水SDI≤1，由此可提高反滲透系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量，減少系統(tǒng)清洗頻率，使得反滲透膜使用壽命大大延長(zhǎng)。
2.3反滲透
反滲透設(shè)備采用美國(guó)DOW公司的BW30—400卷式膜組件，采用一級(jí)兩段過濾方式，系統(tǒng)的回收率為75％，設(shè)計(jì)產(chǎn)水量為115m/h，產(chǎn)水水質(zhì)見表3。
由于反滲透產(chǎn)水中的礦物質(zhì)含量較低，長(zhǎng)期飲用不利于人體健康，需要進(jìn)行礦化處理。故反滲透的產(chǎn)水要與超濾裝置后約10Ill/h的未脫鹽水混合，再由清水泵送入礦區(qū)生活用水管網(wǎng)內(nèi)，供礦區(qū)居民和辦公區(qū)生活使用。濃鹽水和過濾器反洗水則進(jìn)入濃水池，再泵人洗煤廠作為洗煤系統(tǒng)的補(bǔ)充水，水量約為40m/h。
2.5工程運(yùn)行情況
該工程自2007年11月完工投產(chǎn)以來，處理水量為4000m/d。預(yù)處理部分有效降低了原水中鐵、錳和鈣離子的濃度，滿足了反滲透對(duì)進(jìn)水水質(zhì)的要求。反滲透除鹽后水質(zhì)指標(biāo)遠(yuǎn)超過國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)，按照一定比例勾兌達(dá)到各種用水要求后分別送入管網(wǎng)。預(yù)處理/雙膜法工藝處理礦井廢水運(yùn)行穩(wěn)定，而且維修量少，藥耗低。具體參見http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
2.6經(jīng)濟(jì)分析
該工程實(shí)際產(chǎn)水量為3000m/d，基本解決了礦區(qū)居民飲水問題。該水廠處理成本為3.99元/m，其中電費(fèi)為0.76m、藥劑費(fèi)為2.50m、人工費(fèi)為0.17Yr_/m、管理費(fèi)為0.56m；而此前礦區(qū)居民飲用水主要靠大同市區(qū)自來水公司供給，中途需經(jīng)過多級(jí)泵站提升，礦區(qū)的用水成本已經(jīng)超過7~t_/m，所以對(duì)礦井廢水進(jìn)行處理回用在經(jīng)濟(jì)上是可行的。
3結(jié)語
西北礦區(qū)水資源匱乏，已經(jīng)嚴(yán)重影響了礦區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和職工生活，所以在缺少其他可用水源的情況下，對(duì)礦井廢水進(jìn)行處理回用勢(shì)在必行。通過工程實(shí)例證明，對(duì)礦井廢水進(jìn)行回收再利用，不但在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上是可行的，而且環(huán)境效益和社會(huì)效益都非常顯著，值得推廣。
