煤礦井下水處理反滲透膜運行失效分析

煤礦井下水處理反滲透膜運行失效分析

0礦井水處理的工藝技術優(yōu)化煤炭開采水處理技術相對復雜，處理成本高，是目前開采井水處理的難點和熱點。近年來，為響應環(huán)保要求的“零排放”標準，針對煤礦井下水處理的工藝技術提升勢在必行。我國礦井水的主要污染物包括懸浮物顆粒(以煤粉和巖粉為主)、可溶性無機鹽及有機物水處理領域的脫鹽濃縮工藝目的是降低廢水中超標的溶解性固體總量(TotalDissolvedSolids)，從而達到回收再利用要求。針對礦井水回收處理主要有膜法和熱法2大技術。其中，膜法水處理由于設備簡單、操作方便、適用范圍廣、產(chǎn)水質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)勢，被廣泛應用于脫鹽凈水領域1樣本和方法1.1過濾脫鹽處理山東省新巨龍煤礦井下水處理裝置采用砂過濾器+炭過濾器+一級反滲透(RO)方式，對井下工作面供給原水進行過濾脫鹽處理，從而滿足乳化液配比用水的要求。該套工藝產(chǎn)水量為10m在實際運行過程中，反滲透膜壓降升高較快，膜污染較為嚴重，為滿足乳化液用水需求，需要頻繁地更換膜組件，嚴重影響井下水處理系統(tǒng)的運行成本和凈水效率1.2礦井水處理系統(tǒng)原水水質(zhì)為分析膜污染情況及機理，在現(xiàn)場共采集4L井下礦井水原水和3支RO膜元件，其中2支取自并聯(lián)的2支第1段膜殼內(nèi)的第1支膜元件，1支取自第2段膜殼內(nèi)的最后1支膜元件，見表1。新巨龍煤礦井下水處理裝置的原水主要為礦井水處理廠處理后的產(chǎn)水。礦井水處理主要采用絮凝沉淀將膠體污染物去除，然后通入澄清池和后續(xù)的砂濾或超濾(UF)進行固液分離去除固態(tài)懸浮物，部分水廠采用RO工藝對砂濾或UF出水進行進一步凈化脫鹽如圖2所示1.3濾紙的過濾效果在水樣檢測前，需對其進行預處理，將水樣經(jīng)過0.45μm濾紙進行過濾后方可對其進行后續(xù)檢測。本次檢測對可能造成膜污染的主要陰陽離子、膠體及有機物都做了分析，檢測方法見表2。1.4膜污染檢測方法1.4.1ro膜元件的外部結(jié)構(gòu)檢查首先對膜外部進行檢查，主要通過目測檢查RO膜元件的玻璃鋼外殼、卷軸端部、防伸縮裝置和產(chǎn)水通道等外部結(jié)構(gòu)，確定是否有明顯的外部缺陷和損壞1.4.2有機化合物的分離純化將在2個膜元件濃水側(cè)的污染物分別收集起來，進行燒失量測量試驗。將樣品放在110℃的干燥箱中4h，以除去水分和揮發(fā)性有機化合物。將其冷卻并稱重后，置于550℃的馬弗爐中30min以除去可燃有機物。該技術用于定量分析揮發(fā)性有機物、可燃有機物以及無機物的比率以及單位膜面積上的膜污染物重量。1.4.3掃描電子顯微鏡sem與污染物組成分析掃描電子顯微鏡(SEM)是能夠在膜表面產(chǎn)生高放大倍率圖像的顯微可視化方法，有助于更好地了解膜片表面上污染物/結(jié)垢類型1.4.4ro系統(tǒng)中聚酰胺薄膜的氧化采用藤原測試來檢測RO膜濃水測活性層的聚酰胺薄膜是否被氧化，確定是否有氧化性污染物(如氯、溴或碘等氧化鹵素)進入RO系統(tǒng)中。該測試為定性分析。1.5環(huán)境水平衡溶液模擬環(huán)境水化學十分復雜，溶解在水中形成的各離子相互作用，出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象從而形成固相，所有這些反應都將影響pH、離子強度等水質(zhì)參數(shù)?；瘜W平衡模型提供了直接的熱力學統(tǒng)一標準，基于此，VisualMINTEQ得以發(fā)展并在模擬環(huán)境水平衡溶液中或水體中的離子和礦物平衡情況領域得到廣范應用該模型擁有強大的熱力學數(shù)據(jù)庫，涉及液相絡合、溶解/沉淀、氧化/還原、氣-液相平衡、吸附等多種平衡反應。通過平衡常數(shù)、吉布斯自由能等熱力學數(shù)據(jù)計算物質(zhì)的相互作用，以及通過質(zhì)量作用表達式來判斷化學物質(zhì)的形態(tài)分布等。模型中使用預定義的基本組分(Ca式中:SI為結(jié)垢因子;c(Ca若SI小于1，則不會發(fā)生結(jié)垢;若SI大于1，溶液過飽和，則結(jié)垢有可能發(fā)生。2結(jié)果與討論2.1礦井水污染物濃度水樣各項檢測指標的數(shù)據(jù)見表3。從水質(zhì)分析結(jié)果可以看出，12月取樣的山東新巨龍礦井下礦井水主要為中性水。顆粒污染物濃度較低，TSS測量結(jié)果為2.5mg/L，濁度為0.4。膠體污染物含量較低，其中膠體SiO2.2兩水進水水質(zhì)對比經(jīng)分析計算原水中硫酸鈣的結(jié)垢因子SI為4.4。計算表明實際操作中會發(fā)生嚴重的硫酸鈣沉淀現(xiàn)象，造成膜污染。將新巨龍煤礦井下水進水水質(zhì)與RO進水水質(zhì)要求進行對比，結(jié)果見表4。由表4可知，新巨龍煤礦井下礦井水濁度高于0.1NTU，需要在RO預處理中考慮顆粒污染物的去除。膠體污染物中Mn含量較高，需要在預處理中加入除Mn裝置。有機物污染物TOC高于建議范圍，在預處理中需要設計降TOC裝置。無機微溶鹽會造成結(jié)垢隱患。2.3主要污染物組成由于膜樣完全呈干燥狀態(tài)，污染物在濃水通道內(nèi)松散分布，取樣時大量污染物脫落，難以準確得到單位面積上的膜污染物質(zhì)量，文中重點分析了所收集的污染物內(nèi)揮發(fā)性有機物、可燃有機物以及無機物的比例，見表5。LOI結(jié)果表明，2個膜元件內(nèi)部的污染物樣品中主要成分為無機物，占98%以上。其中水分和揮發(fā)性化合物的含量均小于0.5%，可燃有機材料含量為1%～1.5%。說明2個膜元件中均有少量有機污染。2.4眼皮炎2.4.1污染物分布規(guī)律將TM＿1.1膜片展開，發(fā)現(xiàn)濃水測聚集大量顆粒，在膜片上形成黑色污染物聚集帶。同時膜片外表面也有嚴重染色現(xiàn)象，呈褐色，如圖3a所示。從展開的膜片上可以看到，污染物在整片膜片對應的濃水通道中分布有一定規(guī)律，且多個膜片規(guī)律類似，在靠近一側(cè)端口位置聚集明顯，對應濃度較高，沿軸向方向遞減，如圖3a中箭頭所示，由此可以判斷進水水流方向，即由左側(cè)為進水口流向右側(cè)濃水口。在該膜元件中的局部區(qū)域上發(fā)現(xiàn)了膜片破損分層現(xiàn)象，該破損部位靠近進水端，如圖3b所示。2.4.2排放污染物的污染成因TM＿1.1膜元件內(nèi)部在濃水通道和膜表面發(fā)現(xiàn)大量固體顆粒如圖4所示。這些固體顆粒主要為黑色，推測為煤渣或活性炭。固體顆粒中混合有不少有色碎片，從外觀判斷為塑料碎片。表明該段膜元件的顆粒污染較嚴重，推測有以下4種污染成因。1)RO預處理保安過濾單元的濾芯失效，進水TSS進入膜元件。但進水中TSS較低，也未檢測到與濃水測污染物相近的黑色顆粒以及塑料碎片。2)從主要顆粒污染物顏色推斷顆粒為煤渣或活性炭，進水可能在井下受到二次污染混入煤渣，進入RO系統(tǒng)中。3)活性炭保安過濾器破損，泄露出部分活性炭濾料進入反滲透系統(tǒng)。4)由于在進水水樣中不存在塑料碎片，較大可能是活性炭保安過濾器部分破損內(nèi)部器件破碎之后形成的，后期進入了RO膜中。從TM＿1.2膜片之間收集的固體顆?；旌衔镏饕獮榘咨?灰色，混有少量黑色斑點，如圖5所示，混合物在濃水通道中凝結(jié)成大塊松散聚集，推測主要為無機鹽結(jié)垢污染物。2.5表面污染物檢測掃描電子顯微鏡(SEM)能夠在膜表面產(chǎn)生高放大倍率圖像，有助于更好地了解膜片表面上污染物/結(jié)垢類型。TM＿1.1的SEM圖像中可以明顯看出該膜片表面有大量污染物，見表6，干燥后膜表面上出現(xiàn)明顯的裂縫。TM＿1.1膜片表面污染物多呈現(xiàn)不規(guī)則膠狀形態(tài)，通常為膠體或有機物污染物。局部上可以看到較規(guī)則的結(jié)晶狀污染物，多為無機鹽污染物或者無機顆粒污染物。這些污染物在采樣膜片上分布相對均勻。以40Hz的頻率對膜樣品進行超聲清洗60min，超聲處理后的樣品表面污染物明顯減少。但仍有部分污染物殘留，表觀呈現(xiàn)黃褐色，可能需要采用化學清洗來去除。通過對膜片污染物的陽離子濃度定量分析，并和新巨龍礦的進水水樣進行比較，如圖6所示?？梢钥闯鲈徒Y(jié)垢樣品中Ca通過對膜結(jié)垢樣品進行酸解，得到結(jié)垢物的各離子組成成分如下:分析結(jié)果顯示鈣離子和SO2.6氧化劑的使用藤原測試結(jié)果如圖7所示，2個膜元件在藤原測試中均沒有明顯顏色變化，因此，可以推斷基本沒有氧化劑進入RO體系。這與操作過程中并沒有使用過氧化劑的信息相符。另外，根據(jù)表3中給出的水樣分析結(jié)果，新巨龍煤礦水中的氯濃度在正常范圍內(nèi)，導致RO膜的活性聚酰胺層化學降解的可能性極低。4結(jié)垢物模型分析1)基于SEM的分析及超聲清洗后的結(jié)果可知，膜表面污染物組成多為結(jié)晶狀態(tài)下的無機鹽及顆粒等成分。2)由于進水硬度較高，易在膜表面發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象，基于VisualMINTEQ的化學平衡模型對結(jié)垢物組成進行預測，通過對結(jié)垢物的定量分析及定性分析，得到