高礦化度礦井水處理工程實(shí)踐與展望

高礦化度礦井水處理工程實(shí)踐與展望

中國(guó)的教育資源和水資源呈顯著的逆向分布。西部地區(qū)水資源特別不足，嚴(yán)重制約了該地區(qū)煤炭和下游產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。煤炭開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的礦井水，可作為主要的非常規(guī)水資源，為煤炭的清潔高效利用乃至地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供一定的保障。寧東能源化工基地（以下簡(jiǎn)稱寧東基地）屬于典型的水資源總量短缺，但礦井水資源較豐富，同時(shí)煤基產(chǎn)業(yè)用水需求大的地區(qū)。本文對(duì)寧東基地高礦化度礦井水處理工程實(shí)踐進(jìn)行分析，并結(jié)合寧東地區(qū)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)對(duì)大規(guī)模低成本處理發(fā)展方向進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以期為解決寧東基地水資源短缺問(wèn)題提供技術(shù)路徑，為西部煤基產(chǎn)業(yè)與水資源的協(xié)調(diào)開(kāi)發(fā)提供借鑒。1煤炭基地的發(fā)展現(xiàn)狀寧東基地是我國(guó)重要的能源基地，是國(guó)家14個(gè)億噸級(jí)大型煤炭基地之一，國(guó)家千萬(wàn)千瓦級(jí)大型煤電基地和現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，對(duì)寧夏經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有舉足輕重的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，寧東基地2018年煤炭產(chǎn)量為7.091×102礦井水處理現(xiàn)狀寧東基地高礦化度礦井水的處理主要包含三種技術(shù)路線，一是僅做常規(guī)處理（混凝、沉淀、過(guò)濾）；二是脫鹽處理（預(yù)處理+反滲透深度處理）；三是零排放處理（預(yù)處理+深度處理+結(jié)晶固化）。目前大部分高礦化度礦井水僅做常規(guī)處理后直接排放；部分煤礦采用預(yù)處理+反滲透深度處理后用于礦井自身回用、供給周邊電廠及生態(tài)補(bǔ)水；近期，國(guó)家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)建成了1500m2.1混絮凝劑混懸液以混凝、沉淀為主線的常規(guī)處理主要去除高礦化度礦井水中的懸浮物，礦井水中加入混（絮）凝劑后，經(jīng)過(guò)混合作用，水中膠體雜質(zhì)凝聚成較大的礬花顆粒，在沉淀池中去除。由于礦井水中懸浮物與混凝劑親和能力弱，形成的礬花較松散，沉淀性能差，沉降速度較慢，需要足夠的占地面積才能滿足出水要求2.2反滲透深度礦井水處理為解決煤礦自身和周邊生態(tài)用水需求，棗泉、任家莊等煤礦通過(guò)預(yù)處理+反滲透深度處理利用了一部分高礦化度礦井水。以處理規(guī)模較大的寧夏煤業(yè)棗泉煤礦為例，采用預(yù)調(diào)節(jié)池+高密度沉淀+V型濾池+超濾+反滲透工藝處理高礦化度礦井水。礦井水超濾+反滲透深度處理規(guī)模為8100m2.3寧東基地高礦化度礦井水處理工程實(shí)踐近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)要求的不斷提高，國(guó)家能源集團(tuán)寧煤礦井水零排放項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、工藝路線最完善、鹽品質(zhì)量最高、雜鹽率最低的礦井水零排放項(xiàng)目一階段主要通過(guò)預(yù)處理及膜脫鹽工序優(yōu)先實(shí)施減量化，首先采用雙堿法+專有藥劑的方式在微渦流軟化沉淀池內(nèi)進(jìn)行絮凝、沉淀去除大部分硬度和硅；接著利用纖維濾池去除礦井水中的大部分懸浮物；然后通過(guò)超濾進(jìn)一步去除懸浮物及膠體、細(xì)菌等；最后利用反滲透法去除礦井水中大部分鹽，一階段產(chǎn)品水回收率為75%。二階段是對(duì)一階段反滲透濃水的進(jìn)一步分鹽、濃縮及結(jié)晶處置，濃水TDS約為22000mg/L，處理規(guī)模約為375m綜上所述，寧東基地高礦化度礦井水處理所用單元技術(shù)較為成熟。但由于礦井水礦化度高、硬度高，處理裝置工藝復(fù)雜、投資高、處理成本高等問(wèn)題不容忽視，如何降低高礦化度礦井水處理的成本是實(shí)現(xiàn)寧東地區(qū)礦井水大規(guī)模利用的重要前提和研發(fā)方向。3寧東基地高礦化度礦井水大規(guī)模低成本處理發(fā)展方向結(jié)合寧東地區(qū)產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)和能源稟賦條件，重點(diǎn)圍繞低成本熱源利用、縮短工藝流程、提高產(chǎn)品水質(zhì)、井下就地處理和封存等方面，對(duì)寧東基地高礦化度礦井水大規(guī)模低成本處理發(fā)展方向進(jìn)行研究。3.1低溫多效蒸發(fā)處理技術(shù)低溫多效蒸發(fā)是目前海水淡化領(lǐng)域使用較為廣泛的一種熱法脫鹽技術(shù)以寧東地區(qū)某煤礦礦井水地面濃縮為例，原水礦化度約為6000mg/L，處理規(guī)模為500m總體來(lái)看，由于可以利用廉價(jià)的余熱，在寧東基地利用低溫多效蒸發(fā)技術(shù)具有成本和產(chǎn)水水質(zhì)兩方面的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)進(jìn)一步優(yōu)化低溫多效蒸發(fā)的設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)，降低設(shè)備投資成本，有利于進(jìn)一步拓展該技術(shù)在高礦化度礦井水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。3.2膜蒸發(fā)處理膜蒸餾在高鹽廢水處理領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，寧東地區(qū)應(yīng)用膜蒸餾處理高礦化度礦井水的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在筆者前期研究表明3.3礦井設(shè)計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀高礦化度礦井水在經(jīng)過(guò)懸浮物去除和脫鹽濃縮后，都會(huì)產(chǎn)生一部分高含鹽量的濃水。隨著環(huán)保要求的日益增加，寧東地區(qū)已要求礦井水實(shí)現(xiàn)零排放，成本很高。為實(shí)現(xiàn)脫鹽濃水的低成本處置，可借鑒煤礦地下水庫(kù)井下儲(chǔ)水的技術(shù)思路，首先在井下進(jìn)行礦井水預(yù)處理和脫鹽處理，再采用井下采空區(qū)作為濃鹽水儲(chǔ)庫(kù)，將產(chǎn)生的濃鹽水在儲(chǔ)庫(kù)中安全封存高礦化度礦井水井下處理的關(guān)鍵是脫鹽，可采用反滲透技術(shù)，產(chǎn)生的高鹽濃水則可以采用井下封存實(shí)現(xiàn)零排放。井下脫鹽處理后的產(chǎn)水品質(zhì)好，綜合利用途徑較多，首先可用于井下消防灑水，包括采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)、支架、轉(zhuǎn)載點(diǎn)噴霧用水等，實(shí)現(xiàn)井下就地處理利用；大部分產(chǎn)水可提升至地面作為生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水。高礦化度礦井水井下處理與濃鹽水封存技術(shù)路線見(jiàn)圖5。寧東地區(qū)的靈新煤礦目前正在建設(shè)高礦化度礦井水地下分質(zhì)利用與封存技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目。項(xiàng)目采用“井下重介速沉預(yù)處理+井下反滲透脫鹽+井下濃鹽水封存”的技術(shù)路線，設(shè)計(jì)規(guī)模為550m礦井水的井下處理還存在一些有待進(jìn)一步攻關(guān)的技術(shù)難點(diǎn)和研發(fā)方向，一是系統(tǒng)選址需合理利用井下廢棄巷道同時(shí)適當(dāng)進(jìn)行空間擴(kuò)展；二是系統(tǒng)安裝需保證設(shè)備選型和尺寸設(shè)計(jì)滿足井下運(yùn)輸和安裝要求，實(shí)現(xiàn)模塊化運(yùn)輸安裝；三是系統(tǒng)運(yùn)行需滿足特殊安全措施，像防爆、防水、防潮、防塵和防靜電技術(shù)等。4礦井水處理技術(shù)方案選擇寧東基地水資源短缺，充分利用礦井水是緩解短缺的重要途徑之一。寧東基地礦井水現(xiàn)有利用率不足30%，均屬于高礦化度礦井水的特點(diǎn)制約了其利用率的提高。寧東基地礦井水處理現(xiàn)有工程實(shí)踐包括常規(guī)處理、預(yù)處理+反滲透深度處理和零排放處理三種，降低處理成本是實(shí)現(xiàn)其礦井水大規(guī)模利用的重要前提。為實(shí)現(xiàn)礦井水大規(guī)模低成本處理需充分利用寧東地區(qū)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)和資源稟賦。當(dāng)充分利用燃煤電廠余熱時(shí)，低溫多效蒸發(fā)可取代反滲透進(jìn)行高礦化度礦井水地面脫鹽，具備成本低和產(chǎn)水品質(zhì)好的優(yōu)勢(shì)。膜蒸餾結(jié)合新能源可在地面（太陽(yáng)能）或井下（地?zé)崮埽?duì)高礦化度礦井水進(jìn)行濃縮處理。礦井水的井下處理與濃鹽水封存技術(shù)方案可大