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RO反滲透處理高礦化度礦井水
分割線[摘要] 摘要：本文通過工程實例論述了高礦化度礦井水處理回用的方法、工藝和設計參數(shù)，對RO工藝在山西煤炭礦區(qū)高礦化度礦井水處理回用上的工程應用進行了總結，提出了建議，可供從事礦井水處理工作的工程技術人員參考。
[關鍵詞] RO反滲透,礦井水
伴隨著采礦生產(chǎn)會有大量井下廢水產(chǎn)生。據(jù)調(diào)查，每開采1噸煤炭，可產(chǎn)生1~2.5m3礦井水。另一方面，由于采礦破壞了地下水資源，許多采礦企業(yè)用水困難。礦井廢水處理后回用，不僅防止了污染，而且節(jié)約了寶貴的水資源，還可為企業(yè)降低供水成本，因此礦井水的處理利用受到越來越廣泛的關注。
根據(jù)含鹽量大小，可將水分為淡水（小于1 g/L），弱咸水（1~3 g/L），咸水（3~5 g/L），苦咸水（5~10 g/L），濃鹽水（10~25 g/L），強鹽水（（大于50 g/L）。礦井水的水質(zhì)特征一是渾濁（SS一般在100~500mg/L之間），二是存在有機物污染，三是含鹽量變化較大（50~5000mg/L）。我國煤炭礦井水含鹽量一般在1000~3000mg/L之間，少數(shù)礦井達到4000mg/L以上，屬于高礦化度、弱咸水或咸水。這類礦井水的含鹽成份主要是源于Ca2+、Mg2+、Na+、K+、SO42-、HCO-、Cl-等離子，使其硬度往往也較高。常規(guī)凈化處理不能降低含鹽量和硬度，其出水既不適用于生活飲用，更不宜作鍋爐用水。礦井水處理回用必須考慮除鹽措施。
1、降低礦井水含鹽量的方法
高礦化度礦井水的處理工藝除采用傳統(tǒng)工藝去除懸浮物、有機物和消毒外，其關鍵工序是脫鹽淡化。降低礦井水含鹽量的方法主要有以下幾種：
（1）化學法
離子交換法是化學脫鹽的主要方法。即利用陰陽離子交換劑去除水中的離子，以降低水的含鹽量。其特點是：技術成熟、使用經(jīng)驗多，出水水質(zhì)好，但工藝系統(tǒng)和運行管理復雜，不能連續(xù)出水，再生液會造成二次污染。離子交換軟化法可作為RO的前處理，以減小硬度。此種脫鹽工藝用于礦井水含鹽量小于500mg/L時比較經(jīng)濟。
（2）熱力法
使用高溫（蒸餾）和低溫（冷凍）的處理過程均屬于含鹽水的熱力法淡化。蒸餾法（高效蒸發(fā)、多級閃蒸、壓汽蒸餾、太陽能蒸餾）是對含鹽水進行熱力脫鹽淡化處理的有效方法。它以消耗熱能為代價，適用于各種含鹽量，尤其是高濃度的苦咸水淡化。蒸餾法的優(yōu)點是設備壽命長，預處理要求低，操作方便，水質(zhì)純度高。但缺點是能耗高，設備較笨重，防腐要求高，熱交換器表面易結垢等。一般當?shù)V井水含鹽量超過4000mg/L時才可以考慮采用。
（3）膜濾法
電滲析（ED）和反滲透（RO）同屬膜分離技術，是我國目前苦咸水脫鹽淡化處理的兩種主要方法。
ED法是在外加直流電場力的作用下，利用離子交換膜對溶液中離子的選擇透過性，使溶質(zhì)和溶劑分離的一種物理化學過程。含鹽水經(jīng)過電滲析后，便可得到淡化水和濃縮液（濃水）。當含鹽量小于1000mg/L時，ED法的能耗低于蒸餾法。ED脫鹽法的優(yōu)點是：不需再生，可連續(xù)出水，工藝系統(tǒng)簡單，設備少。其主要問題是：易發(fā)生極化結垢，水回收率低（一般為50%左右），對進水預處理要求高。當?shù)V井水含鹽量小于4000mg/L時用此法較為經(jīng)濟。上世紀七十年代初期，電滲析脫鹽技術已在我國礦井水處理利用中得到應用。但由于它對SO42－去除率很難超過65%，用以淡化SO4.Na型和SO4.Cl-Na型水很難達到飲用水水質(zhì)標準。另外它不能去除水中的有機物和細菌，設備運行能耗大。因此近年來在高礦化度礦井水淡化方面，ED法已逐漸被RO反滲透取代。
RO反滲透是借助于半透膜，在壓力作用下進行物質(zhì)分離的方法，它可有效地去除水中的無機鹽、低分子有機物、病毒和細菌。對水的含鹽量適用范圍為3000~35000.mg/L。此法與ED法相比，其優(yōu)點是產(chǎn)品水的回收率、脫鹽率以及水的純度均較高。缺點是操作壓力高，對進水水質(zhì)要求高，濃水若得不到適當處理將會造成二次污染。上世紀90年代，反滲透水處理技術已在我國得到較多的應用。
2 RO反滲透在山西礦井水處理利用中的應用實例
山西是煤炭大省，同時又是水資源.嚴重缺乏的省份。近些年來，隨著反滲透膜與組件制造技術的相對成熟，銷售價格穩(wěn)中有降，使投資費用不斷降低，淡化水的成本也有明顯下降。自2002年以來，該省已有十多個煤礦利用反滲透技術,將礦井水處理利用于生活飲用水。現(xiàn)將部分工程的處理規(guī)模、原水水質(zhì)、噸水投資、以及制水成本列于表1。 用作飲用水的RO反滲透處理礦井水工程實例。
表1
| 煤礦名稱 | 處理水量 | 原水水質(zhì)（mg/L） | 噸水投資 | 制水成本 | |
| （m3/d） | 含鹽量 | 總硬度 | （元/m3>） | （元/m3>） | |
| 大同達子溝煤礦 | 7200 | 5463 | 2761.5 | 1700 | 2.6 |
| 大同青磁窯煤礦 | 1350 | 2500~2700 | 1200~1600 | 3450 | 2.9 |
| 大同白洞煤礦 | 3000 | 986.4 | 691.4 | 1575.7 | |
| 太原東山煤礦 | 4000 | 2348 | 1414 | 1545 | 1.34 |
| 陽泉蔭營煤礦 | 2500 | 2690 | 1800 | ||
| 靈石縣紅杏煤礦 | 300 | 617.5 | 394.5 | 1767 | 1.18 |
| 美盛公司鄧家莊煤礦 | 960 | 875 | 721 | 973.2 |
3 對RO反滲透處理礦井水用于飲用水的幾點認識
用RO反滲透把高礦化度礦井水處理成生活飲用水時，根據(jù)山西省的設計應用情況，提出以下幾點認識和建議，供使用參考。
（1）關于脫鹽工藝的處理水量，不應與要求的供水量混為一談。應根據(jù)原水和供水水質(zhì)情況，經(jīng)計算把供水量分為兩部分（一部分預處理后進行RO脫鹽處理，另一部分預處理凈化后不進行RO脫鹽處理），采用二者按比例進行混合勾兌的方法，使混合后水質(zhì)達到要求的供水水質(zhì)即可。這樣可以減少投資和運行費用。
（2）RO裝置的預處理和允許進水水質(zhì)指標。為使RO裝置高效、可靠、經(jīng)濟運行，應重視水的預處理。反滲透預處理的一般原則和方法為：
a. 當原水中SS小于50mg/L時，可采用微絮凝直接過濾法；當SS大于50mg/L時可采用混凝、沉淀、過濾工藝。
b. 當原水含鐵量小于0.3mg/L、SS小于20mg/L時，可采用直接過濾法；當原水含鐵量小于0.3mg/L、SS大于20mg/L時，可采用微絮凝直接過濾法；當原水含鐵量大于0.3mg/L時，應考慮除鐵措施（如錳砂過濾）。
c. 當原水有機物含量較高時，可采用加氯、混凝、沉淀、過濾處理；若仍不能滿足要求時，可同時采用生物活性炭過濾法去除有機物。
d. 當原水的碳酸鹽硬度較高，經(jīng)加藥處理仍會造成CaCO3在RO膜上沉淀時，可采用離子交換法進行預處理。當其它難溶鹽在RO系統(tǒng)中結垢析出時，應作加阻垢劑處理。
e. 當原水硅酸鹽含量較高時，可投加石灰、氧化鎂（或白云粉）進行處理。
RO裝置的允許進水水質(zhì)指標，見表2。
表2 反滲透裝置允許進水水質(zhì)指標
| 項目 | 卷式醋酸纖維素膜 | 中空纖維聚酰胺膜 | 常規(guī)卷式復合膜 | 超低壓卷式復合膜 | ||||
| 建議值 | 最大值 | 建議值 | 最大值 | 建議值 | 最大值 | 建議值 | 最大值 | |
| 污染指數(shù)（SDI） | <4 | 4 | 3 | 3 | <4 | 5 | <4 | 5 |
| 濁度（NTU） | <0.2 | 1 | 0.2 | 0.5 | <0.2 | 1 | <0.2 | 1 |
| 含鐵量（mg/L） | <0.1 | 0.1 | 0.1 | 0.1 | <0.1 | 0.1 | <0.1 | 1 |
| 游離氯（mg/L） | 0.2~1 | 1 | 0 | 0.1 | 0 | 0.1 | 0 | 0.1 |
| 水溫（℃） | 25 | 40 | 25 | 40 | 25 | 45 | 25 | 45 |
| 水壓（MPa） | 2.5~3.0 | 4.1 | 2.4~2.8 | 2.8 | 1.0~1.6 | 4.1 | 1.05 | 4.1 |
| PH值 | 5~6 | 6.5 | 4~11 | 11 | 2~11 | 11 | 3~10 | 10 |
（3）礦井水的RO反滲透脫鹽工藝流程應根據(jù)水質(zhì)確定，不宜太長。除了澄清預處理外，還應有前處理、主處理、和后處理三部分。一般工藝流程為：→活性炭過濾→微濾或超濾→RO→臭氧或紫外線消毒→
（4）RO的幾個設計參數(shù)建議值：系統(tǒng)水的回收率72~78%；系統(tǒng)出水的脫鹽率96~99%；膜元件的使用壽命3~5年；質(zhì)保期不低于2年。
（5）利用RO反滲透處理礦井水用于生活飲用水時，目前處理廠站的噸水投資在1500~3500元/m3較為合理，制水成本在1.5~3.5元/m3為合理。
（6）由于RO反滲透的產(chǎn)水量在工作壓力恒定時與水溫成正比（一般設計的環(huán)境溫度為5~30℃），故應把RO工藝裝置設在室內(nèi)，并注意冬季保暖。
（7）在繪制礦區(qū)水平衡圖時，應本著優(yōu)質(zhì)優(yōu)用的原則注意礦井水的分質(zhì)處理，分質(zhì)使用。礦井水處理利用的途徑有三，即煤炭開采生產(chǎn)過程用水、礦區(qū)生活用水和其它用水（灌溉、矸石山滅火，建筑、水庫養(yǎng)魚等）。對礦井水處理后使用的原則是：先井下后井上，井上應先工業(yè)（生產(chǎn)和生活），后農(nóng)業(yè)。
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