煤矿井下水处理反渗透膜运行失效分析

煤矿井下水处理反渗透膜运行失效分析

0矿井水处理的工艺技术优化煤炭开采水处理技术相对复杂，处理成本高，是目前开采井水处理的难点和热点。近年来，为响应环保要求的“零排放”标准，针对煤矿井下水处理的工艺技术提升势在必行。我国矿井水的主要污染物包括悬浮物颗粒(以煤粉和岩粉为主)、可溶性无机盐及有机物水处理领域的脱盐浓缩工艺目的是降低废水中超标的溶解性固体总量(TotalDissolvedSolids)，从而达到回收再利用要求。针对矿井水回收处理主要有膜法和热法2大技术。其中，膜法水处理由于设备简单、操作方便、适用范围广、产水质量稳定等优势，被广泛应用于脱盐净水领域1样本和方法1.1过滤脱盐处理山东省新巨龙煤矿井下水处理装置采用砂过滤器+炭过滤器+一级反渗透(RO)方式，对井下工作面供给原水进行过滤脱盐处理，从而满足乳化液配比用水的要求。该套工艺产水量为10m在实际运行过程中，反渗透膜压降升高较快，膜污染较为严重，为满足乳化液用水需求，需要频繁地更换膜组件，严重影响井下水处理系统的运行成本和净水效率1.2矿井水处理系统原水水质为分析膜污染情况及机理，在现场共采集4L井下矿井水原水和3支RO膜元件，其中2支取自并联的2支第1段膜壳内的第1支膜元件，1支取自第2段膜壳内的最后1支膜元件，见表1。新巨龙煤矿井下水处理装置的原水主要为矿井水处理厂处理后的产水。矿井水处理主要采用絮凝沉淀将胶体污染物去除，然后通入澄清池和后续的砂滤或超滤(UF)进行固液分离去除固态悬浮物，部分水厂采用RO工艺对砂滤或UF出水进行进一步净化脱盐如图2所示1.3滤纸的过滤效果在水样检测前，需对其进行预处理，将水样经过0.45μm滤纸进行过滤后方可对其进行后续检测。本次检测对可能造成膜污染的主要阴阳离子、胶体及有机物都做了分析，检测方法见表2。1.4膜污染检测方法1.4.1ro膜元件的外部结构检查首先对膜外部进行检查，主要通过目测检查RO膜元件的玻璃钢外壳、卷轴端部、防伸缩装置和产水通道等外部结构，确定是否有明显的外部缺陷和损坏1.4.2有机化合物的分离纯化将在2个膜元件浓水侧的污染物分别收集起来，进行烧失量测量试验。将样品放在110℃的干燥箱中4h，以除去水分和挥发性有机化合物。将其冷却并称重后，置于550℃的马弗炉中30min以除去可燃有机物。该技术用于定量分析挥发性有机物、可燃有机物以及无机物的比率以及单位膜面积上的膜污染物重量。1.4.3扫描电子显微镜sem与污染物组成分析扫描电子显微镜(SEM)是能够在膜表面产生高放大倍率图像的显微可视化方法，有助于更好地了解膜片表面上污染物/结垢类型1.4.4ro系统中聚酰胺薄膜的氧化采用藤原测试来检测RO膜浓水测活性层的聚酰胺薄膜是否被氧化，确定是否有氧化性污染物(如氯、溴或碘等氧化卤素)进入RO系统中。该测试为定性分析。1.5环境水平衡溶液模拟环境水化学十分复杂，溶解在水中形成的各离子相互作用，出现沉淀现象从而形成固相，所有这些反应都将影响pH、离子强度等水质参数。化学平衡模型提供了直接的热力学统一标准，基于此，VisualMINTEQ得以发展并在模拟环境水平衡溶液中或水体中的离子和矿物平衡情况领域得到广范应用该模型拥有强大的热力学数据库，涉及液相络合、溶解/沉淀、氧化/还原、气-液相平衡、吸附等多种平衡反应。通过平衡常数、吉布斯自由能等热力学数据计算物质的相互作用，以及通过质量作用表达式来判断化学物质的形态分布等。模型中使用预定义的基本组分(Ca式中:SI为结垢因子;c(Ca若SI小于1，则不会发生结垢;若SI大于1，溶液过饱和，则结垢有可能发生。2结果与讨论2.1矿井水污染物浓度水样各项检测指标的数据见表3。从水质分析结果可以看出，12月取样的山东新巨龙矿井下矿井水主要为中性水。颗粒污染物浓度较低，TSS测量结果为2.5mg/L，浊度为0.4。胶体污染物含量较低，其中胶体SiO2.2两水进水水质对比经分析计算原水中硫酸钙的结垢因子SI为4.4。计算表明实际操作中会发生严重的硫酸钙沉淀现象，造成膜污染。将新巨龙煤矿井下水进水水质与RO进水水质要求进行对比，结果见表4。由表4可知，新巨龙煤矿井下矿井水浊度高于0.1NTU，需要在RO预处理中考虑颗粒污染物的去除。胶体污染物中Mn含量较高，需要在预处理中加入除Mn装置。有机物污染物TOC高于建议范围，在预处理中需要设计降TOC装置。无机微溶盐会造成结垢隐患。2.3主要污染物组成由于膜样完全呈干燥状态，污染物在浓水通道内松散分布，取样时大量污染物脱落，难以准确得到单位面积上的膜污染物质量，文中重点分析了所收集的污染物内挥发性有机物、可燃有机物以及无机物的比例，见表5。LOI结果表明，2个膜元件内部的污染物样品中主要成分为无机物，占98%以上。其中水分和挥发性化合物的含量均小于0.5%，可燃有机材料含量为1%～1.5%。说明2个膜元件中均有少量有机污染。2.4眼皮炎2.4.1污染物分布规律将TM＿1.1膜片展开，发现浓水测聚集大量颗粒，在膜片上形成黑色污染物聚集带。同时膜片外表面也有严重染色现象，呈褐色，如图3a所示。从展开的膜片上可以看到，污染物在整片膜片对应的浓水通道中分布有一定规律，且多个膜片规律类似，在靠近一侧端口位置聚集明显，对应浓度较高，沿轴向方向递减，如图3a中箭头所示，由此可以判断进水水流方向，即由左侧为进水口流向右侧浓水口。在该膜元件中的局部区域上发现了膜片破损分层现象，该破损部位靠近进水端，如图3b所示。2.4.2排放污染物的污染成因TM＿1.1膜元件内部在浓水通道和膜表面发现大量固体颗粒如图4所示。这些固体颗粒主要为黑色，推测为煤渣或活性炭。固体颗粒中混合有不少有色碎片，从外观判断为塑料碎片。表明该段膜元件的颗粒污染较严重，推测有以下4种污染成因。1)RO预处理保安过滤单元的滤芯失效，进水TSS进入膜元件。但进水中TSS较低，也未检测到与浓水测污染物相近的黑色颗粒以及塑料碎片。2)从主要颗粒污染物颜色推断颗粒为煤渣或活性炭，进水可能在井下受到二次污染混入煤渣，进入RO系统中。3)活性炭保安过滤器破损，泄露出部分活性炭滤料进入反渗透系统。4)由于在进水水样中不存在塑料碎片，较大可能是活性炭保安过滤器部分破损内部器件破碎之后形成的，后期进入了RO膜中。从TM＿1.2膜片之间收集的固体颗粒混合物主要为白色/灰色，混有少量黑色斑点，如图5所示，混合物在浓水通道中凝结成大块松散聚集，推测主要为无机盐结垢污染物。2.5表面污染物检测扫描电子显微镜(SEM)能够在膜表面产生高放大倍率图像，有助于更好地了解膜片表面上污染物/结垢类型。TM＿1.1的SEM图像中可以明显看出该膜片表面有大量污染物，见表6，干燥后膜表面上出现明显的裂缝。TM＿1.1膜片表面污染物多呈现不规则胶状形态，通常为胶体或有机物污染物。局部上可以看到较规则的结晶状污染物，多为无机盐污染物或者无机颗粒污染物。这些污染物在采样膜片上分布相对均匀。以40Hz的频率对膜样品进行超声清洗60min，超声处理后的样品表面污染物明显减少。但仍有部分污染物残留，表观呈现黄褐色，可能需要采用化学清洗来去除。通过对膜片污染物的阳离子浓度定量分析，并和新巨龙矿的进水水样进行比较，如图6所示。可以看出原水和结垢样品中Ca通过对膜结垢样品进行酸解，得到结垢物的各离子组成成分如下:分析结果显示钙离子和SO2.6氧化剂的使用藤原测试结果如图7所示，2个膜元件在藤原测试中均没有明显颜色变化，因此，可以推断基本没有氧化剂进入RO体系。这与操作过程中并没有使用过氧化剂的信息相符。另外，根据表3中给出的水样分析结果，新巨龙煤矿水中的氯浓度在正常范围内，导致RO膜的活性聚酰胺层化学降解的可能性极低。4结垢物模型分析1)基于SEM的分析及超声清洗后的结果可知，膜表面污染物组成多为结晶状态下的无机盐及颗粒等成分。2)由于进水硬度较高，易在膜表面发生结垢现象，基于VisualMINTEQ的化学平衡模型对结垢物组成进行预测，通过对结垢物的定量分析及定性分析，得到