高矿化度矿井水处理工程实践与展望

高矿化度矿井水处理工程实践与展望

中国的教育资源和水资源呈显著的逆向分布。西部地区水资源特别不足，严重制约了该地区煤炭和下游产业的发展。煤炭开采过程产生的矿井水，可作为主要的非常规水资源，为煤炭的清洁高效利用乃至地区经济社会的发展提供一定的保障。宁东能源化工基地（以下简称宁东基地）属于典型的水资源总量短缺，但矿井水资源较丰富，同时煤基产业用水需求大的地区。本文对宁东基地高矿化度矿井水处理工程实践进行分析，并结合宁东地区产业特点对大规模低成本处理发展方向进行技术经济分析，以期为解决宁东基地水资源短缺问题提供技术路径，为西部煤基产业与水资源的协调开发提供借鉴。1煤炭基地的发展现状宁东基地是我国重要的能源基地，是国家14个亿吨级大型煤炭基地之一，国家千万千瓦级大型煤电基地和现代煤化工产业示范区，对宁夏经济社会发展具有举足轻重的作用。据统计，宁东基地2018年煤炭产量为7.091×102矿井水处理现状宁东基地高矿化度矿井水的处理主要包含三种技术路线，一是仅做常规处理（混凝、沉淀、过滤）；二是脱盐处理（预处理+反渗透深度处理）；三是零排放处理（预处理+深度处理+结晶固化）。目前大部分高矿化度矿井水仅做常规处理后直接排放；部分煤矿采用预处理+反渗透深度处理后用于矿井自身回用、供给周边电厂及生态补水；近期，国家能源集团宁夏煤业建成了1500m2.1混絮凝剂混悬液以混凝、沉淀为主线的常规处理主要去除高矿化度矿井水中的悬浮物，矿井水中加入混（絮）凝剂后，经过混合作用，水中胶体杂质凝聚成较大的矾花颗粒，在沉淀池中去除。由于矿井水中悬浮物与混凝剂亲和能力弱，形成的矾花较松散，沉淀性能差，沉降速度较慢，需要足够的占地面积才能满足出水要求2.2反渗透深度矿井水处理为解决煤矿自身和周边生态用水需求，枣泉、任家庄等煤矿通过预处理+反渗透深度处理利用了一部分高矿化度矿井水。以处理规模较大的宁夏煤业枣泉煤矿为例，采用预调节池+高密度沉淀+V型滤池+超滤+反渗透工艺处理高矿化度矿井水。矿井水超滤+反渗透深度处理规模为8100m2.3宁东基地高矿化度矿井水处理工程实践近年来，随着国家对环境保护要求的不断提高，国家能源集团宁煤矿井水零排放项目是国内规模最大、工艺路线最完善、盐品质量最高、杂盐率最低的矿井水零排放项目一阶段主要通过预处理及膜脱盐工序优先实施减量化，首先采用双碱法+专有药剂的方式在微涡流软化沉淀池内进行絮凝、沉淀去除大部分硬度和硅；接着利用纤维滤池去除矿井水中的大部分悬浮物；然后通过超滤进一步去除悬浮物及胶体、细菌等；最后利用反渗透法去除矿井水中大部分盐，一阶段产品水回收率为75%。二阶段是对一阶段反渗透浓水的进一步分盐、浓缩及结晶处置，浓水TDS约为22000mg/L，处理规模约为375m综上所述，宁东基地高矿化度矿井水处理所用单元技术较为成熟。但由于矿井水矿化度高、硬度高，处理装置工艺复杂、投资高、处理成本高等问题不容忽视，如何降低高矿化度矿井水处理的成本是实现宁东地区矿井水大规模利用的重要前提和研发方向。3宁东基地高矿化度矿井水大规模低成本处理发展方向结合宁东地区产业特点和能源禀赋条件，重点围绕低成本热源利用、缩短工艺流程、提高产品水质、井下就地处理和封存等方面，对宁东基地高矿化度矿井水大规模低成本处理发展方向进行研究。3.1低温多效蒸发处理技术低温多效蒸发是目前海水淡化领域使用较为广泛的一种热法脱盐技术以宁东地区某煤矿矿井水地面浓缩为例，原水矿化度约为6000mg/L，处理规模为500m总体来看，由于可以利用廉价的余热，在宁东基地利用低温多效蒸发技术具有成本和产水水质两方面的优势。同时进一步优化低温多效蒸发的设备材料和结构，降低设备投资成本，有利于进一步拓展该技术在高矿化度矿井水处理领域的应用。3.2膜蒸发处理膜蒸馏在高盐废水处理领域具有独特优势，宁东地区应用膜蒸馏处理高矿化度矿井水的优势主要体现在笔者前期研究表明3.3矿井设计发展现状高矿化度矿井水在经过悬浮物去除和脱盐浓缩后，都会产生一部分高含盐量的浓水。随着环保要求的日益增加，宁东地区已要求矿井水实现零排放，成本很高。为实现脱盐浓水的低成本处置，可借鉴煤矿地下水库井下储水的技术思路，首先在井下进行矿井水预处理和脱盐处理，再采用井下采空区作为浓盐水储库，将产生的浓盐水在储库中安全封存高矿化度矿井水井下处理的关键是脱盐，可采用反渗透技术，产生的高盐浓水则可以采用井下封存实现零排放。井下脱盐处理后的产水品质好，综合利用途径较多，首先可用于井下消防洒水，包括采煤机、掘进机、支架、转载点喷雾用水等，实现井下就地处理利用；大部分产水可提升至地面作为生产、生活、生态用水。高矿化度矿井水井下处理与浓盐水封存技术路线见图5。宁东地区的灵新煤矿目前正在建设高矿化度矿井水地下分质利用与封存技术研究及工程示范项目。项目采用“井下重介速沉预处理+井下反渗透脱盐+井下浓盐水封存”的技术路线，设计规模为550m矿井水的井下处理还存在一些有待进一步攻关的技术难点和研发方向，一是系统选址需合理利用井下废弃巷道同时适当进行空间扩展；二是系统安装需保证设备选型和尺寸设计满足井下运输和安装要求，实现模块化运输安装；三是系统运行需满足特殊安全措施，像防爆、防水、防潮、防尘和防静电技术等。4矿井水处理技术方案选择宁东基地水资源短缺，充分利用矿井水是缓解短缺的重要途径之一。宁东基地矿井水现有利用率不足30%，均属于高矿化度矿井水的特点制约了其利用率的提高。宁东基地矿井水处理现有工程实践包括常规处理、预处理+反渗透深度处理和零排放处理三种，降低处理成本是实现其矿井水大规模利用的重要前提。为实现矿井水大规模低成本处理需充分利用宁东地区的产业优势和资源禀赋。当充分利用燃煤电厂余热时，低温多效蒸发可取代反渗透进行高矿化度矿井水地面脱盐，具备成本低和产水品质好的优势。膜蒸馏结合新能源可在地面（太阳能）或井下（地热能）对高矿化度矿井水进行浓缩处理。矿井水的井下处理与浓盐水封存技术方案可大