煤礦高礦化度礦井水處理技術(shù)

煤礦高礦化度礦井水處理技術(shù)
我國屬于貧水國家，全國水資源總量為28255億m3（水利部2002年中國水資源公報(bào)），人均占有量僅有2170m3，約為世界人均占有量的1/4，名列世界第88位。煤礦礦井水是重要的水資源，據(jù)報(bào)道目前我國煤炭生產(chǎn)過程中，每年排出約20～30億m3礦井水，其中北方地區(qū)約占60％，并且隨著煤炭開采深度的增加而逐年增加?，F(xiàn)在我國煤礦礦井水資源的利用率不到20％，我國西部高原、黃淮平原及華東沿海地區(qū)的多數(shù)煤礦礦井水的礦化度較高，這類礦井水的直接排放不僅浪費(fèi)了寶貴的水資源，而且還會對環(huán)境造成污染。如何選用更為經(jīng)濟(jì)合理且簡單高效的方法來處理高礦化度礦井水，引起了環(huán)保工作者與社會的廣泛關(guān)注。

　　1高礦化度礦井水的形成與危害

　　高礦化度礦井水一般是指含鹽量大于1000ng/L的礦井水。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國煤礦高礦化度礦井水的含鹽量一般在1000～3000mg/L，少量礦井的礦井水含鹽量達(dá)4000mg/L以上。這類礦井水的水質(zhì)多數(shù)呈中性或偏堿性，且?guī)Э酀叮虼艘卜Q苦咸水。因這類礦井水的含鹽量主要來源于Ca2+，Mg2+，Na+，K+，SO42－，HCO3－，Cl－等離子，所以硬度往往較高。

　　產(chǎn)生高礦化度礦井水的主要原因：由于我國部分地區(qū)降雨量少，蒸發(fā)量大，氣候干旱，蒸發(fā)濃縮強(qiáng)烈，而地層中鹽分增高，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件差，使地下水本身礦化度較高，所以礦井水的礦化度也高；當(dāng)煤系地層中含有大量碳酸鹽類巖層及硫酸鹽薄層時，礦井水隨煤層開采，與地下水廣泛接觸，加劇可溶性礦物溶解，使礦井水中的Ca2+，Mg2+，SO42－，HCO3－，CO32－增加；當(dāng)開采高硫煤層時因硫化物氣化產(chǎn)生游離酸，游離酸再同碳酸鹽礦物、堿性物質(zhì)發(fā)生中和反應(yīng)，使礦井水中Ca2+，Mg2+，SO42－等離子增加；有些地區(qū)是由于地下咸水侵入煤田，使礦井水呈高礦化度水。

　　高礦化度礦井水如果不經(jīng)過處理就直接排放，會給生態(tài)環(huán)境帶來一定的危害。主要表現(xiàn)為河流水含鹽量上升、淺層地下水位抬高、土壤滋生鹽堿化、不耐鹽堿類林木種勢削弱，農(nóng)作物減產(chǎn)等。同時還影響地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)，因?yàn)樵S多工業(yè)生產(chǎn)不能用高含鹽量的水，若用則必須先降低水中含鹽量，這樣就會增加成本。若是不用而改用地下水，會造成地下水的大量開采，造成地下水資源的短缺，會嚴(yán)重影響本區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

　　2高礦化度礦井水的處理技術(shù)

　　2.1化學(xué)方法

　　離子交換法是化學(xué)脫鹽的主要方法，這是一種比較簡單的方法，就是利用陰陽離子交換劑去除水中的離子，以降低水的含鹽量。此法用在進(jìn)水含鹽量小于500mg/L時比較經(jīng)濟(jì)，可用作高礦化度水經(jīng)膜分離法處理的進(jìn)一步除鹽工序。

　　2.2膜分離法

　　膜分離方法是利用選擇性透過膜分離介質(zhì)，當(dāng)膜兩側(cè)存在某種推動力（如壓力差、濃度差、電位差）時，使溶劑（通常是水）與溶質(zhì)或微粒分離的方法。

　　膜分離法的主要特點(diǎn)：低耗、高效、不發(fā)生相變、常溫進(jìn)行、適用范圍廣、裝置簡單、易操作和易控制等。而膜法水處理則具有適應(yīng)性強(qiáng)、效率高、占地面積小、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。反滲透和電滲析脫鹽技術(shù)均屬于膜分離技術(shù)，是我國目前苦咸水脫鹽淡化處理的主要方法。但是膜分離法的一個主要問題是膜易污染，為了防止膜污染，一般這兩種技術(shù)對進(jìn)水水質(zhì)均有嚴(yán)格的要求。因此進(jìn)水必須經(jīng)過一般的預(yù)處理，即經(jīng)過沉淀、過濾、吸附和消毒等幾個步驟方可。

　　2.2.1反滲透法

　　反滲透（簡稱RO）技術(shù)發(fā)源于國外20世紀(jì)五六十年代的宇航技術(shù)研究，80年代初在我國得到實(shí)際應(yīng)用。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，隨著反滲透膜性能的提高和膜制造成本的降低，進(jìn)一步加快了反滲透的應(yīng)用。經(jīng)過近40a的不懈努力，反滲透技術(shù)已經(jīng)取得了令人矚目的進(jìn)展。反滲透技術(shù)是利用壓力差――各種離子、分子、有機(jī)物、膠體、細(xì)菌、病毒、熱源等，是當(dāng)今世界公認(rèn)的高效、低耗、無污染水處理新技術(shù)，適用于含鹽量大于4000mg/L的水的脫鹽處理。目前反滲透膜與組件的生產(chǎn)已經(jīng)相當(dāng)成熟，膜的脫鹽率高于99.3％，透水通量增加，抗污染和抗氧化能力不斷提高，銷售價格穩(wěn)中有降；反滲透的給水預(yù)處理工藝經(jīng)過多年摸索，基本可保證膜組件的安全運(yùn)行；高壓泵和能量回收裝置的效率也在不斷提高。以上措施使得反滲透淡化的投資費(fèi)用不斷降低，淡化水的成本明顯降低。

　　與常規(guī)的水處理技術(shù)如離子交換、加藥、電滲析相比，反滲透裝置特點(diǎn)為單位體積內(nèi)膜面積比大，脫鹽離高達(dá)99％以上；在分離過程中無相變化及相變化引起的化學(xué)反應(yīng)，能耗低；膜分離過程是清潔的生產(chǎn)過程，不使用化學(xué)試劑，不排放再生廢液，不污染環(huán)境；工藝流程簡單，有利于實(shí)現(xiàn)水處理的連續(xù)化、自動化；反滲透裝置結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，適應(yīng)大規(guī)模連續(xù)供水的水處理系統(tǒng)；水的回收率比電滲析高，一般為75％～80％。

　　但是，在反滲透運(yùn)行過程中，除了對原水進(jìn)行嚴(yán)格處理外，還要控制進(jìn)水pH值，以防止膜的水解，同時要定期清洗膜組件，以避免膜表面污染和結(jié)垢阻塞。

　　2.2.2電滲析法

　　電滲析法（ED）是一種利用電能來進(jìn)行膜分離的方法。電滲析是在直流電場作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性，而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過程。電滲析法除鹽以兩個條件為基本：一是離子的帶電性。水中離子是帶電的，在直流電場中，陰、陽離子作定向遷移，根據(jù)同性相斥、異性相吸的原則，陽離子移向陰極，陰離子移向陽極。二是離子交換具有選擇透過性。離子交換膜是電滲析器的重要組成部分，離子交換膜是一種由高分子材料制成的具有離子交換基團(tuán)的薄膜，分為陽膜和陰膜兩類，陽膜只允許水中的陽離子透過，阻擋陰離子，而陰膜只允許水中的陰離子透過而阻擋陽離子。良好的離子交換膜應(yīng)具備下列各種條件：①具有較高的離子選擇透過性；②具有低的滲水性；③具有較低的膜電阻；④化學(xué)穩(wěn)定性良好，能耐高濃度的酸堿和一定的溫度；⑤具有高的機(jī)械強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)暮穸?；⑥膜的全部結(jié)構(gòu)應(yīng)均勻一致，表面光滑。

　　電滲析技術(shù)具有無需任何化學(xué)藥品，且設(shè)備及其組裝工藝簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。我國有數(shù)十家煤礦相繼采用了這一技術(shù)，均取得了較好的脫鹽效果。但這一技術(shù)也暴露一些缺點(diǎn)，如：①對原水的預(yù)處理要求較高；②電耗較大，易結(jié)垢和膜壽命短；③電滲析本體由塑料件組成，因此塑料老化成為增加電滲析維修費(fèi)用的因素；④電滲析操作電流、電壓直接受原水水質(zhì)、水量的影響，過程穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)惡性化。

　　2.3蒸餾淡化法

　　蒸餾法是對含鹽水進(jìn)行熱力脫鹽淡化處理的有效方法。此法以消耗熱能為代價，一般適用于含鹽量超過3000mg/L礦井水的處理。1957年英國學(xué)者R.S.SILVER發(fā)明了多級閃蒸（MSF）脫鹽方法，當(dāng)時，它在降低能耗及防垢問題方面有獨(dú)到的優(yōu)越性，因而自其誕生之日起，發(fā)展非常迅速，成為脫鹽的一種重要方法。多效蒸餾法（MED）歷史比較悠久，變化較為劇烈，至今具有商業(yè)價值的脫鹽技術(shù)有豎管蒸餾（VT-MED）和水平管蒸餾（HT-MED）。隨后在兩種方法的基礎(chǔ)上又發(fā)展到多效多級閃級蒸發(fā)（MEMS），它改善了MSF和MED的性能，具有重復(fù)利用二次蒸汽的潛熱，即能使熱量經(jīng)濟(jì)利用，又避免了嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象，大幅度地提高造水比。

　　蒸餾法與其他處理方法不同，其最大的弱點(diǎn)是高能消耗，這也成為阻礙其推廣的主要原因。但其有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：①由于這種方法是依靠能源加熱原水，經(jīng)蒸發(fā)提取淡水，故不需任何化學(xué)藥品或離子分離膜；②適應(yīng)原水的含鹽量的范圍廣，含鹽數(shù)百～數(shù)萬mg/L的礦井水均可處理，這一點(diǎn)是其他方法不能比擬的；③對原水的預(yù)處理要求低，只需進(jìn)行普通預(yù)處理懸浮物即可；④由于蒸餾法得到的是蒸餾水，故水質(zhì)品質(zhì)高；⑤淡化率較高。

　　雖然蒸餾法有高能消耗的弱點(diǎn)，但是其可以在煤礦廣泛推廣。若是在煤礦區(qū)利用煤矸石和低熱值煤作燃料，用蒸餾法處理高礦化度礦井水，有幾個好處：一可以加速煤矸石的利用程度，減少占用土地和征地費(fèi)用；二是可以消除礦區(qū)煤矸石污染源，有利于改善礦區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量、水環(huán)境質(zhì)量和土壤環(huán)境質(zhì)量；三是可以變廢為寶，大大降低高礦化度礦井水的處理費(fèi)用；四是燃燒后的煤矸石仍然可作建筑材料和水泥拌料。

　　3結(jié)語

　　高礦化度礦井水處理是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及范圍廣，影響因素多，投資大。從以上各種處理工藝及運(yùn)行結(jié)果來看，用蒸餾法淡化苦咸水，可以充分利用煤礦充裕的低值能源，處理同等規(guī)模的苦咸水水量時，投資大體與電滲析相當(dāng)，但運(yùn)行費(fèi)用要低于電滲析，在煤礦處理高礦化度礦井水方面具有廣泛的前景；反滲透技術(shù)優(yōu)越的價格性能比在煤礦苦咸水淡化中將發(fā)揮其更大的作用，無論出水水質(zhì)、電耗、脫鹽效率、占地面積、自動化程度都是其它工藝所無法比的，但由于一次性投資較大，在目前的煤礦經(jīng)濟(jì)條件下，還不可能廣泛推廣應(yīng)用。電滲析技術(shù)是目前處理高礦化度礦井水較為成熟也較為經(jīng)濟(jì)的一種方法，雖然還存在一些問題，但還是使用最廣泛的一種技術(shù)，我國目前處理高礦化度礦井水大多使用電滲析技術(shù)。

　　總之，高礦化度礦井水的處理方法已經(jīng)相對成熟，但是各種方法都有一些缺點(diǎn)，且處理成本較高，因此，研究高礦化度礦井水處理技術(shù)的新方法，并降低處理成本，是礦井水處理技術(shù)今后研究的一個重要課題。