膜分離技術(shù)在礦井水處理中的應(yīng)用

奧艷文

(西山煤電公用事業(yè)分公司，山西 太原 030053)

引 言

污染排放問(wèn)題一直都是工業(yè)發(fā)展過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，它關(guān)乎著人們賴以生存的環(huán)境是否舒適和健康。水污染是影響飲用水和工業(yè)供水的重要環(huán)境污染源。如何進(jìn)行水資源的回收和利用是現(xiàn)階段我國(guó)主要面臨的問(wèn)題。20世紀(jì)70年代，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行礦井水處理。傳統(tǒng)的礦井水處理工藝對(duì)于礦井水僅為處理和排放，不僅對(duì)環(huán)境存在污染，同時(shí)礦井水凈化處理的成本高，出水水質(zhì)不高。我國(guó)主要煤炭礦產(chǎn)區(qū)在華東、華北、東北、西北等北方缺水地區(qū)，其中有40%的礦區(qū)嚴(yán)重缺水，極大限制了礦區(qū)的生活用水和工業(yè)用水，制約了礦區(qū)發(fā)展。隨著膜分離技術(shù)的高速發(fā)展，該技術(shù)在礦井水處理中得到廣泛應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)在礦井水回收利用并加以資源化起到了技術(shù)奠基作用。膜分離這一水處理技術(shù)因其能耗低、操作簡(jiǎn)單、選擇性好、適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)二次污染等特點(diǎn)給礦井水污染環(huán)境與礦區(qū)供水嚴(yán)重短缺這對(duì)矛盾提供了非常優(yōu)良的解決辦法。給環(huán)境工程的保護(hù)和發(fā)展提供了實(shí)施前提和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 膜分離技術(shù)簡(jiǎn)要介紹

1.1 工藝原理

膜分離技術(shù)是指利用混合物中物質(zhì)粒徑不同，在外力作用下通過(guò)半透膜，從而實(shí)現(xiàn)選擇性分離的技術(shù)。膜分離技術(shù)在基本工藝原理方面是比較簡(jiǎn)單的。混合物首先經(jīng)過(guò)泵的加壓，以一定流速通過(guò)半透膜(濾膜)，大于膜截留分子量的回流形成回流液或濃縮液，小于膜截留分子量的透過(guò)半透膜形成透析液。具體工藝如圖1所示。

圖1 礦井水膜分離工藝示意圖

1.2 分類(lèi)

膜分離技術(shù)可以從以下幾個(gè)方面分類(lèi)。結(jié)構(gòu)類(lèi)型方面分為液膜和固體膜，過(guò)程類(lèi)型方面可分為微濾(MF)、超濾(UF)、納濾(NF)、反滲透(RO)、電滲析(ED)、氣體滲透分離、滲透蒸發(fā)等等。

1.3 技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

在礦井水回收利用方面，目前廣泛應(yīng)用的方法有微濾、超濾、納濾和反滲透。以下將對(duì)四種常用膜分離進(jìn)行技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用的介紹。

1.3.1 微濾(MF)

微濾是膜分離技術(shù)中最早應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，它采用均勻多孔濾膜對(duì)溶液或混合液進(jìn)行過(guò)濾，主要應(yīng)用于對(duì)水質(zhì)要求不高的過(guò)濾工藝中，或應(yīng)用于有深度過(guò)濾要求的過(guò)濾技術(shù)的預(yù)處理工藝中。多孔濾膜因孔徑均勻、較大，因此微濾技術(shù)具有過(guò)濾精度高，過(guò)濾速度快，濾液純度高等特點(diǎn)。目前微濾技術(shù)以廣泛應(yīng)用于污廢水處理和重金屬?gòu)U水的預(yù)處理。礦區(qū)中可使用混凝—微濾工藝處理礦井水，出水中懸浮物、細(xì)菌及COD去除率分別可以達(dá)到86 % ,99.9%及98 %，出水濁度<2 NTU，細(xì)菌數(shù)<35 CFU/mL,ρ(CODMn)<1.4 mg/L，可適用于井下降塵用水[1]。為礦井水回收再利用提供了新途徑。

1.3.2 超濾(UF)

超濾是一種介于微濾和納濾之間的二次過(guò)濾技術(shù)。超濾使用壓力驅(qū)動(dòng)在膜表面，膜濾孔進(jìn)行篩分和吸附，能夠有效篩分截留蛋白質(zhì)、膠體等大分子有機(jī)物質(zhì)。超濾技術(shù)具有過(guò)濾精度高、過(guò)濾產(chǎn)量大、過(guò)濾能力穩(wěn)定等特點(diǎn)，同時(shí)超濾技術(shù)的截留篩分能力在溶液濃縮和分離方面具有較大優(yōu)勢(shì)。目前超濾技術(shù)已廣泛應(yīng)用于飲用水深度處理工藝中。部分礦區(qū)中已采用混凝—超濾工藝處理礦井水，出水濁度<0.3NTU ,ρ(COD)<11 mg/L，細(xì)菌去除率99.9 %，出水可回用于水質(zhì)要求較高的煤礦生活用水和消防灑水等。

1.3.3 納濾(NF)

納濾是目前較為熱門(mén)的一種膜分離技術(shù)，它是一種低壓反滲透過(guò)濾技術(shù)，分離、過(guò)濾能力介于超濾和反滲透之間，屬于分子級(jí)膜分離技術(shù)。納濾采用壓力驅(qū)動(dòng)，使用較低的操作壓力，通過(guò)濾膜表面負(fù)電荷，在篩分效應(yīng)和道南效應(yīng)下，能夠?qū)μ囟ǖ娜苜|(zhì)具有高脫除率，從而實(shí)現(xiàn)有效去除小分子有機(jī)物和無(wú)機(jī)鹽等有毒有害物質(zhì)。納濾技術(shù)具有成本低、選擇性好、截留率高、軟化水質(zhì)等特點(diǎn)。納濾膜分離技術(shù)主要應(yīng)用于高礦化廢水處理，飲用水處理和有機(jī)物質(zhì)回收等領(lǐng)域。目前，對(duì)于較清潔的礦井水，聶錦旭等人已設(shè)計(jì)出納濾膜組合工藝，實(shí)現(xiàn)濾后的出水水質(zhì)符合日常生活飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(GB 5749-85)[2]。而對(duì)于高污染礦井水經(jīng)納濾膜處理，也有工藝能夠?qū)崿F(xiàn)出水水質(zhì)符合再生水標(biāo)準(zhǔn)，這對(duì)于礦區(qū)中冷卻用水回用和飲用水軟化等具有較為實(shí)際的應(yīng)用。近幾年來(lái)，隨著納濾膜性能的不斷提高，納濾膜組件的價(jià)格不斷下降，納濾膜在投資、操作和維護(hù)等方面已接近甚至優(yōu)于常規(guī)法。

1.3.4 反滲透(RO)

反滲透又稱逆滲透，是以濾膜兩側(cè)溶劑靜壓力差作為推動(dòng)力，當(dāng)一側(cè)溶劑的壓力值超過(guò)滲透壓時(shí)，膜兩側(cè)溶劑會(huì)逆著自然滲透方向進(jìn)行，使得低壓側(cè)得到透過(guò)的溶劑，即為滲透液；高壓側(cè)得到濃縮的溶液，即濃縮液。反滲透膜分離技術(shù)具有能耗低、運(yùn)行成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短、凈化率高、環(huán)境安全無(wú)污染。反滲透膜分離技術(shù)主要應(yīng)用于高品質(zhì)用水的深度處理，出水水質(zhì)極高，目前已能夠于礦井水處理、回收形成飲用水的工藝。同時(shí)，黃陵一號(hào)煤礦已采用超濾—反滲透工藝處理礦井水，出水水質(zhì)完全能夠回用作為電廠循環(huán)冷卻水使用[3]。四種常用膜分離技術(shù)示意圖，如圖2所示。

圖2 四種常用膜分離技術(shù)對(duì)比示意圖

2 礦井水處理工藝的注意事項(xiàng)

礦井水多為含懸浮物礦井水，其水量約占我國(guó)礦井涌水量60%以上。礦井水中主要含有以煤巖粉為主的懸浮物，可溶的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，有機(jī)污染物較少，一般不含有毒物質(zhì)。在進(jìn)行膜分離工藝對(duì)礦井水進(jìn)行處理回收過(guò)程中，懸浮物和不溶于水的雜質(zhì)嚴(yán)重降低了出水率和出水質(zhì)量，同時(shí)降低了濾膜的使用壽命。因此在預(yù)處理工藝同樣重要。目前，微濾及超濾工藝的主要預(yù)處理方法有混凝沉淀，納濾、反滲透工藝的主要預(yù)處理方法包括混凝沉淀、微濾和超濾等[4]。同時(shí)，在預(yù)處理工藝中，還應(yīng)根據(jù)不同來(lái)源的礦井水進(jìn)行有針對(duì)性的預(yù)處理，如水中多含有煤屑懸浮物，可以施加化學(xué)藥劑形成松散結(jié)合的礬花。同時(shí)通過(guò)靜置沉積和普通濾網(wǎng)進(jìn)行預(yù)處理，即可有效防止膜污染、膜孔堵塞。

納濾和反滲透工藝屬于壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離技術(shù)，在膜運(yùn)行過(guò)程中，提高壓力可增加溶劑膜通過(guò)率、提高分離效率。但高壓會(huì)加劇濾膜損傷及膜孔污染速度。因此合理規(guī)定膜運(yùn)行壓力，定期維護(hù)清洗濾膜，能夠有效延長(zhǎng)濾膜使用壽命，降低濾膜污染帶來(lái)的出水水質(zhì)不良等情況。

3 結(jié)語(yǔ)

礦井水處理，是解決礦區(qū)水污染嚴(yán)重和水資源匱乏局面的新出路，是社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的利益導(dǎo)向。相較于傳統(tǒng)礦井水處理工藝，膜分離技術(shù)具有投資少，運(yùn)行安全、出水質(zhì)量穩(wěn)定，出水品質(zhì)高等優(yōu)勢(shì)。隨著膜分離技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展，膜分離技術(shù)在工藝實(shí)現(xiàn)上具有更高可實(shí)施性和效益穩(wěn)定性。同時(shí)對(duì)于全球面臨的環(huán)境保護(hù)難題有著重要意義。膜處理技術(shù)在礦井水資源凈化領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景及不可替代的位置。