高礦化度礦井水脫鹽技術研究進展

李 杰

(1.國家能源投資集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102211；2.中國神華能源股份有限公司 神東煤炭分公司技術研究院，陜西 榆林 719315)

0 引言

我國的煤炭資源和水資源明顯呈現逆向分布，西部地區(山西、陜西、內蒙古、寧夏、甘肅和新疆)的煤炭資源總量占全國煤炭資源總量的81%左右，而該地區的水資源僅占全國水資源的7.9%[12]。西部地區水資源嚴重短缺的情況一方面嚴重制約了該區域煤炭開發及下游產業的發展，另一方面也影響了當地人民的生產和生活[3]。在煤炭開采過程中，地下水與煤、巖層接觸，發生一系列物理、化學作用而形成礦井水。據統計，2018年我國礦井水總產生量約為69億t，平均利用率僅為35%[4]。礦井水的充分利用將在極大程度上解決我國西部煤炭產區的水資源短缺問題。礦井水的水質主要取決于地下水的原始水質，此外也受煤粉、巖粉以及采礦過程中排放的乳化液、廢物等的影響，礦井水按污染特點可以分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含特殊污染物礦井水[56]。

高礦化度礦井水一般指溶解性總固體(TDS)質量濃度不小于1 000 mg/L的礦井水，礦化度高的主要原因是地下水與碳酸鹽和硫酸鹽類巖層接觸，使該類礦物質溶于礦井水[78]。西部地區礦井水中的主要污染物是懸浮物(SS)和溶解性無機鹽，懸浮物可以通過混凝—沉淀—過濾、高密度斜板沉淀、微砂絮凝、磁分離以及煤礦地下水庫采空區凈化等技術以較低成本去除，尤其是煤礦地下水庫采空區凈化技術充分利用了采空區中冒落的巖體對礦井水的過濾、沉淀、吸附等作用，實現了礦井水的大規模低成本處理[9]。脫鹽過程是高礦化度礦井水處理中的重點和難點，常用的脫鹽技術可以分為膜法、電化學法和膜熱耦合法[10]。

1 膜法脫鹽

膜法脫鹽是在壓力作用下，通過膜上的孔將不同物質進行分離，實現脫鹽作用，用于高礦化度礦井水脫鹽的膜技術主要是反滲透(RO)深度脫鹽技術、納濾(NF)適度脫鹽技術。

1.1 反滲透深度脫鹽

反滲透是一種以壓力作為推動力，利用反滲透膜只允許水分子通過的特性，將水分子與水中的所有離子進行分離的技術，處理后低濃度側為產水，高濃度側為高濃鹽水[11]。反滲透技術工藝成熟，膜系統主要以苦咸水淡化膜(BWRO)、海水淡化膜(SWRO)和蝶管式反滲透膜(DTRO)為主，具體根據礦井水的TDS和污染程度選擇使用。反滲透產水的TDS可滿足不大于30 mg/L，且水中的有機物和微生物等污染物也可以有效去除。基于產水水質高的特性，RO已經成為高礦化度礦井水脫鹽最主要的方法。同時，應用RO技術脫鹽的企業也面臨著預處理要求高、膜結垢堵塞、產水回收率較低、高能耗、高成本等問題，這也是制約RO技術在高礦化度礦井水脫鹽領域大規模應用的因素。

國家能源集團寧煤靈新煤礦礦井水的礦化度平均值達到了4 570 mg/L，該礦采用“直濾系統+反滲透系統”的“井下雙膜法”深度處理工藝，有效實現懸浮物的去除和脫鹽的效果[12]。靈新煤礦礦井水在井下經預沉調節池進入直濾系統，直濾過程可以去除水中懸浮物、膠體等分子較大的物質。直濾產水經保安過濾器后，通過高壓泵供至原水反滲透設備，脫去水中絕大多數無機鹽和其他污染物，產生的純水進入純水產品池，產生的濃水進入納濾除硬設備。納濾膜可以有效去除水中二鉀離子，除硬效率達到90%以上，軟化后的濃水進入濃水池，軟化水經保安過濾器，通過高壓泵供至濃水反滲透設備進一步脫鹽，產生的純水進入純水產品池，產生的濃水進入濃水池。通過此套井下雙膜深度處理工藝，可以得到礦化度小于200 mg/L的產水，且產品水回收率達到85%以上。

韋文術等[13]對山東新巨龍煤礦井下礦井水處理裝置反滲透膜組件失效的原因進行了分析。在測試源水水樣中硬度、渾濁度和離子濃度等參數的基礎上，使用VisualMINTEQ計算環境水化學平衡工具監理了污染物預測模型，并通過肉眼檢測、燒矢量(LOI)、掃描電鏡(SEM)和藤原測試等方法對反滲透組件失效的原因進行了分析。通過分析，發現反滲透膜組件失效主要由是膜表面的結垢以及顆粒物沉積導致的，這主要是因為該礦井下供水的渾濁度和硬度過高，認為反滲透膜組件失效的情況可以通過對保安過濾器維護、增加阻垢劑等方式得到緩解。

1.2 納濾適度脫鹽

葛光榮等[16]針對目前高礦化度礦井水脫鹽技術存在的能耗高、工藝復雜、脫鹽過度等問題，提出了適用于礦區微咸礦井水(TDS在1 000～3 000 mg/L)的適度脫鹽工藝。通過實驗發現納濾膜能夠允許95%以上的一價離子通過，同時截留大部分的二鉀離子，表現出了很好地選擇透過性；同時，納濾膜在不同工藝條件下表現出37.4%～98.25%的脫鹽率，在微咸礦井水適度脫鹽方面表現出了明顯的優勢；此外，相較反滲透膜，納濾膜由于運行壓力低、孔徑大的特點，表現出了更好的抗污性能。

武睿等[17]以新疆某地地下水作為研究對象，發現該地區淺層地下水表現出堿性大、礦化度高、硬度高的特點。針對地下水高硬度、高礦化度的特點，選用以納濾為主的處理工藝對地下水進行處理，TDS去除率為81.37%、硬度去除率為90.88%，硫酸根的去除率為92.49%，出水水質優于飲用水國家標準。同時對反滲透和納濾工藝進行了比較，反滲透去除TDS、硬度和硫酸根的效率都優于反滲透，尤其是TDS去除率達到了97.51%，硬度和硫酸根的去除率方面相差不大，但是成本明顯高于納濾。

2 電化學法脫鹽

電化學法脫鹽主要實在外部電壓的作用下，高礦化度礦井水中正負離子定向移動導致的脫鹽作用。常見的電化學法脫鹽工藝主要是電滲析(ED)和電吸附(EST)。

2.1 電滲析脫鹽

電滲析是一種結合電化學和膜技術的礦井水脫鹽技術。在正負電極之間交替放置陰離子交換膜和陽離子交換膜，利用陰陽離子交換膜對陰陽離子的選擇透過性。在外加直流電廠的驅動下，使陰陽離子定向移動，在陰陽離子交換膜之間交替形成淡水室和濃水室，實現高礦化度礦井水的脫鹽[18]。電滲析脫鹽技術最適宜將礦化度為1 000～5 000 mg/L的礦井水脫至500 mg/L左右，我國西部地區絕大部分礦井水適宜采用電滲析技術脫鹽。電滲析技術具有應用靈活、操作簡單、維修方便、預處理簡單和壽命長的優點，很好就被應用在礦井水脫鹽中。同時電滲析技術也因為不能去除有機物、易結垢、脫鹽率低的問題逐漸被反滲透技術取代。

叢鑫[19]對海州露天煤礦排水坑礦井水進行了電滲析除鹽試驗，利用電壓電流法測試了電滲析工藝的極限電流密度，不斷提高操作電壓獲得電流值與脫鹽率的關系。試驗結果顯示電滲析工藝的極限電流為1.86 A，對應的操作電壓為55 V，此時礦井水的脫鹽率在70%以上，淡水中總硬度、溶解性總固體達到了飲用水標準。

2.2 電吸附脫鹽

電吸附脫鹽技術是利用外加電場，在電極間形成靜電場，在靜電場的作用下，高礦化度礦井水中正負離子分別向不同的電極移動，吸附在電極表面，從而達到高礦化度礦井水脫鹽的目的。與應用較廣的反滲透和電滲析相比，電吸附具有除鹽總量大、無二次污染、耐沖擊性能強、不受余氯影響、預處理簡單、結垢少、壽命長、操作簡單、成本低、除鹽率連續可調、可去除特殊離子(如F-)的優點，同時也存在除鹽率低、再生時間長等致命缺點，這也是導致電吸附技術目前在高礦化度礦井水脫鹽領域無法大面積使用的原因[21]。

李鳳山等[22]采用雙模塊電吸附裝置對礦井水進行了20 d的連續試驗，平均處理量為4 932 m3/d，試驗主要研究電吸附工藝對溶解性總固體、堿度、硬度、Cl-、CODCr等指標的處理效果。試驗結果表明，進水TDS在1 600～1 800 mg/L時，脫鹽率可以達到40%～50%；產水的堿度和硬度分別保持在90～120 mg/L、60～100 mg/L，均達到電廠循環冷卻水水質要求；產水中Cl-在投加鹽酸后仍可低于進水濃度，且完全能夠滿足電廠循環冷卻水的要求；產水CODCr較原水略低，但去除效果不明顯。

濟寧三號煤礦利用混凝沉淀+電吸附技術該礦的高懸浮物、高礦化度礦井水進行分質處理和利用，取得了很好地經濟和生態效益[23]。該礦礦井水具有高懸浮物、高礦化度的特性，其中懸浮物含量在300～2 000 mg/L，TDS為1 690 mg/L，總硬度和總堿度分別為216 mg/L和533 mg/L。電吸附設計處理能力為8 000 m3/d，產水率75%。以6 000 m3/d流量對設備進行調試時，產水率也達到了78.1%，產水TDS≤640 mg/L，總硬度和總堿度分別小于91 mg/L和189 mg/L，水質優于電廠循環冷卻水的要求。

3 膜-熱耦合法脫鹽

膜熱耦合法是結合傳統蒸餾工藝和膜技術的一種新型脫鹽方法。目前，用于礦井水脫鹽領域研究的技術只有膜蒸餾(MD)技術。

膜蒸餾技術是以疏水性微孔膜作為分離界面，以膜兩側蒸汽壓力差作為傳質驅動力的一種分離技術。膜蒸餾設備一般可以分為進料側、疏水膜和滲透側。膜蒸餾過程可以分為3步：①高溫水在進料側汽化；②水蒸氣穿過疏水膜進入滲透側;③水蒸氣在滲透側進行冷凝。按照滲透側的不同冷凝方式，膜蒸餾可以分為以下4種：直接接觸式膜蒸餾(DCMD)、氣隙式膜蒸餾(AGMD)、吹掃氣式膜蒸餾(SGMD)和真空式膜蒸餾(VMD)[2425]。與傳統膜脫鹽技術相比，膜蒸餾技術操作壓力低、濃縮倍數高、產水水質好。與傳統蒸餾技術相比，膜蒸餾技術系統簡單、溫度要求低、熱源要求低。由于目前膜蒸餾技術在高礦化度礦井水脫鹽領域研究起步較晚，還沒有成熟的進行應用。

卞偉等[2627]以西部某煤礦礦井水地面處理站超濾后的礦井水作為來水，研究了工藝參數、運行時間等對膜蒸餾處理效果和膜性能的影響。試驗結果表明，對膜通量影響最大的因素是冷側真空度，最優操作條件為熱料液溫度75 ℃、流量1 L/min、真空度90 kPa；膜通量隨著濃縮倍速的增加而明顯降低，脫鹽率則始終不變，始終維持在99.5%以上；隨著運行時間的增加，膜通量逐漸下降，這主要是因為膜污染和膜潤濕。

4 結論

(1)現有高礦化度礦井水脫鹽技術可以實現高效脫鹽，產水水質完全可以滿足復用和排放要求，但現有技術普遍存在高能耗、高成本的問題。

(2)針對高能耗、高成本的問題，明確“分質處理，分類利用”的適度脫鹽的思路，從源頭上降低脫鹽成本。

(3)應充分利用西部地區太陽能、地熱資源豐富的特點，開發適合西部地區礦井水脫鹽處理的新技術。