由于受國家環保政策影響和地方環境條件限制，礦井水零排放已經成為行業必然趨勢，成為煤礦企業安全生產的重要環節，是煤礦企業健康可持續發展重點。隨著零排放及結晶鹽資源化利用技術的客觀需求，以及行業標準的不斷提高，國內外各種新技術、新產品不斷涌現，極大促進了該領域的技術進步和發展。

1、項目概述

本項目地處內蒙古鄂爾多斯市，是年產1500萬t特大型煤礦，項目總投資70億元。本項目的煤礦可采儲量大，開采條件優越，煤炭質量高，是鄂爾多斯地區優質礦井。本項目建設質量優，環境美，已經成為鄂爾多斯地區工業旅游項目，得到社會的高度認可。

1.1 原水水質及水量

礦井水深度處理膜濃縮單元一、二期處理能力為井下涌水600m3/h，最大處理水量不低于14400m3/d（不含系統自身循環水量），實際處理水量為12600m3/d。

設計進水TDS按3000mg/L考慮，并用TDS為5000mg/L來校核設計能力，具體指標見表1。

上述指標中總礦化度、總堿度、鈉離子、鐵離子、碳酸根及氯離子較高，陽離子以鈉離子為主，陰離子以硫酸根和氯離子為主；其他指標：CODcr≤50mg/L，SS≤10mg/L。

1.2 產水水質

本項目出水主要作為煤礦生活和生產用水，包括鍋爐用水，職工洗浴用水及其他生活、生產設施用水，礦井水深度處理廠成品水主要指標達到《生活飲用水衛生標準》（GB5749—2006）。

1.3 結晶鹽

硫酸鈉：符合GB/T6009—2003工業硫酸鈉Ⅲ類合格品，硫酸鈉含量≥92%（wt），含水率≤4%；

氯化鈉：符合GB/T5462—2003日曬工業鹽二級指標，氯化鈉含量≥92%（wt），含水率≤4%；

雜鹽：含水率≤8%；

2、工藝流程

本項目分為預處理+膜濃縮和蒸發結晶兩個工藝單元，礦井水經過絮凝、反應、沉淀、過濾后，自流進入凈化水池，經過預處理+膜濃縮處理后，淡水進入成品水外送水池。膜濃縮產生的濃水，進入蒸發結晶單元，最終得到無水硫酸鈉產品，實現結晶分鹽，產出合格的氯化鈉和硫酸鈉。工藝流程見圖1。

上述工藝產生的淡水、冷凝水進入成品水外送水池。蒸發結晶工藝前設事故水池，蒸發結晶冷卻水采用凈化水池中的礦井水冷卻，同時對凈化礦井水升溫。蒸發結晶分鹽工藝流程圖見圖2。

2.1 預處理

由于來水中的鐵以Fe2+的狀態存于水中，水有異色異味，污染離子交換樹脂而降低交換能力，長時間后生成鐵垢，影響傳熱，能腐蝕設備。故設計在來水水池內進行曝氣和加入氧化劑，將鐵離子變成氧化鐵后，通過錳砂過濾器，使其在濾層中發生接觸氧化反應，依靠濾料表面生物化學作用和物理截留吸附作用，最終使鐵離子沉淀去除。用于地下水除鐵和除錳的天然錳砂濾料，錳的形態應以氧化錳為主。含錳量（以MnO2計，下同）不應小于35%的天然錳砂濾料，既可用于地下水除鐵，又可用于地下水除錳；含錳量為20%~30%的天然錳砂濾料，只宜用于地下水除鐵；含錳量小于20%的錳礦砂則不宜采用。根據實際運行數據，可以使鐵離子從0.12×10-6降至0.08×10-6，約40%的去除率。通過錳砂過濾器后，仍有大量的SS需要去除，故后面設置了超濾系統。

超濾膜是一種孔徑規格一致，額定孔徑為0.01μm以下的微孔過濾膜。在膜的一側施以適當壓力，就能篩出小于孔徑的溶質分子，以分離分子量大于500道爾頓（原子質量單位）、粒徑大于10nm的顆粒。超濾膜的篩分過程，以膜兩側的壓力差為驅動力，以超濾膜為過濾介質，在一定的壓力下，當原液流過膜表面時，超濾膜表面密布的許多細小的微孔只允許水及小分子物質通過而成為透過液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質則被截留在膜的進液側，成為濃縮液，因而實現對原液的凈化、分離和濃縮的目的。每米長的超濾膜絲管壁上約有60億個0.01μm的微孔，其孔徑只允許水分子、水中的有益礦物質和微量元素通過，而最小細菌的體積都在0.02μm以上，因此細菌以及比細菌體積大得多的膠體、鐵銹、懸浮物、泥沙、大分子有機物等都能被超濾膜截留下來，從而實現了凈化過程。超濾設計回收率為95%，SDI≤3。

2.2 膜濃縮

超濾處理后的水進入礦井水反滲透裝置、濃水反滲透裝置及DTRO裝置進行三級濃縮，三級濃縮的產水進入產品水池進行回用，最終的濃縮液進入蒸發結晶系統進行分鹽處理。由于經過二級濃縮后的濃縮液，鹽分及污染物相對較高，三級濃縮工藝段采用了高抗污染的DTRO裝置。

DTRO分離膜組件技術是反滲透技術領域取得的較大技術進展，其在垃圾滲濾液處理、海水、苦咸水脫鹽凈化、物料脫鹽濃縮以及廢水處理有廣泛的應用和成功案例。

DTRO膜組件是一種新型平板結構膜組件，與傳統的卷式膜截然不同。其內部機理如下：料液通過入口進入壓力容器中，從導流盤與外殼之間的通道流到組件的另一端，在另一端法蘭處，料液通過8個通道進入導流盤中（如圖3所示），被處理的液體以最短的距離快速流經過濾膜，然后180º逆轉到另一膜面，再從導流盤中心的槽口流入下一個導流盤，從而在膜表面形成由導流盤圓周到圓中心，再到圓周，再到圓中心的雙“S”形路線，濃縮液最后從進料端法蘭處流出。DT組件兩導流盤之間的距離為3mm，導流盤表面有一定方式排列的凸點。組件核心的過濾膜包由兩張同心環狀膜片組成，膜片中間夾著一層絲狀網形成透水格網，通過膜片的凈水沿絲狀格網流到中心拉桿外圍的透過液通道，導流盤上的O型密封圈防止原水進入透過液通道。透過液從膜片到中心的距離非常短，且對于組件內所的過濾膜片均相等。

DTRO膜組件的這種特殊的水力學設計使處理液在壓力作用下流經濾膜表面遇凸點碰撞時形成湍流，增加透過速率和自清洗功能，從而有效地避免了膜堵塞和濃度極化現象，成功地延長了膜片的使用壽命；清洗時也容易將膜片上的積垢洗凈，保證DTRO膜組件適用于惡劣的進水條件。三級濃縮的設計參數見表2。

2.3 蒸發結晶分鹽

（1）硫酸鈉蒸發結晶工段

經預處理后由膜濃縮工段濃縮后的濃鹽水通過蒸發結晶上料泵依次進入乏汽預熱器、生蒸汽冷凝水預熱器，預熱后的物料依次進入一效、二效、三效蒸發系統，濃縮到一定程度后由硫酸鈉出料泵送至硫酸鈉稠厚器，進入硫酸鈉離心機分離得到硫酸鈉晶體，此工段最后的產品為工業級的硫酸鈉，離心分離母液返回到原料罐。

（2）硫酸鈉冷凍結晶工段

該工段是將由三效分離室溢流所得一次母液打入冷凍結晶器，結晶器采用連續冷卻結晶器，控制結晶器內的冷凍溫度，將硫酸鈉蒸發器離心母液中的硫酸鈉盡可能全部以十水硫酸鈉的形式析出，使得剩余冷凍母液中的硫酸鈉的含量盡可能少。

離心后的十水硫酸鈉返回到原料罐，調整鹽硝的比例，冷凍母液進入氯化鈉蒸發器。

（3）氯化鈉蒸發結晶工段

該工段是將冷凍母液進行蒸發結晶，得到工業級的氯化鈉產品，該工段工藝采用的是氯化鈉單效強制循環蒸發器進行蒸發結晶濃縮工藝，飽和的氯化鈉溶液通過離心機分離得到合格的氯化鈉固體，離心母液到雜鹽處理工段進行處理。

（4）雜鹽處理工段

氯化鈉蒸發結晶工段產出的剩余母液中含有有機物和其他雜鹽，在雜鹽工段進行處理，處理工藝采用滾筒式干燥機，最后得到少量的雜鹽集中處理。

3、技術經濟分析

3.1 投資概算

該項目工程總投資9300萬元，包含一二期膜濃縮設備及安裝調試，一期蒸發結晶系統土建、設備及安裝調試。

3.2 運行費用

（1）藥劑費用

為保障系統正常運行，需投加如下藥劑：NaClO、非氧化性殺菌劑、還原劑、阻垢劑、鹽酸、NaOH、純堿、清洗藥劑。按一期處理水量300m³/h計算，合計藥劑運行費用3.14元/t。

（2）蒸汽費用

廠區有鍋爐房供給蒸汽作為蒸發結晶系統的熱源，按照噸煤市場單價計算，蒸汽單價在53元/t，按一期處理水量300m³/h計算，合計蒸汽運行費用1.34元/t。

（3）電費

電價按0.36元/度電計算，按一期處理水量300m³/h計算，合計運行電費1.76元/t。合計總運行費用（藥劑費+蒸汽費+電費）為6.24元/t。

4、結論

本項目運行多年，也暴露出諸多設計問題。由于礦井水的水量和水質波動較大，多個指標超標，包括硬度、硅等指標超標，帶來了膜系統的污堵、頻繁清洗、通量衰減等嚴重問題。

1）對礦井生產不同階段的涌水量要有長期預測，做好整體水平衡；

2）對于礦井水的來水情況，需做好充分的預判，尤其井下作業的特殊階段，來水中會有大量的浮油，建議調節池設置撇油裝置，防止對后續的膜系統造成污染；

3）需充分考慮硬度對系統整體的影響，在初濃縮工藝段需設置化學軟化工藝，減輕后續膜系統的污堵；

4）需考慮系統的冗余，提高系統的應對能力，關鍵膜系統單元，超濾、一、二、三級膜系統需考慮一定的備用量；

5）蒸發結晶分鹽需充分考慮鹽比例變化對系統的沖擊，及時對鹽平衡進行一定的調整，保證順利出鹽；

6）蒸發結晶布置時，需考慮將蒸發區域和出鹽區域分開，防止鹽分對設備造成的腐蝕；

7）蒸汽的穩定性對于蒸發結晶工段的運行是關鍵因素之一，需建立單獨分氣缸，保證蒸汽壓力的穩定。（來源：麥王環境技術股份有限公司）