陕煤袁大滩煤矿1500m³/h矿井水深度处理案例分析
1.项目概况1.1项目简介2019年为了进一步落实国家《水污染防治行动计划》和《关于煤炭工业“十三五”节能环保与资源综合利用的指导意见》中提出的“推进矿井水综合利用，提高矿井水利用率”的相关要求，结合榆林市人民政府《关于矿井疏干水综合利用的意见》，陕煤化集团根据袁大滩煤矿实际，实施袁大滩煤矿矿井水深度处理综合利用项目。该项目处理规模1500m³/h（一期1000m³/h，远期500m³/h）。矿井水深度处理后回用，副产品硫酸钠、硫酸钙资源化利用，供给周边化工企业。1.2主要建设内容本项目所有系统单元（预处理系统单元、膜浓缩单元、蒸发结晶单元、污泥脱水单元、附属构筑物）的工艺设施，及其配套的建筑、结构、工艺管线、采暖通风及供热、电气、仪表自控、通信、照明、接地与防雷、视频监控系统、给排水及消防、景观绿化、公用设施、场地道路等设备或设施。1.3项目工艺本工程采用“高密池+过滤+RO+脱稳结晶器+药剂软化+过滤+DTRO+药剂软化+离子交换+平板纳滤(CDNF)+蒸发结晶干燥”工艺。2.水量平衡分析矿井水处理后，作为水源优先供矿井复用，多余水量供陕西未来能源化工有限公司及榆林地区疏干水综合利用工程回用。本矿井水源有两种，分别为生活用水水源和复用水水源。根据各用水点对水质的要求，生产生活杂用水、场地消防用水、井下消防洒水、选煤厂生产补充水、防尘用水、灌浆用水和绿化用水等采用复用水。矿井总用水量6793.1m3/d，其中复用处理后的矿井水量5097.46m3/d。井下排水复用水量统计表序号名称单位数量备注1主副井场地杂用水m3/d1785.362风井场地杂用水m3/d154.63系统除尘洒水m3/d115.24井下消防洒水m3/d2442.35灌浆用水m3/d600合计m3/d5097.46预处理矿井水复用的供需水量平衡图如下：
注：括号内为矿井涌水量达1360m3/h时的水量。3.废水处理零排放全流程系统介绍3.1进水来源、规模：本工程矿井水深度处理站的来水接自现有水处理设施的出水，根据近期矿井实际涌水量监测数据，结合矿井水复用情况，同时考虑矿井井下涌水趋势，确定矿井水深度处理项目处理水量按1000m3/h设计，在矿井达产后，涌水量达到最大预测涌水量时，远期增加500m3/h。由此确定，本工程处理规模为24000m3/d，1000m3/h；远期规模增加12000m3/d，500m3/h。3.2.1设计进水水质 进水水质全分析报告表检测结果检测项目单位检测结果检测项目单位检测结果阳 离 子Na+mg/L495.5硬 度总硬度mmol/L9.98Ca2+mg/L340.0碳酸盐硬度mmol/L2.03Mg2+mg/L35.7非碳酸盐硬度mmol/L7.95NH4+mg/L0.06碱 度总碱度mmol/L2.03K+mg/L4.89酚酞碱度mmol/L0.00Tfemg/L0.02甲基橙碱度mmol/L2.03Al3+mg/L0.15其 他总固型物mg/L3135Cu2+mg/L未检出溶解固型物mg/L3130Ba2+mg/L0.04悬浮固型物mg/L5Sr2+mg/L0.05全硅mg/L15.00总计mg/L876.41活性硅mg/L11.50阴 离 子OH-mg/L0.00非活性硅mg/L3.50Cl-mg/L50.20氨氮mg/L0.10SO42-mg/L1774.54CODmg/L5.00HCO3-mg/L158.55BODmg/L0.70CO32-mg/L0.00pH7.85NO3-mg/L0.78浊度NTU18.0NO2-mg/L0.02电导率μS/cm4000PO43-mg/L0.04F-mg/L0.2总计mg/L1984.33备注本检测结果只对来样负责。根据四组水质分析报告的数值变化趋势可知，随着矿井不断开拓，矿井水涌出水质更加接近井田水文地质勘探报告。2013年水质分析报告为建井初期水质，其水中含盐量较少，符合勘探报告中“白垩系下统洛河组及侏罗系中统安定组”潜水含盐量较低的情况；随着井下开采的深入，井下涌水水质情况复杂化，属于侏罗系中统安定组的潜水进一步析出，其含盐量在各层极不稳定，含盐量较高的含水层将矿井涌水总含量提高，从2017年水仓取水水质报告可以看出，矿井涌水的总含盐量已较2013年有显著提提升。随着矿井开采趋于稳定，2号煤层之下至第一段底部碎屑岩类裂隙承压水成为矿井涌水主要来源，此时矿井开采量基本稳定，井下涌水量及水质亦趋于稳定，2019年对现有水处理装置取样化验的结果跟水文地质勘探报告的情况基本相符，是矿井今后长期排水水质的可靠参考。综合考虑上述多个水样数据分析，结合近期主要水质指标的监测结果，并比照同区域同类型煤矿矿井水水质，同时兼顾矿井水水质波动的实际情况，本工程设计进水水质按表3.2-5执行。设 计 进 水 水 质检验项目单位数 值检验项目单 位数 值K+mg/L5.38溶解性固体mg/L3233Na+mg/L545.08总硬度(CaCO3计)mg/L1050Ca2+mg/L355.00碳酸盐硬度mg/L224Mg2+mg/L39.31非碳酸盐硬度mg/L826SO42-mg/L1952.28总碱度(CaCO3计)mg/L224Cl-mg/L55.22悬浮物mg/L50HCO3-mg/L158.88全硅(SiO2)mg/L15F-mg/L1.1CODCrmg/L8pH--7-8.5油类mg/L0.3**：矿井现有水处理设施的高效旋流净化器内设置有EPS发泡塑料滤珠，具有较强的表面吸附作用，结合特殊的出水机构，可拦截吸附矿井水中附带的大部分机械油污。同时考虑到井下油污泄漏量与矿井涌水量的比例关系，进水油类含量按0.3mg/L执行。3.2.2设计出水水质根据《榆林市矿井水综合利用方案指导意见》(榆政发2018[24号])的要求，对矿井疏干水应“循环利用，达标排放”，水质必须符合GB 3838-2002 《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准。同时，结合生态环境部、国家发改委及国家能源局联合发布的《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》（环环评[2020]63号）中相关要求：“矿井水在充分利用后仍有剩余且确需外排的，经处理后拟外排原，除应符合相关法律法规政策外，其相关水质因子值还应满足或优于受纳水体环境功能区划规定的地表水环境质量对应值，含盐量不得超过1000毫克/升，且不得影响上下游相关河段水功能需求。”另外，建设单位与陕西未来能源有限公司签订了《未来能源供水框架协议》，提出未来能源生产用水水质要求，确定本工程产水需要达到GB 3838-2002 《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准，且TDS≤600mg/L。综上，本工程出水水质在遵守国家及地方相关政策及文件要求的同时，亦考虑用户（陕西未来能源化工有限公司）对水质的需求，确定出水水质在达到GB 3838-2002 《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准的前提下，同时满足含盐量不超过600mg/L的要求。《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水体标准限值指标如下：地表水Ⅲ类标准 单位：mg/L序号分类标准值项目Ⅲ类1水温（℃）人为造成的环境水温变化应限制在：周平均最大温升≤1 温降≤22pH值（无纲）-6-93溶解氧≥54高锰酸盐指数≤65化学需氧量（CODCr）≤206五日生化需氧量（BOD5）≤47氨氮（以NH3-N计）≤18总磷（以P计）≤0.2（湖、库0.05）9总氮（湖、库，以N计）≤110铜≤111锌≤112氟化物（以F-计）≤113硒≤0.0114砷≤0.0515汞≤0.000116镉≤0.00517铬（六价）≤0.0518铅≤0.0519氰化物≤0.220挥发酚≤0.00521石油类≤0.0522阴离子表面活性剂≤0.223硫化物≤0.224类大肠杆菌群（个/L）≤100003.2.3副产物1）无水硫酸钠本项目副产品主要指经过蒸发结晶工艺后产生的结晶盐，副产品元明粉达到GB/T6009-2014《工业无水硫酸钠》I类一等品，具体指标如下：无水硫酸钠指标序号项目名称Ⅰ类一等品 指标1硫酸钠(Na2SO4)ω/%≥99.02水不溶物ω/%≤0.053钙和镁(以Mg计)ω/%≤0.154钙(Ca)ω/%≤-5镁(Mg)ω/%≤-6氯化物(以Cl计)ω/%≤0.357铁(Fe)ω/%≤0.0028水分ω/%≤0.209白度(R457)/%≥8210pH(50g/L水溶液,25℃)-2）石膏一般所称的石膏可泛指生石膏和硬石膏两种矿物，生石膏为二水硫酸钙（CaSO4·2H2O），硬石膏为无水硫酸钙（CaSO4）。根据石膏的形成方式可以分为天然石膏和化学石膏。化学石膏是工业生产过程中，化学反应产生的二水硫酸钙的总称，常见的两种化学石膏为在磷酸生产中用硫酸处理磷矿时产生的磷石膏和火力发电烟气脱硫产生的脱硫石膏。目前国家针对以上两种化学石膏制定了国家标准，分别为GB/T 23456-2009《磷石膏》和GB/T 37785-2019《烟气脱硫石膏》，但尚未制定矿井水处理领域副产物石膏的相关标准。通过分析GB/T 23456-2009《磷石膏》和GB/T 37785-2019《烟气脱硫石膏》可以发现，标准中对二水硫酸钙（CaSO4·2H2O）质量分数的最低要求为≥65%，因此本项目可以依据此指标作为副产石膏的质量要求。3.2.4处理程度对比设计进出水水质，可知：原水中超标项目主要为溶解性总固体。针对超标项目，本工程需要将原水中的溶解性总固体降至600mg/L，故需对原水进行脱盐处理，脱盐水回收率约为95.5%。脱盐处理产生的浓盐水蒸发结晶，产生结晶盐最低满足工业无水硫酸钠工业盐标准(GB/T6009-2014) Ⅰ类一等品标准，产出无水硫酸钠结晶盐约1.93t/h，产出混盐约0.10t/h，混盐产生率≤8%。3.3工艺流程及特点3.3.1工艺流程图
各工艺段详述如下3.3.2预浓缩段
经场地内已建的高效旋流工艺预处理后的出水全部进入新建的原水调节池，经原水提升泵加压提升至高密池Ⅰ，在池内混合段投加PAC、PAM、石灰及磁粉等药剂，经絮凝、沉淀等处理过程后，出水进入V型滤池进行过滤，滤后水储存在中间水池内，然后由泵提升至细砂过滤器Ⅰ并进入反渗透（RO）浓缩，浓缩液继续进入脱稳浓缩段，产水进入产水池。3.3.3脱稳浓缩段
反渗透（RO）浓水经提升泵提升后进入脱稳结晶器，过饱和硫酸钙析出去除水中大部分的硫酸钙，经过脱稳结晶器可去除水中超过70%的硫酸钙，大大降低软化药剂的投加费用；脱稳结晶器出水自流进入高密池Ⅱ，通过投加软化药剂的方式打破水中硫酸钙过饱和的状态，保证碟管式反渗透(DTRO)不会发生硫酸钙结垢，高密池Ⅱ出水经细砂过滤器Ⅱ截留水中的悬浮物和胶体，保证出水浊度达到进碟管式反渗透(DTRO)要求，其中碟管式反渗透(DTRO)产水进入产水池，浓水进入深度浓缩段。3.3.4深度浓缩段
碟管式反渗透(DTRO)浓水经提升泵提升后进入高密池Ⅲ，通过投加氢氧化钠、碳酸钠、混凝剂/PAC、PAM等药剂去除水中绝大多数的硬度、碱度、二氧化硅，其出水经细砂过滤器Ⅲ截留水中的悬浮物和胶体，保证出水浊度达到进离子交换要求；利用树脂吸附水中残存硬度，为预防后续膜系统和蒸发系统出现结垢提供保障；离子交换出水进入平板纳滤（CDNF），利用NF对一、二价离子的选择透过性，使大部分氯离子进入产水中，浓水中硫酸钠的比例进一步提高，并进入蒸发干燥段进行最终浓缩。3.3.5蒸发干燥段
平板纳滤(CDNF)浓水进入MVR,蒸发结晶系统处理产生氯化钠结晶盐，经过流化床干燥处理后达到GB/T6009-2014《工业无水硫酸钠》I类一等品，蒸发过程中产生的母液进入干燥设备干燥处理得到混盐。3.3.6污泥处理工艺高密池Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ产生的软化污泥通过污泥排放泵输送至污泥池Ⅰ，然后经浓缩处理后由压滤机供料泵输送到软化污泥隔膜压滤机装置进行脱水处理。脱稳结晶器产生的二水硫酸钙通过污泥排放泵输送至污泥池Ⅱ，然后经浓缩处理后由压滤机供料泵输送到二水硫酸钙隔膜压滤机装置进行脱水处理。3.4主要工艺设施3.4.1原水调节池有效容积1500m3，L×B×H：19.8×19.8×4m，1座，钢筋砼结构，地上式有盖保温构筑物，承接前端高效旋流系统产水，起到缓冲作用，调节时间1h。3.4.2高密度沉淀池Ⅰ采用机械搅拌混合，单座处理能力800m3/h，高密度沉淀池Ⅰ数 量：2座处理能力：800m3/(h·套）材 质：钢筋砼结构3.4.3V型滤池单座处理能力400m3/h，总设计过滤水量1600m3/h。1V型滤池数 量：4座处理能力：400m3/(h·座）3.4.4细砂过滤器Ⅰ项目名称单位数据设备数量台20，16用4备型 式-垂直圆筒3.4.5反渗透装置反渗透装置（RO）数 量：7套（6用1备）处理能力：170m3/(h·套）回 收 率：≥70%3.4.6脱稳结晶器脱稳结晶器数 量：3座单台出力：200-300 m3/h材 质：碳钢防腐3.4.7高密度沉淀池Ⅱ高密度沉淀池Ⅱ数 量：2座处理能力：300m3/(h·套）3.4.8细砂过滤器Ⅱ1设备数量台7，6用1备2型 式-垂直圆筒3.4.9DTRO装置DTRO装置（DTRO）数 量：7套（6用1备）处理能力：64m3/(h·套）回 收 率：≥70%3.4.10高密度沉淀池Ⅲ高密度沉淀池Ⅲ数 量：2座处理能力：50m3/(h·套）3.4.11细砂过滤器Ⅲ项目名称单位数据设备数量台2，1用1备型 式-垂直圆筒3.4.12离子交换器离子交换器数 量：3台 (2用1备)形 式：垂直圆筒3.4.13CDNF装置CDNF装置（CDNF）数 量：2套处理能力：25m3/(h·套）回 收 率：≥58%3.4.14MVR装置MVR装置数 量：2套蒸发量：8m3/(h·套）4．关键控制参数及运行中重点事项4.1关键控制参数本装置的关键控制参数见表：位置名称控制项目单位指标范围高密池Ⅰ出水浊度NTU≤3V型滤池出水浊度NTU≤3砂滤器Ⅰ出水SDI≤4反渗透进水pH6.8~7.5ORPmV-200~200出水回收率%≥70脱稳装置产水硫酸钙饱和度%≤120高密池Ⅱ出水浊度NTU≤3砂滤器Ⅱ出水浊度NTU≤1DTRO进水pH6.8~7.5出水回收率%≥70高密池Ⅲ出水浊度mg/l≤3总硬度mg/l≤150砂滤器Ⅲ出水浊度NTU≤1离子交换出水总硬度mg/L≤20CDNF出水回收率%≥58蒸发结晶系统进水TDSmg/L≥160000盐品质I类一等品4.2运行中的重点事项（1）本项目进水经过高效旋流器处理，但处理效果不稳定，导致原水浊度波动大，高密池Ⅰ的抗冲击能力要足够大。（2）本项目采用“高密池+磁分离”耦合技术，出水浊度可达3NTU以下，需重点关注磁粉量是否足够，不足时及时添加。（3）尽量减少滤池/过滤器反洗、离子交换器再生废水造成的内循环，将废水回流至TDS相近的工艺段。（4）因本项目采用了脱稳结晶技术，需关注脱稳产水钙硬度，及时调整高密池加药量，防止加药量过大造成运行成本增高。（5）因本项目采用纳滤分盐工艺，氯离子大部分透到产水侧，可与反渗透产水混合达标外排，大大降低系统能耗，减少蒸发处理量，因此需格外关注平板纳滤氯离子截留率情况。5.建设、运行经验及建议（1）零排放项目需充分考虑设备备用，并预留足够的设计裕量，防止因设备故障造成全线停产。（2）加药间集中布置，且距加药点就近布置，盐酸、硫酸等具有腐蚀性的药剂要单独隔离；（3）MVR蒸汽压缩机必须考虑电机检修吊装设施；其他泵房等同样考虑检修吊装设施；（4）运行过程中，要考虑整套系统水量的匹配，避免后端系统超负荷运行；（5）运行过程中，加药量要根据水质水量的变化进行及时调整，避免加药不足或过剩情况的发生。（6）CDNF可浓缩至TDS 16000mg/L以上，且氯化钠有较好的负截留率，证明在高盐情况下可以获得更好的分盐效果。（7）因本项目采用脱稳结晶技术，可去除水中70%以上的钙离子，大大降低药剂投加成本。“2021煤矿与煤化工环境治理与保护产业大会”暨“鄂尔多斯环博会”10月20日鄂尔多斯召开5位院士、100多位行业专家，300多家煤炭、化工、电力企业，30多家设计院（工程公司），160个展位，1000多名参会代表，2000多名专业观众。火热报名中......地方政府、园区、行业协会，煤炭、化工、电力企业免收会务费，提前预约，提供餐饮！！！
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大会日程安排会议室名称21日上午21日下午22日上午22日下午23日全天A、C展馆2021煤矿与煤化工环保技术装备展示对接参观考察矿井水、煤化工废水处理和固废处理与资源化利用项目B馆主会场开幕式及院士论坛C馆会场矿井水资源化利用700人礼堂煤化工废水资源化300人报告厅VOCs会议室A绿色矿山焦化兰炭废水会议室B水处理剂燃煤电厂废水乌兰或锦江固废主要内容主论坛： “双碳、双控”目标下的煤炭及深加工产业发展院士论坛分论坛1：第六届煤炭矿井水深度处理与资源化利用技术研讨会分论坛2．第十届煤化工水处理技术发展与应用创新大会；分论坛3. 煤焦化、兰炭水处理技术专题研讨会；分论坛4．燃煤电厂水处理技术发展与应用论坛；分论坛5. 煤化工VOCs管控与治理高峰论坛；分论坛6．煤炭与煤化工固废处理与资源化利用技术研讨会；分论坛7．绿色矿山建设高峰论坛分论坛8. 水处理剂新产品、新技术发展与应用专题研讨会在线报名