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高礦化度礦井水處理工程實踐與展望
中國的教育資源和水資源呈顯著的逆向分布。西部地區(qū)水資源特別不足,嚴重制約了該地區(qū)煤炭和下游產業(yè)的發(fā)展。煤炭開采過程產生的礦井水,可作為主要的非常規(guī)水資源,為煤炭的清潔高效利用乃至地區(qū)經濟社會的發(fā)展提供一定的保障。寧東能源化工基地(以下簡稱寧東基地)屬于典型的水資源總量短缺,但礦井水資源較豐富,同時煤基產業(yè)用水需求大的地區(qū)。本文對寧東基地高礦化度礦井水處理工程實踐進行分析,并結合寧東地區(qū)產業(yè)特點對大規(guī)模低成本處理發(fā)展方向進行技術經濟分析,以期為解決寧東基地水資源短缺問題提供技術路徑,為西部煤基產業(yè)與水資源的協調開發(fā)提供借鑒。1煤炭基地的發(fā)展現狀寧東基地是我國重要的能源基地,是國家14個億噸級大型煤炭基地之一,國家千萬千瓦級大型煤電基地和現代煤化工產業(yè)示范區(qū),對寧夏經濟社會發(fā)展具有舉足輕重的作用。據統(tǒng)計,寧東基地2018年煤炭產量為7.091×102礦井水處理現狀寧東基地高礦化度礦井水的處理主要包含三種技術路線,一是僅做常規(guī)處理(混凝、沉淀、過濾);二是脫鹽處理(預處理+反滲透深度處理);三是零排放處理(預處理+深度處理+結晶固化)。目前大部分高礦化度礦井水僅做常規(guī)處理后直接排放;部分煤礦采用預處理+反滲透深度處理后用于礦井自身回用、供給周邊電廠及生態(tài)補水;近期,國家能源集團寧夏煤業(yè)建成了1500m2.1混絮凝劑混懸液以混凝、沉淀為主線的常規(guī)處理主要去除高礦化度礦井水中的懸浮物,礦井水中加入混(絮)凝劑后,經過混合作用,水中膠體雜質凝聚成較大的礬花顆粒,在沉淀池中去除。由于礦井水中懸浮物與混凝劑親和能力弱,形成的礬花較松散,沉淀性能差,沉降速度較慢,需要足夠的占地面積才能滿足出水要求2.2反滲透深度礦井水處理為解決煤礦自身和周邊生態(tài)用水需求,棗泉、任家莊等煤礦通過預處理+反滲透深度處理利用了一部分高礦化度礦井水。以處理規(guī)模較大的寧夏煤業(yè)棗泉煤礦為例,采用預調節(jié)池+高密度沉淀+V型濾池+超濾+反滲透工藝處理高礦化度礦井水。礦井水超濾+反滲透深度處理規(guī)模為8100m2.3寧東基地高礦化度礦井水處理工程實踐近年來,隨著國家對環(huán)境保護要求的不斷提高,國家能源集團寧煤礦井水零排放項目是國內規(guī)模最大、工藝路線最完善、鹽品質量最高、雜鹽率最低的礦井水零排放項目一階段主要通過預處理及膜脫鹽工序優(yōu)先實施減量化,首先采用雙堿法+專有藥劑的方式在微渦流軟化沉淀池內進行絮凝、沉淀去除大部分硬度和硅;接著利用纖維濾池去除礦井水中的大部分懸浮物;然后通過超濾進一步去除懸浮物及膠體、細菌等;最后利用反滲透法去除礦井水中大部分鹽,一階段產品水回收率為75%。二階段是對一階段反滲透濃水的進一步分鹽、濃縮及結晶處置,濃水TDS約為22000mg/L,處理規(guī)模約為375m綜上所述,寧東基地高礦化度礦井水處理所用單元技術較為成熟。但由于礦井水礦化度高、硬度高,處理裝置工藝復雜、投資高、處理成本高等問題不容忽視,如何降低高礦化度礦井水處理的成本是實現寧東地區(qū)礦井水大規(guī)模利用的重要前提和研發(fā)方向。3寧東基地高礦化度礦井水大規(guī)模低成本處理發(fā)展方向結合寧東地區(qū)產業(yè)特點和能源稟賦條件,重點圍繞低成本熱源利用、縮短工藝流程、提高產品水質、井下就地處理和封存等方面,對寧東基地高礦化度礦井水大規(guī)模低成本處理發(fā)展方向進行研究。3.1低溫多效蒸發(fā)處理技術低溫多效蒸發(fā)是目前海水淡化領域使用較為廣泛的一種熱法脫鹽技術以寧東地區(qū)某煤礦礦井水地面濃縮為例,原水礦化度約為6000mg/L,處理規(guī)模為500m總體來看,由于可以利用廉價的余熱,在寧東基地利用低溫多效蒸發(fā)技術具有成本和產水水質兩方面的優(yōu)勢。同時進一步優(yōu)化低溫多效蒸發(fā)的設備材料和結構,降低設備投資成本,有利于進一步拓展該技術在高礦化度礦井水處理領域的應用。3.2膜蒸發(fā)處理膜蒸餾在高鹽廢水處理領域具有獨特優(yōu)勢,寧東地區(qū)應用膜蒸餾處理高礦化度礦井水的優(yōu)勢主要體現在筆者前期研究表明3.3礦井設計發(fā)展現狀高礦化度礦井水在經過懸浮物去除和脫鹽濃縮后,都會產生一部分高含鹽量的濃水。隨著環(huán)保要求的日益增加,寧東地區(qū)已要求礦井水實現零排放,成本很高。為實現脫鹽濃水的低成本處置,可借鑒煤礦地下水庫井下儲水的技術思路,首先在井下進行礦井水預處理和脫鹽處理,再采用井下采空區(qū)作為濃鹽水儲庫,將產生的濃鹽水在儲庫中安全封存高礦化度礦井水井下處理的關鍵是脫鹽,可采用反滲透技術,產生的高鹽濃水則可以采用井下封存實現零排放。井下脫鹽處理后的產水品質好,綜合利用途徑較多,首先可用于井下消防灑水,包括采煤機、掘進機、支架、轉載點噴霧用水等,實現井下就地處理利用;大部分產水可提升至地面作為生產、生活、生態(tài)用水。高礦化度礦井水井下處理與濃鹽水封存技術路線見圖5。寧東地區(qū)的靈新煤礦目前正在建設高礦化度礦井水地下分質利用與封存技術研究及工程示范項目。項目采用“井下重介速沉預處理+井下反滲透脫鹽+井下濃鹽水封存”的技術路線,設計規(guī)模為550m礦井水的井下處理還存在一些有待進一步攻關的技術難點和研發(fā)方向,一是系統(tǒng)選址需合理利用井下廢棄巷道同時適當進行空間擴展;二是系統(tǒng)安裝需保證設備選型和尺寸設計滿足井下運輸和安裝要求,實現模塊化運輸安裝;三是系統(tǒng)運行需滿足特殊安全措施,像防爆、防水、防潮、防塵和防靜電技術等。4礦井水處理技術方案選擇寧東基地水資源短缺,充分利用礦井水是緩解短缺的重要途徑之一。寧東基地礦井水現有利用率不足30%,均屬于高礦化度礦井水的特點制約了其利用率的提高。寧東基地礦井水處理現有工程實踐包括常規(guī)處理、預處理+反滲透深度處理和零排放處理三種,降低處理成本是實現其礦井水大規(guī)模利用的重要前提。為實現礦井水大規(guī)模低成本處理需充分利用寧東地區(qū)的產業(yè)優(yōu)勢和資源稟賦。當充分利用燃煤電廠余熱時,低溫多效蒸發(fā)可取代反滲透進行高礦化度礦井水地面脫鹽,具備成本低和產水品質好的優(yōu)勢。膜蒸餾結合新能源可在地面(太陽能)或井下(地熱能)對高礦化度礦井水進行濃縮處理。礦井水的井下處理與濃鹽水封存技術方案可大
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