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矿井水深度处理系统膜污堵分析及优化方案

2024-03-03 72 上传者：管理员

摘要：本文以陕北地区某甲醇厂为案例，深入分析矿井水深度处理系统中膜污堵的成因，并详细阐述解决方案和具体的控制措施。通过改进后的运行效果来看，处理后的水质能够完全满足循环水和混床进水供给的需求，从而实现系统的稳定生产。深井水的回收与再利用显著降低了运营成本，为该技术的广泛应用提供了广阔的前景。

关键词：
反渗透
开采煤矿
矿井水回用
膜污堵
超滤
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1、背景

陕北作为我国煤炭资源富集区，大量开采煤矿过程中会破坏地下水含水层，导致大量地下水灌入而产生矿井水。近些年，我国水资源短缺日趋严重，陕北地区受到地理位置、气候和地形等因素影响水资源时空分布不均，更加剧了该地区水资源匮乏问题。随着水再生利用技术的发展，膜法处理技术以其操作方便、模块化集成度高、自动化程度高、能耗低等特点成为核心水处理工艺。利用膜法处理工艺实现矿井水的深度处理和循环利用，可有效避免井水外排造成的水资源浪费和环境污染，大幅降低煤化工等企业的生产成本。然而在超滤和反渗透过程中，随着过水量增加，膜表面截留的无机盐垢、微生物、胶体颗粒和不溶性的有机物质不断累积，会出现污堵膜孔产水流量下降、运行压差升高等问题，导致系统生产水质量下降。

基于上述问题，本文以陕北某甲醇厂矿井水深度处理系统为例，进行拥堵多因素问题分析，并提供实施的优化方案和控制措施，为提高双膜系统运行稳定、降低运营成本提供参考。

2、工程概述

陕北某甲醇厂接收其煤矿矿井水作为生产用水，分两期进行建设，一期处理水量570 m3/h，包括5套超滤系统、4套反渗透系统、2套浓水反渗透系统；二期处理水量500 m3/h，包括5套超滤系统、2套反渗透系统、1套浓水反渗透系统，矿井水处理采用主体工艺为：混凝絮凝+V型滤池（规模1 100 m3/h）+超滤（UF）+反渗透（RO）双膜法。

2.1 工艺设计

为保证矿井水系统稳定运行，提高整体回收率，减少外排水量，超滤反洗水经斜板沉淀池+多介质过滤器回收，反渗透浓水经浓水反渗透二级处理，各单元均设有加药系统，包括；预处理加药系统（PAC聚合氯化铝、PAM聚丙烯酰胺、次氯酸钠）、超滤加药系统（CEB和CIP的酸洗及碱洗）、反渗透加药系统（阻垢剂、非氧化杀菌剂、酸、还原剂、CIP酸洗及碱洗）、反洗水加药系统（PAC）。

2.2 运行情况

陕西某甲醇厂矿井水回用系统在某年10～12月期间，超滤及反渗透频繁快速污堵，随机取1套超滤和反渗透清洗后一周内产水量和压差数据详见表1。

3、工艺分析及调整

3.1 污堵原因分析

通过对超滤污堵相关因素分析及工艺参数排查发现，超滤进水浊度在3 NTU以下，满足超滤进水需求。取样发现絮体较多且不易沉降，PAC加药浓度在15～30 ppm，超滤反洗水回收处理系统斜管沉淀池翻泥，运行步序为正冲20 s，产水30 min，气洗30 s，水反洗上下各50 s,CEB加酸60 s。

表1一期3号超滤、2号反渗透清洗运行一周数据表

3.2 反渗透系统污堵分析

反渗透系统对进水水质要求较高，常规控制指标包括进水硬度（结合膜选型、阻垢剂等确定）、进水SDI<3（衡量水中胶体、淤泥、铁锰氧化物和腐殖质等含量，SDI<3时，为极微量污染，SDI>5时，为中等污染），对原水波动较大的水质需检测反渗透进水硅、COD等指标。

本系统超滤产水SDI稳定在2.1～2.8，满足反渗透进水要求。反渗透进水SDI为4～6，运行步序为正冲3 min后产水，停机冲洗5 min。进水ORP为50～150 mV，还原剂加药量3 ppm，非氧化杀菌剂5 ppm连续投加，系统回收率75%。

3.3 工艺调整

3.3.1 工艺参数

超滤膜系统设计膜通量40 L/m2·h，自投产运行5年，目前平均产水量约120 m3/h，运行12～24h后进行化学加强反洗，通过酸碱对膜表面污染物杂质溶解后冲出以达到清理效果。

在实际运行中，由于陕北地区地下水相对硬度较高，超滤以加酸为主，而系统加酸至反洗下排阀门检出pH降低需40 s，判断加酸时间偏短（图1）。因反渗透系统对余氯要求，系统次氯酸钠加药量较低，不排除微生物污染。基于此，在1月4日对超滤化学清洗后，1月5日调整CEB为先碱后酸并延长1 min加酸时间后发现，CEB清洗效果显著（图2）。超滤气洗一般控制进气压力约为0.1 MPa，调整气洗时间后发现，反洗效果随气洗时间延长先呈显著增加后趋于稳定，气洗时间在40 s左右达到最佳。

3.3.2 加药调整

矿井水悬浮物粒径大部分在2～8μm,88%小于50μm,50%以上小于5μm，其中，低密度煤粉，含量多，难自由沉降，混凝沉淀后经V型滤池过滤，以达到超滤进水要求。由于实际运行中因来水波动大，PAM添加量较难控制，过量投加，将造成膜不可逆污堵，化学清洗（CIP）不能彻底恢复。基于此，本系统以PAC混凝为主，并微量添加PAM。实验发现，当V滤PAC加药在5 ppm时出现絮团并迅速沉降，到30 ppm时絮状增多但不易沉降，因此PAC加药量控制在3～6 ppm。

图1 CEB只加酸超滤系统产水量变化

图2 CEB先碱洗后酸洗且延长加酸时间产水流量情况

3.3.3 斜管沉淀池排泥时间调整

斜管沉淀池对超滤反洗水、反渗透冲洗水、多介质反洗水进行回收利用，若瞬时流量过大，部分悬浮物未形成矾花或排泥不及时均能造成系统翻泥，进入后端造成污堵。对比观察程控设置1 h排泥15 min和10 min排泥1 min，发现延长排泥间隔，可增强沉淀区矾花絮凝及悬浮物沉淀，减少斜管沉淀池翻泥，延长排泥时间可排除更多污泥，保证沉淀区污泥量。

3.3.4 环境因素

温度对膜系统产水量影响一般在1%～3%/℃，冬季投用换热器提高水温，保持系统稳定运行。

3.3.5 工艺指标调整

为缓解膜污堵，本系统在水垂直透过膜表面时将浓水横向高速流过，冲走膜表面污垢，并设计反渗透系统回收率为75%，平衡产水量和浓水排放量比例。在膜污堵较快但系统不减产运行时，隔段时间停机用反渗透产水大流量冲洗，并配合投加非氧化杀菌剂，可显著缓解反渗透膜污堵，本系统调整系统产水4 h冲洗一次后，有效缓解膜污堵情况。

3.3.6 加药系统

在反渗透系统中，沿水流方向，越靠后的膜元件表面水中溶质浓缩倍数越大，越易结垢，一般表现为反渗透二段压差显著升高，运行时间越长污堵越快，但能通过酸洗恢复膜通量，通过加酸和阻垢剂控制。加酸调节进水pH对硫酸盐垢效果不佳，需通过投加阻垢剂，捕捉硬度离子，防止沉淀聚集。本系统经化学清洗酸洗，效果不显著，且阻垢剂加药量在3 ppm满足对进水硬度阻垢效果，故可排除结垢污堵可能。本系统在实际运行中未检测到进水余氯，反渗透还原剂加药量为3 ppm，存在加药量过度问题。反渗透一段压差以0.05 MPa/d速度增长，取污堵物做灼烧试验仅剩1%剩余物，采用常规碱洗便可恢复膜通量，可判断存在还原剂加药量过大且前段加铝盐絮凝，使得反渗透入水中滋生铁盐还原菌，造成膜污堵。将还原剂降至1 ppm,ORP控制在200 mV以下，系统调整冲击性投加非氧化杀菌剂，水温在25℃左右，以周二、周四、周六冲击性投加100～1 000 ppm杀菌剂（根据水质波动确定具体加药量），水温在20℃以下，以周一、周四冲击投加杀菌剂，可在均衡成本和运行效果上为最佳投加方式，蒋凯等研究结果同样显示隔天投加效果好于几天连续投加。

4、节约成本核算

处理系统的运行费用主要包括电、药剂、设备材料折旧、维修和人工等费用。该厂用水取自水库，价格为4.25元/t，按系统满负荷1 100 m3/h运行，以年运行350天（8 400 h）计算，水运行成本（/t）：电费0.6元、药剂0.3元、折旧0.7元、维修及人工0.13元，合计成本1.73元/t。膜污堵严重期，药剂费用约为0.8元/t，通过技术优化解决膜污堵问题后，降低约0.5元/t。

5、结论

以煤矿开采过程中的矿井水为原水，采用混凝絮凝+V型滤池（规模1 100 m3/h)+UF+RO工艺流程进行深度处理，其产水完全满足循环补充水或经混床进一步除盐和脱碳后供锅炉补给水的进水要求。不仅可解决双膜法在矿井水深度处理工艺中膜污堵问题，实现企业稳定生产，大幅度降低企业生产运营成本，还可实现水资源的循环利用。通过滤池过滤矿井来水，可有效去除水中悬浮物、胶体、煤渣等，但需注意控制PAC加药量及滤池反洗时间，减少超滤进水对膜污堵风险。在超滤系统运行中，对反洗水收集回收利用时，注意监测斜管沉淀池矾花及其排泥情况。超滤系统每运行30 min需进行一次反洗，其中气洗控制40 s进气抖动膜丝可充分使附着膜丝表面的滤饼脱落，并根据水质及时调整CEB周期，加酸时间调整2 min以上，并以先酸后碱加药方式对超滤进行化学加强反洗可最大程度缓解超滤膜污堵，实现超滤连续运行。

反渗透常见的膜污堵有碳酸盐垢和硫酸盐垢等矿物结垢，铁铝等金属化合物污染，硅垢、胶体、有机物、微生物及其粘泥等一种或多种因素综合污堵形式，反渗透进水控制因素包括硬度、SDI<3，此外还需检测进水中硅和COD等指标。系统运行中通过及时更换保安过滤器滤芯、4 h定期加非氧停机冲洗、调整回收率减缓膜污堵。反渗透系统关键点为加药系统，矿物结垢可通过加酸调节pH或阻垢剂加药控制，严控前段絮凝剂加药量可消除絮凝剂后絮凝污染，减少还原剂加药量，并结合非氧杀菌剂可对微生物繁殖问题进行控制，此外选择药剂时需要进行小试以防药剂不兼容，实现反渗透系统稳定运行，提高生产水量，降低折合成本，提高经济效益。

参考文献:

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文章来源:韩纪委,迟冉.矿井水深度处理系统膜污堵分析及优化方案[J].清洗世界,2024,40(02):16-18.