矿井水处理浓缩膜工艺技术比较分析

矿井水处理浓缩膜工艺技术比较分析

杨楠，

陕西化工研究院有限公司，710054

摘要：为矿井水处理末端废水水量最小化，降低系统整体运行成本，对某矿井水项目浓缩工艺进行对比。对比发现碟管式反渗透（CDRO）、电渗析、电吸附及卷式RO等工艺均可实现废水减量化。但不同的浓缩工艺具有其优缺点，卷式RO膜工艺应用业绩最多，工艺成熟，出水水质好，但预处理要求高，运行费用高；CDRO膜已有在矿井水高硬环境下的应用业绩，产水品质较佳，但CDRO装置设备采购成本较高；电渗析有采矿类废水处理业绩，运行费用低，但产水品质一般；电吸附系统相关业绩较少，运行费用较低，但产水品质一般。因此不同的项目需根据自身不同外部条件、水质水量情况，综合全面的进行对比分析，选取最佳的浓缩工艺。

关键词：矿井水；浓缩；技术比较

引言

目前矿井水处理项目浓缩工艺段常用的工艺：CDRO、电渗析、电吸附、卷式RO四种工艺。下文对CDRO、电渗析、电吸附、卷式RO这四项工艺进行比较分析，为同类型矿井水处理浓缩工艺提供参考。

1 矿井水处理浓缩膜工艺介绍

1.1CDRO

CDRO膜组件由特种平板膜、导流盘组成，原水从顶端进水接口，通过膜芯与高压容器的间隙到达膜元件底部，均匀布流进入导流盘，在导流盘和膜片表面以雷达扫描方式流动一周后，从投币式切口进入下一组导流盘和膜片，依次循环流动在整个膜柱内呈涡流螺旋状。透过膜片的产水通过中心管排出，浓水从顶端端盖的浓水排扣排出[1]。

CDRO膜组件具备开放式宽流道及独特的导流盘设计，膜组件两导流盘之间的距离为5mm，导流盘表面有一定方式排列的凸点。导流盘表面呈线性凸点排列，使处理液在压力作用下流经滤膜表面遇凸点碰撞时形成湍流，减少膜污染、结垢；化学清洗时较易将沉积在膜表面的积垢或污染物清洗。CDRO膜件具有耐污染性较好、维护费用低，对前处理要求低等特点。

1.2 ED

电渗析（ED）是在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，使溶液中呈离子状态的溶质和溶剂分离的一种物理化学过程，广泛应用于废水和食品医药化工物料系统的脱盐。

当含盐水通过由阴、阳离子交换膜及浓、淡水隔板交替叠装，且在两端设置电极而成的电渗析的隔室时，在直流电场作用下产生离子定向迁移，即阳离子向阴极方向迁移，阴离子向阳极方向迁移，由于离子交换膜具有选择透过性，阴离子交换膜只能让阴离子通过，阳离子交换膜只能让阳离子通过，结果淡水室中的阴离子向阳极方向迁移，透过阴膜进入浓水室，阳离子向阴极方向迁移，透过阳膜进入浓水室；而浓水室中的阴、阳离子，虽然也在直流电场的作用下，分别向阳极和阴极方向迁移，但由于受到隔室两侧阳膜和阴膜的阻挡，无法迁出浓水室，从而留在浓水室中，这样，浓水室因阴、阳离子不断进入而浓度提高，淡水室因阴、阳离子不断移出而使浓度下降，通过隔板边缘特制的孔，分别将各浓、淡隔室的水流汇聚引出，便产生两股主水流，脱盐水和浓缩盐水。

1.3 电吸附

电吸附脱盐技术简称（EST），又称电容性脱盐技术研究始于20世纪60年代，20世纪90年代末开始兴起，是目前世界先进、高效的脱盐实用技术。其基本原理是基于电化学中的双电层理论，利用带电电极表面的电化学特性来实现水中带电粒子的去除、有机物的分解等。通过施加外加电压形成静电场，强制离子向带有相反电荷的电极处移动，对双电层进行充放电的控制，改变双电层处的离子浓度，从而实现对水溶液的脱盐。电吸附脱盐技术的核心电极材料为惰性碳材料制成，耐强酸强碱；脱盐装置采用通道式结构（通道宽度为毫米级），不易堵塞【2】。

1.4 卷式RO

卷式RO膜可以用来去除水中溶解性盐和其他不需要的化学物质。其主要工作原理是利用半透膜通过渗透压的作用来分离水中的杂质。膜的结构是由多层膜材料组成，其中最内层为分离层，该层的孔隙大小只允许水分子通过，而禁止其他杂质通过。水经过分离层进入膜中，然后通过压力和浓度的差异跨越孔隙进入下一层膜材料。从分离层中逃逸的水则是经过过滤的清洁水，可以拿来进行饮用、生产和其他用途。

2 多种矿井水浓缩工艺技术比较

矿井水浓缩工艺段效果是实现矿井水深度处理的关键单元，因此需选取适合的膜浓缩方案。针对陕北榆横矿区某矿井水处理工程，井下采出水共计约1000 m3/h，TDS约5000mg/l，其中Ca2+约350mg/l，SO42+约2900mg/l，多种脱盐工艺技术比较见表1。

2.1 原水水质条件

                 表2 原水部分离子组成                    mg/l

从表2某项目原料水质可以看出，矿井水主要的污染物SS、Ca2+、Mg2+、TDS、SO42-等。SS ：矿井水中的SS主要是煤屑、岩粉、粘土等细小颗粒物，水中的SS的浓度会影响后续处理工艺的效率，因此应在预处理中尽量降低SS浓度。采用混凝、沉淀、过滤等常规处理工艺进行去除，出水一般可以满足矿井水部分生产用水要求，是技术成熟的处理工艺；Ca2+、Mg2+：矿井水中含有较高的硬度离子Ca2+、Mg2+，一般采用高密度沉淀池且投加化学药剂（PAC、PAM、烧碱、石灰）将Ca2+、Mg2+沉淀去除；TDS、SO4 2- ：对于溶解性总固体（TDS）含量高的矿井水，采用膜法脱除，由于SO4 2-也是TDS的组成之一，因此膜法工艺会将TDS和SO4 2-同步去除。

2.2 占地空间

相对于CDRO、ED和电吸附工艺，卷式RO膜单只膜面积大，系统的集成度高，占地空间最小。ED和电吸附工艺因其结构复杂，还需要配备极水系统、加药等设施，占地面积最大。CDRO因膜面积较少，其余配置等同与卷式RO膜系统，占地面积相对适中。

2.3 适用性对比

ED工艺和卷式RO膜系统具有技术成熟度高、适用范围广等优点，不过ED系统投资费用相对较高，但可适用进水较高的钙硬度，运行费用相对较低，卷式RO系统预处理需要预处理将硬度尽量去除，运行费用相对较高；CDRO和电吸附工艺系统，相对技术成熟度低、适用范围有限，虽对于卷式RO膜对预处理要求较低，但投资费用也相应较高，此外电吸附工艺矿井水处理相关业绩较少。

3 多种浓缩脱盐工艺经济分析

针对陕北某矿井水脱盐工艺段，若采用CDRO、ED及电吸附工艺因其设备费用相对较高，且占地较大，投资费用较高，三种工艺的投资费用根据来水水质，CDRO最高、其次电吸附、相对最低是ED工艺；对比运行费用，CDRO与电吸附运行费用相差不大，ED的运行费用相对较低。

卷式RO膜系统其设备费用相对最低，且占地最小，投资费用在四种工艺中最低，但与另外三种工艺对比运行费用，其投加了大量的化学酸碱，其运行费用最高。

4 结论

通过对较为常见的矿井水处理四种浓缩工艺的综合对比，现将四种核心技术的优缺点总结如下：

1）CDRO系统已有在矿井水高硬环境下的应用业绩，因其核心的膜片采用的聚酰胺复合膜，产水品质较佳，也因其结构的特点，虽增加了膜片表面的冲刷效果，但也是因为增加了凸点，造成压力波动过程中膜片容易刺穿；因相对操作过程的压力较高，系统易跑冒滴漏，能耗较高；CDRO装置专利仅掌握在少数厂家的手里，造成设备采购价格较高。

2）ED系统有采矿类废水处理业绩，对于高硬度废水因其工作原理，有较高的耐受度，操作压力低，能耗相对低；ED装置可提供的厂家较多；但因其工作原理，产水的脱盐率相对低，产水品质一般。

3）电吸附系统同样对高硬度废水有较高的耐受度、操作压力低、能耗相对低，因其工作原理，产水品质一般；电吸附装置可提供的厂家较少，且暂无相关业绩。

4）卷式RO膜系统是最成熟的浓缩工艺，应用业绩多，但对于矿井水这种高钙、高硫酸根废水的耐受度有限，对进水品质要求高，投加的酸碱药剂费用高，虽然投资费用相对较低，但针对这种大型矿井水处理项目运行费用高。

5）浓缩工艺的选取对矿井水处理（零排）的实现至关重要，新技术层出不穷，在实际项目中根据不同的外部条件、废水水质条件等因素进行综合比较，选取合适的工艺，以便达到最佳的浓缩效果。

参考文献：

[1]宋岱峰.许锦鹏.胡海蓉.陈寿兵.特种膜技术在气田废水资源化回收中的应用-中国石油石化技术创新与物资供需研讨会.

[2]许勇毅.杨定畅.王峰.电吸附技术在电力行业废水处理中的应用.《清洁煤技术》，2021年第27卷第3期138-144.