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煤矿高矿化度矿井水处理技术

我国属于贫水国家,全国水资源总量为28255亿m3(水利部2002年中国水资源公报),人均占有量仅有2170 m3,约为世界人均占有量的1/4,名列世界第88位。煤矿矿井水是重要的水资源,据报道目前我国煤炭生产过程中,每年排出约20~30亿m3矿井水,其中北方地区约占60%,并且随着煤炭开采深度的增加而逐年增加。现在我国煤矿矿井水资源的利用率不到20%,我国西部高原、黄淮平原及华东沿海地区的多数煤矿矿井水的矿化度较高,这类矿井水的直接排放不仅浪费了宝贵的水资源,而且还会对环境造成污染。如何选用更为经济合理且简单高效的方法来处理高矿化度矿井水,引起了环保工作者与社会的广泛关注。
1 高矿化度矿井水的形成与危害
高矿化度矿井水一般是指含盐量大于1000ng/L的矿井水。据不完全统计,我国煤矿高矿化度矿井水的含盐量一般在1000~3000mg/L,少量矿井的矿井水含盐量达4000mg/L以上。这类矿井水的水质多数呈中性或偏碱性,且带苦涩味,因此也称苦咸水。因这类矿井水的含盐量主要来源于Ca2+,Mg2+,Na+,K+,SO42-,HCO3-,Cl -等离子,所以硬度往往较高。
产生高矿化度矿井水的主要原因:由于我国部分地区降雨量少,蒸发量大,气候干旱,蒸发浓缩强烈,而地层中盐分增高,地下水补给、径流、排泄条件差,使地下水本身矿化度较高,所以矿井水的矿化度也高;当煤系地层中含有大量碳酸盐类岩层及硫酸盐薄层时,矿井水随煤层开采,与地下水广泛接触,加剧可溶性矿物溶解,使矿井水中的Ca2+,Mg2+,SO42-,HCO3-,CO32-增加;当开采高硫煤层时因硫化物气化产生游离酸,游离酸再同碳酸盐矿物、碱性物质发生中和反应,使矿井水中Ca2+,Mg2+,SO42-等离子增加;有些地区是由于地下咸水侵入煤田,使矿井水呈高矿化度水。
高矿化度矿井水如果不经过处理就直接排放,会给生态环境带来一定的危害。主要表现为河流水含盐量上升、浅层地下水位抬高、土壤滋生盐碱化、不耐盐碱类林木种势削弱,农作物减产等。同时还影响地区的工业生产,因为许多工业生产不能用高含盐量的水,若用则必须先降低水中含盐量,这样就会增加成本。若是不用而改用地下水,会造成地下水的大量开采,造成地下水资源的短缺,会严重影响本区的经济发展。
2 高矿化度矿井水的处理技术
2.1 化学方法
离子交换法是化学脱盐的主要方法,这是一种比较简单的方法,就是利用阴阳离子交换剂去除水中的离子,以降低水的含盐量。此法用在进水含盐量小于500mg/L时比较经济,可用作高矿化度水经膜分离法处理的进一步除盐工序。
2.2 膜分离法
膜分离方法是利用选择性透过膜分离介质,当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差)时,使溶剂(通常是水)与溶质或微粒分离的方法。
膜分离法的主要特点:低耗、高效、不发生相变、常温进行、适用范围广、装置简单、易操作和易控制等。而膜法水处理则具有适应性强、效率高、占地面积小、运行经济的特点。反渗透和电渗析脱盐技术均属于膜分离技术,是我国目前苦咸水脱盐淡化处理的主要方法。但是膜分离法的一个主要问题是膜易污染,为了防止膜污染,一般这两种技术对进水水质均有严格的要求。因此进水必须经过一般的预处理,即经过沉淀、过滤、吸附和消毒等几个步骤方可。
2.2.1 反渗透法
反渗透(简称RO)技术发源于国外20世纪五六十年代的宇航技术研究,80年代初在我国得到实际应用。进入20世纪90年代后,随着反渗透膜性能的提高和膜制造成本的降低,进一步加快了反渗透的应用。经过近40a的不懈努力,反渗透技术已经取得了令人瞩目的进展。反渗透技术是利用压力差——各种离子、分子、有机物、胶体、细菌、病毒、热源等,是当今世界公认的高效、低耗、无污染水处理新技术,适用于含盐量大于4000mg/L的水的脱盐处理。目前反渗透膜与组件的生产已经相当成熟,膜的脱盐率高于99.3%,透水通量增加,抗污染和抗氧化能力不断提高,销售价格稳中有降;反渗透的给水预处理工艺经过多年摸索,基本可保证膜组件的安全运行;高压泵和能量回收装置的效率也在不断提高。以上措施使得反渗透淡化的投资费用不断降低,淡化水的成本明显降低。
与常规的水处理技术如离子交换、加药、电渗析相比,反渗透装置特点为单位体积内膜面积比大,脱盐离高达99%以上;在分离过程中无相变化及相变化引起的化学反应,能耗低;膜分离过程是清洁的生产过程,不使用化学试剂,不排放再生废液,不污染环境;工艺流程简单,有利于实现水处理的连续化、自动化;反渗透装置结构紧凑,占地面积小,适应大规模连续供水的水处理系统;水的回收率比电渗析高,一般为75%~80%。
但是,在反渗透运行过程中,除了对原水进行严格处理外,还要控制进水pH值,以防止膜的水解,同时要定期清洗膜组件,以避免膜表面污染和结垢阻塞。
2.2.2 电渗析法
电渗析法(ED)是一种利用电能来进行膜分离的方法。电渗析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,而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。电渗析法除盐以两个条件为基本:一是离子的带电性。水中离子是带电的,在直流电场中,阴、阳离子作定向迁移,根据同性相斥、异性相吸的原则,阳离子移向阴极,阴离子移向阳极。二是离子交换具有选择透过性。离子交换膜是电渗析器的重要组成部分,离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜,分为阳膜和阴膜两类,阳膜只允许水中的阳离子透过,阻挡阴离子,而阴膜只允许水中的阴离子透过而阻挡阳离子。良好的离子交换膜应具备下列各种条件:①具有较高的离子选择透过性;②具有低的渗水性;③具有较低的膜电阻;④化学稳定性良好,能耐高浓度的酸碱和一定的温度; ⑤具有高的机械强度和适当的厚度;⑥膜的全部结构应均匀一致,表面光滑。
电渗析技术具有无需任何化学药品,且设备及其组装工艺简单、操作方便等优点。我国有数十家煤矿相继采用了这一技术,均取得了较好的脱盐效果。但这一技术也暴露一些缺点,如:①对原水的预处理要求较高;②电耗较大,易结垢和膜寿命短;③电渗析本体由塑料件组成,因此塑料老化成为增加电渗析维修费用的因素;④电渗析操作电流、电压直接受原水水质、水量的影响,过程稳定性差,容易出现恶性化。
2.3 蒸馏淡化法
蒸馏法是对含盐水进行热力脱盐淡化处理的有效方法。此法以消耗热能为代价,一般适用于含盐量超过3000mg/L矿井水的处理。1957年英国学者R.S.SILVER发明了多级闪蒸(MSF)脱盐方法,当时,它在降低能耗及防垢问题方面有独到的优越性,因而自其诞生之日起,发展非常迅速,成为脱盐的一种重要方法。多效蒸馏法(MED)历史比较悠久,变化较为剧烈,至今具有商业价值的脱盐技术有竖管蒸馏(VT-MED)和水平管蒸馏(HT-MED)。随后在两种方法的基础上又发展到多效多级闪级蒸发(MEMS),它改善了MSF和MED的性能,具有重复利用二次蒸汽的潜热,即能使热量经济利用,又避免了严重的结垢现象,大幅度地提高造水比。
蒸馏法与其他处理方法不同,其最大的弱点是高能消耗,这也成为阻碍其推广的主要原因。但其有独特的优点:①由于这种方法是依靠能源加热原水,经蒸发提取淡水,故不需任何化学药品或离子分离膜;②适应原水的含盐量的范围广,含盐数百~数万mg/L的矿井水均可处理,这一点是其他方法不能比拟的;③对原水的预处理要求低,只需进行普通预处理悬浮物即可;④由于蒸馏法得到的是蒸馏水,故水质品质高;⑤淡化率较高。
虽然蒸馏法有高能消耗的弱点,但是其可以在煤矿广泛推广。若是在煤矿区利用煤矸石和低热值煤作燃料,用蒸馏法处理高矿化度矿井水,有几个好处:一可以加速煤矸石的利用程度,减少占用土地和征地费用;二是可以消除矿区煤矸石污染源,有利于改善矿区大气环境质量、水环境质量和土壤环境质量;三是可以变废为宝,大大降低高矿化度矿井水的处理费用;四是燃烧后的煤矸石仍然可作建筑材料和水泥拌料。
3 结语
高矿化度矿井水处理是一项较为复杂的系统工程,涉及范围广,影响因素多,投资大。从以上各种处理工艺及运行结果来看,用蒸馏法淡化苦咸水,可以充分利用煤矿充裕的低值能源,处理同等规模的苦咸水水量时,投资大体与电渗析相当,但运行费用要低于电渗析,在煤矿处理高矿化度矿井水方面具有广泛的前景;反渗透技术优越的价格性能比在煤矿苦咸水淡化中将发挥其更大的作用,无论出水水质、电耗、脱盐效率、占地面积、自动化程度都是其它工艺所无法比的,但由于一次性投资较大,在目前的煤矿经济条件下,还不可能广泛推广应用。电渗析技术是目前处理高矿化度矿井水较为成熟也较为经济的一种方法,虽然还存在一些问题,但还是使用最广泛的一种技术,我国目前处理高矿化度矿井水大多使用电渗析技术。
总之,高矿化度矿井水的处理方法已经相对成熟,但是各种方法都有一些缺点,且处理成本较高,因此,研究高矿化度矿井水处理技术的新方法,并降低处理成本,是矿井水处理技术今后研究的一个重要课题。