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纳滤技术在矿井回灌水处理中的研究与实践荣获三等奖
《金属矿山》杂志 李贞芳 / 时间:2019-09-11 10:37:34

  据矿山信息微信公众平台2019年9月9日讯 由河钢集团沙河中关铁矿有限公司李贞芳、李凤超、刘阳、王立杰、杨志强共同完成的“纳滤技术在矿井回灌水处理中的研究与实践”项目,日前荣获冶金矿山科学技术三等奖。
  1.项目研发的目的和意义
  生态文明建设已经成为中国特色社会主义新时代的显著标志,建设资源节约型、生态环保型矿山,推动生态环保技术,积极参与环境治理,维护生态安全,是每个矿山企业必须履行的社会职责。中关铁矿是河钢集团矿业公司下属的新建矿山,采用地下开采方式,设计年产铁矿石200万吨。该矿位于邢台百泉域地下水强流带中,水文地质条件复杂,矿坑涌水量大。
  中关铁矿周边矿产资源储量较大,且多数为大水矿山,矿产开采对也下水资源的破坏十分严重,尤其是小煤矿的不规范开采,使得矿区周围地下水供需失衡,水位大幅下降。同时由于直接大量排放有害矿井水对土地和水系造成直接的污染,不仅使土壤性质变差,而且危险及农作物,影响人畜健康,有的地方造成地面裂隙、地面沉降等环境污染问题。为此,对矿井水的处理与回收利用对于改善当地的生态环境和人民的生活水平具有重要的意义。
  2.主要研究内容、工艺流程、关键技术和创新点
  2.1 主要研究内容:
  (1)技术准备
  采用比拟法预测矿坑涌水量,并结合井下离心水泵排水能力研究确定矿井水净化处理系统设计能力。
  对现有矿井排水水质进行检测分析作为原水水质设计依据,同时合理预估采矿期采矿活动导致的矿井涌水水质变化。
  对回灌水质进行分析,与原水水质进行比较,确定该工艺要去除的主要水质指标。
  (2)澄清池絮凝沉淀工艺技术研究
  结合在建的3#澄清池结构特点,尽最大可能发挥澄清池的功能,将水处理系统絮凝沉淀场所设在澄清池。
  对澄清池加药种类和絮凝沉淀效果进行技术研究,确保难溶化合物的沉淀过程,提高乐无比絮凝沉淀效果,保证澄清池出水浊度满足要求。
  (3)预处理过滤工艺技术研究
  在场地有限设备数量尽量少、水量大及滤速快的条件下,研究不同种类过滤器对悬浮物及胶体颗粒等的处理效果及适用性,经对比论证,采用11台多介质过滤器+6台自清洗过滤器,确保系统预处理效果满足纳滤进水水质要求。
  用于储存澄清池来水的原水缓冲池、原水池及反洗排水池、原水提升泵、原水泵、反洗排水泵等辅助设备设施选型研究。
  (4)膜分离技术研究
  通过纳滤及反渗透等膜分离技术探讨,从投资、运行成本、浓水产生量及适用性方面对其进行对比分析,确定系统核心脱盐工艺为纳滤。
  纳滤产水及浓水利用研究;因纳滤正常运行产生的浓水量超过了全矿生产用水的补充量,实现废水零排放的解决术方案研究。
  用于纳滤膜保护的加药系统、冲洗系统、化学清洗系统等纳滤配套系统技术研究;纳滤高压泵、回灌水泵及用于储存纳滤产水的纳滤产水池、浓水池等辅助设备设施选型研究。
  (5)脱氮及消毒工艺方案设计
  通过对除氨氮常用方法的对比论证,确定采用折点加氯法,通过正确控制加氯量和对流量进行均化,使废水中全部氨氮降为零,同时对废水进行消毒。
  对其副产物余氯消除方法进行技术研究,避免氯化对水质造成的二次污染。
  (6)电气、检测仪表及控制系统研究
  对所有设备是否需要变频器进行研究确定,根据各主体设备及辅助设备功率负荷情况,研究设计电气控制柜及现场操作箱等。
  按一键操作实现设备顺序启停、现场无人值守的目标进行控制系统设计研究。
  结合所要实现的控制系统功能,对系统检测仪表、阀门进行设计研究。
  (7)工艺技术方案应用
  研究工作的组织与管理;项目研究及应用的技术路线;项目研究及应用基本进展情况;项目成套技术工艺流程概述。
  2.2 工艺流程
  中关铁矿矿井回灌水处理项目采用澄清池絮凝沉淀+多介质过滤+自清洗过滤+纳滤技术+折点加氯法除氨氮及消毒的工艺对矿井涌水进行深度净化处理,其出水水质可达到国家规定的回灌水质标准。工艺流程图见图1。


纳滤技术在矿井回灌水处理中的研究与实践荣获三等奖

图1.中关铁矿矿井水处理工艺流程图


  经澄清池絮凝沉淀的矿井水流经水源热泵提取热量后,自流入矿井水处理系统的原水池,由提升泵输送进入多介质过滤器,内装无烟煤和石英砂两种滤料,当胶体颗粒流过多介质过滤器的滤料层时,滤料缝隙对悬浮物起筛滤作用使悬浮物截留在滤料表面。再通过自清洗过滤器利用过滤精度50μm的滤网进一步拦截水中的杂质,降低浊度。滤后的出水浊度≤INTU,膜抗污染指数SDI≤5。浊度合格的原水经过滤精度为5μm的保安过滤器及高压泵提升送入纳滤机组进一步处理。NF是介于超滤和反渗透之间的一种膜分离过滤技术,可以去除细菌病毒、大分子有机物、高价态可溶盐类等。由于纳滤膜的高度选择透过性能,浊度合格的原水在高压下可以透过纳滤膜进入淡水侧(产水侧),而各种盐份则随高压水流冲出汇集成浓水,使水一分为二,从而达到盐与水分离的目的。同时,为保证纳滤系统长期稳定、可靠运行,提高产水率和纳滤膜使用寿命,使用过程中,必须添加阴垢剂、还原剂等药剂。
  2.3 关键技术和创新点
  中关铁矿应用纳滤技术对矿井回灌水进行净化处理,在国内冶金矿山是第一家,建成了国内首个冶金矿山应用纳滤技术的示范化工程。
  系统产水达到GB/T14848-2017《地下水质量标准》Ⅲ类(国家规定的回灌水质标准),系统回水率≥80%,平均脱盐率≥92%。其运行成本较反渗透技术低30%左右,相对更节能。
  澄清池内除投加合适比例的混凝剂、助凝剂进行絮凝处理的同时,还投加了熟石灰进行石灰软化处理,提高了絮凝沉淀效果,保证了澄清池出水在5-15NTU。
  采用了多介质过滤+自清洗机械过滤技术,在大水流条件下确保预处理产水达到浊度≤1NTU,SDI≤5。
  为保证浓水流量不超过全矿生产用水的补充量,实现废水零排放,采用了两种技术方案:一是纳滤部分浓水回流至进水前;二是部分浓水勾兑至清洁水中,勾兑量满足勾兑后水质符合回灌水水质标准。
  采用折点加氯法脱氮及消毒,通过正确控制加氯量和对流量进行均化,使废水中全部氨氮降为零,同时对废水进行消毒。在系统中加强对余氯的监测,实现还原剂加药量自动调节,避免余氯造成二次污染。
  实现了系统一键远程启停,具备无人值守条件;在纳滤高压泵吸水口无中间水池的情况下,保障了高压泵启停时,整个系统的平衡过渡及安全运行。
  3.取得主要技术经济指标
  中关铁矿应用纳滤技术对矿井回灌水进行净化处理,在国内冶金矿山是第一家,建成了国内首个冶金矿山应用纳滤技术的示范化工程。
  经第三方检测检测,系统产水水质满足GB/T14848-2017《地下水质量标准》中规定的Ⅲ类地下水水质标准。
  实测系统回水率≥80%;实测系统平均脱盐率≥92%。
  实现了系统全自动运行。
  通过对矿井水进行净化处理再回灌地下,每年可节约运行成本339万元,节省排水资源费2562万元。
  经净化处理后的清洁水大部分回灌地下,进一步保护了矿区的地下水资源,为邢台市生活饮用水涵养了水源,对整个区域的水生态环境修复起到了积极作用。同时,一小部分清洁水用于选矿设备冷却水、食堂及全部职工生活用水等,全部浓水用于选矿生产及充填造浆,提高了矿井水资源利用效率,实现了废水零排放。
  4.与当前国内外同类研究、同类技术综合比较
  纳滤水处理技术自发现以来,一直是国内外骰宝玩法科技的研究热点,在工程技术上的应用也日渐增多。据1996年9月美国的调查结果显示,美国对179家脱盐制饮用水工厂的总装置产水能力调查,其中纳滤膜软化法占31%,位居第二。1992年至1996年的4年中纳滤软化装置的水处理能力增加了500%,大大高于其它方法。近年随着纳滤技术的发展,国外成功又开发出了纳滤组合工艺处理硝酸盐含量较高的地下水和海水淡化的NF+SWRO+MSF集成技术,海水经纳滤技术预处理后,去除了80%以上的硬度,且去除了所有的有机污染物,从而提高了SWRO的操作压力和回收率。沙特阿拉伯SWCC公司成功地开发出了纳滤技术作为海水淡化的预处理技术。纳滤膜用于脱除硬度和总溶解固体,从而提高海水反渗透的操作压力和系统的回收率,保证膜组件的安全稳定运行。目前,日本、美国等一些水厂,纳滤膜的水体利用率达到80~90%。
  虽然,纳滤技术的工程应用在美国、日本等国家的给水行业中已经得到大规模的推广,但在我国,将纳滤技术广泛地应用于工程实践的案例并不多。国内首套工业化膜软化系统——144吨/日纳滤法制备饮用水示范工程,由国家海洋局杭州水处理中心设计,于1997年4月在山东长岛南隍城建成投产。该工程实际运行结果表明,与反渗透相比,操作压力低,降低了能耗。国内冶金矿山暂无应用纳滤技术的案例。但国内学者聂锦旭,肖贤明曾通过对某矿井水处理厂的煤矿原煤开采产生的矿井水进行优化絮凝剂种类与加药条件,以及强化过滤的工艺等预处理工艺后,再进行纳滤处理试验。实验结果表明,出水达到国家标准。
  据统计,我国目前矿井水的利用率仅为30%左右,与发达国家的70%相比还有很大的差距,矿井水处理方法和工艺还很落后,不能系统化的去分析处理矿井水。所以,进一步发展和开发新型的矿井水处理技术和工艺,是目前急需完成的工作。纳滤作为一种新型膜分离技术具有很高的应用价值和广阔的应用前景。
  5.应用及提高效率、降低成本情况
  应用情况:
  通过对矿井水进行净化处理再将大部分清洁水回灌地下,进一步保护了矿区的地下水资源,同时也为邢台市生活饮用水涵养了水源,对整个区域的水生态环境修复起到了积极作用。同时,系统产生的一小部分清洁水用于选矿设备冷却水、食堂及全部职工生活用水等,全部浓水用于选矿生产及充填造浆、冲洗厕所及矿区景观绿化,提高了矿井水资源利用效率,实现了废水零排放。
  中关铁矿成功应用纳滤技术对矿井回灌水进行净化处理,在国内冶金矿山是第一家,建成了国内首个冶金矿山应用纳滤技术的示范化工程,填补了国内冶金矿山应用纳滤技术的空白。
  纳滤作为一种新型膜分离技术具有很高的应用价值和广阔的应用前景。该项目研究成果技术先进、骰宝玩法科技含量高,经济效益和社会效益和生态效益显著,具有极大的推广价值。
  提高效率情况:
  通过对矿井水进行净化处理再将大部分清洁水回灌地下,进一步保护了矿区的地下水资源,同时也为邢台市生活饮用水涵养了水源,对整个区域的水生态环境修复起到了积极作用。同时,系统产生的一小部分清洁水用于选矿设备冷却水、食堂及全部职工生活用水等,全部浓水用于选矿生产及充填造浆、冲洗厕所及矿区景观绿化,提高了矿井水资源利用效率,实现了废水零排放。
  降低成本情况:
  (1)纳滤与反渗透相比,年可节省的运行费用
  与传统工艺反渗透相比,应用纳滤技术其运行成本约节省30%。经对标调研,中关铁矿矿井水处理系统如采用反渗透技术,则每产一吨水的费用1.75元,应用纳滤技术后每产一吨水的费用为1.22元。按矿井水处理系统年运行8000小时,每小时产水800吨计,则每年可节省运行成本为:
  (1.75-1.22)×8000×800=339万元/年。
  (2)实施矿井水净化回灌后年可节省的水资源费
  帷幕实施后矿坑涌水量最大为2.34万立方米/日。目前,邢台市对矿山疏干排水征收水资源费3.3元/吨,矿坑疏干水经过处理后回灌地下的征收0.3元/吨。以此为计算得每年可节省水资源费为:
  (3.3-0.3)×2.34×365=2562万元/年。
  综上,两项累加,每年可节省直接经济效益2901万元。