大同是我國重要的煤炭基地，但在煤炭開(kāi)采和利用過(guò)程中，對地下水資源的破壞較為嚴重，造成大多數礦區嚴重缺水。馬脊梁煤礦的礦井廢水礦化度高且鐵錳嚴重超標，以往的簡(jiǎn)單處理工藝根本無(wú)法達到工業(yè)用水要求，更談不上滿(mǎn)足生活飲用水的標準;另外，由于遠離大同城區，取水需經(jīng)過(guò)多級泵站加壓，用水成本較高。所以，水源已經(jīng)成為制約該礦工業(yè)生產(chǎn)和居民生活水平提高的重要因素。為解決這一問(wèn)題，同煤集團決定采用BOT形式興建一座小規模水廠(chǎng)，并作為礦井廢水回用工程的試點(diǎn)工程。
根據該礦井廢水水質(zhì)特性，經(jīng)過(guò)考察和現場(chǎng)中試，決定采用預處理/雙膜法處理工藝。為了實(shí)現水資源的綜合利用，滿(mǎn)足不同用戶(hù)的用水要求，采用了分質(zhì)供水方式，一是超濾處理出水直供煤礦工業(yè)用水管網(wǎng);二是超濾出水和反滲透出水按比例勾兌達到飲用水標準后送礦區生活用水管網(wǎng);三是反滲透濃鹽水送洗煤廠(chǎng)作補充水¨。
1水質(zhì)及水量
含鐵酸性礦井水是在開(kāi)采高硫煤層時(shí)，煤中的硫鐵礦與空氣、水及微生物作用，發(fā)生一系列物化、生化反應，使礦井水呈酸性，pH值一般為2～5。水中主要含有Fe2+、Fe3+、Mn2+、Ca2+、Mg2+、so42-及其他離子，其中Fe2+、Fe3+、、so42-是由FeS2氧化形成的，Ca2+、Mg2+是由其金屬硫化物或其可溶性鹽溶于酸性礦井水而形成的，因此硬度和礦化度均較高。該礦的礦井廢水平均排放量為4000m3/d，間歇排放，主要水質(zhì)指標見(jiàn)表1。
2工藝流程及經(jīng)濟分析
2.1預處理
原水中不僅鐵、錳含量高，而且ca¨、SO一濃度也很高，這些都是導致膜污染的重要因素。鐵、錳在酸性水中以離子和膠體的形態(tài)存在。當廢水流經(jīng)膜時(shí)，鐵、錳離子和其膠體物質(zhì)被截留后附著(zhù)在膜表面，堵塞膜孔，使得膜通量下降；鐵、錳離子作為催化物質(zhì)，還可使水中的氧化物質(zhì)與膜發(fā)生反應，使膜變脆，不耐高壓，最終發(fā)生破裂。CaSO是一種難溶性物質(zhì)，當濃縮超過(guò)其飽和極限時(shí)，會(huì )從濃水中沉淀出來(lái)，在膜面上形成結垢，降低膜通量，增加運行壓力，而且一旦形成CaSO垢，就很難清除，對膜將是一種不可恢復性損害。利用膜設備廠(chǎng)家的專(zhuān)用軟件對處理系統進(jìn)行反向模擬，計算結果顯示：只有在水中TFe≤0.05mg/L、Mn≤0.05mg/L、Ca≤260mg/L及其他水質(zhì)條件不變的情況下，通過(guò)加入一定量阻垢劑才能保證反滲透系統的安全。所以預處理部分主要是除鐵錳、降鈣硬。
①一級預處理
原水在調節池進(jìn)行簡(jiǎn)單曝氣后進(jìn)入中和曝氣池前段。投加石灰乳將pH值調整到7.0～7.5并曝氣30rain。主要發(fā)生如下反應：
Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4+2H2O(1)
Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3J+2H2O(2)
Ca(OH)2+FeSO4=Fe(OH)2+CaSO4(3)
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3(4)
原水經(jīng)過(guò)上述中和曝氣反應后，自流進(jìn)入中和曝氣池的后段，投加Na：CO將pH值調整至8.0～8.5，并繼續曝氣30rain。主要發(fā)生如下反應：
CaSO4+Na2CO=Na2SO4+CaCO3(5)
原水在中和曝氣池內經(jīng)過(guò)加藥曝氣反應后自流進(jìn)入反應澄清池。通過(guò)加入助凝劑PAM，反應產(chǎn)生的Fe(OH)和CaCO大量沉淀下來(lái)，濁度也得以降低，出水水質(zhì)變得清澈。
②二級預處理
由于原水中的錳含量較高，且錳很難被氧化，上述反應只能部分除錳。為了保證反滲透進(jìn)水的安全，在反應池后又加上二級處理即1#中間曝氣池/錳砂過(guò)濾器。通過(guò)一、二級預處理將出水中一些指標嚴格控制在反滲透進(jìn)水水質(zhì)要求范圍之內。二級預處理后的水質(zhì)指標見(jiàn)表2。
2.2超濾
超濾設備采用聚砜中空纖維膜，進(jìn)行錯流式過(guò)濾，系統回收率≥90％。本系統確保出水SDI≤1，由此可提高反滲透系統運行質(zhì)量，減少系統清洗頻率，使得反滲透膜使用壽命大大延長(cháng)。
2.3反滲透
反滲透設備采用美國DOW公司的BW30—400卷式膜組件，采用一級兩段過(guò)濾方式，系統的回收率為75％，設計產(chǎn)水量為115m/h，產(chǎn)水水質(zhì)見(jiàn)表3。
由于反滲透產(chǎn)水中的礦物質(zhì)含量較低，長(cháng)期飲用不利于人體健康，需要進(jìn)行礦化處理。故反滲透的產(chǎn)水要與超濾裝置后約10Ill/h的未脫鹽水混合，再由清水泵送入礦區生活用水管網(wǎng)內，供礦區居民和辦公區生活使用。濃鹽水和過(guò)濾器反洗水則進(jìn)入濃水池，再泵人洗煤廠(chǎng)作為洗煤系統的補充水，水量約為40m/h。
2.5工程運行情況
該工程自2007年11月完工投產(chǎn)以來(lái)，處理水量為4000m/d。預處理部分有效降低了原水中鐵、錳和鈣離子的濃度，滿(mǎn)足了反滲透對進(jìn)水水質(zhì)的要求。反滲透除鹽后水質(zhì)指標遠超過(guò)國家飲用水標準，按照一定比例勾兌達到各種用水要求后分別送入管網(wǎng)。預處理/雙膜法工藝處理礦井廢水運行穩定，而且維修量少，藥耗低。具體參見(jiàn)http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
2.6經(jīng)濟分析
該工程實(shí)際產(chǎn)水量為3000m/d，基本解決了礦區居民飲水問(wèn)題。該水廠(chǎng)處理成本為3.99元/m，其中電費為0.76m、藥劑費為2.50m、人工費為0.17Yr_/m、管理費為0.56m；而此前礦區居民飲用水主要靠大同市區自來(lái)水公司供給，中途需經(jīng)過(guò)多級泵站提升，礦區的用水成本已經(jīng)超過(guò)7~t_/m，所以對礦井廢水進(jìn)行處理回用在經(jīng)濟上是可行的。
3結語(yǔ)
西北礦區水資源匱乏，已經(jīng)嚴重影響了礦區的經(jīng)濟發(fā)展和職工生活，所以在缺少其他可用水源的情況下，對礦井廢水進(jìn)行處理回用勢在必行。通過(guò)工程實(shí)例證明，對礦井廢水進(jìn)行回收再利用，不但在技術(shù)上和經(jīng)濟上是可行的，而且環(huán)境效益和社會(huì )效益都非常顯著(zhù)，值得推廣。
