蒸发结晶工艺在高矿化度矿井水处理中的应用

蒸发结晶工艺在高矿化度矿井水处理中的应用

樊陈子

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摘要：传统的矿井处理废水，直接排放会造成环境污染的危险，不符合相关环境标准。因此，为了解决矿井高浓度的问题，本文主要分析结晶过程矿井溶液盐分离技术，为高矿化度矿井水处理提供参考。

关键词：结晶蒸发；高矿化度矿井水处理

引言

蒸发结晶工艺和膜浓缩能显著降低高矿化度矿井水中的溶解盐含量，使采出水可用于生产和生活。 最后用蒸发结晶法去除浓缩水中的水分，制备无机盐，实现资源化利用。 目前矿化度高的矿井水处理技术的主要内容是一次净化分层超滤反渗透。 还提出可以采用反渗透和电吸附脱盐技术处理高矿化度矿井。

1 .矿井水介绍

矿井水一般指总溶解固体质量浓度(TDS)在1000mg/L以上的水，矿井水高盐度产生的原因主要是地下水与矿井水溶解矿物碳酸盐层和硫酸盐层接触所致。 高盐度矿井水主要为中性或碱性，一般为盐水。 水中含有大量Ca2、Mg2、SO42-时会产生苦味。 高矿化水占全国矿井水总量的30%，占西北矿井水的50%以上，严重制约着西北煤炭工业的发展[1]。 由于我国西部地区水资源短缺，无法接受煤矿开采过程中产生的大量矿井水，矿井水的排放会对当地生态环境造成一定的破坏。 因此，政府要求不排放高矿井水，进行一定的处理，实现高矿井水的无害化回收。 国内部分学者也大力开发高盐度矿井水处理技术，实现矿井水零排放。 对此，研究者们研究了【1】“混凝-过滤-纳米纤维膜-反渗透膜蒸馏-复合膜处理”的处理工艺。 该工艺在预处理阶段，采用纳米纤维膜滤器有效去除矿井水中悬浮物后，采用反渗透装置净化水，以淡水为燃煤电厂锅炉水，继续浓缩并保留n反应器水，当浓缩水含盐量达到临界值时，自动生产和生活我国西部高矿化度矿井水处理技术体系比较成熟，产生了多种组合技术。 其中，一般将矿井水零排放处理过程归纳为预处理、深度处理、浓缩、蒸发结晶4个阶段，处理完成后或从高矿化矿井水对环境的直接危害角度出发，采用相应的监测流程。

2 .蒸发结晶工艺概述

目前蒸发结晶技术主要分为两种，一种是通过纳滤将浓盐水分为两种硫酸钠。含杂质的硫酸钠和氯化钠浓盐水蒸发结晶后分别结晶；另一种是根据硫酸钠和氯化钠不同的结晶温度，先蒸发结晶提取硫酸钠，再进一步蒸发母液中的氯化钠提取结晶，然后提取杂质盐-分级结晶过程。

3 .高矿化度矿井水处理技术流程

3.1预处理步骤和方法

预处理阶段主要从高矿化水中去除悬浮物和硬度离子，达到减少对后续膜处理不利影响的目的。 具体净化工艺为：矿井水调节罐提升泵反应沉淀池(或澄清池)过滤、过滤消毒后续工艺【2】。 矿井中的悬浮物在絮凝剂的作用下凝聚而凝结。 由于沉淀池底部重力作用，待处理矿井水中的悬浮固体需进一步过滤、还原后消毒杀灭微生物，避免微生物污染和堵塞。 它随着技术和技术创新的发展而发展和应用。 王蕾提出了旋风分离、膜处理和旋风澄清的预处理新技术。 首先用旋风分离器分离大颗粒，然后用陶瓷膜过滤矿井水中的悬浮固体，最后在澄清装置中加入絮凝沉淀。 与传统混凝沉淀技术相比，该技术不仅处理悬浮物效果好，而且成本低，能耗低。

此外，矿化度高的矿井水中含有一定量的Ca2+、Mg2+，预处理阶段需增加软化过程，降低后续处理中钙、镁离子含量。 化学软化和离子交换是常用的处理方法。 药物软化方法是在矿井水中加入碳酸钠和石灰，通过化学反应使镁离子与羟基离子结合生成沉淀的氢氧化镁，钙离子与碳酸钙离子结合生成沉淀的碳酸钙。 药物软化法主要用于高硬度低碱度水中。 一般情况下，应同时加入石灰和纯碱以获得最佳软化效果【3】。 离子交换法通过用钠离子交换树脂代替矿井中钙离子和镁离子，降低矿井中钙离子和镁离子的浓度，达到软化的目的。 通常，树脂用8%~10%氯化钠溶液再生。 也就是说，吸附在树脂上的钙、镁离子再次被Na  [10]取代。 该方法的原理基本上是一个特殊的吸附过程，但包括上述阳离子之间的交换。 离子交换法去除钙、镁离子效率高。 但由于矿井水复杂的物理和化学性质，使用离子交换法时需考虑高价金属离子、其他溶解盐和pH值，避免污染和损伤离子交换树脂。

3.2深度加工处理步骤及方法

深度处理阶段是从高矿化矿井水中去除无机盐。 深度处理工艺生产的淡水一般能达到回用标准，后续浓缩工艺需要对浓缩水进行深度处理。目前常用的先进处理方法有反渗透法、电渗析法、纳滤法和电吸附法。反渗透、电渗析、纳滤是渗透膜分离的方法。基本原理是将溶液从半渗透膜中分离出来。该渗透膜只有溶质或溶剂的一部分可以通过溶液侧，通过驱动力可以分离溶质。反渗透膜污染影响系统稳定运行时，加入适量防垢剂，防止膜污染，延长反渗透膜使用寿命，保证水质【4】。处理结果表明，处理前矿井水平平均电导率可达到7530s/cm，SO42-1716mg/L的平均浓度，而出水平均电导率为58.5s/cm，SO

42-平均浓度为3.2mg/L。

电渗析利用阴阳离子交换膜的选择性渗透性，在电场作用下，在浓盐水中形成脱盐水、脱盐水和高盐矿井水，具有占地面积、投资、能耗等明显优势。反渗透膜在反渗透膜和超滤膜之间有开口，通常用于反渗透预处理或盐分离。 纳滤膜孔径介于反渗透膜和超滤膜之间，通常用于反渗透预处理或盐水操作。由于纳滤膜的电荷效应，对水溶液中不同价离子的选择性高，二价和多价离子的保留率高，单价离子的保留率低【5】。

电吸附脱盐是通过原水在正极和负极之间流动来对高矿化矿井水进行脱盐。由于电荷吸收的不同，水中的阴离子和阳离子分别转移到相反的电荷电极，然后吸附在相应的电极表面，持续富集无机盐离子。当两个电极之间短路时，吸附的阴离子和阳离子从电极表面解吸，电极再生而变重复使用。电吸附法具有投资和运行成本低、操作简单、脱盐效率低，一般在60%～75%之间，再生时间长等优点。邵晨忠等设计并运行了处理高悬浮固体和高盐度矿井水的工艺路线。首先对悬浮物进行混凝、沉淀和过滤处理，脱盐和电吸附相结合。除盐水符合电厂循环冷却水水质标准，可用作冷却水。

3.3浓缩步骤及方法

高矿化度矿井水经处理后的浓缩水应进一步浓缩，以减少蒸发过程中的处理水量，节约投资和运行成本，大大提高矿井水中无机盐的浓缩率。目前市场上使用的二次浓缩反渗透技术包括海水反渗透（SWRO）、高效反渗透（HERO）和线圈反渗透（DTRO）。高矿化度矿井水采用悬浮物和有害物质处理，在反渗透除盐装置中采用高压泵加压。生产的淡水进入后处理设备，最终可作为生活用水和生产用水，用于各种用途。

反渗透能耗主要是由于浓缩过程所需的高强度压力。该工艺的反渗透膜组件有两种常见的结构形式：中空纤维膜和螺旋膜。SWRO工艺变化小，能耗低，项目投资和运行成本低，占地面积小。然而，该工艺对进水水质有严格的要求，需要定期更换反渗透膜。这一过程包括三个基本步骤：去除悬浮固体和水硬度；用汽提塔去除溶解的二氧化碳；调节pH值，使反渗透装置在高pH值下运行。HERO工艺的水回收率为95%，运行和投资成本均低于常规反渗透工艺。该工艺去除了预处理过程中可能导致结垢的物质，并允许矿井水携带少量油脂。此外，高效反渗透工艺可以处理高硅水中微生物和高pH有机物引起的膜污染。DTRO工艺采用反渗透持续浓缩高矿化水，膜组件的结构不同于传统的膜组件，主要用于难处理垃圾渗滤液的浓缩。工艺流道设计独特，可大大提高水进入膜表面的速度，减少膜污染，降低浓度极化。特殊的膜组件和高压外壳可以承受非常高的物理压力【6】。但在实际应用中，存在膜寿命短、易堵塞、回收率低、矿化水浓度高等问题。

3.4蒸发结晶工艺

高矿化度矿井水二次浓缩后的浓盐水仍含有一定的水分，必须通过蒸发结晶分离，达到零排放的目的。浓盐水以单盐形式分离，蒸发得到高质量的固体盐。有些混合盐必须装运处理。目前，我国广泛应用的蒸发结晶工艺有机械蒸气压蒸发（MVR）和多效蒸发（MEE）。然而，为了获得高质量的结晶盐，减少混合盐的产生，经常采用热结晶和冷冻结晶相结合的技术，即氯化钠结晶盐和冷冻结晶母液Na2SO4·10H2O的高温蒸发结晶。最终生产的盐可以满足工业盐标准。在MVR工艺中，首先采用离心式蒸汽压缩机对二次蒸汽进行压缩，将蒸汽温度升高10℃以上作为工艺蒸发热源。设备启动时提供蒸汽发电，设备正常运行后以电能为主要能源。满足其过程由多个蒸发器连接，由前级蒸发器产生的二次蒸汽用作后级蒸发器的热源。工艺稳定可靠，盐水分离效果好。与MEE相比，MVR具有能耗低、占地面积小、运行成本低等优点，但其缺点是设备成本高【7】。

4.结束语

矿井水处理是矿井生产和水处理过程中矿井水处理质量的保证。选择合理可靠的矿井水处理方法可以最大限度地减少环境污染，履行责任社交、最大限度地利用资源，满足高盐度反渗透处理后对浓缩盐水处理的合理需求。

参考文献

【1】方惠明, 戚凯, 李向东, 徐翰. 西部地区高矿化度矿井水处理技术及资源化利用[J]. 中国煤炭地质, 2020, 32(12): 68-71.

【2】周如禄, 高亮, 陈明智. 煤矿含悬浮物矿井水净化处理技术探讨[J]. 能源环境保护, 2000, 14(1): 10-12.

【3】蒋小友, 于望, 吴军, 等. 一种高盐废水去除硬度的方法及最佳工艺参数探讨[J]. 绿色科技, 2017(24): 49-51, 55.

【4】田彩莉, 姜红静, 杨维之, 刘振法, 高玉华. 适用于高硬度水质的反渗透阻垢剂的研究[J]. 工业水处理, 2007, 27(11): 38-41.

【5】李昆, 王健行, 魏源送. 纳滤在水处理与回用中的应用现状与展望[J]. 环境科学学报, 2016, 36(8): 2714-2729.

【6】靳孝兴, 王伟, 潘汝东. 高盐矿井水膜浓缩组合工艺选择与应用实例技术经济评价[J]. 煤炭加工与综合利用, 2021(4): 53-57.

【7】徐超, 丁宁, 栗文明. SWRO+MVR工艺处理净水厂浓盐水零排放工程设计[J]. 工业水处理, 2020, 40(9): 112-115.