西北地区某大型煤矿是一座年产量达1 000万t的现代化矿井，属于坑口电厂的配套项目。煤矿原有矿井水预处理系统为4×225 m³/h无阀滤池及3×200 m³/h高效旋流净化器，合计处理能力1 500 m³/h。2013年建成一期深度处理系统，工艺为3×225 m³/h浸没式超滤+3×169 m³/h纳滤，纳滤产水可供煤矿生产生活使用。由于矿井水含盐量大、硬度高，排水无法达到当地环保要求，2019年二期矿井水综合利用系统建成，其中预处理部分新增2×200 m³/h高效旋流净化器，最终矿井水处理能力达到1 900 m³/h。笔者对该矿井水利用系统进行性能评估试验，并提出优化改进建议，为掌握该系统的工艺特性及技术指标提供一定参考。

该矿井水水质总体比较稳定，硬度较高，约为1 100 mg/L（以碳酸钙计），碱度低，约为100 mg/L（以碳酸钙计）。水中含盐2 600~3 300 mg/L，属中等含盐量的苦咸水；含硫酸根1 700~2 100 mg/L，悬浮物约100 mg/L，pH 7.0~8.0，COD_Cr约10 mg/L。矿井水综合利用系统来水水源为一期1 500 m³/h预处理车间出水及二期2×200 m³/h预处理系统出水，设计进水水量为1 900 m³/h。

矿井水综合利用系统工艺流程如图 1所示，主要设备技术参数见表 1。

该系统主要由双碱软化+膜浓缩减量+MVR蒸发结晶等单元组成，包括：（1）高密度沉淀池（双碱法软化）+陶瓷膜超滤+反渗透；（2）反渗透浓水（及一期纳滤浓水）进入浓水高密度沉淀池（双碱法软化）+变孔隙滤池+浓水陶瓷膜超滤+弱酸阳离子交换器+脱碳器+纳滤（NF）+碟管式反渗透（DTRO）；（3）臭氧氧化+管式膜微滤+MVR蒸发结晶^〔1-3〕。

井下排水首先进入井下水处理站已有配水井，然后由负压引水罐经过高效旋流净化器给水泵供至闪混器，在闪混器前后管道中分别添加混凝剂PAC、助凝剂PAM，然后进入高效旋流净化器，出水进入原水池。底部污泥排入煤泥压滤系统，泥饼外运，滤液回至配水井。

软化工艺采用高密度沉淀池系统，按2×1 000 m³/h配置。工艺流程为预处理后矿井水→原水池→原水泵→前混合池→絮凝沉淀池→后中和池→软化水池。在前混合池中分别投加碳酸钠、氢氧化钠和聚铁PFS以去除钙、镁离子，在絮凝池中继续加入助凝剂PAM，在斜管澄清池进行固液分离，在后中和池投加硫酸调节pH至中性后进入软化水池。软化处理后的出水总硬度及浊度分别在300 mg/L（以CaCO₃计）、5 NTU以下。絮凝沉淀池底泥经污泥泵送至板框式压滤机，产生的泥饼外运，滤液回收至原水池。

软化处理主要涉及的化学反应如式（1）~式（3）所示。

(1)

(2)

(3)

矿井水脱盐处理工艺采用超滤+反渗透系统，工艺流程为软化水池→超滤给水泵→超滤装置→超滤水池→反渗透给水泵→保安过滤器→反渗透高压泵→反渗透装置^〔4〕。其中超滤装置按6×250 m³/h配置，采用进口陶瓷膜，材质为α-氧化铝，平均过滤孔径约为30 nm。单个膜组件的膜面积为24.3 m²，单套系统共配有39根膜组件，设计膜通量260 L/（m²·h），出水SDI和浊度分别在3、1 NTU以下。反渗透装置按6×187 m³/h配置，一级二段（32∶16），段间设有增压泵，设计回收率75%，脱盐率≥98%。RO产水回收至外供水池，RO浓水与一期纳滤浓水一起进入后续膜浓缩系统。

膜浓缩工艺采用深度软化+纳滤+DTRO系统，工艺流程为浓水高密池→变空隙滤池→浓水超滤装置→弱酸阳离子交换器→脱碳器→纳滤装置→ DTRO。浓水高密池按2×350 m³/h配置，与原水高密池类似采用双碱法软化工艺，出水总硬度及浊度分别在100 mg/L（以CaCO₃计）、5 NTU以下。浓水超滤装置按2×250 m³/h配置，技术参数与原水超滤相同。弱酸阳离子交换器按4×185 m³/h配置，设计出水硬度不超过5 mg/L。纳滤装置按2×250 m³/h配置，一级三段（30∶20∶10），段间均设有增压泵，设计回收率85%，脱盐率≥97%（以硫酸根计），其主要作用是分离水中的一价离子和二价离子，实现分盐处理^〔5〕。纳滤产水回收至外供水池，纳滤浓水进入DTRO深度浓缩。DTRO按2×40 m³/h配置，设计回收率50%，脱盐率≥95%。DTRO淡水回收至外供水池，浓水进入蒸发结晶系统。

蒸发结晶工艺设计采用臭氧氧化+管式膜微滤+ MVR系统。臭氧反应池容积为200 m³，配套2台40 kg/h臭氧发生器。管式微滤膜按1套共4组，每组出力10 m³/h设计，在其前置的混凝沉淀反应槽内先后投加氯化镁和氢氧化钠进行除硅、除硬，然后用管式微滤膜进行固液分离，出水最后进入pH调节箱。

MVR蒸发结晶系统出力按照1×35 m³/h设计，设计产硫酸钠盐5.8 t/h，杂盐0.32 t/h。主要设备包括预热器、降膜蒸发器、1^#机械蒸汽压缩机、降膜循环泵、蒸发冷凝水罐、硫酸钠结晶罐、结晶罐循环泵、2^#机械蒸汽压缩机、结晶冷凝水罐、硫酸钠母液罐、离心机等^〔6〕，产生的蒸馏水回收至外供水池。硫酸钠干燥及包装工艺系统按照1×7.0 m³/h设计，包括振动流化床干燥器（配套引风机）、硫酸钠料仓、包装机等。此外，硫酸钠结晶罐内母液会富集有机物、硅等杂质，可定期排至杂盐干化系统，该系统主要由2×1 m³/h真空圆盘干燥器构成。

矿井水综合利用系统于2019年10月正式投运，2020年6月进行性能评估试验，对各子系统的出水水质及运行参数进行连续7天（168 h）测试。试验期间矿井水水质情况见表 2，可见系统进水水质与设计进水水质基本一致。

试验期间高密度沉淀池平均流量为1835 m2/h，总硬度约1 300 mg/L。经双碱法软化处理后的产水水质情况如表 3所示。

由表 3可知, 高密度沉淀池软化系统的硬度去除率在85%以上, 出水浊度 < 5 NTU, 钙离子 < 60 mg/L，硬度 < 200 mg/L, 碱度 < l mmolL, 可达到软化处理后出水总硬度及浊度的设计要求〔300 mg/L(以CaCO₃计)和5 NTU以下〕。板框压滤机所产污泥的品质分析见表 4。

由表 4计算可知，污泥的主要成分为碳酸钙（约74%），其次为氢氧化镁（约9%），且矿井水中的硅基本转移到污泥中。

陶瓷膜超滤装置的总进水流量为1 739 m³/h，平均单套出力290 m³/h，膜通量达到300 L/（m²·h）。超滤装置的进水压力在0.06~0.07 MPa，跨膜压差在0.03~0.04 MPa，产水浊度为0.15~0.17 NTU，远低于1 NTU，SDI＜3，达到设计要求。

试验期间单套反渗透装置平均产水流量为186 m³/h，回收率为80.87%，满足设计要求。反渗透装置一段进水压力1.15~1.30 MPa，一段压差0.10~0.15 MPa，二段进水压力1.15~1.25 MPa，二段压差0.05~ 0.10 MPa。反渗透产水及浓水水质如表 5所示。

由表 5可见，反渗透产水的电导率约50 μS/cm，脱盐率（按含盐量计算）为99.14%。反渗透浓水约含盐1.5×10⁴ mg/L，硬度约300 mg/L，钙离子约100 mg/L，碱度约1 mmol/L，全硅约0.5 mg/L。

试验期间浓水高密度沉淀池平均流量为382 m³/h，出水浊度＜2 NTU，硬度＜80 mg/L，钙离子＜30 mg/L，碱度＜1.5 mmol/L。浓水超滤装置进水平均流量为228 m³/h，压力为0.20~0.25 MPa，出水浊度＜1 NTU，压力为0.15~0.20 MPa，跨膜压差约0.05~0.10 MPa。弱酸阳床总产水平均流量为206 m³/h，出水硬度＜20 mg/L，全硅＜0.2 mg/L，但未达到设计出水的硬度要求（≤5 mg/L）。

试验期间纳滤装置平均进水流量为151 m³/h，平均回收率为65.56%，未达到85%的设计要求。纳滤一段进水压力为1.70~1.80 MPa，一段压差0.10~ 0.15 MPa，二段进水压力为2.15~2.25 MPa，二段压差0.05~0.10 MPa，三段进水压力为2.40~2.50 MPa，三段压差0.05~0.10 MPa。纳滤装置产水电导率约为2 500 μS/cm，平均脱盐率（按硫酸根计）为94.3%，基本达到分盐目的。纳滤浓水水质见表 6。

由表 6可知，纳滤浓水约含盐7×10⁴ mg/L，硬度约为260 mg/L，钙离子约为90 mg/L，碱度＜1 mmol/L，浊度＜1 NTU，全硅＜1 mg/L。

试验期间DTRO装置平均进水流量为34.5 m³/h，平均回收率为53.62%，基本满足设计要求。DTRO进水压力为5.5~5.7 MPa，出口压力为5.2~5.3 MPa。DTRO装置产水电导率约为240 μS/cm，平均脱盐率（按含盐量计算）为99.78%。DTRO浓水的水质情况见表 7。

由表 7可知，DTRO浓水约含盐14×10⁴ mg/L，含盐量约浓缩1倍，硬度约为340 mg/L，钙离子约为110 mg/L，碱度约0.6 mmol/L，浊度约2 FTU，全硅约1 mg/L。

蒸发结晶系统的蒸馏水电导率＜40 μS/cm，其产盐品质为：Na₂SO₄ 98.69%（以质量分数计，下同）、Fe 0.007%、Ca²⁺+Mg²⁺ 0.08%、水不溶物0.04%、氯化物0.02%。可见盐中所含Na₂SO₄＞98.5%，基本达到工业无水硫酸钠的Ⅰ类一等品标准要求。

试验期间外供水的水质情况：pH为7.72、TDS 418 mg/L、SO₄^2- 176 mg/L、Cl^- 57.5 mg/L、Ca²⁺ 4.5 mg/L、浊度1.05 FTU、碱度46 mg/L、总硬度13 mg/L、COD 11 mg/L、Fe 34.8 μg/L。可见外供水水质完全达到设计出水水质的要求，除可满足矿井生产及生活自用外，一部分输送至附近坑口电厂作为循环冷却补充用水，剩余全部输送至地方供水公司统一调配使用，主要用作生态补水、煤矿采空区及周边农村农灌用水等。

（1）高密度沉淀池所产污泥的主要成分是碳酸钙，质量分数在70%以上，可考虑用作附近坑口电厂的脱硫吸收剂，实现工业固废的资源化利用。

（2）单台超滤装置的进水平均流量为290 m³/h，膜通量达到300 L/（m²·h），明显高于设计膜通量〔260 L/（m²·h）〕，从设备长期安全稳定运行的角度考虑，建议将进水流量调整到250 m³/h左右^〔7〕。

（3）单台反渗透装置平均产水流量为186 m³/h，回收率为80.87%，脱盐率（按含盐量计算）为99.14%，完全达到设计要求。建议在实际运行过程中根据后续供水要求及RO膜性能对回收率进行适当调整。

（4）系统调试过程中发现变孔隙滤池产水的污染指数SDI＞5，故在弱酸阳床前新增2套浓水超滤装置，确保SDI合格。但浓水超滤装置的进水压力偏高（0.20~0.25 MPa），产水流量略低于设计值（250 m³/h），建议及时进行化学清洗，并对运行参数进行优化调整。

（5）单台纳滤装置平均进水流量为151 m³/h，回收率为65.56%，均偏离设计值较大。主要原因是投运以来2套纳滤装置一直连续运行，未能及时停运进行化学清洗，膜污堵较为严重，导致出力明显下降。建议增加1套纳滤装置，形成2运1备配置，便于纳滤装置进行化学清洗，及时恢复设备出力。另外，2套纳滤和6套反渗透共用一套化学清洗装置，不便于膜清洗工作，建议增加1套纳滤清洗装置。

（6）由于目前DTRO浓水中COD不高（100 mg/L以下），且臭氧氧化运行费用较高，故臭氧氧化系统一直未投入运行。加上后续管式微滤膜有一定的COD去除能力，因此亦能保证蒸发结晶系统进水COD满足要求。建议后续运行过程中对DTRO浓水COD进行定期监测，一旦发现超标及时启动臭氧氧化系统。

（7）试验中发现蒸发结晶系统离心机的下料管过长，易堵塞，影响系统稳定运行，建议增加1台振打器。此外结晶包装系统周围的粉尘浓度较高，环境卫生较差，可考虑增加1台除尘器。

该工程于2020年6月通过性能评估，随后转入正式商业运行，目前系统运行较稳定，产出的外供水及工业盐均达到标准要求。实践表明，采用双碱法软化+反渗透脱盐+膜法浓缩+MVR蒸发结晶工艺是可行的，为国内大型煤矿矿井水的资源化综合利用起到很好的示范作用^〔8〕。但由于国内运行业绩相对较少，积累的经验数据（尤其是膜浓缩系统）尚不多，仍需进一步探索与优化。