背景技術(shù)
煤礦礦井水是重要的水資源，據(jù)報道目前我國煤炭生產(chǎn)過程中，每年排出約20~30億m3礦井水，其中北方地區(qū)約占60%，并且隨著煤炭開采深度的增加而逐年增加。但現(xiàn)在我國煤礦礦井水資源的利用率不到20%。另一方面，據(jù)統(tǒng)計我國40%的礦區(qū)嚴(yán)重缺水，而且富煤地區(qū)往往也是貧水區(qū)。隨著煤炭開采強度的加大和延伸速度的不斷提高，礦區(qū)地下水位將大面積下降，使缺水礦區(qū)供水更為緊張，從而影響當(dāng)?shù)鼐用竦恼Ｉa(chǎn)和生活，已制約了煤炭生產(chǎn)的發(fā)展。
由于不同地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和巖性的差異，使得礦井水水質(zhì)差別較大，根據(jù)礦井水中含有的主要物質(zhì)可分為:含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水、含放射性元素的礦井水等。除酸洗礦井水和含放射性元素的礦井水外，其他兩類的礦井水中普遍含有以煤巖粉為主的懸浮物以及可溶的無機鹽類，有機物污染較少且一般不含有毒物質(zhì)。因此，對礦井水進(jìn)行凈化處理回用，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
處理以煤巖粉為主的懸浮物固含量高的礦井水，一般采用絮凝沉降工藝，最后再通過雙濾料過濾器加活性炭過濾就能達(dá)到中水回用排放的程度。但這種方法雖然投資小、運行成本低，但同時也有占地面積大、出水水質(zhì)不穩(wěn)定等問題，尤其在原水水質(zhì)出現(xiàn)波動時，如水中巖粉濃度偏高、粒度偏小、鐵含量偏大的紅色礦井水，出現(xiàn)水中懸浮物無法絮凝沉降，導(dǎo)致出水水質(zhì)渾濁、絮凝劑用量偏大的結(jié)果，不但增加了運行成本，而且處理后的出水無法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生了環(huán)保問題。
以膜分離為主要手段的礦井水處理工藝，在近幾年的膜行業(yè)的發(fā)展中也頻頻用于礦井水處理工藝中。CN101890258A、CN2027444`09U和CN202766374U等專利都分別采用了膜或膜分離集成工藝處理礦井水來達(dá)到處理后回用的目的。但在這些專利技術(shù)中都只是提及膜作為一個分離單元使用，而對其中的膜污染和膜污染的控制均未涉及，尤其在如何提高膜的處理效率及膜滲透通量上都未提及。事實上，膜分離過程是一個膜污染不斷增大的過程。因為在對固液、膠體分離的同時，被截留的濃液中固體含量不斷增大，產(chǎn)生了濃差極化和膜面沉積，這就是膜污染。隨著過程的進(jìn)行，這個膜污染負(fù)面效應(yīng)越來越大，膜的滲透通量只會越來越低。到最后會因能耗太高而不得不停止再生膜。因此，如何在過程中控制膜污染便是膜分離過程中必須考慮的首要因素。
另一方面，膜分離技術(shù)是一個新型的分離技術(shù)手段，雖然處理礦井水效果好，不受礦井水質(zhì)的波動限制。但在使用過程中與傳統(tǒng)工藝相比，其高能耗、投資大等問題也日益凸顯出來，尤其陶瓷膜的一次性投資和相對高的運行成本使得許多礦井水企業(yè)望而卻步。因此提高陶瓷膜的處理效率，降低陶瓷膜的運行成本便成為陶瓷膜在礦井水處理領(lǐng)域的一個關(guān)鍵。
具體內(nèi)容
利用膜分離技術(shù)處理礦井水，并且在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上，增加加酸調(diào)PH值和通入氣體強化膜過濾工藝來控制膜過程中的膜污染，以此提高膜過程中的滲透通量，從而提高膜過濾效率。采用這種工藝，不但提高了出水水質(zhì)和滲透通量，而且提高了礦井水的濃縮倍數(shù)，濃液中的礦井水固體濃度得到提高。從而降低了投資和運行成本，給礦井水的處理帶來了顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
傳統(tǒng)的礦井水處理懸浮物的工藝，多采用絮凝沉淀加多介質(zhì)過濾的方法，這些方法對成熟的水質(zhì)穩(wěn)定的煤礦礦井水處理是有效果的，但對于初次開采且水質(zhì)不穩(wěn)定的礦井水就顯得難以處理，一方面礦井水中固含物顆粒比較細(xì)小，粒徑分布大部分集中在7μm，難于沉淀和過濾，另一方面礦井水中鐵含量高的物質(zhì)在礦井水中形成膠體，采用常用的絮凝工藝難以沉降，即使沉降也增加了絮凝劑用量，延長了沉降時間，從而使得采用原有工藝除固含物效果不是很理想。而陶瓷超濾膜是屬于高精度級別的過濾，對于懸浮物的去除具有其獨特的去除能力，因而是一個理想的分離手段。但與傳統(tǒng)工藝相比，陶瓷膜由于投資大、運行成本高等因素而遲遲不能用于礦井水的處理。為突破陶瓷膜用于礦井水過濾的經(jīng)濟(jì)瓶頸，本發(fā)明通過加酸調(diào)PH值和膜過程中通入氣體強化膜過程，控制膜污染來提高礦井水的處理效率，大大提高了陶瓷膜的滲透通量，由原來的175L/m2.h維持一天，提升到366L/m2.h維持一個星期，降低了陶瓷膜的投資和運行成本，滲透通量增大了1倍，濃縮倍數(shù)也得到了顯著的提高。大大降低了處理工序的占地面積，而且出水質(zhì)量非常好，可以深處理或回用。
突破了陶瓷膜處理礦井水的一個經(jīng)濟(jì)瓶頸，使得陶瓷膜處理礦井水的技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上成為可能。過程中，首先在調(diào)節(jié)池進(jìn)行預(yù)沉降，除掉大的顆粒。然后在進(jìn)陶瓷膜系統(tǒng)的管道中混合加入酸，破壞礦井水中的膠體體系，降低對陶瓷膜的污染，便于陶瓷膜的超濾。最后在陶瓷膜超濾過程中，在組件的底部加入氣體，對陶瓷膜過程進(jìn)行強化過濾，這樣不但由于氣液兩相流的作用控制了膜污染，而且提高了礦井水的可濃縮倍數(shù)。大大提高了陶瓷膜過濾的滲透通量，從而提高了陶瓷膜過濾的效率和水平。
具體而言，為實現(xiàn)本發(fā)明目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種高效的陶瓷膜處理礦井水的工藝，包括:步驟1:將待處理的礦井水經(jīng)均質(zhì)和均量調(diào)節(jié)處理；步驟2:步驟1所得上清液經(jīng)加酸后進(jìn)入陶瓷膜超濾系統(tǒng)超濾，超濾過程中通入氣體進(jìn)行強化過濾；步驟3:超濾后的陶瓷膜清液達(dá)標(biāo)后可直接回用或深處理；超濾后的陶瓷膜濃液在濃縮到一定濃度后成為高固含量濃液再排入調(diào)節(jié)池進(jìn)行沉降分離，沉淀后的污泥經(jīng)板框壓濾后排出，壓濾污泥得到的清液進(jìn)入調(diào)節(jié)池循環(huán)處理。
上述步驟1中，步驟1中利用調(diào)節(jié)池進(jìn)行均量和均質(zhì)調(diào)節(jié)，所述調(diào)節(jié)池一方面具備水質(zhì)和水量的調(diào)節(jié)作用，穩(wěn)定陶瓷膜超濾過程的進(jìn)水水質(zhì)，降低陶瓷膜超濾過程的進(jìn)水固含量，起預(yù)處理作用；另一方面，兼有沉淀池的效果，目的是將高固含量的陶瓷膜濃液以及礦井水的原水中粒度較大的固體沉降成污泥而排出體系，所沉淀的污泥進(jìn)板框壓濾，上清液經(jīng)加酸后進(jìn)入陶瓷膜超濾系統(tǒng)進(jìn)行超濾。
所述高效的陶瓷膜處理礦井水的工藝，步驟2中將步驟1的上清液經(jīng)管道混合加酸后進(jìn)陶瓷膜超濾，加酸后控制礦井水的pH值在3飛，優(yōu)選的pH值范圍在4.5^5.5，該PH值范圍內(nèi)的水質(zhì)更有利于后續(xù)的處理。所述的酸為鹽酸或硝酸。
所述的加酸系統(tǒng)可采用現(xiàn)有技術(shù)公開的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，所述結(jié)構(gòu)應(yīng)具備既能保證加酸后混合均勻，又要確保加酸系統(tǒng)簡單易操作，且體積小，所占面積小。因此本發(fā)明加酸方式優(yōu)選為管道混合加酸，為了確保混合均勻、加長混合反應(yīng)時間，加酸點應(yīng)取在靠近調(diào)節(jié)池上清液出水管口，且有計量泵調(diào)節(jié)流量。在陶瓷膜濃液口應(yīng)設(shè)定一PH值在線監(jiān)測，通過PH值的實時數(shù)據(jù)反饋給加酸計量泵，從而控制pH在:6，優(yōu)選的pH值范圍在4.5~5.5。
所述的陶瓷膜超濾系統(tǒng)包括依次連接的陶瓷膜循環(huán)罐、陶瓷膜循環(huán)泵和陶瓷膜組件。
技術(shù)方案中采用氣體強化膜過濾過程，通過氣液兩相流的強化作用，一方面控制膜污染，保持陶瓷膜過濾時高通量運行，另一方面明顯提高了膜過程的濃縮倍數(shù)，提高了濃液的固含量。從而整體上提高了過濾效率。因此，本發(fā)明要求在陶瓷膜組件底部通入氣體，通入氣體的流量與液體的流量之比為(0.5^4):1，氣體壓力為0.3^0.6MPa。優(yōu)選從陶瓷膜組件底部通入氣體的流量與液體的流量之比為(0.55~1):1，氣體壓力為0.35~0.4MPa。
本步驟中，通過加入酸和適量的氣體，能夠提高陶瓷膜的滲透通量，由原來的175L/m2h維持一天，提升到366L/m2h維持一個星期，降低了陶瓷膜的投資和運行成本。
上述步驟中，通氣的同時還需要定期反沖和排污，以控制濃縮過濾的過程中不斷形成的膜面沉積和膜通道堵塞。相應(yīng)的工藝是，反沖周期為30-60m1n，反沖時間為5-1Os;排污周期3(T60m1n，排污時間為3~5s。
為了維持較高的滲透通量，同時又要降低能耗，陶瓷膜的操作工藝為:溫度為常溫，壓力為0.1~0.4MPa,膜面流速1~3m/s。
為了降低膜過程的阻力，增加膜材料與水的親和力，對選用的陶瓷超濾膜規(guī)定為:材質(zhì)為氧化鋁、氧化鋯或者氧化鈦，陶瓷超濾膜的平均孔徑范圍為0.02-0.1μm。膜結(jié)構(gòu)為外壓式或內(nèi)壓式管狀多通道結(jié)構(gòu)，膜厚度在f10μm之間。
此外，本發(fā)明工藝中，經(jīng)陶瓷膜組件超濾后的陶瓷膜濃液在濃縮到一定濃度后成為高固含量濃液再排入調(diào)節(jié)池進(jìn)行沉降分離，此處的高固含量通常指3%飛％，具體為本領(lǐng)域技術(shù)人員所理解和掌握，本發(fā)明對此不作特別限定，濃縮過程中產(chǎn)生的濃縮液可直接進(jìn)入陶瓷膜循環(huán)罐再次超濾。
從控制膜污染的角度入手，通過加入酸調(diào)節(jié)pH值以及通入氣體強化膜過濾工藝來達(dá)到提高陶瓷膜處理礦井水的過濾效率，具有明顯的先進(jìn)性，與傳統(tǒng)工藝和現(xiàn)有的膜處理礦井水工藝相比，具有如下的優(yōu)越性:
1、采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明得到如下有益效果:本發(fā)明提供了一種高效的陶瓷膜處理礦井水的工藝，本發(fā)明通過陶瓷超濾膜的過濾和濃縮，不僅能徹底地去除礦井水中的固含物，提高了礦井水的品質(zhì)，避免了傳統(tǒng)工藝中因礦井水質(zhì)的變動而導(dǎo)致的產(chǎn)水水質(zhì)不穩(wěn)定，而且通過采取加酸調(diào)pH值以及過程中通入氣體強化膜過程的工藝，大大提高了膜的滲透通量，提高了生產(chǎn)效率，降低了投資和運行成本。
2、與傳統(tǒng)的絮凝沉降工藝相比:本發(fā)明中的陶瓷膜超濾工藝不僅工藝簡單、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小，而且能夠處理許多不宜沉降的粒徑在7μm之間的帶膠體懸浮物的礦井水，適宜處理的水質(zhì)廣泛。
3、與現(xiàn)有的膜過濾礦井水的工業(yè)相比:本發(fā)明的陶瓷膜過濾技術(shù)單位面積內(nèi)處理礦井水的滲透通量大，比普通的膜過濾技術(shù)的滲透通量大1倍，濃縮倍數(shù)也比普通的膜過濾技術(shù)大近1倍，提高了單位膜面積的產(chǎn)水量。
4、更為重要的是，由于本發(fā)明所述工藝的產(chǎn)水效率高，設(shè)備體積小，占地面積小，因而更適合于直接放在井下進(jìn)行礦井水的處理。節(jié)省了大量的將礦井水運輸?shù)降孛嫣幚淼哪芎摹?
附圖說明
圖1是本發(fā)明工藝流程圖；
附圖的主要元件說明:
1-調(diào)節(jié)池，2-陶瓷膜循環(huán)罐，3-陶瓷膜循環(huán)泵，4-陶瓷膜組件，5，7-控制閥，6-板框壓濾機，8-陶瓷膜清液罐。a-礦井水，b-酸，C-調(diào)節(jié)池上清液，d-氣體，e-陶瓷膜濃液，f-板框壓濾機污泥，g_板框壓濾機清液，h-高固含量的濃縮液，1_陶瓷膜清液，j_產(chǎn)水，k-調(diào)節(jié)池沉淀污泥。