CN114212938A - 一种矿井水资源化零排放系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种矿井水资源化零排放系统及方法，所述矿井水资源化零排放系统包括预处理单元、纳滤分盐单元、反渗透浓缩单元、高压纳滤单元和双极膜电渗析单元；本发明在实现废水零排放的同时，实现氯化钠等副产物资源化利用。
Description
技术领域
本发明涉及矿井水处理领域，具体是矿井水资源化零排放系统及方法，也属于煤矿矿井水零排放及废水资源化处理领域。
背景技术
矿井水是煤矿在开发过程中由大气降水、地表水、地下水和生活用水等涌入矿井而形成的水，具有流量大，持续时间长的特点，并且矿井水悬浮物、可溶性盐类含量相对较高，如不加处理利用会对周边环境造成污染，同时极大制约煤炭的正常生产。近两年来我国部分地方政府更是出台更严厉的关于矿井水处理的政策，要求矿井水达到水资源零排放的标准。
常规的矿井水零排放资源化系统包括预处理单元、纳滤分盐单元、反渗透浓缩单元、高压浓缩单元(碟管式反渗透等)、蒸发单元等，在实现废水零排放的同时，实现氯化钠等副产盐的资源化利用。
目前这类零排放项目较多，但是在实际运行过程中主要存在两个问题，一是涉及超高压运行(大于10MPa)，导致运行过程安全性差、能耗高且设备成本高，二是所制备的氯化钠、硫酸钠等产品盐品质较低，难以达到作为工业原料的技术指标。
发明内容
为弥补现有技术的不足，本发明的目的在于提供矿井水资源化零排放系统及方法，以在实现废水零排放的同时，实现氯化钠等副产物资源化利用。
为实现上述发明目的，本发明提供的矿井水资源化零排放系统采用技术方案如下：
一种矿井水资源化零排放系统，包括：
预处理单元，用于对输送来的矿井水进行预处理以除去矿井水中的悬浮颗粒物并降低原水硬度，得到含有氯化钠和硫酸钠的产水；
纳滤分盐单元，用于对来自所述预处理单元的产水进行分盐处理以实现其中氯化钠和硫酸钠分离，并将得到的纳滤产水送入反渗透单元、将得到的纳滤浓水送回所述矿井水预处理单元以与所述矿井水混合并进行预处理；
反渗透浓缩单元，用于对所述纳滤产水进行反渗透处理，以得到反渗透产水和氯化钠浓缩后的反渗透浓水；
高压纳滤单元，用于对来自所述反渗透单元的反渗透浓水进行二次浓缩，以得到二次浓缩后的高压纳滤浓水以及高压纳滤产水，并将所得高压纳滤产水送回所述反渗透单元；和
双极膜电渗析单元，用于利用双极膜电渗析法对所述高压纳滤浓水进行处理以制备盐酸和氢氧化钠溶液，并将产生的双极膜电渗析系统淡盐水引入所述反渗透单元进行处理。
在本发明的一种实施方式中，所述矿井水资源化零排放系统还包括电渗析浓缩单元和蒸发结晶单元，其中，所述电渗析浓缩单元用于利用电渗析法对来自所述高压纳滤单元的部分高压纳滤浓水进行进一步浓缩以得到电渗析浓水和电渗析淡盐水，并将电渗析淡盐水送回所述反渗透浓缩单元；通过设置电渗析浓缩单元，可以实现与双极膜电渗析单元负荷灵活调节，也利用可以实现副产物多元化。所述蒸发结晶单元用于将来自所述电渗析浓缩单元的电渗析浓水蒸干，制得氯化钠产品盐，其产品纯度在99.5％以上，可有效减少副产杂盐量，降低企业对杂盐的处理成本。
本发明所提供的矿井水资源化零排放方法采用技术方案如下：
一种矿井水资源化零排放方法，利用上述矿井水资源化零排放系统对矿井水进行处理。
在本发明的矿井水资源化零排放方法的一种实施方式中，利用所述预处理单元对矿井水进行预处理时先后添加有多种化学药剂，包括氢氧化钙、碳酸钠、混凝剂和絮凝剂，以除去原水中的固体悬浮物、富余的硫酸根离子、钙镁等硬度离子等。
在本发明的矿井水资源化零排放方法的一种实施方式中，在所述预处理单元中，对待进入所述纳滤分盐单元的矿井水进行超滤处理，以使矿井水满足所述纳滤分盐单元的纳滤膜进水要求。
在本发明的矿井水资源化零排放方法的一种实施方式中，在所述纳滤分盐单元中，采用纳滤膜设备处理矿井水，以分离原水中的氯离子和硫酸根离子，所得纳滤产水中氯化钠纯度在99.5％以上。本领域技术人员理解，由于纳滤的分盐作用，该单元产水主要成分为氯化钠，浓水主要成分为硫酸钠，而硫酸根则便于在预处理单元脱除。
在本发明的矿井水资源化零排放方法的一种实施方式中，在所述反渗透浓缩单元中，利用反渗透设备对来水进行反渗透处理，将离开所述反渗透浓缩单元的反渗透浓水中氯化钠浓缩至4％-6％，比如4.5％、5％或5.5％。反渗透系统的产水可以作为回用水。
在本发明的矿井水资源化零排放方法的一种实施方式中，在所述高压纳滤单元中，利用高压纳滤装置在4-6兆帕比如5兆帕下将反渗透浓水进一步浓缩至氯化钠含量为8％-10％比如9％，其所用纳滤膜的氯化钠脱盐率为75％-85％，比如80％。
在本发明的矿井水资源化零排放方法的一种实施方式中，将所述双极膜电渗析单元制备盐酸和/或氢氧化钠溶液中的至少部分送回所述预处理单元作为pH调节剂。产生的低浓度盐水引入反渗透单元进行浓缩脱盐处理。
在本发明的矿井水资源化零排放方法的一种实施方式中，在所述电渗析浓缩单元中，采用电渗析系统将来自所述高压纳滤单元的高压纳滤浓水进一步浓缩至氯化钠含量为15％-25％，比如18％、20％或22％。采用电渗析系统用于浓缩过程，可以有效提高盐的浓缩倍率，降低蒸发器投资成本。
在本发明中，如无特别说明，所用百分数均为质量百分数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明将高压纳滤系统作为浓缩单元与双极膜系统作为盐水资源化单元引入零排放处理流程中，一方面，高压纳滤单元的引入可以替代超高压膜处理系统，最高压力不超过6MPa，提高过程的安全性、降低运行压力、能耗和投资成本；另一方面，双极膜系统的引入可以将氯化钠盐水转化为附加值较高的盐酸和氢氧化钠，作为工业原料循环使用；同时高压纳滤系统可以将氯化钠盐水进行浓缩，满足双极膜系统最佳进水浓度要求；并实现氯化钠基本完全的资源化应用。
附图说明
图1为本发明的矿井水资源化零排放系统的一种实施方式示意图；
图中标记说明如下：1-矿井水原水；2-纳滤浓水；3-纳滤产水；4-反渗透浓水；5-回反渗透水；6、7-高压纳滤浓水；8-电渗析浓水；9-酸溶液(盐酸)；10-碱溶液(氢氧化钠溶液)；11-盐(即氯化钠)；12-双极膜电渗析系统淡盐水；13-反渗透产水；
A-预处理单元；B-纳滤分盐单元；C-反渗透浓缩单元；D-高压纳滤单元；E-电渗析浓缩单元；F-蒸发结晶单元；G-双极膜电渗析单元。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本本发明予以进一步的说明，但本发明并不仅限于此。
如图1所示，本发明提供的矿井水资源化零排放系统，包括预处理单元A、纳滤分盐单元B、反渗透浓缩单元C、高压纳滤单元D和双极膜电渗析单元G。
其中，所述预处理单元A连接矿井水进水管道，用于对输送来的矿井水1进行预处理以除去矿井水中的悬浮颗粒物并降低原水硬度，得到含有氯化钠和硫酸钠的产水。
所述纳滤分盐单元B连接至预处理单元A的出水口，用于对来自所述矿井水预处理单元A的产水进行分盐处理以实现其中氯化钠和硫酸钠分离，并将得到的纳滤产水3送入反渗透单元C、将得到的纳滤浓水2送回所述预处理单元A以与所述矿井水混合并进行预处理。
所述反渗透浓缩单元C连接所述纳滤分盐单元B的纳滤产水出口，用于对所述纳滤产水3进行反渗透处理，以得到反渗透产水13和氯化钠浓缩后的反渗透浓水4。
所述高压纳滤单元D连接所述反渗透浓缩单元C的反渗透浓水出口，用于对来自所述反渗透单元的反渗透浓水进行二次浓缩，以得到二次浓缩后的高压纳滤浓水6、7以及高压纳滤产水，并将所得高压纳滤产水作为回反渗透水5送回所述反渗透单元。
所述双极膜电渗析单元G连接所述高压纳滤单元D的高压纳滤浓水出口，用于利用双极膜电渗析法对所述高压纳滤浓水的部分或全部进行处理以制备盐酸9和氢氧化钠溶液10，并将产生的双极膜电渗析系统淡盐水12引入所述反渗透单元进行处理。
在本发明的一种实施方式中，所述矿井水资源化零排放系统还包括电渗析浓缩单元E和蒸发结晶单元F，其中，所述电渗析浓缩单元E连接所述高压纳滤单元D的高压纳滤浓水出口，用于利用电渗析法对来自所述高压纳滤单元的部分高压纳滤浓水进行进一步浓缩以得到电渗析浓水8和电渗析淡盐水，并将电渗析淡盐水作为回反渗透水5送回所述反渗透浓缩单元；通过设置电渗析浓缩单元，可以实现与双极膜电渗析单元负荷灵活调节，也利用可以实现副产物多元化。所述蒸发结晶单元F用于将来自所述电渗析浓缩单元的电渗析浓水8蒸干，制得氯化钠产品盐，其产品纯度在99.5％以上，可有效降低企业对杂盐的处理成本。
本发明所提供的矿井水资源化零排放方法，利用上述矿井水资源化零排放系统对矿井水进行处理。其中，利用所述预处理单元对矿井水进行预处理时先后添加有多种化学药剂，包括氢氧化钙、碳酸钠、混凝剂和絮凝剂，以除去原水中的固体悬浮物、富余的硫酸根离子、钙镁等硬度离子等。另外，在所述预处理单元中，对待进入所述纳滤分盐单元的矿井水进行超滤处理，以使矿井水满足所述纳滤分盐单元的纳滤膜进水要求。
在所述纳滤分盐单元中，采用纳滤膜设备处理矿井水，以分离原水中的氯离子和硫酸根离子，所得纳滤产水中氯化钠纯度在99.5％以上。本领域技术人员理解，由于纳滤的分盐作用，该单元产水主要成分为氯化钠，浓水主要成分为硫酸钠，而硫酸根则便于在预处理单元脱除。
在所述反渗透浓缩单元中，利用反渗透设备对来水进行反渗透处理，将离开所述反渗透浓缩单元的反渗透浓水中氯化钠浓缩至4％-6％，比如4.5％、5％或5.5％。反渗透系统的产水可以作为回用水。
在所述高压纳滤单元中，利用高压纳滤装置在4-6兆帕比如5兆帕下将反渗透浓水进一步浓缩至氯化钠含量为8％-10％比如9％，其所用纳滤膜的氯化钠脱盐率为75％-85％，比如80％。
在本发明中，将所述双极膜电渗析单元制备盐酸和/或氢氧化钠溶液中的至少部分送回所述预处理单元作为pH调节剂。
在所述电渗析浓缩单元中，采用电渗析系统将来自所述高压纳滤单元的高压纳滤浓水进一步浓缩至氯化钠含量为15％-25％，比如18％、20％或22％。采用电渗析系统用于浓缩过程，可以有效提高盐的浓缩倍率，降低蒸发器投资成本。
以下实施例用于说明本发明的矿井水处理方法和系统。
采用图1所示的系统，矿井水先后经以下处理流程：
(1)待处理矿井水首先进入预处理单元，预处理单元主要包含混凝沉淀部分、化学软化部分、超滤预处理等部分，除去原水中的固体悬浮物、富余的硫酸根离子、钙镁等硬度离子等，使矿井水满足进纳滤膜要求；
(2)在所述纳滤分盐单元中，采用纳滤膜设备处理矿井水，分离原水中的氯离子和硫酸根离子，得到的氯化钠产水引入下一级，产水氯化钠纯度超过99.5％；
(3)采用反渗透系统对氯化钠溶液进行浓缩，浓水侧氯化钠浓度达40000ppm。
(4)采用高压纳滤装置(压力6兆帕、所用纳滤膜的氯化钠脱盐率为80％)对40000ppm左右的反渗透浓水进行二次处理，实现盐浓度的进一步提升，浓水侧氯化钠溶液浓度达到80000ppm左右，产水氯化钠浓度约20000ppm，产水回流入反渗透系统进行浓缩脱盐处理；
(5)在电渗析浓缩单元中，采用电渗析设备对部分(50％)高压纳滤单元的浓水进行进一步浓缩，得到盐水盐度达到约200000ppm；
(6)在双极膜电渗析单元中，采用双极膜系统对部分(50％)高压纳滤浓水进行资源化处理，将氯化钠溶液转化为盐酸、氢氧化钠，酸碱可以作为pH调节剂用于预处理过程，双极膜系统产生的低浓度盐水可引入反渗透浓缩单元进行浓缩脱盐处理。
(7)采用蒸发结晶单元处理电渗析浓水，将氯化钠溶液蒸干得到产品盐。
Claims (10)
1.一种矿井水资源化零排放系统，其特征在于，所述矿井水资源化零排放系统包括：
预处理单元，用于对输送来的矿井水进行预处理以除去矿井水中的悬浮颗粒物并降低原水硬度，得到含有氯化钠和硫酸钠的产水；
纳滤分盐单元，用于对来自所述预处理单元的产水进行分盐处理以实现其中氯化钠和硫酸钠分离，并将得到的纳滤产水送入反渗透单元、将得到的纳滤浓水送回所述矿井水预处理单元以与所述矿井水混合并进行预处理；
反渗透浓缩单元，用于对所述纳滤产水进行反渗透处理，以得到反渗透产水和氯化钠浓缩后的反渗透浓水；
高压纳滤单元，用于对来自所述反渗透单元的反渗透浓水进行二次浓缩，以得到二次浓缩后的高压纳滤浓水以及高压纳滤产水，并将所得高压纳滤产水送回所述反渗透单元；和
双极膜电渗析单元，用于利用双极膜电渗析法对所述高压纳滤浓水进行处理以制备盐酸和氢氧化钠溶液，并将产生的双极膜电渗析系统淡盐水引入所述反渗透单元进行处理。
2.根据权利要求1所述的矿井水资源化零排放系统，其特征在于，所述矿井水资源化零排放系统还包括：
电渗析浓缩单元，用于利用电渗析法对来自所述高压纳滤单元的部分高压纳滤浓水进行进一步浓缩以得到电渗析浓水和电渗析淡盐水，并将电渗析淡盐水送回所述反渗透浓缩单元；和
蒸发结晶单元，用于将来自所述电渗析浓缩单元的电渗析浓水蒸干，制得氯化钠产品盐。
3.一种矿井水资源化零排放方法，其特征在于，利用权利要求1或2所述的矿井水资源化零排放系统对矿井水进行处理。
4.根据权利要求3所述的矿井水资源化零排放方法，其特征在于，利用所述预处理单元对矿井水进行预处理时先后添加有多种化学药剂，包括氢氧化钙、碳酸钠、混凝剂和絮凝剂。
5.根据权利要求4所述的矿井水资源化零排放方法，其特征在于，在所述预处理单元中，对待进入所述纳滤分盐单元的矿井水进行超滤处理，以使矿井水满足所述纳滤分盐单元的纳滤膜进水要求。
6.根据权利要求3-5中任一项所述的矿井水资源化零排放方法，其特征在于，在所述纳滤分盐单元中，采用纳滤膜设备处理矿井水，以分离原水中的氯离子和硫酸根离子，所得纳滤产水中氯化钠纯度在99.5％以上。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的矿井水资源化零排放方法，其特征在于，在所述反渗透浓缩单元中，利用反渗透设备对来水进行反渗透处理，将离开所述反渗透浓缩单元的反渗透浓水中氯化钠浓缩至4％-6％。
8.根据权利要求3-7中任一项所述的矿井水资源化零排放方法，其特征在于，在所述高压纳滤单元中，利用高压纳滤装置在4-6兆帕下将反渗透浓水进一步浓缩至氯化钠含量为8％-10％，其所用纳滤膜的氯化钠脱盐率为75％-85％。
9.根据权利要求3-8中任一项所述的矿井水资源化零排放方法，其特征在于，将所述双极膜电渗析单元制备盐酸和/或氢氧化钠溶液中的至少部分送回所述预处理单元作为pH调节剂。
10.根据权利要求3-9中任一项所述的矿井水资源化零排放方法，其特征在于，在所述电渗析浓缩单元中，采用电渗析系统将来自所述高压纳滤单元的高压纳滤浓水进一步浓缩至氯化钠含量为15％-25％。
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