蘭瑩，耿安朝，耿策，單以停，李旭

（1.上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306； 2.蘇州膜海水務(wù)科技有限公司，江蘇蘇州 215009）

煤炭在開(kāi)采過(guò)程中伴生大量的礦井水，其水質(zhì)特征主要表現(xiàn)為高懸浮物和高礦化度。我國(guó)70%的煤炭資源分布在水資源匱乏的西部地區(qū)，將礦井水加以資源化利用，是解決水資源浪費(fèi)和緩解區(qū)域水資源匱乏問(wèn)題的有效途徑〔1-2〕。礦井水中含有大量煤粉、巖粉等懸浮物以及其他溶解性有毒有害物質(zhì)，色度重，成分復(fù)雜，未經(jīng)妥善處理直接外排，對(duì)水環(huán)境造成的污染問(wèn)題比較突出〔3〕。

對(duì)于不同水質(zhì)類(lèi)型的礦井水，需要有針對(duì)性地選擇凈化處理技術(shù)〔4-8〕。由于礦井水中含有一定比例粒徑細(xì)小的顆粒物，其高懸浮性以及荷電特征等因素導(dǎo)致采用絮凝-沉淀-多介質(zhì)過(guò)濾工藝處理后，其出水很難達(dá)到深度處理的進(jìn)水要求，且絮凝沉淀與多介質(zhì)過(guò)濾所組成的凈化工藝冗長(zhǎng)、操作過(guò)程繁復(fù)、絮凝污泥量大，致使礦井水的資源化利用受到限制。因此急需開(kāi)發(fā)一種新的流程短、凈化效果好的預(yù)處理工藝。

近年來(lái)，膜分離技術(shù)〔9-11〕在礦井水凈化處理的應(yīng)用備受關(guān)注，其中超濾（UF）技術(shù)能夠高效去除礦井水中的懸浮物以及腐殖質(zhì)等高分子有機(jī)物質(zhì)，降低后續(xù)RO等深度處理技術(shù)的污染負(fù)荷。目前常用的UF膜包括中空纖維膜、平板式有機(jī)膜和陶瓷膜等，以管式膜或浸沒(méi)式膜設(shè)備的型式應(yīng)用于礦井水處理〔12-13〕。為防止礦井水中的高懸浮性物質(zhì)對(duì)UF膜造成堵塞和污染，一般仍需在UF之前對(duì)礦井水進(jìn)行絮凝沉淀和多介質(zhì)過(guò)濾預(yù)處理，結(jié)果導(dǎo)致礦井水凈化處理的工藝流程長(zhǎng)，噸水處理成本高，操作維護(hù)復(fù)雜。為此，本研究采用平板陶瓷膜非浸沒(méi)式超濾（Non-submerged ultrafiltration，NSUF）技術(shù)凈化處理礦井水，將礦井水原水直接進(jìn)行超濾凈化，在探索工藝流程短、技術(shù)性能可靠、操作維護(hù)簡(jiǎn)便的礦井水資源化處理新工藝方面做出嘗試。

1 非浸沒(méi)式超濾技術(shù)

1.1 NSUF技術(shù)原理

NSUF是一種與浸沒(méi)式超濾（SUF）在膜操作原理上不同的膜分離專(zhuān)利技術(shù)〔14〕，其特征是將平板式超濾膜組件與濾液實(shí)施分置設(shè)計(jì)，無(wú)需將膜組件浸入到膜池中，而是通過(guò)向膜表面連續(xù)提供濾液，實(shí)現(xiàn)“非浸沒(méi)式”的膜操作過(guò)程，濾液在膜表面以“膜面流”的方式進(jìn)行連續(xù)錯(cuò)流傳質(zhì)。理論上，當(dāng)超濾膜處于完全潤(rùn)濕狀態(tài)時(shí)，氣體必須克服一定的表面張力才能排出膜孔，所需的最小壓力稱(chēng)為泡點(diǎn)壓力，泡點(diǎn)壓力與膜孔徑成反比〔15-16〕。被水完全潤(rùn)濕的超濾膜，其泡點(diǎn)壓力通常在0.2 MPa以上。因此，在負(fù)壓抽吸的跨膜壓差條件下，完全潤(rùn)濕的超濾膜具有氣密性，NSUF技術(shù)利用這一物理現(xiàn)象做出NSUF操作方式和裝置設(shè)計(jì)。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NSUF裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1，主要由進(jìn)水與布水系統(tǒng)、平板式膜組件、集水與抽吸系統(tǒng)、超濾濃水池、濃水循環(huán)與排濃系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)等構(gòu)成。

圖1 非浸沒(méi)式超濾裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure schematic of non-submerged ultrafiltration device

1.3 操作運(yùn)行過(guò)程

原水通過(guò)進(jìn)水泵首先進(jìn)入到膜組件上方的布水器，由布水器向膜表面連續(xù)均勻噴射進(jìn)水，形成一定厚度的“膜面流”，在負(fù)壓抽吸作用下，過(guò)濾水透過(guò)超濾膜孔進(jìn)入到膜腔并匯流到集水系統(tǒng)，形成超濾產(chǎn)水。余液以及超濾截留雜質(zhì)，落入下方的濃水池。原水在膜表面切向錯(cuò)流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的剪切力，將膜表面截留的顆粒與膠體物質(zhì)隨濃水一道帶入濃水池，使濾層保持在相對(duì)較薄的狀態(tài)。這種非浸沒(méi)式的“膜面流”操作方式，作為一種動(dòng)態(tài)傳質(zhì)過(guò)程，膜面供水量越大，消除濃差極化和減緩濾層形成的效果越好。膜操作運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的超濾濃水，可通過(guò)濃水循環(huán)泵返回到布水器，或者通過(guò)排濃泵排出系統(tǒng)。

NSUF技術(shù)將平板式膜組件與超濾濃水池在空間上分離，可避免將膜組件浸沒(méi)在濾液中時(shí)因?yàn)V液不斷濃縮所造成的負(fù)荷累積，超濾濃水可根據(jù)操作濃縮比的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)排放，或進(jìn)入下一級(jí)NSUF系統(tǒng)，使平板式超濾膜組件的梯級(jí)串聯(lián)使用成為可能；管式膜的濾液循環(huán)錯(cuò)流操作方式，供水量與產(chǎn)水量比值一般為幾十，而平板式膜的NSUF“膜面流”操作方式只需達(dá)到2~4，濾液循環(huán)量明顯少于管式膜，節(jié)約能耗；NSUF通過(guò)進(jìn)水噴射所形成的“膜面流”，具有一定的在線(xiàn)正沖洗效能。平板式膜組件置于濃水池上方，為選擇合適的在線(xiàn)膜污染清洗方式提供便利，克服了將膜組件移出膜池或者膜池排空等離線(xiàn)操作過(guò)程。

2 試驗(yàn)裝置與材料

2.1 試驗(yàn)原水

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在鄂爾多斯市某煤礦進(jìn)行，礦井水由井下返回到地面后進(jìn)入原水池，經(jīng)簡(jiǎn)單沉淀后作為試驗(yàn)原水，其水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)原水主要水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Main water quality indexes of test raw water

將充分靜置后呈黑色的試驗(yàn)原水，采用Mastersizer 2000激光粒度分析儀進(jìn)行粒徑分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)原水粒徑分布Fig.2 Particle size distribution diagram of test raw water

該礦井水中顆粒物的中粒徑為1.079 μm，且90%的顆粒粒徑小于2.727 μm。水中的煤粉、礦物粉、腐殖質(zhì)等細(xì)小顆粒物，具有高懸浮物性，加之煤粉顆粒的荷電特征，是導(dǎo)致常規(guī)絮凝—沉淀—過(guò)濾工藝〔17〕很難達(dá)到凈化處理要求的主要原因。

2.2 試驗(yàn)裝置

2.2.1 NSUF試驗(yàn)裝置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用自主研發(fā)的NSUF裝置，將原水進(jìn)水、布水、超濾產(chǎn)水、濃水循環(huán)、濃水排放、膜污染清洗等功能集于一體，采用PLC程序控制。其中超濾膜組件為矩陣排列式平板陶瓷膜片，平均膜孔徑為0.08 μm，單片膜面積0.5 m2，共計(jì)安裝100片，總膜面積50 m2，過(guò)濾方式為外進(jìn)內(nèi)吸式。

2.2.2 絮凝污泥脫水裝置

在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)超濾濃水進(jìn)行加藥絮凝和沉淀處理試驗(yàn)，產(chǎn)生的絮凝污泥采用小型板框壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾脫水。壓濾機(jī)型號(hào)為XMQ0.5/380-30U，濾板規(guī)格380 mm×380 mm，3塊濾板，2個(gè)濾室，濾室容積5 L，濾餅厚度30 mm。過(guò)濾面積0.5 m2，過(guò)濾壓力0.5 MPa，壓緊壓力16 MPa。進(jìn)泥泵為QKB-40型氣動(dòng)隔膜泵，選擇200~800目濾布做對(duì)比試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

為考察礦井水凈化處理的完整工藝，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展NSUF超濾濃縮、超濾濃水加藥絮凝和污泥壓濾脫水性能等試驗(yàn)，操作流程見(jiàn)圖3。

圖3 礦井水凈化處理現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)流程Fig.3 Field test flow of mine water purification treatment

來(lái)自井下的礦井水經(jīng)原水池沉淀后，由進(jìn)水泵直接打入NSUF裝置，按照試驗(yàn)工況進(jìn)行自動(dòng)控制運(yùn)轉(zhuǎn)。超濾產(chǎn)水經(jīng)集水系統(tǒng)由抽吸泵排出，部分超濾濃水通過(guò)循環(huán)泵返回布水器，濃水循環(huán)量和排放量依據(jù)超濾濃縮比的實(shí)際需要調(diào)節(jié)。

濃水循環(huán)泵關(guān)閉，超濾濃水實(shí)時(shí)排放，在模擬一級(jí)超濾試驗(yàn)工況下，根據(jù)NSUF裝置跨膜壓差和膜通量變化情況，考察進(jìn)水量、產(chǎn)水量、清洗周期等膜操作參數(shù)，由裝置自帶的清洗系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)物理清洗和化學(xué)清洗；通過(guò)減少原水的進(jìn)水量，開(kāi)啟濃水循環(huán)泵，增加濃水循環(huán)量，不斷提高超濾濃縮比，考察模擬三級(jí)超濾條件下NSUF裝置連續(xù)運(yùn)行時(shí)跨膜壓差和膜通量變化情況。

經(jīng)超濾濃縮后的礦井水濃水，通過(guò)人工投加PAC和PAM，開(kāi)展加藥絮凝和沉降性能試驗(yàn)，獲得最佳加藥量和沉淀處理工藝參數(shù)。并對(duì)絮凝污泥進(jìn)行壓濾脫水試驗(yàn)，研究礦井水絮凝污泥的脫水性能以及實(shí)施板框壓濾脫水的技術(shù)可行性。

3 結(jié)果與討論

3.1 NSUF膜通量與跨膜壓差變化

為考察NSUF裝置處理礦井水的超濾凈化性能，模擬三級(jí)超濾工況下運(yùn)行情況，控制原水進(jìn)水量6.0 m3/h，膜面供水量15.0 m3/h，超濾濃水循環(huán)量9.0 m3/h，通過(guò)循環(huán)泵將濃水與原水混合后一同進(jìn)入布水器。濃水排放量2.0 m3/h，由濃水池液位計(jì)和排濃電磁閥自動(dòng)控制。

在上述試驗(yàn)工況下，將初始產(chǎn)水量分別設(shè)定為4.20、4.35、4.50 m3/h，初始產(chǎn)水率分別為70.0%、72.5%和75.0%，在相應(yīng)條件下操作運(yùn)行NSUF裝置，考察膜通量與跨膜壓差的變化情況，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 NSUF膜通量和跨膜壓差變化情況Fig.4 Changes of membrane flux and transmembrane pressure difference of NSUF

從圖4可以看出，初始產(chǎn)水量分別控制在4.20、4.35、4.50 m3/h工況下，裝置在連續(xù)運(yùn)行60 min后，膜通量分別從初始的84.0、87.2和90.4 L/（m2·h）下降到73.8、77.8、80.8 L/（m2·h），均下降10%左右，下降趨勢(shì)比較平緩；與之相對(duì)應(yīng)的跨膜壓差分別從初始的0.006、0.007、0.011 MPa上升到0.037、0.031、0.034 MPa。該礦井水在死端過(guò)濾情況下，連續(xù)操作32 min后，膜通量幾乎下降為零，跨膜壓差升高至0.08 MPa以上。與死端過(guò)濾方式相比，進(jìn)水“膜面流”錯(cuò)流操作方式顯現(xiàn)出一定的正沖洗效果，對(duì)膜表面濾層的形成起到延緩作用。但由于1 μm左右細(xì)小煤粉顆粒物在膜表面的黏附性較強(qiáng)，僅靠進(jìn)水“膜面流”錯(cuò)流操作與正沖洗，無(wú)法獲得穩(wěn)定膜通量和跨膜壓差，仍需輔助其他的膜污染清洗措施。

3.2 NSUF膜污染清洗方式與效果

為進(jìn)一步探索NSUF膜污染的清洗方式，試驗(yàn)過(guò)程中啟用裝置特有的噴射刷洗式自動(dòng)清洗系統(tǒng)，定期對(duì)陶瓷膜表面進(jìn)行物理清洗，連續(xù)考察膜污染的清洗操作周期對(duì)NSUF凈化礦井水的處理效果。

首先在超濾濃水不循環(huán)而直接排放（模擬一級(jí)工況）的NSUF操作條件下進(jìn)行考察試驗(yàn)，即膜面供水全部由原水提供，將原水進(jìn)水量控制在15.0 m3/h，初始產(chǎn)水量確定為4.2 m3/h。圖5為清洗周期72 min、清洗時(shí)間12 min情況下，連續(xù)運(yùn)行多個(gè)周期的膜通量與跨膜壓差變化情況。

圖5 NSUF膜污染的在線(xiàn)物理清洗效果Fig.5 Effect of on-line physical cleaning of NSUF membrane pollution

由圖5可知，在上述試驗(yàn)工況下，裝置在連續(xù)運(yùn)行1 152 min后，膜通量和跨膜壓差在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，每完成一個(gè)物理清洗周期，膜通量和跨膜壓差均可恢復(fù)到初始狀態(tài)。觀察一個(gè)物理清洗周期內(nèi)的變化情況，膜通量從初始的84.0 L/（m2·h）下降到78.6 L/（m2·h），下降6.4%，對(duì)應(yīng)的跨膜壓差從0.003 MPa上升到0.015 MPa，波動(dòng)不大。試驗(yàn)結(jié)果表明，模擬一級(jí)超濾試驗(yàn)工況下，采用裝置自帶的自動(dòng)清洗系統(tǒng)，能夠有效恢復(fù)超濾膜通量和跨膜壓差，細(xì)小煤粉等顆粒物質(zhì)在膜表面形成的污染是可逆的，可以通過(guò)物理清洗加以清除。

其次考察物理清洗方式是否會(huì)形成累積性膜污染問(wèn)題，試驗(yàn)過(guò)程中將進(jìn)水自動(dòng)切換為pH=10的NaOH溶液，對(duì)膜組件進(jìn)行在線(xiàn)化學(xué)清洗60 min，對(duì)膜污染前后以及物理和化學(xué)清洗之后的陶瓷膜表面進(jìn)行SEM微觀表征分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 污染與清洗前后陶瓷膜表面SEMFig.6 SEM of ceramic membrane surface before and after pollution and cleaning

由圖6可知，平板陶瓷膜新膜表面光滑，燒結(jié)之后形成的孔道清晰可見(jiàn)。污染后的膜表面被截留物煤粉所覆蓋，可以清楚看到微米級(jí)球狀顆粒堆積，粒徑在1~2 μm范圍顆粒居多，夾雜有較大顆粒。經(jīng)物理清洗后，除殘留少數(shù)單個(gè)顆粒外，膜表面孔道得以恢復(fù)。經(jīng)化學(xué)清洗后的膜表面，膜孔清晰，與新膜無(wú)差別。SEM分析結(jié)果從微觀層面說(shuō)明，礦井水中的煤粉等顆粒物對(duì)陶瓷膜形成的污染，可以通過(guò)NSUF自動(dòng)清洗功能加以有效清除，在正常運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需化學(xué)清洗。

3.3 NSUF的連續(xù)操作運(yùn)行性能

NSUF技術(shù)特點(diǎn)之一在于能夠?qū)⑵桨迨侥そM件設(shè)計(jì)成梯級(jí)串聯(lián)的運(yùn)行方式，原水隨著不斷濃縮而連續(xù)進(jìn)入到下一級(jí)。通過(guò)合理分配膜負(fù)荷來(lái)分級(jí)優(yōu)化操作運(yùn)行參數(shù)。為此，通過(guò)設(shè)置不同濃縮比，考察了模擬一級(jí)和三級(jí)超濾試驗(yàn)工況下NSUF裝置的連續(xù)操作運(yùn)行情況。

圖7為模擬一級(jí)超濾運(yùn)行工況，控制原水進(jìn)水量15.0 m3/h，初始產(chǎn)水量4.5 m3/h，超濾濃縮比1.36，超濾濃水不循環(huán)而直接排放條件下，連續(xù)觀察記錄6 d的NSUF裝置操作運(yùn)行情況。其中，在線(xiàn)物理清洗周期調(diào)節(jié)為135 min，清洗時(shí)間為15 min。

圖7 NSUF裝置連續(xù)運(yùn)行情況（濃縮比1.36）Fig.7 Continuous operation of NSUF unit（concentration ratio 1.36）

由圖7可知，NSUF裝置連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中，超濾產(chǎn)水量在4.5 m3/h到3.2 m3/h之間波動(dòng)，相對(duì)應(yīng)的跨膜壓差從0.005 MPa升高到0.060 MPa。由于礦井水水質(zhì)在一定范圍內(nèi)變化，尤其是懸浮物濃度實(shí)時(shí)波動(dòng)，因此不同清洗周期內(nèi)的產(chǎn)水量和跨膜壓差也隨之而變。原水水質(zhì)越好，膜污染越輕，其波動(dòng)幅度越小。試驗(yàn)工況下，每完成一個(gè)清洗周期，產(chǎn)水量和跨膜壓差均能恢復(fù)到初始值，濾層堵塞與膜污染清除效果較好，出水水質(zhì)和膜操作參數(shù)保持穩(wěn)定。

圖8為模擬三級(jí)超濾運(yùn)行工況，控制原水進(jìn)水量為6.0 m3/h，濃水循環(huán)量9.0 m3/h，初始產(chǎn)水量4.5 m3/h，濃水排放量2.0 m3/h，超濾濃縮比3.0條件下，連續(xù)觀察記錄6 d的NSUF裝置操作運(yùn)行情況?？紤]到較高的超濾濃縮比，膜污染負(fù)荷相對(duì)較重，因此將清洗周期縮短為105 min，清洗時(shí)間為15 min。

圖8 NSUF裝置連續(xù)運(yùn)行情況（濃縮比3.0）Fig.8 Continuous operation of NSUF unit（concentration ratio 3.0）

從圖8可以看出，裝置在運(yùn)行初期操作參數(shù)波動(dòng)幅度較小，隨著濃縮過(guò)程的進(jìn)行而不斷增大并逐漸達(dá)到穩(wěn)定。在每105 min的物理清洗周期內(nèi)，產(chǎn)水量從初始的4.5 m3/h下降到2.7~3.0 m3/h，對(duì)應(yīng)的跨膜壓差從0.011 MPa上升到0.074 MPa。與濃縮比1.36的情況相比，膜污染明顯加快，初始產(chǎn)水量衰減速度和跨膜壓差升高幅度也隨之加劇。在此高污染負(fù)荷下，每完成一次物理清洗，產(chǎn)水量和跨膜壓差仍能恢復(fù)到初始的4.5 m3/h和0.011 MPa，膜污染清除效果和清洗周期均在可接受范圍內(nèi)，NSUF裝置能夠保持連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

NSUF裝置的連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果表明，高懸浮性礦井水能夠通過(guò)NSUF技術(shù)處理，非浸沒(méi)式膜操作方式與在線(xiàn)清洗系統(tǒng)相結(jié)合，可防止細(xì)小煤粉等顆粒物造成的濾層堵塞與膜污染。超濾產(chǎn)水SS≈0，清澈透明，達(dá)到采煤生產(chǎn)回用水標(biāo)準(zhǔn)，亦可作為RO等深度處理技術(shù)的進(jìn)水。采用NSUF梯級(jí)串聯(lián)的運(yùn)行方式，可以分級(jí)對(duì)礦井水進(jìn)行超濾濃縮，有利于優(yōu)化配置膜組件和提高膜操作效率。

3.4 超濾濃水的絮凝沉降性能

礦井水經(jīng)NSFU超濾濃縮后，超濾濃水的懸浮物質(zhì)量濃度達(dá)到1 000 mg/L，以細(xì)小顆粒物為主，濁度超過(guò)1 300 NTU。為考察加藥絮凝法處理超濾濃水的可行性，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)超濾濃水進(jìn)行PAC和PAM加藥絮凝試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 超濾濃水的絮凝沉降性能Table 2 Flocculation and sedimentation performance of ultrafiltration concentrated water

在單獨(dú)投加PAC 100~300 mg/L情況下，超濾濃水的絮凝沉降性能較差，對(duì)應(yīng)的澄清液濁度為184~86.8 NTU。當(dāng)少量投加PAM助凝劑后，絮凝效果獲得顯著改善。在PAM投加量為1 mg/L時(shí)，絮凝體形成較快，分層良好；PAM投加量增加到4 mg/L時(shí)，沉降速率明顯提高，靜置3 min即可分層，澄清液濁度僅為1~7 NTU。因此，通過(guò)加藥絮凝和沉淀處理工藝，能夠使超濾濃水中的細(xì)小煤粉等顆粒物得到去除，澄清液返回到NSUF系統(tǒng)，借此可以使NSUF的濃縮比保持適中，提高整個(gè)工藝的產(chǎn)水率。

3.5 絮凝污泥的壓濾脫水性能

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室絮凝沉降結(jié)果，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)超濾濃水進(jìn)行加藥絮凝和污泥壓濾脫水試驗(yàn)?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)加藥絮凝試驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)室操作條件的差異，最終確定PAC和PAM投加量分別為100 mg/L和5 mg/L，該試驗(yàn)條件下絮體大且沉速快，靜置15 min后，絮凝污泥的沉降比達(dá)到4.3%左右，絮體呈顆粒狀。

采用小型板框壓濾機(jī)對(duì)絮凝污泥進(jìn)行壓濾脫水試驗(yàn)，在供料泵壓力為0.6 MPa條件下，選用不同孔徑的濾布分別考察絮凝污泥的壓濾脫水性能，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 絮凝污泥的壓濾脫水效果Table 3 Dewatering effect of flocculated sludge by pressure filtration

由表3可知，隨著濾布目數(shù)增大，進(jìn)泥量加快，而壓濾液出水濁度逐漸升高。綜合考慮各項(xiàng)因素，選擇300目濾布比較適合該絮凝污泥的壓濾脫水，其進(jìn)泥量為42.0 L/h，過(guò)濾周期205 min，出水濁度5.0~15.0 NTU，泥餅含水率75%左右。超濾濃水經(jīng)加藥絮凝和沉淀處理后，污泥可以采用普通板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水處理，泥餅適合做外運(yùn)處理。

3.6 礦井水凈化處理工藝的確定

根據(jù)2022年6月至8月三個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)該礦的礦井水凈化處理提出了三級(jí)NSUF+絮凝沉淀+污泥壓濾脫水組合工藝設(shè)計(jì)方案?；趶S方要求，原水的設(shè)計(jì)處理量為300 m3/h，SS為400 mg/L，其工藝流程與物料平衡情況見(jiàn)圖9。

圖9 礦井水凈化處理工藝流程與物料平衡Fig.9 Process flow and material balance diagram of mine water purification treatment

NSUF采用三級(jí)串聯(lián)方式，上一級(jí)超濾濃水作為下一級(jí)進(jìn)水，濃縮比逐級(jí)提高，每級(jí)配置合理的標(biāo)準(zhǔn)膜組件數(shù)量并分級(jí)設(shè)置操作運(yùn)行參數(shù)。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)膜組件的配置膜面積為50 m2，一到三級(jí)超濾系統(tǒng)的膜組件數(shù)量分別為24、17、17組，絮凝沉淀池出水的超濾系統(tǒng)為18組。系統(tǒng)共計(jì)76組膜組件，合計(jì)膜面積3 800 m2，平均設(shè)計(jì)膜通量為79 L/（m2·h）。經(jīng)過(guò)三級(jí)NSUF超濾后，各級(jí)合并產(chǎn)水量達(dá)到210 m3/h，超濾濃水產(chǎn)生量為90 m3/h，產(chǎn)水率控制在70%。超濾濃縮水連續(xù)進(jìn)入到后續(xù)的高效絮凝沉淀一體化設(shè)備，投加100 mg/L PAC絮凝劑和5 mg/L PAM助凝劑，經(jīng)斜管沉降區(qū)充分沉淀30 min后，上清液通過(guò)循環(huán)泵打入為絮凝沉淀專(zhuān)設(shè)的NSUF凈化系統(tǒng)，絮凝沉淀污泥通過(guò)排泥泵打入板框壓濾機(jī)進(jìn)行壓濾脫水，濾餅外運(yùn)處理。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，預(yù)計(jì)整個(gè)組合工藝的總產(chǎn)水率可以達(dá)到98%，超濾產(chǎn)水可以滿(mǎn)足井下生產(chǎn)用水和/或井上資源化深度處理的水質(zhì)要求，且只需將30%的超濾濃縮水進(jìn)行絮凝沉降處理，絮凝處理量減少70%，可顯著節(jié)約藥劑成本，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上具有可行性。

4 結(jié)論

通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)采用NSUF凈化以及超濾濃水絮凝沉降和污泥脫水處理煤礦礦井水的試驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論：

1）NSUF作為平板式超濾膜的一種新穎操作方式和膜過(guò)程，采用膜組件與濃水池分置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，原水的“膜面流”錯(cuò)流操作方式具有一定減緩濾層形成的作用，與裝置自帶的在線(xiàn)清洗系統(tǒng)相結(jié)合，用于凈化處理礦井水能夠獲得穩(wěn)定膜通量，操作性能良好。

2）NSUF裝置的無(wú)膜池結(jié)構(gòu)型式，可以避免傳統(tǒng)浸沒(méi)式平板膜組件在膜池內(nèi)因超濾濃縮而造成的污染負(fù)荷累積，其錯(cuò)流接觸式的傳質(zhì)過(guò)程，使NSUF可通過(guò)梯級(jí)串聯(lián)方式應(yīng)用于高懸浮物礦井水。一、二、三級(jí)超濾單元分別在不同濃縮比下，根據(jù)設(shè)計(jì)膜通量和清洗周期分配膜污染負(fù)荷，分級(jí)配置膜操作參數(shù)，有利于整個(gè)超濾系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

3）礦井水中含有的細(xì)小煤粉及腐殖質(zhì)等顆粒物，是原水直接采用加藥絮凝工藝很難達(dá)到預(yù)期處理效果的主要原因。經(jīng)超濾濃縮后，濃水中的顆粒物碰撞凝聚，絮凝性能得到改善。通過(guò)超濾濃縮，加藥絮凝處理量減少70%，絮凝處理效率明顯提高，污泥產(chǎn)生量也隨之減少。因此，采用三級(jí)NSUF+絮凝沉淀+污泥壓濾脫水組合工藝凈化處理礦井水，具有推廣應(yīng)用的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性。