电吸附除盐技术在矿井水深度处理工程中的应用

中国环境学会  2011年 03月31日

 

  宋恩民1 王峰2 李凤山3 武爱国1

  1 煤炭工业济南设计研究院有限公司 电话13395316918 济南市天桥区堤口路141# 邮编250031;2 山东轻工业学院材料学院 邮编2503533 兖矿集团济宁三号煤矿 邮编272069

 

  摘要 电吸附作为新兴的水处理除盐技术,已在石化、冶金等领域实现了工业化应用,并取得了理想的效果,高矿化度矿井水的回用往往受制于含盐量超标,利用电吸附除盐技术处理该类矿井水同样具有良好的效果。

  关键词 电吸附 除盐 矿化度 矿井水

 

  1 概述

 

  我国是一个产煤大国,煤炭在我国能源结构中占70%以上,伴随着煤炭的生产,会产生大量的矿井水,到2008年,我国煤矿矿井水年排放量约为50亿吨,而矿井水的资源化利用率不足40%,大量的矿井水未有效利用而直接排放,不仅污染了环境,而且还浪费了宝贵的水资源。同时,我国又是一个严重缺水的国家,因此,开发利用好矿井水资源,对矿区的经济发展和环境改善起到重要的作用,对煤炭工业的可持续发展具有重要的现实意义。

  矿井水主要是深层地下水,往往含盐量较高。目前,矿井水之所以利用率不高,原因是多方面的,其中一个重要的原因是含盐量超标而达不到回用水水质的要求,因此,若要提高回用率,则需要进行深度除盐处理。笔者以北方某矿矿井水深度处理方案设计为例,简析电吸附除盐技术在其工程中的应用情况。

 

  2 工程背景

 

  该矿区主要的工矿企业有煤矿、选煤厂和电厂,供水水源分为两部分,一部分为地下水水源,由自备水源井供水,另一部分为矿井水回用。总用水量约28000m3/d,其中矿井水回用约8500m3/d,中水回用约3500m3/d,其余约16000m3/d采用地下水。目前,矿井水排水量约17000m3/d,主要污染物为煤尘和岩尘,矿化度1690mg/L,设有矿井水处理站一座,采用混凝、沉淀、过滤的处理工艺,处理后的水质达到了排放和部分回用的要求,主要回用于井下消防洒水和选煤厂补充水,回用水量约9000m3/d,剩余约8000m3/d的水量要满足回用则需要达到生活杂用水和再生水水质的要求(见表21)。但由于该传统处理工艺对脱盐基本没有效果。为此,要进一步回用就需要对该部分水进行深度除盐处理。

  下表为现矿井水处理站出水与相关指标的对照表。

  2-1  水质对照表(主要指标)

  项目名称

单位

矿井水

再生水标准

(用于循环水)

生活杂用水水质标准

pH

 

8.2

6.5~9

6.5~9

溶解性总固体

mg/L

1690

1000

1000

总硬度

mg/L

216

450(CaCO3)

450(CaCO3)

浊度

mg/L

1.1

3

5

电导率

μS/cm

2800

 

 

COD

mg/L

<10

 

50

BOD5

mg/L

3.3

10

5

SS

mg/L

3.0

30

10

氨氮

mg/L

0.48

10

10

   

  3 方案选择

 

  处理工艺的选择直接关系到深度处理的出水水质、运行管理是否可靠、运行成本及基建投资的高低。因此正确选择适合本工程的深度处理工艺是工程实施成功的关键因素。根据《再生水水质标准》及《生活杂用水水质标准》,对比矿井水处理站的出水水质指标,可以看出,出水中大部分指标如pHCODBOD5、氨氮已符合工业循环及杂用水的水质标准,主要是溶解性总固体超标。由于溶解性总固体主要是无机盐类,因此去除水中的盐分是本处理工艺的关键。

  目前国内常用的除盐技术主要有电渗析法、反渗透法、离子交换法、电吸附法等,其中电渗析法和离子交换法由于其运行费用高、管理不便、易造成二次污染等自身无法克服的缺点而逐步被反渗透及电吸附等新工艺所取代,为此,本工程结合目前矿井水处理站出水水质的情况以及回用水的要求,提出反渗透及电吸附两种工艺方案进行比选。

  3.1电吸附方案:

  电吸附除盐技术(Electrosorb Technology),又称电容性除盐技术(Capacitive Deionization/Desalination Technology),是20世纪90年代末开始兴起的一项新型水处理技术。其基本原理是基于电化学中的双电层理论,利用带电电极表面的电化学特性来实现水中离子的去除、有机物的分解等目的。

  电吸附(EST)除盐的基本思想就是通过施加外加电压形成静电场,强制离子向带有相反电荷的电极处移动,对双电层的充放电进行控制,改变双电层处的离子浓度,并使之不同于本体浓度,从而实现对水溶液的除盐。由于电吸附技术采用的材料,不仅导电性能良好,而且具有很大的比表面积,置于静电场中时会在其与电解质溶液界面处产生很强的双电层。双电层的厚度只有1~10nm,却能吸引大量的电解质离子,并储存一定的能量。一旦除去电场,吸引的离子被释放到本体溶液中,溶液中的浓度升高,通过这一过程去除离子,如3-1所示。

  目前,该技术已在石化、冶金等领域实现了工业化应用,效果显著。

  该工艺的优点:

  (1)耐受性好

  核心部件使用寿命长,保守估计大于5年,避免了因核心部件频繁更换而带来的运行成本的提高。
  (2)水利用率高
  电吸附技术可以大大提高水的利用率,一般情况下水的利用率可以达到75%以上,经过特殊工艺组合,可达到85%以上。对氟、氯、钙、镁离子去除率效果尤佳。
  (3)无二次污染
    电吸附系统不添加任何药剂,排放浓水所含成份均系来自于原水,系统本身不产生新的排放物。
  (4)对颗粒污染物要求低
  由于电吸附脱盐装置采用通道式结构(通道宽度为毫米级),因此不易堵塞。对前处理要求相对较低,因此可降低投资及运行成本。同时,电吸附除盐设备本体具有很强的耐冲击性。
  (5)抗结垢
  当原水硬度较高,且碱度也较高时,极易结垢(CaCO3)。但电吸附技术主要是利用电场作用将阴、阳离子分别去除,因此,阴、阳离子所处场所不同,不会互相结合产生垢体。
  (6)抗油类污染
     由于电吸附脱盐装置采用特殊的惰性材料为电极,可抗油类污染。电吸附脱盐技术已成功应用于炼油废水回用(齐鲁石化工程),实践证明了此点。
  (7)抗冲击负荷能力强

  随着进入电吸附系统的原水中各离子含量升高,电吸附系统也会随之提升工作电压,电压提升的同时系统除盐能力会增强;反之,随着进入电吸附系统的原水中各离子的含量降低,电吸附系统也会随之降低工作电压,电压下降的同时系统除盐能力会减退。因此,即使原水中离子含量波动较大,电吸附系统也能以最节能的运行方式保证最终出水满足业主要求。

  (8)操作及维护简便
   由于电吸附系统不采用膜类元件,因此对原水的要求不高。在停机期间也无需对核心部件作特别保养。系统采用计算机控制,自动化程度高,对操作者的技术要求较低。
   (9)运行成本低
    该技术属于常压操作,能耗比较低,其主要的能量消耗在于使离子发生迁移。这与其它除盐技术相比可以大大地节约能源。其根本原因在于电吸附技术净化/淡化水的原理是有区别性地将水中作为溶质的离子提取分离出来,而不是把作为溶剂的水分子从待处理的原水中分离出来。

  该工艺的缺点:

  (1) 运行管理经验较少,由于该技术为新型水处理技术,应用历史较短,市场用户较少 ,还缺少一定的运行管理经验。

  (2) 投资较高,电吸附工艺主要依靠吸附模块,吸附模块的制取需要较高的技术含量,成本较高。

  (3) 脱盐率比反渗透低,一般<95%

  3.2 反渗透方案:

  简单地说,反渗透就是利用膜的选择渗透性。从上世纪八十年代以来,随着膜技术的高速发展和成熟,国内外含盐水质的淡化除盐已广泛采用反渗透法,由于反渗透的原理以被广大同行所熟知,在此不在赘述。

  该工艺的特点:

  1)反渗透除盐适用范围广、脱盐率高(>97%)。

  2)结构紧凑、占地较少、建设周期较短。

  3)运行管理方便。

  缺点:

  1)因为反渗透膜的寿命取决于预处理程度,所以对预处理的要求较高。

  2)脱盐率相对固定不可调控,用于本工程有些大材小用。

  3)由于设置高压泵和高压管道,动力消耗较大,运行成本高。

  4)反渗透膜使用寿命较短。   

  3.3 方案比选

  针对本工程,以上两个方案的经济比较情况如下表。

  3-1 工艺方案的经济技术比较表  

  序号

           工艺方案

比较项目

电吸附方案

反渗透方案

1

工程总投资(万元)

1397

1514

2

年运行费(万元)

215

328

3

吨水电耗(KWh/ m3

1.0

1.2

4

单位处理成本(/m3)

1.37

1.8

5

占地面积

6

运行管理

简单

较复杂

     任何水处理工艺本没有优劣之分,适合的就是最好的。从以上技术经济比较来看,本深度处理工程对脱盐精度要求不高(产水含盐量<1000mg/L),采用反渗透工艺方案虽然也可以满足除盐的要求,但有些大材小用,同时投资高、运行成本高、经济效益不理想,用于本工程不是最合适。电吸附处理方案是一项新的除盐技术,随着用户的快速增加,技术逐步成熟,管理方便,运行成本低,抗冲击负荷强,出水水质可控并可以满足本工程的要求,因此对本工程,依据矿井水处理站出水水质的实际情况,并结合原处理站所采用的工艺,以及深度处理要达到的水质标准等要求,采用电吸附方案是可行的。

 

  4 工程概况

 

  4.1土建工程

  建设深度处理车间一座,平面尺寸为此33X22m2,分地上、地下两层,地上为水处理设备间,层高6m,地下为配套的水池和水泵间,层高3m,钢混结构,房顶采用钢结构。地下水池包括原水池、中间水池、产品水池和浓水池,有效容积分别为400m3200m3500m3300m3

  4.2主要设备

  1 模块提升泵:Q322m3/hH=24m37KW31备。

  2 模块清洗水泵:Q25m3/hH=20m3KW11备。

  3)保安过滤器:用于电吸附装置工作、再生、排污时,进一步去除水中的大颗粒固体悬浮物,22备,流量350t/h

  4)电吸附模块:采用EMK4443模块56组。

  5)整流变压器:干式500KVA/10KV1

  6)整流控制柜:供0-2000A直流电,1

 

  5 工程投资与经济效益分析

 

  5.1工程投资

  本工程总投资为1397万元,其中土建工程170万元,安装工程167万元,设备及工器具购置972万元,工程建设其他费用88万元;吨水投资2328元。

  5.2经济效益分析

  本深度处理工程日产水量6000m3,运行成本1.37/ m3(含折旧费0.36/ m3,摊销费0.04/ m3),按当地工业用水价格3.29/ m3计算,年利润420万元,三年多即可收回工程总投资,经济效益明显。

  另外,本工程的实施,提高了矿井水的利用率,降低了污水的排放量,减少了地下水的开采,变废为宝,即节水又减排,既具有可观的经济效益,同时也具有巨大的环境效益和社会效益。

   

  参考文献:

  [1] 段小月 刘伟. 前处理对活性炭电极电吸附除盐性能的影响 吉林师范大学学报(自然科学版)2009.02

  [2] 李定龙  申晶晶  姜晟  孙晓慰. 电吸附除盐技术进展及其应用 水资源保护 2008.04

  [3] 孙晓慰 电吸附技术在饮用水深度处理中的应用 中国水利, 2006(1)

  [4] 陈慧婷 赵玉明 陈慧妃 电吸附方法在水处理领域的研究进展及其应用现状 西南给排水 2004(2)

 
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