煤矿矿井水淡化回用项目中反渗透设备的工艺适配

在反渗透工艺适配前，需先明确矿井水特性对 RO 系统的潜在风险，这是避免设备故障、保障长期运行的前提：

煤泥与悬浮物易引发膜堵塞：矿井水中的煤泥颗粒（粒径 1-10μm）、岩屑胶体若预处理不彻底，会快速附着在 RO 膜表面，形成致密滤饼层，导致膜通量在 1-2 周内衰减 20%-30%，清洗频率大幅增加；

Fe/Mn 氧化结垢难以清除：矿井水中的二价 Fe²⁺、Mn²⁺在接触空气或氧化剂（如消毒用的氯）后，易氧化为三价 Fe (OH)₃、MnO₂沉淀，这类氧化物硬度高、附着力强，会嵌入 RO 膜孔道，常规化学清洗仅能恢复 50%-60% 通量，属于 “不可逆污染”；

高矿化度导致渗透压骤升：高盐矿井水（TDS＞10000mg/L）的渗透压可达 0.7MPa 以上，若 RO 运行压力不足，会出现 “产水率骤降”；若压力过高，又会加速膜元件压实变形，缩短寿命；

pH 波动与有机物影响膜稳定性：部分矿井水因含硫化物（如 H₂S），pH 值偏低（＜6.0），会腐蚀 RO 膜的聚酰胺表层；而煤层渗出的腐殖酸类有机物，会吸附在膜表面，加剧浓差极化；

回用场景水质要求差异化：矿井水回用方向多样（井下防尘需 TDS＜1000mg/L、设备冷却需 TDS＜2000mg/L、生活杂用需符合《生活饮用水卫生标准》GB 5749），RO 系统需适配不同水质目标，避免 “过度处理” 或 “处理不足”。

二、RO 设备的工艺适配设计：从预处理到后处理的全流程定制

针对矿井水特性，需构建 “强化预处理除杂防垢 + 适配型 RO 主体净化 + 分质后处理回用” 的工艺体系，核心设计如下：

（一）预处理：破解 “煤泥堵塞 + 金属结垢” 核心痛点

预处理的目标是将矿井水水质稳定控制在 RO 膜进水要求（SS＜1NTU、Fe＜0.1mg/L、Mn＜0.05mg/L、COD＜50mg/L），需分三步实现深度净化：

第一步：高效除煤泥，削减悬浮物负荷

采用 “格栅 + 水力旋流器 + 微滤机” 组合工艺：先通过粗格栅（10-20mm）去除岩屑、大块煤渣，再经水力旋流器（分离效率 85% 以上，处理量为设计水量的 1.5 倍）分离粒径＞5μm 的煤泥颗粒（SS 从 300mg/L 降至 50mg/L 以下）；若矿井水煤泥含量极高（如洗煤废水混入，SS＞500mg/L），需在旋流器后增设 “200-300 目转鼓微滤机”，进一步截留微小煤泥（SS 降至 10mg/L 以下）；

关键控制：水力旋流器的进口压力稳定在 0.2-0.3MPa，避免压力波动导致分离效率下降；微滤机每日反洗 2-3 次（每次 10-15 分钟），防止滤网易堵塞。

第二步：除 Fe/Mn 处理，预防氧化结垢

采用 “曝气氧化 + 锰砂过滤器” 工艺：通过曝气塔（曝气强度 2-3m³/m³ 水）将水中的 Fe²⁺、Mn²⁺氧化为 Fe (OH)₃、MnO₂，再进入锰砂过滤器（滤料为天然锰砂，粒径 0.8-1.2mm，层高 1.5-2m），利用锰砂的催化吸附作用去除氧化物（Fe 去除率达 99%，Mn 去除率达 95%，出水 Fe＜0.05mg/L、Mn＜0.02mg/L）；

特殊情况应对：若矿井水含高浓度 Fe（＞10mg/L），需在曝气前投加食品级氧化剂（如过氧化氢，投加量 1-2mg/L），强化氧化效果；若 pH＜6.0，需投加石灰乳将 pH 调至 7.0-7.5，提升 Fe/Mn 氧化速率。

第三步：精细过滤与防垢预处理，保护 RO 膜

采用 “多介质过滤器 + 保安过滤器 + 阻垢剂投加”：多介质过滤器（石英砂 + 无烟煤，层高比 2:1）去除残留悬浮物（SS 降至 1mg/L 以下）和部分有机物（COD 从 80mg/L 降至 40mg/L 以下）；保安过滤器（5μm PP 棉滤芯）拦截微小颗粒（避免划伤 RO 膜表面）；

阻垢剂选型与投加：针对矿井水高 Ca²⁺、SO₄²⁻特性（易形成碳酸钙、硫酸钙结垢），选择 “耐高盐复配阻垢剂”（如 ATMP+HEDP，浓度比 3:1），投加量 3-5mg/L，通过在线监测浓水 LSI 值（控制＜0.2）和 SDI 值（污染密度指数，控制＜3），预防结垢与胶体污染；

余氯控制：若预处理中使用氯消毒（如为抑制细菌），需在保安过滤器前投加亚硫酸氢钠（投加量 1.5-2mg/L），将余氯降至 0.1mg/L 以下，避免氧化 RO 膜的聚酰胺表层。

（二）RO 主体系统：适配高盐特性的参数设计与设备选型

RO 主体系统需兼顾 “高盐耐受、稳定产水、低能耗”，核心设计如下：

RO 膜选型：优先高抗污染、高脱盐型

放弃常规低压膜，选择 “抗污染型高脱盐复合聚酰胺膜”（如陶氏 BW30XFR-400/34i、海德能 PROC10）：这类膜通过优化膜表面结构（增加粗糙度、提升亲水性），减少煤泥、有机物附着，抗污染能力提升 40%；同时脱盐率达 99.5% 以上，可有效去除矿井水中的盐分（TDS 从 15000mg/L 降至 75mg/L 以下）；

膜组件排列：采用 “3:2” 或 “4:3” 的两段式排列（如一级 RO 系统，第一段 8 支膜，第二段 6 支），提升系统回收率（达 65%-75%）的同时，避免浓水侧盐分过度浓缩（控制浓水 TDS＜40000mg/L）；若为双级 RO 系统（需产水 TDS＜50mg/L，如生活杂用），二级膜选择 “超低压高脱盐膜”（如陶氏 BW30-4040 LP），降低整体能耗。

运行参数优化：动态适配矿化度波动

运行压力：根据矿井水 TDS 动态调整 ——TDS=5000-10000mg/L 时，运行压力设定为1.8-2.2MPa；TDS=10000-20000mg/L 时，压力提升至2.2-2.8MPa；TDS＞20000mg/L 时，需采用 “高压 RO 膜”（如陶氏 SW30HR-380，运行压力 4.0-4.5MPa），确保产水通量稳定在 18-22LMH；

回收率控制：单级 RO 系统回收率 —— 淡水矿井水（TDS＜5000mg/L）65%-75%，高盐矿井水（TDS＞10000mg/L）55%-65%；若需提升回用率（如达 85% 以上），采用 “双级 RO + 浓水回流” 工艺（二级 RO 进水为一级产水，TDS 降至 500mg/L 以下，二级回收率 80%-85%，整体回收率达 80%-85%）；

温度与流速：矿井水温度通常为 15-25℃（符合 RO 膜运行要求），冬季温度＜10℃时，通过板式换热器将温度提升至 15℃以上（每提升 1℃，通量约增加 2.5%）；膜面流速控制在 0.25-0.35m/s，通过水力冲刷减少污染物附着，缓解浓差极化。

清洗系统：针对性解决矿井水特有污染

配备 “离线 + 在线双清洗系统”：在线清洗（CIP）用于日常轻度污染（通量下降 15%），包含清洗水箱（容积为 RO 系统体积的 2 倍）、加热装置（控温 25-30℃）；离线清洗用于重度污染（通量下降 30%），可将膜元件取出单独清洗，避免整体系统停机时间过长；

清洗药剂选择：

煤泥 / 胶体污染：采用 0.1%-0.2% NaOH+0.05% EDTA（pH11.0-11.5），清洗时间 60 分钟，浸泡 2 小时，溶解胶体与煤泥；

Fe/Mn 氧化物污染：采用 2%-3% 柠檬酸（pH2.0-2.5），清洗时间 45-60 分钟，通过酸性环境溶解氧化物；

硫酸钙结垢：采用 0.5%-1% 盐酸（pH1.5-2.0），避免使用硫酸（防止二次结垢）。

（三）后处理：分质适配回用场景

RO 产水需根据回用方向进行后处理，确保满足水质要求：

井下防尘回用：RO 产水 TDS＜1000mg/L，无需额外处理，直接输送至井下防尘管网（需配套加压泵，确保管网压力≥0.6MPa）；若产水 pH＜7.0，投加少量石灰乳调至 7.0-8.0，避免腐蚀管网；

设备冷却回用：RO 产水 TDS＜2000mg/L，需经 “冷却塔 + 旁滤系统” 处理（降低水温至 30℃以下，去除回用水中的悬浮物），同时投加缓蚀剂（如苯并三氮唑，投加量 0.5-1mg/L），防止冷却设备腐蚀；

生活杂用回用：需满足 GB 5749 要求，RO 产水先经 “活性炭过滤器” 吸附异味（如煤腥味），再通过 “紫外线消毒”（剂量≥40mJ/cm²）杀灭微生物，最后投加次氯酸钠（余量 0.2-0.5mg/L），确保用水安全；

绿化灌溉回用：RO 产水与少量浓水混合（调节 TDS 至 500-1000mg/L），避免盐分过低导致土壤养分流失，同时检测重金属（如 Pb、Cd），确保符合 GB 5084 标准。

三、RO 浓水零排放衔接：煤矿场景的低成本适配方案

煤矿矿井水 RO 浓水（TDS 30000-60000mg/L，占进水 30%-45%）需按环保要求实现零排放，需结合煤矿场地、资源特点选择低成本方案：

预处理：浓水软化除硬

浓水先经 “石灰 - 纯碱软化工艺”：投加石灰乳（CaO）去除 CO₃²⁻、HCO₃⁻（生成 CaCO₃沉淀），投加纯碱（Na₂CO₃）去除 Ca²⁺、Mg²⁺（生成 CaCO₃、Mg (OH)₂沉淀），使浓水硬度从 5000mg/L（以 CaCO₃计）降至 500mg/L 以下，避免后续工艺结垢；

若浓水含高 SO₄²⁻（＞5000mg/L），需投加氯化钡（BaCl₂，投加量按 SO₄²⁻浓度 1:1.2 比例），生成 BaSO₄沉淀去除 SO₄²⁻，确保后续膜处理稳定。

浓水减量：碟管式反渗透（DTRO）浓缩

采用 DTRO 膜（耐高压、抗污染，可处理 TDS＞100000mg/L 的浓水）将 RO 浓水进一步浓缩：运行压力 4.5-6.0MPa，回收率 70%-80%，浓缩后浓水 TDS 升至 100000-150000mg/L（体积减少 70%），产水（TDS＜1000mg/L）回流至 RO 预处理系统，再次利用；

优势：DTRO 膜组件独立运行，便于维护，适合煤矿浓水高盐、高污染特性，浓缩成本仅为蒸发结晶的 1/3。

最终处置：蒸发结晶与固废利用

浓缩后浓水（TDS＞100000mg/L）进入 “多效蒸发结晶器”（煤矿可利用余热蒸汽，降低能耗），结晶出固体盐（主要为 NaCl，纯度 95% 以上）；

固废处理：结晶盐若重金属含量达标（符合《一般工业固体废物贮存和填埋污染控制标准》GB 18599），可作为工业用盐出售（如用于融雪、建材）；若不达标，需进行固化稳定化处理（如掺入水泥，制成建筑砌块），避免二次污染；

冷凝水回用：蒸发结晶产生的冷凝水（TDS＜50mg/L）可作为 RO 系统补水，实现水资源 100% 循环。

四、实际项目案例：某高盐煤矿矿井水 RO 淡化回用实践

（一）项目背景

某华北高盐煤矿（矿井水 TDS 18000mg/L，SS 350mg/L，Fe 8mg/L，Mn 3mg/L），日均产矿井水 2000m³，原处理工艺为 “沉淀 + 过滤”，仅能用于井下简易防尘（回用率 40%），浓水直接排放（环保压力大）。2024 年升级为 “RO 淡化 + 浓水零排放” 工艺，目标是回用率≥85%，浓水零排放。

（二）工艺设计与参数

预处理流程：粗格栅（15mm）→水力旋流器（进口压力 0.25MPa）→300 目微滤机→曝气塔（曝气强度 2.5m³/m³ 水）→锰砂过滤器（Fe＜0.05mg/L）→多介质过滤器→5μm 保安过滤器（阻垢剂 ATMP+HEDP 投加量 4mg/L，亚硫酸氢钠投加量 2mg/L）；

RO 系统：一级 RO（抗污染膜 BW30XFR-400，48 支，3:2 排列，运行压力 2.5MPa，回收率 60%）+ 二级 RO（超低压膜 BW30-4040 LP，24 支，2:1 排列，运行压力 1.2MPa，回收率 80%），总产水量 1700m³/d；

浓水零排放：RO 浓水（300m³/d）→石灰 - 纯碱软化（CaO 投加量 800mg/L，Na₂CO₃投加量 500mg/L）→DTRO 浓缩（运行压力 5.0MPa，回收率 75%）→多效蒸发结晶（利用煤矿余热蒸汽），结晶盐出售，冷凝水回用。

（三）运行成效

水质达标：RO 产水 TDS=65mg/L，Fe=0.03mg/L，Mn=0.01mg/L，其中 1200m³/d 用于井下防尘（TDS＜1000mg/L），500m³/d 用于生活杂用（符合 GB 5749）；

环保效益：回用率达 85%，年节约新鲜水 62 万 m³，浓水实现零排放，年减少 COD 排放 28 吨、盐分排放 1500 吨，通过当地环保验收；

经济效益：井下防尘替代自来水（成本 3 元 /m³），年节约水费 129.6 万元；浓水零排放避免排污罚款（年节省 50 万元）；结晶盐年销售收入 15 万元；

运行稳定性：RO 膜清洗周期稳定在 4-5 个月，膜通量衰减率＜12%/ 年，DTRO 膜运行 1 年无明显污染，整体设备故障率＜5%。

五、项目实践中的常见问题与解决对策

在煤矿矿井水 RO 淡化回用项目中，常面临煤泥堵塞预处理、Fe/Mn 氧化结垢 RO 膜、浓水软化不彻底等问题，需针对性解决：

1. 预处理系统煤泥堵塞频繁（微滤机、锰砂过滤器压差骤升）

这类问题多因矿井水煤泥含量波动大（如采煤工作面调整导致 SS 从 300mg/L 骤升至 800mg/L），预处理负荷不足所致。解决时，首先需在水力旋流器前增设 “自动调节阀门”，根据进水 SS 值（在线监测）调整进水流量（SS 升高时减少流量 10%-20%），避免冲击预处理；其次优化微滤机反洗程序，将反洗周期从 8 小时缩至 4 小时，反洗时间从 10 分钟增至 15 分钟，同时在反洗水中添加 0.1% 柠檬酸，溶解附着的煤泥；若锰砂过滤器堵塞，需定期（每月 1 次）用 2% 盐酸浸泡滤料 2 小时，恢复吸附能力，必要时更换表层锰砂（约 10% 滤料）。

2. RO 膜 Fe/Mn 氧化物污染（清洗后通量仅恢复 60%）

主要原因是预处理锰砂过滤器失效（滤料板结、DO 不足导致 Fe²⁺未完全氧化），或曝气不充分，二价铁进入 RO 系统后氧化沉积。应对时，需先检测锰砂过滤器出水 Fe/Mn 含量，若超标（Fe＞0.1mg/L），立即反洗滤料（反洗强度 15L/m²・s），并补充新锰砂（占比 20%）；其次增加曝气塔的曝气强度（从 2m³/m³ 水增至 3m³/m³ 水），或投加 0.5-1mg/L 高锰酸钾，强化氧化效果；若 RO 膜已污染，采用 “2% 柠檬酸 + 0.1% EDTA” 混合药剂（pH2.0）离线清洗，浸泡时间延长至 4 小时，反复冲洗 3-4 次，最大限度恢复通量，同时后续需每周监测进水 Fe/Mn，建立预警机制。

3. 浓水软化不彻底（DTRO 膜结垢严重）

浓水软化不足多因石灰、纯碱投加量不够，或反应时间不足，导致 Ca²⁺、Mg²⁺未完全沉淀。解决时，需通过烧杯小试重新确定药剂投加量（按浓水硬度 1.2 倍投加石灰，1.1 倍投加纯碱），并在线监测出水硬度（控制＜500mg/L）；延长软化反应时间（从 30 分钟增至 60 分钟），在反应池内增设搅拌装置（转速 60r/min），确保药剂与浓水充分混合；若 DTRO 膜已结垢，采用 1% 盐酸（pH1.5）清洗，清洗温度 30℃，时间 60 分钟，清洗后用清水冲洗至 pH=7，同时后续需每日检测浓水硬度，避免再次结垢。

4. 冬季 RO 系统通量衰减（产水量下降 20%）

因冬季矿井水温度降至 8-10℃，膜通量随温度降低而衰减（温度每降 1℃，通量降 2.5%）。解决时，在 RO 系统前增设 “板式换热器”，利用煤矿余热（如井下排水余热、锅炉尾气余热）将进水温度提升至 18-20℃，通量可恢复至设计值的 95% 以上；若无余热可用，适当提升 RO 运行压力（每降 1℃，压力提升 0.05MPa），如温度从 15℃降至 10℃，压力从 2.2MPa 升至 2.45MPa，补偿通量损失，同时避免压力超过膜额定耐受值（如复合膜最大压力 4.1MPa）。

六、总结

煤矿矿井水淡化回用项目中 RO 设备的工艺适配，核心在于 “针对性破解矿井水特性痛点，平衡净化效率与环保要求”：通过 “旋流器 + 微滤 + 锰砂过滤” 的强化预处理，解决煤泥堵塞与 Fe/Mn 结垢；通过抗污染高脱盐膜选型与动态参数优化，适配高盐水质；通过 “DTRO + 蒸发结晶” 的浓水零排放方案，满足环保政策。从实际案例来看，适配后的 RO 系统不仅能实现矿井水回用率≥85%、浓水零排放，还能显著降低煤矿新鲜水消耗与排污成本，年经济效益可达 100-200 万元（中型煤矿），同时助力煤矿实现 “绿色开采” 转型，是煤矿水资源循环利用的优选技术路径。