《矿山环境与生态工程》课件-2.4矿井水脱盐处理工艺

矿山环境与生态工程第二章煤矿矿井水处理与资源化第一节：煤矿矿井水处理与资源化方法第二节：矿井水混凝沉淀处理工艺第三节：矿井水过滤处理工艺第四节：矿井水脱盐处理工艺第五节：煤矿矿井水地下水库技术第六节：矿井水井下处理与复用技术第七节：煤矿矿井水零排放技术第一章煤矿矿井水处理与资源化第一节：煤矿矿井水处理与资源化方法第二节：矿井水混凝沉淀处理工艺第三节：矿井水过滤处理工艺第四节：矿井水脱盐处理工艺第五节：煤矿矿井水地下水库技术第六节：矿井水井下处理与复用技术第七节：煤矿矿井水零排放技术一、膜分离处理工艺原理1膜分离法定义用一种特殊的半透膜将溶液隔开，使一侧溶液中的某种溶质透过膜或者溶剂（水）渗透出来，从而达到分离溶质的目的2膜分离分类分离过程推动力膜用途扩散渗析浓度差渗析膜分离溶质，用于回收酸、碱等微滤压力差微滤膜分离悬浮固体、浊度、原生动物、细菌等超滤压力差超滤膜截留分子量>1000的大分子，去除胶体、蛋白质、细菌等纳滤压力差纳滤膜截留分子量>400的大分子，分离溶质、某些硬度、病毒等反渗透压力差反渗透膜分离小分子溶质，用于海水淡化，去除无机离子、色素、有机物等电渗析电位差离子交换膜分离离子、盐类，用于苦咸水淡化、除盐、回收酸、碱等一、膜分离处理工艺原理3膜分离的基本原理超滤的基本原理

一般认为超滤是一种筛孔分离过程，主要用来截留分子量高于500的物质。在静压差的作用下，原料液中溶剂和小分子的溶质粒子从高压的料液侧透过膜到低压侧，通常称为滤出液或透过液；而大分子的溶质粒子组分被膜所阻截，使它们在滤剩液(或称浓缩液)中浓度增大。反渗透原理一、膜分离处理工艺原理3膜分离的基本原理用一种半透膜将淡水和盐水隔开（如图），该膜只让水分子通过，而不让溶质通过。由于淡水中水分子的化学位比盐水中水分子的化学位高，所以淡水中的水分子自发地通过膜而渗流入盐水中，直到盐水侧的水位上升到一定高度为止，此高度称为盐水的渗透压π。如在盐水侧施加压力P，当P=π时，水分子在膜两侧通过的数目相等，达到平衡状态。当压力P>π时，则盐水中的水分子将流向淡水中去，使盐水增浓，这就是反渗透电渗析的基本原理电渗析器中交替排列着许多阳膜和阴膜，分隔成小水室。当原水进入这些小室时，在直流电场的作用下，溶液中的离子就作定向迁移。阳膜只允许阳离子通过而把阴离子截留下来；阴膜只允许阴离子通过而把阳离子截留下来。结果这些小室的一部分变成含离子很少的淡水室，出水称为淡水。而与淡水室相邻的小室则变成聚集大量离子的浓水室，出水称为浓水。从而使离子得到了分离和浓缩，水便得到了净化。一、膜分离处理工艺原理3膜分离的基本原理一、膜分离处理工艺原理4分离膜的性能参数

一、膜分离处理工艺原理3分离膜的性能参数

即：回收率r:由于所有的膜过程都产生一股含有废物的水流（浓水），我们把透过流量占进水流量的分数称为回收率。二、矿井水处理常用的膜分离工艺1超滤

大多数超滤膜都是聚合物或共聚物的合成膜，主要有醋酸纤维超滤膜、聚讽类超滤膜和聚砚酰胺超滤膜。此外，聚丙烯脂也是一种很好的超滤膜材料。超滤膜的性质：一般商品超滤膜的透过能力以纯水的透过速率表示，并标明测定条件。通常用分子量代表分子大小以表示超滤膜的截留特性，即膜的截留能力以切割分子量表示。切割分子量的定义和测定条件不很严格，一般用分子量差异不大的溶质在不易形成浓差极化的操作条件下测定脱除率，将表现脱除率为90～95％的溶质的分子量定义为切割分子量。另外，要求超滤膜能耐高温，pH适用范围要大，对有机溶剂具有化学稳定性，以及具有足够的机械强度。超滤膜材质超滤设备和超滤工艺流程

超滤膜组件的结构形式基本上类似于反渗透膜组件，也可以制成板框式、螺旋卷式、管式、中空纤维式等超滤膜组件，并且通常是由生产厂家将这些组件组装成配套设备供应市场。超滤工艺流程可分为间歇操作、连续超滤过程和重过滤三种。间歇操作具有最大透过速率，效率高，但处理量小。连续超滤过程操作常在部分循环下进行，回路中循环量常比料液量大得多，主要用于大规模处理厂。重过滤常用于小分子和大分子的分离。

超滤技术在废水处理中的应用在废水处理中，超滤技术可以用来去除废水中的淀粉、蛋白质、树胶、油漆等有机物，以及粘土、微生物等；此外，超滤还可用于污泥脱水，以及用来代替澄清池等。二、矿井水处理常用的膜分离工艺2反渗透醋酸纤维素膜(简称CA膜)

以醋酸纤维素为成膜物质，丙酮为溶剂，加入过氯酸镁[Mg(C1O4)2]或甲酰胺[HCONH2]为添加剂(发孔剂或溶胀剂)，按一定比例配制而成。CA膜的外观为乳白色或淡黄色的含水凝胶，膜厚100～250，它是由致密的表皮层和多孔支撑层组成。表皮层是脱盐面，厚0.25～1μm，其孔隙率为12～14%，微孔孔径小于100。多孔支撑层为海绵状，孔隙率为50～60％，微孔孔径100～1000，此层起支撑表皮层的作用。

超滤膜材质二、矿井水处理常用的膜分离工艺2反渗透芳香族聚酰胺膜

这种膜的主要成膜材料为芳香聚酰胺，以二甲基乙酰胺为溶剂，硝酸盐为添加剂制成。它是一种非对称结构的膜。制成中空纤维膜时，其外径45-85μm，内径24-42μm，表皮层厚0.1-1.0μm。这类反渗透膜具有良好的透水性能；较高的脱盐率、工作压力低(2.74MPa即可)、机械强度好、化学稳定性好、耐压实、能在pH值为4-11范围内使用、寿命较长。聚苯并咪唑膜

简称为PBI膜，其特点是在高温时透水性能好。在21~90℃温度范围内，PBI膜的透水量随温度上升而提高；而当温度升高到90℃时，FBI膜的透水量将将到零。反渗透装置板框式反渗透装置

在多孔透水板的单侧或两侧贴上反渗透膜，即构成板式反渗透元件。再将元件紧粘在用不锈钢或环氧玻璃钢制作的承压板两侧。然后将几块或几十块元件成层叠合(图17-10)，用长螺栓固定，装入密封耐压容器中，按压滤机形式制成板式反渗透器。这种装置的优点是结构牢固、能承受高压、占地面积不大；其缺点是液流状态差、易造成浓差极化、设备费用较大、清洗维修也不太方便。管式反渗透装置这种装置是把膜装在(或者将铸膜液直接涂在)耐压微孔承压管内侧或外侧，制成管状膜元件，然后再装配成管束式反渗透器。这种装置的优点是水力条件好，适当调节水流状态就能防止膜的沾污和堵塞，能够处理含悬浮物的溶液，安装、清洗、维修都比较方便。它的缺点是：单位体积的膜面积小、装置体积大、制造的费用较高。螺旋卷式反渗透装置

它是在两层反渗透膜中间夹一层多孔支撑材料(柔性格网)，并将它们的三端密封起来再在下面铺上一层供废水通过的多孔透水格网，然后将它们的一端粘贴在多孔集水管上。绕管卷成螺旋卷筒便形成一个卷式反渗透膜组件。最后把几个组件串联起来，装入圆筒形耐压容器中，便组成螺旋卷式反渗透器。这种反渗透器的优点是单位体积内膜的装载面积大、结构紧凑、占地面积小；缺点是容易堵塞、清洗困难，因此，对原液的预处理要求严格。中空纤维式反渗透装置这种装置中装有由制膜液空心纺丝而成的中空纤维管，管的外径为50－l00μm，壁厚12－25μm，管的外径与内径之比约为2：1。将几十万根中空纤维膜弯成U字形装在耐压容器中，即可组成反渗透器(图17-13)。这种装置的优点是单位体积的膜表面积大、装备紧凑；缺点是原液预处理要求严，难以发现损坏了的膜。电光源厂40吨反渗透系统1.5T/H反渗透系统二、矿井水处理常用的膜分离工艺3电渗析电渗析器利用电渗析原理进行脱盐或处理废水的装置，称为电渗析器。电渗析器的构造1)膜堆：其结构单元包括阳膜、隔板、阴膜，一个结构单元也叫一个膜对。一台电渗析器由许多膜对组成，这些膜对总称为膜堆。隔板常用l～2mm的硬聚氯乙烯板制成，板上开有配水孔、布水槽、流水道、集水槽和集水孔。隔板的作用是使两层膜间形成水室，构成流水通道，并起配水和集水的作用。2)极区：极区的主要作用是给电渗析器供给直流电，将原水导入膜堆的配水孔，将淡水和浓水排出电渗析器，并通入和排出极水。极区由托板、电极、极框和弹性垫板组成。电极托板的作用是加固极板和安装进出水接管，常用厚的硬聚氯乙烯板制成。电极的作用是接通内外电路，在电渗析器内造成均匀的直流电场。阳极常用石墨、铅等材料；阴极可用不锈钢等材料制成。极框用来在极板和膜堆之间保持一定的距离，构成极室，也是极水的通道。极框常用厚5～7mm的粗网多水道式塑料板制成。垫板起防止漏水和调整厚度不均的作用，常用橡胶或软聚氯乙烯板制成。3)压紧装置：其作用是把极区和膜堆组成不漏水的电渗析器整体。可采用压板和螺栓拉紧，也可采用液压压紧。电渗析器的组装

三、膜分离处理工艺设计及案例1超滤工艺设计及案例超滤系统运行过程过滤Filtration反洗周期BWCyc气洗AirScrub反洗BW正冲洗FF化学清洗CIP化学分散洗CEBOptional*项目SFP-2660SFP-2680SFP-2860SFP-2880膜形式外压中空纤维膜材料PVDF(聚偏氟乙烯)外壳体材料UPVC(聚氯乙烯)公称膜孔径0.03μm直径-D6”6”8”8”宽度-W60”80”60”80”有效膜面积33m244m251m277m2组件水容积16L20L35L39LPH范围2-11（清洗时1-12）最大进水浊度300NTU最大进水压力6bar运行通量范围40-120LMH@25℃最大透膜压差2.1bar最高使用温度40℃最大进水余氯浓度200ppm清洗时最大余氯浓度5000ppmSFP-2860SFP-2880SFP-2660

DOWUF膜组件产品系列制膜材料膜丝的结构及性能PVDFUF，外压过滤精度0.03µmDOWTMUF现场装置产水原水箱过滤器150m反洗水箱气体药剂反洗泵进水泵排放水过滤过滤产水原水箱反洗水箱气体药剂反洗水泵进水泵气擦洗过滤器150m排放水气擦洗排放产水药剂反洗水箱反洗水泵进水泵原水箱过滤器150m气体排放水上反洗产水药剂（可选）反洗水箱反洗水泵进水泵原水箱过滤器150m气体排放水下反洗产水药剂（可选）反洗水箱反洗水泵进水泵原水箱过滤器150m气体排放水反洗正冲洗产水药剂反洗水箱反洗水泵进水泵原水箱过滤器150m气体排放水化学分散清洗CEB（上洗）产水药剂反洗水箱反洗水泵进水泵原水箱过滤器150m气体排放水产水药剂反洗水箱反洗水泵进水泵原水箱过滤器150m气体排放水化学分散清洗CEB（下洗）化学清洗过程CIPCIP:有机物、微生物污染:100ppmNaOH2000ppmNaCIO(Cl2)

无机物污染:1~2%柠檬酸,0.4%HCI

压力：2bar流量：1.5m3/hr/膜PumpCIP溶液箱超滤系统的组成产水池过滤器进水池超滤絮凝剂/杀菌剂投加？

多少精度的过滤器？容量？（n+1)给水泵?-多少套

装置？-多少支膜/套装置？-什么型号的

膜元件？-错流，全流设计？（n+1)反洗泵?变频?回收率多少杀菌剂投加？CEB？膜用量，装置数设计水源实际水量，药耗/能耗；管路，阀门，泵等型号反洗设备，加药设备，清洗设备，其它辅助设备膜型号水源信息预处理可用UFlow来计算通量回收率超滤设计流程

设计水源的正确分析建议考虑的进水指标:原水类型浊度总悬浮物TOC/COD/BODFe3+/胶体硅/油酯其它污染物细菌数量颗粒物颗粒尺寸设计导则:通量反洗频率&时间等气擦洗频率CEB频率&时间等CIP频率&时间等预处理工艺的考虑絮凝剂投加量其它操作参数运行工艺参数选择流量@持续时间（s）运行20–60minutes反洗周期进气

5-12Nm3/h@20-60s排水

20-60s上反洗

100~150L/m2.h@20-60s下反洗

100~150L/m2.h@20-60s正洗

1–4m3/h/膜@

20-60s运行

20–60minutes*注意:CEB需要与否基于原水水质和实际现场运行情况CEB(在线);

每1-7天CIP(离线);

每1-12月

三、膜分离处理工艺设计及案例2反渗透工艺设计及案例给水V型圈浓水产水膜外壳膜元件反渗透膜原件反渗透膜元件：组成工艺流程的最小单位进水离子浓水产水

水流高压泵浓水产品水进水反渗透基本流程基本公式回收率R

(%)=盐透过率(%)=脱盐率(%)=100–盐透过率(％)产水流量进水流量x100产水含盐量进水含盐量x100浓缩因子CFQw=Kw(ΔP-Δπ)A/TQw—产水量Kw—系数ΔP—膜两侧的压差Δπ—渗透压对于一张给定的膜，产水量和盐通量计算公式：Qs=Ks*ΔC*A/TQs—盐透过量

Ks—系数Δc—膜两侧盐浓度差A—膜面积T—膜厚度对膜来说Kw大Ks小则膜质量较好。相同面积和厚度的产水量与净驱动压力成正比，盐透过量只与膜两侧溶液浓度成正比，而与压力无关。某个CPA反渗透膜元件的进水条件最高使用温度：45℃最大给水浊度：4.0ppm允许游离氯：<0.1ppmPH范围：连续运行：3-10

短时运行：2-11最大给水流量：17.0m3/h给水最大SDI值：4.0单个膜元件回收率：15%*根据进水要求来合理安排RO的预处理系统预处理工艺设计各项进水指标对设备安全运行的意义（1）余氯醋酸纤维膜要求给水中含有残余氯，可防止细菌滋生，但含氯量过高会破坏膜，最大允许连续余氯的含量为1毫克/升。复合膜抗氯性差，一般不允许余氯。使用亚硫酸氢钠除余氯的反应如下：

Na2S2O5+H2O→NaHSO3NaHSO3+HCLO→HCL+NaHSO4

理论上1.34公斤的Na2S2O5可以去除1公斤余氯，但在有溶解氧的情况下，对苦咸水去除1公斤余氯需投加3公斤Na2S2O5。使用活性炭过滤清除余氯的反应如C+2CL2+2H2O→4HCL+CO2

（2）铁（Fe）当RO给水在进行氯化及脱氯工程中，或在水中溶解氧含量高于5毫克/升时水中的2价铁离子转化为3价铁离子，生成不溶于水的胶体物质，对反渗透造成污染。降低RO给水中铁的含量可以采用曝气-锰砂过滤的方法完成。（3）颗粒物质、SDI和浊度对于不同的原水水源，由于选用的通量不同，要求的SDI值也不一样，一般要求SDI小于5（越小越好）；浊度应小于0.2NTU（最大允许浊度为1NTU）不允许大于5微米的颗粒进入高压泵及反渗透器。一般在高压泵前安装5微米过滤器，在微过滤器前后安装压力表，当压力表超过一定数值后，更换滤芯，通常情况下更换周期为1-3个月，若使用时间小于1个月，则需改善预处理系统，不允许使用带反洗的微过滤器（4）有机物、油和脂和细菌水中不允许含有油和脂，当油或脂超过0.1毫克/升时，就应采用混凝或使用活性炭过滤器进行去除水中的有机物对RO膜的影响最为复杂，有些有机物对膜的影响不大，而另一些则可能造成膜的有机物污染。当水中的TOC含量超过3毫克/升时，即应考虑进行去除细菌会以醋酸纤维为食物损坏醋酸膜，也会造成复合膜污堵，采用加氯消毒杀菌，加氯量要根据需氯量实验加以确定（5）阻垢必须防止CaCO3、CaSO4、SrSO4、BaSO4垢。CaCO3、CaSO4，其他盐类SrSO4、BaSO4和CaF2需要计算来确定浓水中是否超过溶解度极限。如果微溶盐超过溶解极限，需要采取以下方法：降低系统回收率，避免超过溶度积。采取离子交换软化去除钙离子（少用）加酸去除碳酸或重碳酸离子。加阻垢剂。反渗透预处理——设计考虑因素膜元件种类(醋酸纤维素膜或芳香聚酰胺复合膜)进水水质(水源及其变化)进水流量(小型或大型装置)反渗透的回收率(高回收率意味着需要更好的预处理）后处理设备和要求反渗透膜元件的组装数量若干个膜元件卷式膜组件串联串联或并联反渗透膜系统串联回收率的设计方法反渗透设计工艺过程设计－工艺流程及特征方程分段式工艺流程分级式工艺流程膜分离处理工艺中段和级概念的区分反渗透系统排列方式(级与段的图示说明）进水高压泵膜组件浓水第一段一般遵循2：1的排列方式1级RO系统膜组件膜组件膜组件高压泵膜组件

产品水（淡化水）浓水第一段第二段膜组件膜组件膜组件膜组件膜组件进水

产品水（淡化水）进水高压泵膜组件1级产品水（淡化水）浓水第一段第二段一般遵循2：1的排列方式2级RO系统膜组件膜组件膜组件膜组件膜组件高压泵膜组件2级产品水（淡化水）浓水第一段第二段膜组件膜组件膜组件膜组件膜组件一级产水作为二级进水进水第一段第二段第n段浓水Qf，cfQp1cp1Qp2cp2QpncpnQr1cr1Qf1cf1Qr1cr1Qf（n-1)cr(n-1)产水Qp，cpQr，cr显然，n个膜元件串联透过水总量为：

Qp=yQf+(1-y)yQf+…+(1-y)i-1yQf+…+(1-y)n-1yQf=[1-(1-y)n]QfQp=yQf+(1-y)yQf+…+(1-y)i-1yQf+…+(1-y)n-1yQf=[1-(1-y)n]Qf浓水总流量为：Qb=Qf-Qp=(1-y)nQf

总回收率为：Y=Qp/Qf=1-(1-y)n第i个膜元件的透过水量为：Qip=(1-y)i-1yQf

第i个膜元件的总体回收率为：Yi=Qip/Qf=(1-y)i-1y反渗透系统设计回收率一根组件的最高回收率

取决于压力容器（膜外壳）中串联的膜元件（40”长）数量反渗透系统设计回收率反渗透系统的最高回收率

取决于膜组件排列的段数（以6芯装的组件为例）在无设计软件的情况下，或为了先对项目有益简要的把握，可简要进行如下的处理：

水源类型、水质、所需的预处理产水量、回收率、进水预处理选择膜元件类型，计算所需元件的数量（安全系数0.8）Ne为元件数目，Qp为产水量，qmax为元件最大产水量。

反渗透基本设计内容和过程确定压力容器数，据回收率等，确定排列方式

Nr为压力容器数目，n为每个容器中元件数，

通常其二段排列容器比为2：1，

三段排列