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摘要：介绍了处理高盐高铁锰矿井水的工艺流程及主要特点，通过对陶粒除铁锰、微滤+反渗透脱盐和锰砂除铁锰、超滤+反渗透脱盐进行技术经济和综合比较分析，优选出最佳处理方案。
关键词：矿井水；除盐；除铁；除锰
1 引言
煤炭矿井水既是一种具有行业特征的污染源，又是一种宝贵的水资源[1-3]。因此实现矿井水的资源化，不仅能缓解矿区严重缺水的状况，也可以保护环境，实现煤炭工业的可持续发展。本文以陶粒除铁锰、微滤+反渗透脱盐和锰砂除铁锰、超滤+反渗透脱盐为例，从工艺特性、技术性及经济方面进行分析比较，优选出最佳处理方案，为今后高盐高铁高锰矿井水回用方案提供可借鉴的依据。
2 高盐高铁锰矿井水处理技术
国内外把含悬浮物矿井水作为常规矿井水，因为采用常规的混凝、沉淀、过滤、消毒处理就可以满足生活饮用或一般工业用水要求，技术成熟[1-3]，可直接进行工业性设计。高矿化度的矿井水经过常规预处理后采用除盐工艺可以达到回用水水质要求。我国煤炭行业曾经以电渗析除盐应用较多，近几年随着反渗透(RO)膜技术的成熟和价格的下降，应用RO除盐成为主要的发展趋势[3-6]。煤矿含铁、锰矿井水主要是地层中含铁、锰地下水渗透形成的，地下水中铁、锰多以二价形式存在，国内外对于含铁地下水处理成饮用水或生产用水研究报道比较多[7-9]，技术相对成熟。总结多种多样的除铁方法，可归纳为以下3种：空气自然氧化法、强氧化剂氧化法和接触氧化法。地下水除锰要比除铁困难得多，发展也比较缓慢。早期的除锰主要是接触氧化法，多采用两级过滤系统[7]。
2.1 矿井水水质及出水要求
以山西某矿高盐高铁高锰矿井水为例，回用水质指标为《城市供水水质标准》(CJ/T206-2005)。原水水质及回用水水质标准如表1所示。
3 矿井水处理工艺方案比较
3.1 陶粒除铁和锰砂除铁比较
3.1.1 陶粒滤料除铁
陶粒为人工烧结的球形滤料，由于其形状为球形，粒度规则，滤料层空隙分布均匀，克服了不规则滤料空隙不均匀而引起水头损失加大、易堵塞、易板结等缺陷。由于密度小且均匀，反冲洗容易进行，反冲洗强度为，比石英砂少，比锰砂少，因此能耗低，不塌料。由于球形级配合理，故纳污能力强，滤料利用率高，水头损失增加缓慢，过滤周期长，产水量大。更由于其表面粗糙、多微孔、比表面积大，适合各类微生物生长，在除铁、除锰的过程中，其表面能形成稳定的、高活性的生物膜，除铁效果在90%以上[8]。为了去除残余锰，在滤池进水中投加少量的高锰酸钾（），可在滤料上逐步形成改性除锰氧化滤料，将去除。陶粒滤料强度大、耐摩擦、物理化学稳定性高、寿命长，它是由无极材料高温烧结而成，长期浸泡不会向水体释放任何物质，无二次污染。
除铁滤池可用快滤池、无阀滤池、压力滤池、相互冲洗滤池等，只要有过滤性能均可使用。但快滤池工艺比较落后，需要较大的管廓、反洗泵等，且过滤为变速过滤匀速冲洗，出水必须加设滤速调节器，以保证周期内的滤速，因此不选取此种滤池。压力滤池亦为变速过滤匀速冲洗，情况与快滤池基本相同，也不适合陶粒除铁。
3.1.2 锰砂滤料除铁
除铁用的天然锰砂是由氧化锰矿石重选加工之尾矿制成，其化学成分，相对密度3.2~3.7，堆积密度1.6~1.85，孔隙度50%，外观黑褐色。由于其对水中二价铁离子的吸附容量较大，故多作为除铁的滤料。由于用3%的将清洗过的天然锰砂浸泡12h，使锰砂表面快速形成一层氧化膜，对铁及锰的去除起到催化作用，才能使出水水质达标。因此改性锰砂是较优越的除铁除锰滤料。
除铁锰砂滤池由于其容量大，冲洗强度需18~22，若采用无阀滤池，必须使其虹吸水头很大，才可以反冲洗，故滤池过高，不宜采用。一般采用新型的双级压力滤料，它使两级过滤一体化，上层主要除铁，下层主要除锰，工作性能稳定可靠，处理效果良好，适合于铁锰含量中等的中小型水厂。
3.1.3 优化比选
对于除铁除锰的滤料除满足作为滤料的一般要求，即：有足够的机械强度，有足够的化学稳定性，不含毒质，对除铁水质无不良影响等以外，还应具对铁锰有较大的吸附容量和较短的“成熟”期。锰砂是传统滤料，陶粒是新型人工烧结的“纳米滤料”，它们都具备除铁除锰的滤料条件。从除铁锰效果上讲，经过混凝沉淀，陶粒滤料后的出水总铁<0.2，锰<0.1，经过混凝沉淀，锰砂滤料后的出水总铁<0.1，锰<0.1，均能达到出水水质要求[8]。
但陶粒质轻，较锰砂需求量小，造价低。另外，陶粒反洗强度10~12，而锰砂反洗强度，每天锰砂滤池反洗水耗水多。因此，从节能及经济效益上讲，选用陶粒除铁优于采用锰砂除铁。
3.2 微滤+反渗透脱盐和超滤+反渗透脱盐比较
3.2.1 瓷砂过滤器
瓷砂是由优质高岭土、粘结剂、成孔剂等瓷泥矿料粉研磨并科学地按比例混合加水成型、干燥、高温烧结精致而成，白色、质坚、颗粒均匀，微孔发达，孔隙率大，圆度饱满，具有优良的吸附能力，可作为各种滤料。
瓷砂是均匀的球形颗粒，球形之间是多点接触，孔隙均匀，中间形成许多弯弯曲曲的通道，水流经过滤层时许多微孔，使悬浮物很容易被瓷砂表面吸附截留，并形成再生膜，起到过滤的作用，截污能力大，瓷砂比表面积大约为8.5，其最大饱和泥渣量为30.5，是一般石英砂所不可比拟的。
又由于瓷砂为球形，水流阻力小，且自身比重轻，在进行反冲洗时，可借自身的滚动和相互摩擦，使附着在球面上的泥渣很容易被清洗脱除。故反洗时间短，水耗小，效果好，反洗时滤料膨胀率仅10%，远小于石英砂滤料膨胀率40~50%。反洗强度为4.5~6，也远小于石英砂反洗强度12~15。
瓷砂过滤器在进水为絮凝沉淀过滤后的原水时，出水浊度<0.5NTU，SDI<3，能满足反渗透装置进水的要求。
3.2.2 中空纤维超滤装置（UF）
超滤（UF）是一种薄膜分离技术，它是在一定压力作用下（压力为0.07~0.7MPa），水在膜面上流动，水中溶解盐类和其他电解质是微小颗粒，能够渗透超滤膜，而分子量大的颗粒和胶体物质被超滤膜所阻挡，从而使水中的部分颗粒得到分离的技术。超滤作为反渗透脱盐的预处理设备，它的优点是可全部去除大于0.1的胶体和颗粒物，出水SDI<2，浊度<0.1NTU，可降低反渗透装置的清洗频率，提高反渗透的效率及稳定性。
超滤装置需每隔30天左右将膜块取出进行清洗，管理比较复杂。
3.2.3 瓷砂过滤与超滤作为RO预处理的比较
3.2.3.1 出水水质
该矿反渗透脱盐水用于生产生活用水，并不追求高脱盐率，产品水可以保留一部分矿物质更利于使用。瓷砂过滤已可使出水浊度<0.5NTU，SDI<3，完全可以满足反渗透装置工作运行的要求，不需将浊度降到0.1NTU，也不需将SDI降到2以下。
3.2.3.2 管理
超滤膜的管理十分复杂，它是间断性脉冲工作，出水量变化且不均匀，不可以直接送入RO装置，中间必须设置不锈钢的中间水箱。超滤还需要加药冲洗以及化学清洗，管理不便。相对而言，瓷砂过滤器要简单方便得多，且能节约大量清洗水。
3.2.3.3 造价
超滤装置造价较高，以目前市场价格（不计算其化学清洗以及厂房面积部分），单纯UF装置造价最小为1.2万元/，故1台UF-100型造价120万元。该矿需3台，包括不锈钢水箱造价需414万元，而瓷砂过滤设备费仅为76.8万元，相差甚远。
因此，采用瓷砂过滤+反渗透脱盐方案。
4 结论
通过对除铁锰脱盐的两种方案出水水质、经济造价、管理难易进行比较后，推荐使用陶粒除铁锰过滤、瓷砂微滤加反渗透脱盐水处理工艺方案。
参考文献：
[1] 何绪文，肖宝清，王平. 废水处理与矿井水资源化[M] . 北京:煤炭工业出版社，2002 :1562160.
[2] 胡文容. 煤矿矿井水及废水处理利用技术[M] . 北京:煤炭工业出版社，1998
作者简介：
刘训东（1983-），男，工程师，主要研究方向：水污染控制工程
论文作者:刘训东,宫景雯2,李启超1
论文发表刊物:《防护工程》2017年第10期
论文发表时间:2017/9/14
标签：滤池论文; 脱盐论文; 陶粒论文; 除铁论文; 反渗透论文; 滤料论文; 超滤论文; 《防护工程》2017年第10期论文;