一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，属于水处理领域。所述的工艺包括：步骤1：将待处理的矿井水经均质和均量调节处理；步骤2：步骤1所得上清液经加酸后进入陶瓷膜超滤系统超滤，超滤过程中通入气体进行强化过滤；步骤3：超滤后的陶瓷膜清液达标后可直接回用或深处理；超滤后的陶瓷膜浓液在浓缩到一定浓度后成为高固含量浓液再排入调节池进行沉降分离，沉淀后的污泥经板框压滤后排出，压滤污泥得到的清液进入调节池循环处理。本发明中的陶瓷膜超滤系统是核心，确保了过程的连续化和产水的达标排放，供气和加酸系统是本发明不同于所有膜处理矿井水的工艺，它极大地提高了陶瓷膜的渗透通量以及水回收率，提高了陶瓷膜处理矿井水的效率，降低了投资和运行成本，具有显著的环境效益和经济效益。
【专利说明】一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，具体地说涉及一种采用加酸调PH值和通气强化陶瓷膜过滤来提高陶瓷膜通量和效率的工艺，属于废水处理领域。
【背景技术】
[0002]煤矿矿井水是重要的水资源，据报道目前我国煤炭生产过程中，每年排出约20~30亿m3矿井水，其中北方地区约占60%，并且随着煤炭开采深度的增加而逐年增加。但现在我国煤矿矿井水资源的利用率不到20%。另一方面，据统计我国40%的矿区严重缺水，而且富煤地区往往也是贫水区。随着煤炭开采强度的加大和延伸速度的不断提高，矿区地下水位将大面积下降，使缺水矿区供水更为紧张，从而影响当地居民的正常生产和生活，已制约了煤炭生产的发展。
[0003]由于不同地区地质结构和岩性的差异，使得矿井水水质差别较大，根据矿井水中含有的主要物质可分为:含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水、含放射性元素的矿井水等。除酸洗矿井水和含放射性元素的矿井水外，其他两类的矿井水中普遍含有以煤岩粉为主的悬浮物以及可溶的无机盐类，有机物污染较少且一般不含有毒物质。因此，对矿井水进行净化处理回用，将产生巨大的经济效益和社会效益。
[0004]处理以煤岩粉为主的悬浮物固含量高的矿井水，一般采用絮凝沉降工艺，最后再通过双滤料过滤器加活性炭过滤就能达到中水回用排放的程度。但这种方法虽然投资小、运行成本低，但同时也有占地面积大、出水水质不稳定等问题，尤其在原水水质出现波动时，如水中岩粉浓度偏高、粒度偏小、铁含量偏大的红色矿井水，出现水中悬浮物无法絮凝沉降，导致出水水质浑浊、絮凝剂用量偏大的结果，不但增加了运行成本，而且处理后的出水无法达到排放标准，产生了环保问题。
[0005]以膜分离为主要手段的矿井水处理工艺，在近几年的膜行业的发展中也频频用于矿井水处理工艺中。CN101890258 A、CN2027444`09 U和CN202766374 U等专利都分别采用了膜或膜分离集成工艺处理矿井水来达到处理后回用的目的。但在这些专利技术中都只是提及膜作为一个分离单元使用，而对其中的膜污染和膜污染的控制均未涉及，尤其在如何提高膜的处理效率及膜渗透通量上都未提及。事实上，膜分离过程是一个膜污染不断增大的过程。因为在对固液、胶体分离的同时，被截留的浓液中固体含量不断增大，产生了浓差极化和膜面沉积，这就是膜污染。随着过程的进行，这个膜污染负面效应越来越大，膜的渗透通量只会越来越低。到最后会因能耗太高而不得不停止再生膜。因此，如何在过程中控制膜污染便是膜分离过程中必须考虑的首要因素。
[0006]另一方面，膜分离技术是一个新型的分离技术手段，虽然处理矿井水效果好，不受矿井水质的波动限制。但在使用过程中与传统工艺相比，其高能耗、投资大等问题也日益凸显出来，尤其陶瓷膜的一次性投资和相对高的运行成本使得许多矿井水企业望而却步。因此提高陶瓷膜的处理效率，降低陶瓷膜的运行成本便成为陶瓷膜在矿井水处理领域的一个关键。[0007]有鉴于此，特提出本发明。
【发明内容】
[0008]本发明的目的是利用膜分离技术处理矿井水，并且在现有技术基础上，增加加酸调PH值和通入气体强化膜过滤工艺来控制膜过程中的膜污染，以此提高膜过程中的渗透通量，从而提高膜过滤效率。采用这种工艺，不但提高了出水水质和渗透通量，而且提高了矿井水的浓缩倍数，浓液中的矿井水固体浓度得到提高。从而降低了投资和运行成本，给矿井水的处理带来了显著的经济和环境效益。
[0009]传统的矿井水处理悬浮物的工艺，多采用絮凝沉淀加多介质过滤的方法，这些方法对成熟的水质稳定的煤矿矿井水处理是有效果的，但对于初次开采且水质不稳定的矿井水就显得难以处理，一方面矿井水中固含物颗粒比较细小，粒径分布大部分集中在 7 μ m，难于沉淀和过滤，另一方面矿井水中铁含量高的物质在矿井水中形成胶体，采用常用的絮凝工艺难以沉降，即使沉降也增加了絮凝剂用量，延长了沉降时间，从而使得采用原有工艺除固含物效果不是很理想。而陶瓷超滤膜是属于高精度级别的过滤，对于悬浮物的去除具有其独特的去除能力，因而是一个理想的分离手段。但与传统工艺相比，陶瓷膜由于投资大、运行成本高等因素而迟迟不能用于矿井水的处理。为突破陶瓷膜用于矿井水过滤的经济瓶颈，本发明通过加酸调PH值和膜过程中通入气体强化膜过程，控制膜污染来提高矿井水的处理效率，大大提高了陶瓷膜的渗透通量，由原来的175L/m2.h维持一天，提升到366L/m2.h维持一个星期，降低了陶瓷膜的投资和运行成本，渗透通量增大了 I倍，浓缩倍数也得到了显著的提高。大大降低了处理工序的占地面积，而且出水质量非常好，可以深处理或回用。
[0010]本发明突破了陶瓷膜处理矿井水的一个经济瓶颈，使得陶瓷膜处理矿井水的技术在经济上成为可能。过程中，首先在调节池进行预沉降，除掉大的颗粒。然后在进陶瓷膜系统的管道中混合加入酸，破坏矿井水中的胶体体系，降低对陶瓷膜的污染，便于陶瓷膜的超滤。最后在陶瓷膜超滤过程中，在组件的底部加入气体，对陶瓷膜过程进行强化过滤，这样不但由于气液两相流的作用控制了膜污染，而且提高了矿井水的可浓缩倍数。大大提高了陶瓷膜过滤的渗透通量，从而提高了陶瓷膜过滤的效率和水平。
[0011]具体而言，为实现本发明目的，本发明采用如下技术方案:
一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，包括:步骤1:将待处理的矿井水经均质和均量调节处理；步骤2:步骤I所得上清液经加酸后进入陶瓷膜超滤系统超滤，超滤过程中通入气体进行强化过滤；步骤3:超滤后的陶瓷膜清液达标后可直接回用或深处理；超滤后的陶瓷膜浓液在浓缩到一定浓度后成为高固含量浓液再排入调节池进行沉降分离，沉淀后的污泥经板框压滤后排出，压滤污泥得到的清液进入调节池循环处理。
[0012]上述步骤I中，步骤I中利用调节池进行均量和均质调节，所述调节池一方面具备水质和水量的调节作用，稳定陶瓷膜超滤过程的进水水质，降低陶瓷膜超滤过程的进水固含量，起预处理作用；另一方面，兼有沉淀池的效果，目的是将高固含量的陶瓷膜浓液以及矿井水的原水中粒度较大的固体沉降成污泥而排出体系，所沉淀的污泥进板框压滤，上清液经加酸后进入陶瓷膜超滤系统进行超滤。
[0013]本发明所述高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，步骤2中将步骤I的上清液经管道混合加酸后进陶瓷膜超滤，加酸后控制矿井水的pH值在3飞，优选的pH值范围在4.5^5.5，该PH值范围内的水质更有利于后续的处理。所述的酸为盐酸或硝酸。
[0014]本发明所述的加酸系统可采用现有技术公开的结构来实现，所述结构应具备既能保证加酸后混合均匀，又要确保加酸系统简单易操作，且体积小，所占面积小。因此本发明加酸方式优选为管道混合加酸，为了确保混合均匀、加长混合反应时间，加酸点应取在靠近调节池上清液出水管口，且有计量泵调节流量。在陶瓷膜浓液口应设定一 PH值在线监测，通过PH值的实时数据反馈给加酸计量泵，从而控制pH在: 6，优选的pH值范围在4.5~5.5。
[0015]本发明所述的陶瓷膜超滤系统包括依次连接的陶瓷膜循环罐、陶瓷膜循环泵和陶瓷膜组件。
[0016]本发明技术方案中采用气体强化膜过滤过程，通过气液两相流的强化作用，一方面控制膜污染，保持陶瓷膜过滤时高通量运行，另一方面明显提高了膜过程的浓缩倍数，提高了浓液的固含量。从而整体上提高了过滤效率。因此，本发明要求在陶瓷膜组件底部通入气体，通入气体的流量与液体的流量之比为(0.5^4):1，气体压力为0.3^0.6MPa。优选从陶瓷膜组件底部通入气体的流量与液体的流量之比为(0.55~1):1，气体压力为
0.35~0.4MPa。
[0017]本步骤中，通过加入酸和适量的气体，能够提高陶瓷膜的渗透通量，由原来的175L/m2h维持一天，提升到366L/m2h维持一个星期，降低了陶瓷膜的投资和运行成本。
[0018]上述步骤中，通气的同时还需要定期反冲和排污，以控制浓缩过滤的过程中不断形成的膜面沉积和膜通道堵塞。相应的工艺是，反冲周期为30 -60 min，反冲时间为5-lOs ;排污周期3(T60min，排污时间为3~5s。
[0019]为了维持较高的渗透通量，同时又要降低能耗，陶瓷膜的操作工艺为:温度为常温，压力为0.1~0.4MPa,膜面流速I~3m/s。
[0020]为了降低膜过程的阻力，增加膜材料与水的亲和力，对选用的陶瓷超滤膜规定为:材质为氧化铝、氧化锆或者氧化钛，陶瓷超滤膜的平均孔径范围为0.02-0.1 μ m。膜结构为外压式或内压式管状多通道结构，膜厚度在f 10 μ m之间。
[0021]此外，本发明工艺中，经陶瓷膜组件超滤后的陶瓷膜浓液在浓缩到一定浓度后成为高固含量浓液再排入调节池进行沉降分离，此处的高固含量通常指3%飞％，具体为本领域技术人员所理解和掌握，本发明对此不作特别限定，浓缩过程中产生的浓缩液可直接进入陶瓷膜循环罐再次超滤。
[0022]本发明工艺中，从控制膜污染的角度入手，通过加入酸调节pH值以及通入气体强化膜过滤工艺来达到提高陶瓷膜处理矿井水的过滤效率，具有明显的先进性，与传统工艺和现有的膜处理矿井水工艺相比，具有如下的优越性:
1、采用上述技术方案，本发明得到如下有益效果:本发明提供了一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，本发明通过陶瓷超滤膜的过滤和浓缩，不仅能彻底地去除矿井水中的固含物，提高了矿井水的品质，避免了传统工艺中因矿井水质的变动而导致的产水水质不稳定，而且通过采取加酸调pH值以及过程中通入气体强化膜过程的工艺，大大提高了膜的渗透通量，提高了生产效率，降低了投资和运行成本。
[0023]2、与传统的絮凝沉降工艺相比:本发明中的陶瓷膜超滤工艺不仅工艺简单、设备结构紧凑、占地面积小，而且能够处理许多不宜沉降的粒径在 7 μ m之间的带胶体悬浮物的矿井水，适宜处理的水质广泛。
[0024]3、与现有的膜过滤矿井水的工业相比:本发明的陶瓷膜过滤技术单位面积内处理矿井水的渗透通量大，比普通的膜过滤技术的渗透通量大I倍，浓缩倍数也比普通的膜过滤技术大近I倍，提高了单位膜面积的产水量。
[0025]4、更为重要的是，由于本发明所述工艺的产水效率高，设备体积小，占地面积小，因而更适合于直接放在井下进行矿井水的处理。节省了大量的将矿井水运输到地面处理的能耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是本发明工艺流程图；
附图的主要元件说明:
1-调节池，2-陶瓷膜循环罐，3-陶瓷膜循环泵，4-陶瓷膜组件，5_，7-控制阀，6-板框压滤机，8-陶瓷膜清液罐。a-矿井水，b-酸，C-调节池上清液，d-气体，e-陶瓷膜浓液，f-板框压滤机污泥，g_板框压滤机清液，h-高固含量的浓缩液，i_陶瓷膜清液，j_产水，k-调节池沉淀污泥。
【具体实施方式】
[0027]下面结合实施例对本发明做进一步描述。
[0028]对照例
将山东某煤矿的矿井水，泵·入调节池后，经过均质均量调节后的上清液，直接进入陶瓷膜系统，控制陶瓷膜的膜面流速在3m/s，操作压力为0.3MPa，常温下过滤，反冲时间为5s，反冲周期为30min，排污时间为5s，排污周期为30min，渗透通量只有175L/m2.h，且只能维持一天。浓液的浓缩倍数为45倍。浓液中的固含量为1.3%。
[0029]实施例1
将山东某煤矿的矿井水a采用本发明工艺处理，进入如图1所示的矿井水处理工艺系统中。在矿井水a经均质和均量调节后，调节池上清液c经管道混合加酸b调节pH=4.5，进入陶瓷膜超滤系统，具体依次经过陶瓷膜循环罐2、陶瓷膜循环泵3进入陶瓷膜组件4进行超滤，超滤过程中从陶瓷膜组件4底部通入气体d进行强化过滤，控制气体流量与液体流量比例为0.55:1，气体压力为0.35MPa。陶瓷膜清液i达标后可直接回用或深处理。陶瓷膜浓液e在浓缩到一定浓度后成为高固含量浓液h进调节池1，调节池I兼有沉淀池作用，沉淀后的调节池沉淀污泥k进板框压滤机6进行压滤，压滤后所得板框压滤机污泥f可直接排出，板框压滤机清液g则可排入调节池I循环处理。
[0030]本实施例中，控制陶瓷膜的膜面流速在lm/s，操作压力为0.25MPa，常温下过滤，反冲时间为5s，反冲周期为30min，排污时间为5s，排污周期为30min。所述的陶瓷超滤膜材质为氧化铝，陶瓷超滤膜的平均孔径范围为0.1 μ m。膜结构为外压式管状多通道结构，膜厚度为10 μ mo
[0031]采用本实施例所述工艺，处理前矿井水a的pH=7.5，处理后的矿井水pH=5，陶瓷膜的渗透通量达到了 350L/m2.h，且维持了一周时间，浓缩倍数为75倍，浓液中的固含量为
2.8%，处理效果显著优于如对照例所述的现有工艺。[0032]实施例2
将山东某煤矿的矿井水采用本发明工艺处理，进入如图1所示的矿井水处理工艺系统中。在矿井水经均质和均量调节后，调节池上清液经管道混合加酸调节pH=5，进入陶瓷膜超滤，超滤过程中从陶瓷膜组件底部通入气体进行强化过滤，控制气体流量与液体流量比例为0.64:1，气体压力为0.35MPa。陶瓷膜清液达标后可直接回用或深处理，陶瓷膜浓液在浓缩到一定浓度后成为高固含量浓液进调节池，调节池兼有沉淀池作用，沉淀后的污泥进板框压滤。压滤后所得板框压滤机污泥可直接排出，板框压滤机清液g则可排入调节池循环处理。(其他操作同实施例1)
本实施例中，控制陶瓷膜的膜面流速在1.5m/s，操作压力为0.2MPa，常温下过滤，反冲时间为6s，反冲周期为40min，排污时间为3s，排污周期为40min。所述的陶瓷超滤膜材质为氧化铝，陶瓷超滤膜的平均孔径范围为0.08 μ m。膜结构为外压式管状多通道结构，膜厚度为8 μ m。[0033]采用本实施例所述工艺，处理前矿井水的pH=7.5，处理后的矿井水pH=5.5，陶瓷膜的渗透通量达到了 367L/m2.h，且维持了 6天时间，浓缩倍数为75倍，浓液中的固含量为3.5%，处理效果显著优于如对照例所述的现有工艺。
[0034]实施例3
将山东某煤矿的矿井水采用本发明工艺处理，进入如图1所示的矿井水处理工艺系统中。在矿井水经均质和均量调节后，调节池上清液经管道混合加酸调节pH=5.5，进入陶瓷膜超滤，超滤过程中从陶瓷膜组件底部通入气体进行强化过滤，控制气体流量与液体流量比例为1:1，气体压力为0.4MPa。陶瓷膜清液达.标后可直接回用或深处理，陶瓷膜浓液在浓缩到一定浓度后成为高固含量浓液进调节池，调节池兼有沉淀池作用，沉淀后的污泥进板框压滤。
[0035]本实施例中，控制陶瓷膜的膜面流速在2m/s，操作压力为0.15MPa，常温下过滤，反冲时间为8s，反冲周期为50min，排污时间为4s，排污周期为50min。所述的陶瓷超滤膜材质为氧化铝，陶瓷超滤膜的平均孔径范围为0.05 μ m。膜结构为外压式管状多通道结构，膜厚度为5 μ m。
[0036]采用本实施例所述工艺，处理前矿井水的pH=7.5，处理后的矿井水pH=6，陶瓷膜的渗透通量达到了 377L/m2.h，且维持了一周时间，浓缩倍数为75倍，浓液中的固含量为
3.3%，处理效果显著优于如对照例所述的现有工艺。
[0037]实施例4
将山东某煤矿的矿井水采用本发明工艺处理，进入如图1所示的矿井水处理工艺系统中。在矿井水经均质和均量调节后，调节池上清液经管道混合加酸调节pH=5，进入陶瓷膜超滤，超滤过程中从陶瓷膜组件底部通入气体进行强化过滤，控制气体流量与液体流量比例为0.7:1，气体压力为0.35MPa。陶瓷膜清液达标后可直接回用或深处理，陶瓷膜浓液在浓缩到一定浓度后成为高固含量浓液进调节池，调节池兼有沉淀池作用，沉淀后的污泥进板框压滤。
[0038]本实施例中，控制陶瓷膜的膜面流速在3m/s，操作压力为0.1MPa，常温下过滤，反冲时间为10s，反冲周期为60min，排污时间为3s，排污周期为60min。所述的陶瓷超滤膜材质为氧化铝，陶瓷超滤膜的平均孔径范围为0.02 μ m。膜结构为外压式管状多通道结构，膜厚度为5μηι。
[0039]采用本实施例所述工艺，处理前矿井水的ρΗ=7.5，处理后的矿井水ρΗ=5.5，陶瓷膜的渗透通量达到了 367L/m2.h，且维持了 6天时间，浓缩倍数为75倍，浓液中的固含量为3%，处理效果显 著优于如对照例所述的现有工艺。
【权利要求】
1.一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，其特征在于:包括:步骤1:将待处理的矿井水经均质和均量调节处理；步骤2:步骤I所得上清液经加酸后进入陶瓷膜超滤系统超滤，超滤过程中通入气体进行强化过滤；步骤3:超滤后的陶瓷膜清液达标后可直接回用或深处理；超滤后的陶瓷膜浓液在浓缩到一定浓度后成为高固含量浓液再排入调节池进行沉降分离，沉淀后的污泥经板框压滤后排出，压滤污泥得到的清液进入调节池循环处理。
2.根据权利要求1所述的一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，其特征在于，步骤I中利用调节池进行均量和均质调节，调节池兼具沉淀池的作用，所沉淀的污泥进板框压滤。
3.根据权利要求1或2所述的一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，其特征在于，步骤2中将步骤I的上清液经管道混合加酸后进陶瓷膜超滤系统超滤，加酸后控制矿井水的pH值在3飞，优选的pH值范围在4.5^5.5。
4.根据权利要求3所述的一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，其特征在于，所述的酸为盐酸或硝酸。
5.根据权利要求1所述的一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，其特征在于，所述的陶瓷膜超滤系统包括依次连接的陶瓷膜循环罐、陶瓷膜循环泵和陶瓷膜组件。
6.根据权利要求1或5所述的一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，其特征在于，步骤2超滤过程中从陶瓷膜组件底部通入气体的流量与液体的流量之比为(0.5^4):1，气体压力为0.3^0.6MPa ;优选的气体流量与液体流量之比为(0.55^1):1，优选的气体压力为0.35~0.4MPa。
7.根据权利要求1或5所述的一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，其特征在于，所述陶瓷膜超滤为连续错流过滤，操作条件为:温度为常温，压力为0.1~0.4MPa，膜面流速I ~3m/ s。
8.根据权利要求1或5所述的一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，其特征在于，陶瓷膜超滤过程中带有自动定时反冲和排污工艺，采用陶瓷膜产水进行反冲，反冲周期为30min-60 min,反冲时间为5_10s ;排污周期30~60min,排污时间为3~5s。
9.根据权利要求1或5所述的一种高效的陶瓷膜处理矿井水的工艺，所述的陶瓷膜超滤膜材质为氧化铝、氧化锆或者氧化钛，陶瓷超滤膜的平均孔径范围为0.02-0.1 μ m ;膜结构为外压式或内压式管状多通道结构，膜厚度在f 10 μ m之间。
10.根据权利要求1或5所述的陶瓷膜超滤工序，所述的步骤3中，超滤后的陶瓷膜浓液在浓缩到一定浓度后成为高固含量浓液再排入调节池进行沉降分离，浓缩过程中产生的清液进入陶瓷膜超滤系统。
【文档编号】C02F1/44GK103708581SQ201310674371
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】王志高, 王金荣, 周倜, 彭文博, 张宏, 范克银 申请人:江苏久吾高科技股份有限公司