一种高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注系统及工艺

技术领域

本发明属于水处理技术领域，涉及煤矿矿井水处理，具体涉及一种高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注系统及工艺。

背景技术

由于环保政策趋严，西部矿区大部分矿井水需要零排放处理，传统的矿井水零排放工艺是通过多级膜浓缩以及蒸发结晶工艺对水体进行处理。虽然这种方式能够有效降低矿井水的矿化度和盐浓度，但是多级膜浓缩处理容易结垢；蒸发结晶工艺由于液柱静压头效应引起的温度差损失较大，为了保持一定的有效温度差，要求加热蒸汽有较高的压力，因此设备较为庞大，消耗的材料多，需要高大的厂房，处理成本较高，并不适合在西部地区进行推广。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注系统及工艺，解决现有技术中零排放工艺易出现膜无机结垢现象，以及蒸发结晶工艺成本过高的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注系统，包括预处理装置，所述的预处理装置的进水端为高矿化度矿井水进水端，预处理装置的出水端与管道混合器的进水端相连通，所述的管道混合器的出水端与脱碳器的进水端相连通；所述的脱碳器的第一出水端与反渗透装置的进水端相连通，脱碳器的第二出水端与纳滤装置的进水端相连通，所述的纳滤装置的第一出水端与反渗透装置的进水端相连通，纳滤装置的第二出水端与灌溉水蓄水池相连通。

所述的反渗透装置的第一出水端与浓水箱的进水端相连通，所述的浓水箱的出水端与送水管道的进水端相连通，所述的送水管道的出水端与水射器的进水端相连通，所述的水射器的出水端与深层回注机构的进水端相连通，水射器的进气端与脱碳器的出气端相连通；反渗透装置的第二出水端与纯净水蓄水池相连通，所述的纯净水蓄水池的第一出水端与回用水蓄水池相连通，纯净水蓄水池的第二出水端与灌溉水蓄水池相连通。

本发明还具有如下技术特征：

可选的，所述的纳滤装置的第二出水端与除氟池的进水端相连通，所述的除氟池的出水端与灌溉水蓄水池相连通。

具体的，所述的脱碳器包括脱碳器壳体，脱碳器壳体内的空间从上到下依次为分水区、填料区和出水区，分水区内设置有分水花洒；所述的分水区的出气端与水射器相连通，分水区的进水端与管道混合器相连通，分水区的出水端与填料区的进水端相连通，填料区的出水端与出水区的进水端相连通，出水区的第一出水端与反渗透装置相连通，脱碳器的第二出水端与纳滤装置相连通。

具体的，所述的送水管道上设置有原水泵。

具体的，所述的深层回注机构包括注水池，注水池的进水端与水射器相连通，注水池的排气排水端与注水管道的进水端相连通，注水管道的出水端与钻孔的进水端相连通，钻孔的排气排水端与排水排气管道相连通，钻孔的排气端与泄压管道的进气端相连通，泄压管道的出气端与注水池的进气端相连通；所述的注水管道上设置有高压注水泵。

具体的，所述的钻孔的顶端处设置有压力表。

具体的，所述的排水排气管道上设置排气排水阀。

具体的，所述的泄压管道上设置有安全泄压阀。

本发明还保护一种高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注工艺，该工艺采用如上所述的高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注系统；该工艺具体包括如下步骤：

步骤一，将高矿化度矿井水通入预处理装置中，进行预处理，制得预处理产水，然后将预处理产水和盐酸通入管道混合器进行混合，制得管道混合器产水。

步骤二，将步骤一制得的管道混合器产水通入脱碳器中，在脱碳器中将二氧化碳从水体中分离出后，制得脱碳器产水，分离出的二氧化碳送入水射器中备用。

步骤三，将步骤二中的一部分脱碳器产水通入反渗透装置中，经过处理后，制得反渗透浓水和反渗透产水，将反渗透浓水通入浓水箱中后，再通过送水管道和水射器送入深层回注机构中。

步骤四，将步骤三的反渗透产水通入纯净水蓄水池中，然后将纯净水蓄水池中的一部分水体通入回用水蓄水池中，另一部分水体通入灌溉水蓄水池中。

步骤五，将步骤二中的另一部分脱碳器产水通入纳滤装置中，经过处理后，制得纳滤产水和纳滤浓水；然后将纳滤产水通入反渗透装置中，将纳滤浓水通入灌溉水蓄水池中。

可选的，所述的步骤五或为：将步骤二中的另一部分脱碳器产水通入纳滤装置中，经过处理后，制得制得纳滤产水和纳滤浓水；然后将纳滤产水通入反渗透装置中，将纳滤浓水先通入除氟池中进行处理，再通入灌溉水蓄水池中。

本发明与现有技术相比，具有如下有益的技术效果：

(Ⅰ)本发明的高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注系统，将高矿化度矿井水采用预处理装置处理后，先通过管道混合方式加入盐酸，再经过脱碳器将水体中的二氧化碳析出，去除二氧化碳后的水体部分进入纳滤装置，部分直接进入反渗透装置，反渗透产水部分直接进行生产生活用水回用，部分反渗透产水与纳滤装置浓水混合，混合后的水为低碳酸氢根钙钠离子浓度适中的适宜灌溉水，反渗透浓水通过水射器吸收脱碳器中的二氧化碳，与浓水一起回注至目标地层水。

本发明通过上述过程，能够改善传统零排放工艺的膜无机结垢现象，同时通过深层回注机构替代传统的蒸发结晶装置，降低了处理成本，在西部高矿化度矿区具有推广潜力。

(Ⅱ)本发明的高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注工艺，由于二氧化碳添加后的反渗透浓水为弱酸性，与地层水匹配性更好，能够减轻地层堵塞风险。

附图说明

图1为高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注系统的整体结构示意图。

图2为包括除氟池的高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注系统的整体结构示意图。

图3为深层回注机构的结构示意图。

图4为25℃下不同压力对应的二氧化碳质量分数预测趋势线。

图5为二氧化碳相态图。

图中各标号的含义为：1-预处理装置，2-管道混合器，3-脱碳器，4-反渗透装置，5-纳滤装置，6-灌溉水蓄水池，7-浓水箱，8-送水管道，9-深层回注机构，10-纯净水蓄水池，11-回用水蓄水池，12-除氟池，13-原水泵，14-水射器。

301-脱碳器壳体，302-分水区，303-填料区，304-出水区，305-分水花洒。

901-注水池，902-注水管道，903-钻孔，904-排水排气管道，905-泄压管道，906-高压注水泵，907-压力表，908-排气排水阀，909-安全泄压阀。

以下结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

具体实施方式

本发明中：

零排放指的是在污水处理中不引入杂盐，且去除了污水中99％以上的悬浮物，几乎不向环境中排放杂盐和悬浮物。

高矿化度矿井水指的是矿化度大于1000mg/L的矿井水，属于高暂时硬度、高钠、低钙镁的水体。

需要说明的是，本发明中的所有用到的装置和零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的装置和零部件，例如：

预处理装置1采用现有技术中已知的预处理装置，该装置包括调节池、高效澄清池、多介质过滤器以及超滤膜组件。

纳滤装置5采用现有技术中已知的纳滤装置。

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

本实施例给出一种高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注系统，如图1所示，包括预处理装置1，预处理装置1的进水端为高矿化度矿井水进水端，预处理装置1的出水端与管道混合器2的进水端相连通，管道混合器2的出水端与脱碳器3的进水端相连通；脱碳器3的第一出水端与反渗透装置4的进水端相连通，脱碳器3的第二出水端与纳滤装置5的进水端相连通，纳滤装置5的第一出水端与反渗透装置4的进水端相连通，纳滤装置5的第二出水端与灌溉水蓄水池6相连通。

反渗透装置4的第一出水端与浓水箱7的进水端相连通，浓水箱7的出水端与送水管道8的进水端相连通，送水管道8的出水端与水射器14的进水端相连通，水射器14的出水端与深层回注机构9的进水端相连通，水射器14的进气端与脱碳器3的出气端相连通；反渗透装置4的第二出水端与纯净水蓄水池10相连通，纯净水蓄水池10的第一出水端与回用水蓄水池11相连通，纯净水蓄水池10的第二出水端与灌溉水蓄水池6相连通。

作为本实施例的一种可选方案，如图2所示，纳滤装置5的第二出水端与除氟池12的进水端相连通，除氟池12的出水端与灌溉水蓄水池6相连通。

作为本实施例的一种具体方案，如图1和图2所示，脱碳器3包括脱碳器壳体301，脱碳器壳体301内的空间从上到下依次为分水区302、填料区303和出水区304，分水区302内设置有分水花洒305；分水区302的出气端与水射器14相连通，分水区302的进水端与管道混合器2相连通，分水区302的出水端与填料区303的进水端相连通，填料区303的出水端与出水区304的进水端相连通，出水区304的第一出水端与反渗透装置4相连通，脱碳器3的第二出水端与纳滤装置5相连通。本实施例中，脱碳器3预期将二氧化碳从水体中分离出来。

作为本实施例的一种具体方案，如图1和图2所示，送水管道8上设置有原水泵13。本实施例中，原水泵13用于将反渗透浓水注入深层回注机构9中。

作为本实施例的一种具体方案，如图3所示，深层回注机构9包括注水池901，注水池901的进水端与水射器14相连通，注水池901的排气排水端与注水管道902的进水端相连通，注水管道902的出水端与钻孔903的进水端相连通，钻孔903的排气排水端与排水排气管道904相连通，钻孔903的排气端与泄压管道905的进气端相连通，泄压管道905的出气端与注水池901的进气端相连通；注水管道902上设置有高压注水泵906。

作为本实施例的一种具体方案，如图1和图2所示，钻孔903的顶端处设置有压力表907。本实施例中，压力表907用于监测钻孔903中的气压。

作为本实施例的一种具体方案，如图1和图2所示，排水排气管道904上设置排气排水阀908。本实施例中，打开排气排水阀908后，能够将钻孔903中多余的水体排出。

作为本实施例的一种具体方案，如图1和图2所示，泄压管道905上设置有安全泄压阀909。本实施例中，当钻孔903中的气压过高时，打开安全泄压阀909进行泄压，能够保证作业安全。

实施例2：

本实施例给出一种高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注工艺，该工艺采用实施例1的高矿化度矿井水零排放净化协同深层回注系统；该工艺具体包括如下步骤：

步骤一，将高矿化度矿井水通入预处理装置1中，进行预处理，制得预处理产水，然后将预处理产水和盐酸通入管道混合器2进行混合，制得管道混合器产水。

本实施例中，预处理装置1能够除去水体中绝大部分悬浮物、胶体和有机物。预处理产水的淤泥密度指数小于3，能够满足纳滤装置5和反渗透装置4的进水水质要求。

本实施例中，盐酸的添加浓度与水体中的碳酸氢根离子摩尔浓度关系式如式Ⅰ所示：

式中：

HCO

H

meq/L表示毫克当量/升。

当盐酸添加量满足式Ⅰ时，即能够将重碳酸根大部分反应成二氧化碳和水，同时盐酸添加量不能过量，以确保产水的pH值大于5.5，进而确保能够满足农田灌溉水质国家标准GB 5084-2021。

步骤二，将步骤一制得的管道混合器产水通入脱碳器3中，在脱碳器3中将二氧化碳从水体中分离出后，制得脱碳器产水，分离出的二氧化碳送入水射器14中备用。

步骤三，将步骤二中的一部分脱碳器产水通入反渗透装置4中，经过处理后，制得反渗透浓水和反渗透产水，将反渗透浓水通入浓水箱7中后，再通过送水管道8和水射器14送入深层回注机构9中。

本实施例中，反渗透浓水通过水射器14添加脱碳器3中析出的二氧化碳，将水体的pH值调节值至与接近回注地层水接近的pH值。富含二氧化碳的水体与地层水混合后可以降低水体中文石(碳酸钙)以及方解石(碳酸钙)的堵塞风险，有利于提高深层回注水量。

步骤四，将步骤三的反渗透产水通入纯净水蓄水池10中，然后将纯净水蓄水池10中的一部分水体通入回用水蓄水池11中，另一部分水体通入灌溉水蓄水池6中。

步骤五，将步骤二中的另一部分脱碳器产水通入纳滤装置5中，经过处理后，制得纳滤产水和纳滤浓水；然后将纳滤产水通入反渗透装置4中，将纳滤浓水通入灌溉水蓄水池6中。

本实施例中，纳滤装置5能够将水体中钙镁离子以及硫酸根离子富集，纳滤产水进入反渗透装置4中，能够降低后端反渗透工艺的结垢风险。

本实施例中，纳滤浓水与反渗透部分产水进行混合后作为生态灌溉水使用，由于纳滤装置5的分盐作用，浓水侧的生态灌溉评级指标可溶性钠百分比(SSP)和钠吸附比(SAR)降低，同时由于前段的酸化和脱碳器去除了水体中碳酸根和重碳酸根，残余碳酸钠(RSC)值较小。钠吸附比(SAR)值越低越适合灌溉,其中钠吸附比(SAR)值小于10，代表很适合灌溉，10～18适合灌溉，18～26基本适合灌溉，大于26则不适合灌溉。残余碳酸钠(RSC)值越低越适合灌溉，其中RSC低于1.25meq/L属于安全灌溉区，1.25meq/L～2.5meq/L属于中间临界区，大于2.5meq/L不适合灌溉。

本实施例中，纯净水蓄水池10部分用于生产生活回用，部分与纳滤浓水混合，将纳滤浓水中的电导率稀释；当水体电导率小于750μS/cm，盐害小，灌溉水质好；当电导率750～2000μS/cm，基本允许灌溉；电导率2000～3000μS/cm，不太适合灌溉；电导率大于3000μS/cm，不适合灌溉。

作为本实施例的一种可选方案，所述的步骤五或为：将步骤二中的另一部分脱碳器产水通入纳滤装置5中，经过处理后，制得制得纳滤产水和纳滤浓水；然后将纳滤产水通入反渗透装置4中，将纳滤浓水先通入除氟池12中进行处理，再通入灌溉水蓄水池6中。

本实施例中，当纳滤浓水侧水体中氟离子浓度＞3mg/L时，可以采用除氟池12进行除氟，以降低水体中的氟离子浓度。

效果验证：

(A)本发明采用的高矿化度矿井水的矿化度大于1000mg/L。为了验证预处理装置对高矿化度矿井水的处理效果，对制得的预处理产水进行了水质检测，结果如表1所示。

表1、预处理产水的水质

由表1可知，预处理产水的钠吸附比(SAR)值为11.3属于适合灌溉区间；残余碳酸钠(RSC)值为7.01，碱害值高，大于2.5meq/L不适合灌溉；电导率为1077μs/cm，属于基本允许灌区间。

(B)为了验证管道混合器和脱碳器的处理效果，本发明取上述1L预处理产水作为水样，进行了模拟试验，结果如下：

当添加盐酸毫克当量浓度略小于预处理产水中HCO

(C)为了验证纳滤装置的处理效果，本发明取上述1L脱碳器产水作为水样，进行了模拟试验，试验条件为：采用东丽NE40型纳滤膜，膜系统产水率设计为60％，通过浓水回流浓缩方式模拟高产水率,温度为25℃下，压力0.5Mpa。结果如表2所示：

表2、纳滤浓水的水质

(D)为了验证反渗透装置的处理效果，本发明先取上述脱碳器产水通入反渗透装置中，经过处理后，制得反渗透浓水和反渗透产水，然后将反渗透产水和上述纳滤浓水进行混合。试验设计采用了三种水样，三种水样中纳滤浓水:反渗透产水的体积之比分别为1:1、1:2和1:3。实验结果如表3所示：

表3、三种水样的水质

由表3可知，三种水样的水体电导率均小于750μS/cm，说明盐害小，残余碳酸钠(RSC)值均低于1.25meq/L，属于安全灌溉区，钠吸附比(SAR)值均小于10，说明很适合灌溉。

(E)为了验证反渗透浓水是否适合通过深层回注机构注入地层中，本发明取上述先将二氧化碳通入反渗透浓水中，再将含有二氧化碳的反渗透浓水和地层水以1:1的体积比进行混合，制得混合水样，并检测了水质，结果如表4所示。

表4、反渗透浓水、地层水和混合水样的水质

由苏伊士公司的Winflows软件进行分析后可知，在反渗透浓水中通入大量二氧化碳情况时，pH越低二氧化碳浓度越高，碱度越高对应的二氧化碳越高，当pH为5.4时，重碳酸氢根为754mg/L时，即碱度为618mg/L，温度25摄氏度时，二氧化碳含量高达3085mg/L与理论可添加二氧化碳含量接近，其它条件不变当pH为5.3与地层水相同时，二氧化碳含量高达3884mg/L。理论上来说，二氧化碳吸收浓度按照3100mg/L左右，每注入100万吨浓盐水会协同注入0.31万吨二氧化碳，碳中和效应明显。

水中pH、碱度与二氧化碳浓度之间存在密切的联系，但是二氧化碳能否稳定溶解于水体中的主要因素因素是温度和压力，温度越高溶解度越小，压力越大溶解性越大。

由图4和图5可知，在常温25℃时压力达到1Mpa时，二氧化碳浓度能够达到3000mg/L以上，压力达到3Mpa时，浓度达到10000mg/L以上，在地层65℃温度下，由于回注压力为7-8Mpa，加上回注深度2000m左右的静压，二氧化碳浓度可以达到20000mg/L，同时由于当压力和温度达到一定时，二氧化碳会变成超临界状态。由上述分析可知，得益于回注系统的高压和密封环境，可以确保水中二氧化碳溶解于水体中，同时回注至地层水的过量二氧化碳部分会转变为超临界态，超临界二氧化碳由于表面张力接近于0，具有良好的传质性，是二氧化碳在咸水层永久封存的最佳相态。

(F)本发明采用水化学模拟软件PHREEQC进行了模拟试验。模拟试验采用的矿物为文石(碳酸钙)和方解石(碳酸钙)。试验组①为：水样采用反渗透浓水直接与地层水进行1:1混合，其中钙离子为582mg/L，碱度319mg/L，地层温度65℃，pH为6.2。试验组②为：水样采用含有二样化碳的反渗透浓水与与地层水进行1:1混合，其中钙离子为582mg/L，碱度319mg/L，地层温度65℃，pH为5.3。模拟试验的结果如表5所示，需要说明的是，当矿物饱和度小于0，说明矿物属于溶解态；当矿物饱和度大于0，说明矿物属于沉淀状态。

表5、水体中的饱和指数

由表5可知，添加二氧化碳协同回注文石和方解石的矿物饱和指数均变为负数，堵塞风险降低。