《工业水处理》：高矿化度矿井水脱盐技术研究进展

摘要： 煤矿开采必然伴随大量矿井水的生成，其中高矿化度矿井水占比逐年上升。研究高矿化度矿井水的处理与利用，有助于缓解煤矿缺水的现状，提高绿色矿山建设和清洁生产水平。对矿井水零排放处理流程中的深度脱盐工艺进行阐述，对处理系统存在的工艺流程长、能耗大、成本高等问题进行总结，并对比分析脱盐领域的前瞻性处理技术。在膜浓缩工艺方面，介绍了基于传统反渗透的改进技术、正渗透技术和膜蒸馏技术。针对分盐结晶工艺的前瞻性技术，对比了共晶冷冻技术、超临界脱盐技术、加湿-除湿技术以及光热脱盐技术。通过对高矿化度矿井水现有处理技术和前瞻性技术的比较，为高矿化度矿井水处理技术的发展提供指导，继而推动高矿化度矿井水的大规模、低成本和高效处理，以应对煤矿开采过程中高矿化度矿井水带来的挑战，促进煤炭行业的可持续发展。

矿井水是在煤矿开采过程中，掘进巷道/开采煤层附近的地下水或地表水经导水裂缝渗入/涌入巷道而形成的。矿井水的水质特性取决于开采区域地下水的水质。按污染物因子不同，可将矿井水分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、酸性矿井水和高矿化度矿井水。

其中，高矿化度矿井水常被认定为总溶解性固体（TDS）大于1 000 mg/L的矿井水，其盐类主要来自于煤层中的硫酸盐和碳酸盐等物质。因干旱地区水蒸发量大，地下水盐分的浓缩会导致盐度进一步升高，因此该类矿井水大多分布于我国北部和西北半干旱地区，如陕西、甘肃、内蒙古、宁夏、新疆和山西等。

就几大煤炭基地而言，神东、陕北和宁东的部分矿井水矿化度较高，其中宁东煤炭基地的矿井水矿化度可高达10 000 mg/L。随着我国煤炭西进政策的推进，煤炭开发基地进一步西移的趋势明显。由于煤炭产量的不断增加，矿井水量也相应增加，预计西部地区矿井水涌水量在2035年可升至47.4亿m ³ 。

而西部多处干旱半干旱地区，生态环境脆弱，水资源匮乏，缺乏受纳水体，高矿化度矿井水若直接排放将造成土壤盐渍化、生态环境破坏、水资源浪费等问题。因此，对高矿化度矿井水的有效处理和资源化回用是目前煤炭行业面临的严峻挑战。

2021年生态环境部、国家发改委和国家能源局联合发布了《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》，在鼓励矿井水回用的同时也对矿井水的外排水质做出了明确规定。

零排放技术在我国最早应用于燃煤电厂的废水处理，近年来，为推动矿井水资源化综合利用，大多国审煤矿项目的环评批复均要求矿井水实现100%综合利用，零排放处理已成为矿井水处理的趋势，但目前零排放处理项目的建设投资和运行成本高，且运行成本大部分来自于能耗费用，这与国家提倡的碳减排相违背，导致零排放很难落实推广。

对此，笔者就当前矿井水的零废液排放工艺进行分析，重点介绍了脱盐领域的前瞻性技术，以期为合理制定矿井水处理方案、降低高矿化度矿井水零排放的处理成本提供参考。

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矿井水深度脱盐和零排放工艺现状          

         

高矿化度矿井水零废液排放典型工艺流程如       图1

所示，其过程包括预处理、膜浓缩处理和浓盐水蒸发结晶。高矿化度矿井水经预处理，水中悬浮物浓度、硬度和SiO2浓度得以降低，其出水水质需满足后续膜浓缩减量阶段的进水要求。

膜浓缩减量工艺则利用反渗透、电渗析等技术，对高矿化度矿井水进行深度脱盐处理，脱盐后的产水可回收利用，而经浓缩后的高盐水仍需进一步处理。由于浓缩后的高盐水硬度、SiO ₂ 浓度增大，在多级膜浓缩设备之前仍需设置预处理环节。

最后，浓盐水经多级膜浓缩减量，再通过分盐和蒸发结晶实现盐回收。其中，分盐工艺一般为纳滤，蒸发结晶的常用工艺为机械蒸汽再压缩蒸发（MVR）和多效蒸发（MED）。

图1  高矿化度矿井水零排放处理的典型工艺流程

1.1 反渗透技术现状及存在问题

目前膜浓缩系统的主要问题是处理流程长、吨水能耗高、设备难长期稳定运行。反渗透技术是主流的膜浓缩工艺，广泛用于海水和苦咸水脱盐。反渗透系统主要由高压泵和膜组件组成，盐水经高压泵加压使得水分子可以从低压侧渗透进高压侧，从而获得渗透液和浓缩液。反渗透技术存在的问题是吨水处理能耗较高，常规地面水处理的能耗在0.2~0.4 kW·h/m ³ ，海水反渗透膜系统的吨水处理能耗为2.5~4.0 kW·h/m ³ 。

此外，为实现零排放，还需进一步提高反渗透的膜浓缩极限与产水率，以降低蒸发结晶阶段的水力负荷，减小蒸发结晶设备规模。因此，目前零排放系统普遍采用多级膜浓缩，普通海水反渗透膜只能用于第一级或第二级膜浓缩过程，而碟片式反渗透膜和管网式反渗透膜可在9 MPa下运行，获得TDS达100 g/L的浓水，但其吨水处理能耗相应增加；此外进水水压增大会加剧膜污染，降低膜的使用寿命，增大运行成本。

1.2 蒸发结晶技术现状及存在问题

在零排放工艺中，蒸发结晶是最后环节，高盐水通过热交换器使自身温度提高到沸点，水完全蒸发后实现零排放。直接加热盐水需消耗大量的热能，因此目前商业上常用的蒸发结晶技术为MVR和MED。

MVR技术将蒸发产生的蒸汽压缩，之后作为热源加热盐水以充分利用蒸汽潜热。MED则是利用前效蒸发产生的二次蒸汽作为后效蒸发器的热源，通过多个串联的蒸发器实现蒸汽热能的循环利用。

尽管这两种蒸发结晶技术可以有效降低能耗，但仍存在成本高、能耗大且设备易腐蚀等问题。虽然其处理水量只占整个废水处理系统的10%~20%，但投资运行费用与前端所有水处理装置的费用总和相当，甚至略高，其成本主要来自于设备的建设费用和运行费用。

为减少设备的腐蚀，MVR和MED设备的主要材质为不锈钢和钛，这进一步提高了设备的建设费用，且设备的占地面积较大。运行成本则包括蒸汽费用和能源费用，根据各地的电价不同而存在差异。

1.3 综合解决思路

零排放工艺推广普及的关键是改进现有技术或引入新技术，以提高处理效率、降低能耗。设备提效包括研发高通量、低成本的新型膜材料，通过提高膜浓缩倍率以减少高盐废水的产生量。

在工艺控制方面，开发高效除硬、控制膜污染、抑制结垢、控制腐蚀等技术可延长设备的使用寿命，并减少由膜污染导致的维修和更换成本。

降低能耗则可从能源回收和使用清洁能源着手，一方面可将反渗透高压出水的余压回用；另一方面，可利用太阳能、风能、地热能等清洁能源，或是工业余热等低成本热源来降低蒸发结晶的能耗。

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针对高盐水脱盐的前瞻性技术    

     

高盐水脱盐前瞻性技术分为膜浓缩和蒸发结晶两类。膜浓缩前瞻性技术又包括两类，一是基于传统膜浓缩技术的改进，二是开发新型膜浓缩工艺。传统膜浓缩技术的改进体现在高压反渗透、渗透介导的反渗透和余压回用3方面，而新型膜浓缩技术则包括正渗透和膜蒸馏，这些技术的原理和优缺点均列于 表1

中。

表1  膜浓缩前瞻性技术

2.1 传统膜浓缩改进技术

2.1.1 高压反渗透

传统反渗透脱盐常在8 MPa以下运行，浓缩液TDS上限为57 000~90 000 mg/L，且浓缩效果受装置的最大承压限制。各大污水处理公司均推出高压反渗透膜产品。

在21世纪初，东丽公司设计的高压反渗透膜可在10 MPa运行，最近美国陶氏公司开始生产额定工作压力高达12 MPa的反渗透元件。高压反渗透可强化反渗透在高盐水淡化中的作用，与热技术相比，高压反渗透的能耗可大大降低。但将高压反渗透膜投入实际应用的前提是新型耐压膜材料的开发，这些新型膜材料需承受超过高盐水渗透压的外加压力。

通常，新型膜的开发始于小规模，在中试和全面实施之前，需评估其在工业条件下的性能。如何评估高压下膜形变对其性能的影响是目前高压反渗透面临的最大问题之一，只有少数研究评估了在超过10 MPa下运行的反渗透体系。D. M. DAVENPORT等采用如 图2

所示的封闭环流进料体系测试了商用高压反渗透膜在15 MPa压力下对2 mol/L NaCl（117 g/L）溶液的脱盐效果，并进一步优化了高压反渗透设备的腐蚀控制方案，以实现对进料溶液的长期兼容性。

图2  高压反渗透测试体系

2.1.2 渗透介导的反渗透技术（OARO）

为了克服常规反渗透在海水淡化中遇到的最大承压限制，提高膜浓缩极限，2017年，T. V. BARTHOLOMEW等提出了渗透介导的反渗透， 图3

是典型OARO工艺流程，该工艺由多个反渗透装置组成，通过在产水侧循环盐水流，降低膜两侧的渗透压差，以降低进水所需的压力。

随后，T. V. BARTHOLOMEW等优化了OARO工艺，经优化后的OARO工艺可处理100~140 g/L NaCl溶液，实现35%~50%的水回收率，1 m ³ 产水的能耗为6~19 kW·h。总的来说，OARO可突破常规反渗透的TDS限值（57 000~90 000 mg/L），同时所需的能量（约4~29 kW·h/m ³ ）低于传统热法脱盐工艺。与OARO类似的方法逆流反渗透（CFRO）和回流渗透介导的反渗透（COMRO），这两项技术的核心都是基于OARO技术，只是模块配置存在差异。

图3  渗透介导的反渗透技术工艺流程

2.1.3 余压回用

通常情况下，反渗透运行时的浓水压力较高，针对苦咸水的反渗透系统为0.5 MPa以上，而针对海水的反渗透系统浓水压力更是高达4 MPa。优化系统可对浓水的余压进行能量回收，降低反渗透过程的能耗。

如 图4

所示，能量回收装置可利用高压浓盐水给低压原水增压，回收膜系统产生的余压。该技术已被应用于海水淡化，但未在高盐废水零排放处理中得到大规模应用。高盐废水余压回用集中在两方面：一是将反渗透、纳滤等浓水的余压用于水力发电，设计余压发电系统，将势能转换为电能，发电自用以降低废水处理的成本；二是在浓水侧增设能量回收装置，利用余压将部分原水增压至膜装置中，以减少高压泵的规模，从而降碳节能，节约运行成本。

图4  余压回用工艺示意

2.2 新型膜浓缩工艺

2.2.1 正渗透

传统反渗透技术为实现高产水率，必须通过高压泵给进水以足够的压强，这会消耗更多能量，并且进水水压过大会加速膜污染，影响膜的使用寿命。与反渗透相反，正渗透以半透膜两侧的渗透压为驱动力实现盐水分离。

图5

所示为正渗透工艺流程。首先，水从进料侧在渗透压的作用下进入另一侧渗透压更高的汲取液中，之后将经稀释后的汲取液再度浓缩并回用。第一步是基于自然渗透压的作用，因此耗能主要集中在汲取液的再生步骤。

在反渗透中，施加的液压压力随进料盐度的变化而变化，而在正渗透中，无论进料浓度如何，正渗透膜所承受的压力都接近环境压力，因此显著降低了膜污染。

图5  正渗透示意

目前，正渗透在实际应用时的难点是膜的浓差极化和汲取液再生问题，缺乏合适的、普遍适用的汲取液是阻碍其大规模商业应用的关键。理想的汲取液溶质应具备以下条件：高渗透压、最小的反向通量、水中的高溶解度、化学稳定性、较低的分子质量、低毒、抗污染和化学惰性。

迄今为止，已有多种化合物被作为汲取液溶质，包括NaCl、MgCl ₂ 、NaHCO ₃ 、蔗糖、离子液体及水凝胶等。除了汲取液的溶质选择外，另一挑战是汲取液的回收。由于正渗透本身不产生淡水，因此需要再生过程来获得纯净水。常用的汲取液回收方法包括热驱动回收、压力驱动回收、磁回收和电驱动回收。

汲取液再生是能源密集型过程，其能耗大小决定了正渗透工艺的运行成本。热驱动回收在汲取液溶质为碳酸氢铵时广泛使用，但面临能量消耗大、热损失大、回收水质差等问题。在高温条件下，非离子型两亲性嵌段聚合物的溶解度降低，该类物质可通过加热至最低相分离温度实现汲取液的瞬时再生，展现了很好的应用前景。

压力驱动回收方法包括纳滤和反渗透，尽管其分离效率高，但仍面临能量消耗大的问题，并且在运行中会出现反向扩散和浓差极化的现象，影响其实际应用。磁回收方法是利用磁性纳米粒子和其他化合物作为汲取液溶质，随后通过磁性回收溶质，该方法耗能低且易使用。

2.2.2 膜蒸馏

膜蒸馏是以疏水膜两侧蒸汽压力差为驱动力的分离技术。因膜的疏水性，只有蒸汽分子能通过疏水膜，其冷凝后形成液体，而非挥发性溶质则留在进料侧，从而实现溶液的浓缩和分离。虽然膜蒸馏比反渗透的能源利用率低，但与传统热驱动脱盐技术相比，膜蒸馏能够在相对较低的温度下运行，并且可利用低品位的热源以及可再生能源，如工业生产中的废热和太阳能。

此外，膜蒸馏技术在设备构型上较传统热驱动技术更为紧凑，所需占地面积更少。 图6

展示了一种膜蒸馏结合反渗透的应用场景，反渗透浓水被输送至膜蒸馏系统进一步浓缩，之后利用低品位热源对反渗透浓水加热，水分子透过半透膜，进料液被浓缩并通过蒸发结晶实现零排放。在这一过程中，膜蒸馏作为热法膜浓缩方式可简化零排放工艺流程。

图6  反渗透+膜蒸馏脱盐系统

然而，膜蒸馏技术至今仍未实现大规模的工业应用。要达到理论上的成本竞争力和实现市场份额的增长，膜蒸馏技术的开发还需克服诸多困难。

一方面，与传统的压力驱动膜分离过程相比，膜蒸馏的效率受限于其较低的渗透通量，需要通过分离膜材料的性能改进和分离膜制备工艺的优化提高其渗透通量；另一方面，膜蒸馏技术在处理高浓度含盐料液时易发生严重的结垢现象，这不仅会造成膜蒸馏渗透通量的下降，还会诱发润湿现象，使非挥发性溶质通过被润湿的膜孔进入渗透侧，从而导致截留率下降。

2.3 新型蒸发结晶技术

蒸发结晶的前瞻性技术主要有共晶冷冻结晶技术、超临界脱盐技术、加湿除湿技术以及光热脱盐技术，这些技术的原理和优缺点如 表2

所示。

表2  蒸发结晶前瞻性技术汇总

共晶冷冻技术是能够将盐水溶液分离成水和纯盐的有效技术，由于冰融化的潜热比水蒸发的潜热低，因此共晶冷冻结晶从盐水中回收水和盐所需的能量相较于蒸发技术更少。其基本原理如 图7

所示，当溶液慢慢冷却到共晶点时，冰开始形成并上升到表面，随着溶液中水分减少，盐开始在剩余的溶液中结晶。由于冰和盐的密度差，它们很容易分离。根据不同溶质组分的共晶点不同，共晶冷冻技术能够选择性地回收盐并通过去除冰从而浓缩进料溶液。

图7  共晶冷冻技术示意

在超临界状态下（温度>374 ℃，压力>22.1 MPa），水分子表现出弱氢键，这使得盐在超临界水中的溶解度大大降低，易从溶液中析出，从而实现盐水分离，超临界脱盐技术的基本流程如 图8

所示。其优势在于对进料盐水浓度没有要求，且预处理过程相对简单。

超临界脱盐沉淀发生在体相流体中，而不发生在界面处，该方法还可避免传统蒸发结晶过程中的结垢现象。但实现超临界条件所需能耗较大，安全稳定性不高，对设备要求较高，因此目前相关研究较少。

图8  超临界脱盐体系

加湿除湿设备主要由加湿室和除湿室两部分组成，加湿室控制温度为50~90 ℃。加湿-除湿系统示意见 图9

，在加湿除湿设备中，水从高盐进料液蒸发到上方干燥载气中，潮湿的空气进入除湿器（冷凝室），水蒸气被冷凝并收集。

与膜蒸馏类似，加湿-除湿技术在常压下运行，系统温度低，有望利用低品位热能；且蒸发过程通常发生在气泡塔、喷雾塔或填料床的中部，远离设备表面，可有效减少设备结垢。

图9  加湿-除湿系统示意

除了上述新型蒸发结晶技术外，将可再生能源用于蒸发结晶也具有较大的应用潜力，并成为近年来的研究热点。可再生能源，如太阳能、风能或地热能等，在海水淡化设施供电方面的应用越来越广泛。在这些可再生能源中，太阳能的应用最多。利用太阳能脱盐有多种形式，最常见的是通过光伏发电提供脱盐设备所需的电能。

目前阿拉伯Al Khafji海水淡化厂已实现完全由可再生能源供电，并网的硅基太阳能光伏系统提供海水淡化厂电能，输出功率为20 MW，产水量可达60 000 m3/d。这些太阳能光伏阵列占地面积90万m ² ，距离工厂约1 km。在白天，当太阳辐照度充足时，光伏电池板产生的电力维持海水淡化厂运行，多余的电力将被输送至电网；在夜间，海水淡化厂直接从电网获取所需电能。

随着光热转换材料研究的深入，新兴光热材料被应用于光热脱盐领域，这已成为太阳能脱盐技术的热门研究方向。

按光热转换材料在水中的分布位置，光热脱盐技术可分为如 图10

所示的3种形式。

图10 （a）所示为A. E. KABEEL等提出的单效太阳能蒸馏器，光热转换材料集中在底部，热能被用以加热整个水体，最终太阳能利用率仅为30%~45%。

为了减少热损失，将光热材料分散在溶液中对体相进行加热，可有效提高太阳能利用率〔 图10

（b）〕。界面蒸发概念在2014年提出，如

图10 （c）所示，光热材料漂浮在水面上，光热转换产生的热量集中在界面处，实现类似聚光的效果，致使蒸发速度和能量利用效率大幅提高，显著改善了传统蒸发速率慢、能量利用效率低的问题。

图10  光热脱盐的3种形式

（a）底部太阳能蒸馏器示意；（b）基于体相加热的太阳能蒸发装置示意；（c）界面蒸发装置示意。

目前界面蒸发技术面临的关键问题是如何提高蒸发速率，使其满足更大规模的高盐废水处理。

针对这一问题，在高效材料方面，等离子体金属、碳基材料、半导体材料均被开发用作光热转换材料，对250~2 500 nm光的吸收率与光热转换能力是衡量材料性能的主要指标。Bo YANG等研究发现，由于Ti-Ti二聚体在费米能级附近引起的平坦带，金属λ-Ti3O5粉末的太阳能吸收率高达96.4%；将其负载于锥形水凝胶界面蒸发器中，在100 mW/cm ² 太阳光照射强度下蒸发速度可达到6.09 kg/（m ² ·h）。

在蒸发器的设计方面，应着重改进蒸发器热管理、水传输效率等措施，通过3D蒸发器设计增加可蒸发面积，提高占地面积的利用率。在装置运行方面，可以通过辅助手段来提高蒸发速率。例如，通过聚光技术增强对太阳光的利用，引入真空泵营造低压环境以提高水蒸气收集速度等。

虽然太阳能界面蒸发脱盐技术对光照的依赖性决定了它难以替代传统蒸发结晶技术，但可将太阳能界面蒸发技术与传统蒸发结晶技术协同使用，以降低进入蒸发结晶设备的浓盐水量，在保证处理效率的同时充分利用清洁能源，实现低碳处理并降低脱盐成本。

此外，界面蒸发技术还可以与传统脱盐技术联用，例如，Xueyang WANG等研发了基于界面蒸发的反渗透装置，该装置利用聚光产生的高温高压蒸汽作为推动力实现反渗透脱盐。作为一种新兴的光热脱盐技术，太阳能界面蒸发技术具有准备工作简单、运行管理方便和低成本的特点，未来有望实现规模化应用，为零能耗脱盐技术开辟新方向。

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结 论    

     

当前，在煤矿开采过程中，高矿化度矿井水的不断增加给水资源的合理利用和矿区环境保护带来严峻挑战。笔者系统总结了高矿化度矿井水处理技术的研究进展，并对深度脱盐和零排放处理技术进行了深入剖析，认识到对现有处理技术的改进和前瞻性技术的引入可为高矿化度矿井水处理工艺提供潜在的发展路径。针对膜浓缩和分盐结晶的前瞻性技术分析可知，目前技术尚未成熟，应用于实际仍有困难，后续仍需加强研究以提高效率、降低成本，进而将其应用于实际工程。总的来说，高矿化度矿井水脱盐技术在以下方向仍可进一步开展研究：

1）深化前瞻性技术的研发和应用，以验证其在实际矿业环境中的可行性和效益。同时，需要加强与工业界的合作，将研究成果更快地转化为实际应用工艺，推动高矿化度矿井水处理技术的工程化应用。

2）在双碳背景下，将清洁能源应用于脱盐无疑将成为未来脱盐领域的主流趋势。充分发挥矿区的能源优势，特别是利用西部矿区丰富的太阳能、地热等能源以及火电厂的余热，有望大幅降低高矿化度矿井水处理时的电力能源需求，从而降低蒸发结晶工艺的整体能耗和运行成本，达到减污降碳的目的。

3）矿井水处理过程中产生的结晶盐可资源化利用，如何提升分盐效率、提高产品盐纯度以充分利用矿井水资源也是后续矿井水零排放处理所面临的挑战。

  （来源：《工业水处理》2025年第2期。   作者单位：南京理工大学环境与生物工程学院、中国环境监测总站）