山西采煤礦井廢水深度處理與利用研究

秦小茅

(山西省呂梁市環(huán)境保護(hù)局，山西呂梁 033000)

引言

山西是我國的煤炭大省，煤田儲量十分豐富，煤炭產(chǎn)量長期居全國之首。在煤炭開采過程中，由于巷道的揭露以及采空區(qū)塌陷波及水源往往導(dǎo)致礦井廢水的形成與集聚。礦井廢水的來源主要為大氣降水、地表水、含水層水、斷層水及采空區(qū)水，其水質(zhì)通常與當(dāng)?shù)氐叵滤|(zhì)相符。同時，煤炭行業(yè)的特殊性決定了煤礦礦井廢水還具有懸浮物含量較高，沉降性差，鐵、錳含量高，礦化度高等特點。

據(jù)監(jiān)測分析，大多數(shù)煤礦礦井廢水溶解性總固體含量通常較高，為高礦化度礦井廢水，俗稱苦咸水。調(diào)查表明，此類礦井廢水廣泛分布于我國北方地區(qū)，如華北、西北高原、黃淮海平原、東北、中東部等地區(qū)，其中，華北地區(qū)，作為我國最大的產(chǎn)煤地區(qū)，區(qū)域內(nèi)礦井廢水大部分為偏堿性高礦化度礦井廢水。高礦化度礦井廢水中主要無機(jī)鹽離子有、Cl-、Ca2+、Na+、HCO-3，含量通常為1000mg/L。據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦高礦化度礦井廢水無機(jī)鹽含量通常為1000～3000mg/L之間，有的甚至高達(dá)4000mg/L。監(jiān)測結(jié)果顯示，山西煤礦礦井廢水礦化度為0.3～2.45g/L，礦化度偏高，硬度較大，水質(zhì)多數(shù)偏堿性，帶苦澀味，僅有極少數(shù)為中性或酸性。目前，對于高礦化度礦井廢水，僅進(jìn)行混凝、沉淀、過濾、消毒的初級處理，只能去除水中的懸浮物和部分有機(jī)物，處理后出水僅能用于對水質(zhì)要求不高的工業(yè)用水。為使礦井廢水滿足水質(zhì)要求較高的工業(yè)用水和生活用水甚至飲用水，實現(xiàn)煤炭礦井廢水資源化，就必需要進(jìn)一步深化處理去除或者減少水中的無機(jī)鹽離子，即為礦井廢水的深度處理。當(dāng)前，礦井廢水深度處理主要有離子交換、電滲析、蒸餾和反滲透等技術(shù)。實踐證明，煤炭礦井廢水的深度處理可明顯提高其利用率，拓展其利用范圍，真正實現(xiàn)礦井廢水的資源化。

1 礦井廢水深度處理的現(xiàn)實意義與前景展望

1.1 提高礦井廢水利用率，緩解地區(qū)水資源短缺矛盾

我國水資源人均占有量的長期不足已嚴(yán)重制約著經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。水資源緊缺狀況在我國北方地區(qū)尤其實在煤炭礦區(qū)極為嚴(yán)重。調(diào)查顯示，我國86個重點煤礦中70%缺水，40%嚴(yán)重缺水［1］。山西地處黃土高原，屬半干旱地區(qū)，據(jù)山西省第二次水資源評價結(jié)果，全省多年平均水資源總量123.8億m3，人均占有量為382m3，為全國平均值2400m3的15.9%，為世界公認(rèn)的人均水資源占有量500m3的76.4%［2］，水資源十分匱乏，供水矛盾十分尖銳，正在嚴(yán)重制約山西工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人民的正常生活。素有“中國煤都”之稱的大同，每年由于缺水其煤炭、電力行業(yè)造成的直接和間接損失高達(dá)100億元。據(jù)測算，同煤集團(tuán)公司礦、廠、公司生產(chǎn)用水和員工及家屬生活需水量為17萬t/d，而實際只能供水12.9萬t/d，缺水4.1萬t/d，同煤集團(tuán)水資源總量早已低于安全警戒線。據(jù)統(tǒng)計，2010年我國煤礦礦井廢水排放量約72.6億m3，其中煤礦礦井廢水的排放量占到84%。山西各大煤礦集團(tuán)同樣具有豐富的礦井廢水資源，涌水水量和水質(zhì)穩(wěn)定，其中山煤集團(tuán)礦井正常涌水量為30495m3/d，最大涌水量可達(dá)59977m3/d，晉城煤業(yè)集團(tuán)礦井實際涌水量為63000m3/d。由于常規(guī)的初級處理技術(shù)對提高礦井廢水利用率的能力非常有限，從而較大程度上，限制了礦井廢水的可利用范圍。而對煤炭礦井廢水的深度處理的研究和應(yīng)用，既可提高其利用率以彌補(bǔ)常規(guī)水源的不足，緩和水資源短缺矛盾，解決礦區(qū)缺水問題，又保證了煤炭行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 保護(hù)和改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，維護(hù)地區(qū)生態(tài)平衡

一方面，礦區(qū)供水水源的不足常以通過大量甚或過量開采地下水來予以補(bǔ)充，由此而帶來礦區(qū)地下水位下降、地面沉降、地面塌陷等生態(tài)問題。從山西大同同煤集團(tuán)來看，由于該集團(tuán)對時莊水源的長期大量開采，造成該水源地地下水位持續(xù)下降。國家對該水源地批準(zhǔn)的日開采量為1.2萬t/d，而實際開采量高達(dá)2萬t/d，甚至2.5萬t/d。目前，由于超量開采造成水位下降過快而導(dǎo)致開采量降至1.18萬t/d。另一方面來源穩(wěn)定且水量豐富的礦井廢水如經(jīng)過深度處理即可作為礦區(qū)工業(yè)生活補(bǔ)充水源甚至飲用水源，便極大減少了對礦區(qū)地下水的開采，從而保護(hù)了礦區(qū)生態(tài)地質(zhì)與植被生存環(huán)境。相反，因高礦化度礦井廢水含有大量的無機(jī)鹽，若直接排放會則會造成礦區(qū)水體和土壤污染，使水體含鹽量升高以及土壤板結(jié)或者鹽堿化等生態(tài)災(zāi)難。因此，將礦井廢水進(jìn)行深度處理后回用，不僅較大提高了礦井廢水利用率，節(jié)約水資源，還進(jìn)一步避免了因地下水的過量開采而帶來的系列生態(tài)問題以及因礦井廢水排放對造成環(huán)境的污染破壞等，較好的改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

2 礦井廢水處理和利用現(xiàn)狀

目前，我國煤礦礦井廢水大都采用初級處理，即在井下匯合，泵提到地面，經(jīng)混凝、沉淀、過濾、消毒處理后部分用作工業(yè)用水或非飲用生活飲用水，其余則達(dá)標(biāo)排放。從下表中可以看出，2005年我國礦井廢水利用率為31%，2010年提高到59%，雖然與2005年相比2010年我國礦井廢水利用率有所提高，但是總體結(jié)果較為偏低，為使利用率提高到2015年預(yù)計的75%，就必須采取深度處理技術(shù)，拓寬礦井廢水利用范圍，提高利用率，減少其排放量，節(jié)約水資源。

表1 煤炭行業(yè)礦井廢水排放利用情況和規(guī)劃目標(biāo)

調(diào)查顯示，山西煤炭集團(tuán)，如陽煤集團(tuán)陽泉地區(qū)、山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)、潞安集團(tuán)、山煤集團(tuán)、晉城煤業(yè)集團(tuán)等礦區(qū)礦井廢水處理工藝通常都為混凝、沉淀、過濾、消毒，處理后的礦井廢水主要回用于井上井下地面降塵、井下生產(chǎn)回用、礦井消防、洗煤廠和電廠的補(bǔ)充用水等工業(yè)用水，以及礦區(qū)綠化等景觀用水。該出水水質(zhì)無法滿足原有村莊和遷入村莊村民生活用水需求，尤其是人畜飲水需求。同時，由于礦井廢水無法全部回用，少量外排，造成局部地區(qū)環(huán)境污染與生態(tài)破壞。

再從全國來看，煤礦礦井廢水處理仍處在初級處理僅可用于工業(yè)、景觀等用水階段，深度處理還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，難以應(yīng)用于礦區(qū)洗浴、洗衣和飲用等方面，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)煤炭生產(chǎn)與采礦區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要。

3 礦井水深度處理技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 離子交換法

離子交換法是采用離子交換樹脂中的H+或OH-離子來置換水中的無機(jī)鹽離子從而降低其在水中的含量，該方法設(shè)備簡單、投資運(yùn)行費(fèi)用較低、操作易于控制，而且使用過的樹脂可采用一定方法進(jìn)行再生，可用作高礦化度水經(jīng)膜分離法處理的進(jìn)一步脫鹽工序，適于無機(jī)鹽濃度低于500mg/L的水處理。

圖1 山西某煤礦礦井廢水處理工藝

3.2 蒸餾法

蒸餾法即熱法，是最早開發(fā)的飲用水脫鹽技術(shù)，通過加熱將水變成蒸汽，然后將蒸汽冷凝后收集來去除水中硝酸鹽。煤礦開采過程中排出的大量可利用低熱值燃料可作為廉價燃料，用蒸餾法淡化高礦化度礦井廢水，在供給礦區(qū)高質(zhì)量用水的同時消除煤矸石污染，改善礦區(qū)環(huán)境。蒸餾法淡化苦咸水工藝流程主要有以煤矸石為沸騰爐燃料生產(chǎn)蒸汽淡化苦咸水工藝和以發(fā)電廠廢熱為能源的電-淡水聯(lián)產(chǎn)工藝組合方式淡化工藝。研究表明以煤矸石為燃料淡化苦咸水工藝成本低于電滲析工藝，在煤礦高礦化度礦井廢水淡化方面具有較大的競爭力。

3.3 電滲析法

電滲析是在直流電場作用下，采用具有選擇透過性的交替排列的陰陽離子交換膜將水與水中溶質(zhì)分離出來的方法，其最先用于海水和苦咸水淡化來制取飲用水和工業(yè)用水。電滲析技術(shù)脫鹽存在對原水的預(yù)處理要求較高，電耗較大，膜容易結(jié)垢等問題，電滲析通常適用于含鹽量為1000～5000mg/L的原水淡化，

3.4 反滲透

反滲透是通過施加壓力使原水通過只允許水分子透過的半透膜將水與水中其他物質(zhì)進(jìn)行分離，達(dá)到淡化除鹽的目的，該法能阻擋所有溶解性鹽及分子量大于100的有機(jī)物。目前隨著反滲透膜與組件技術(shù)的成熟，反滲透法脫鹽率升高，透水通量增加，抗污染和抗氧化能力提高、銷售價格下降，使其淡化水的成本明顯降低。目前廣泛應(yīng)用于海水及苦咸水淡化［3］，鍋爐給水、工業(yè)純水，飲用水純化，廢水處理等過程。反滲透法一般需要經(jīng)過初級處理、膜分離和后續(xù)處理三個階段。初級處理主要是采用混凝、沉淀、過濾、吸附等去除懸浮物、油類、有機(jī)物質(zhì)以及調(diào)節(jié)溫度、pH。后續(xù)處理需要根據(jù)不同回用目的采用消毒、中和、曝氣等方法。趙曙光等［4］在采用中和、絮凝、沉淀、過濾等初級處理工藝后，通過反滲透方法對高礦化度煤炭礦井廢水進(jìn)行脫鹽直接用作配乳用水，結(jié)果表明，加入PAC25mg/L和PAM0.6mg/L時絮凝沉淀效果比較好，然后經(jīng)過過濾和反滲透處理，出水電導(dǎo)率基本可以穩(wěn)定在30μS/cm煤炭礦井廢水初級處理后，再以反滲透脫鹽工藝進(jìn)行深度處理，即可將高濁、高鹽、高硬度水處理為高質(zhì)量的水，均可用作生活用水甚至飲用水。

4 結(jié)論

經(jīng)過初級處理后的煤炭礦井廢水大多數(shù)仍不能用于對水質(zhì)要求較高的行業(yè)，尤其是高礦化度礦井廢水，無機(jī)鹽含量很高，必須經(jīng)過深度處理后，才能廣泛用作高標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)和生活用水，甚至飲用水。深度處理可擴(kuò)大煤炭礦井廢水的使用范圍，提高其利用率，實現(xiàn)礦井廢水的資源最大化。目前，我國礦井廢水深度處理主要采用電滲析和反滲透技術(shù)。從山西同煤集團(tuán)、焦煤集團(tuán)等煤炭礦井廢水的深度處理技術(shù)應(yīng)用實踐來看，電滲析存在膜容易結(jié)垢、維修成本高、脫鹽率達(dá)不到設(shè)計要求、操作管理復(fù)雜等缺點，而反滲透法具有工藝簡單、運(yùn)行穩(wěn)定、脫鹽率高、操作管理方便、適用范圍較廣等優(yōu)點。同時，近年來隨著膜技術(shù)的提升與發(fā)展，其處理成本大幅下降。因此，采用反滲透法處理高礦化度煤炭礦井廢水具有現(xiàn)實而又廣泛的應(yīng)用前景。

［1］劉志斌，王娟，張躍進(jìn).阜新礦區(qū)礦井廢水資源化途徑研究［J］.露天采礦技術(shù)，2004(2):21-24.

［2］徐高強(qiáng)，胡冬冬，楊云龍.山西礦井廢水現(xiàn)狀及綜合利用途徑探討［J］.山西建筑，2008，34(8):200-201.

［3］何緒文，宋志偉，王殿芳，等.反滲透技術(shù)在煤礦苦咸水處理中的應(yīng)用研究［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，31(6):618-621.

［4］趙曙光，李福勤，侯明剛等.高礦化度礦井廢水資源化工程實踐［J］.水處理技術(shù)，36(7).