龍泉煤礦礦井水用作生態(tài)補(bǔ)水探討

苑 鑫 ， 劉育萍

(1.太原煤炭氣化(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 太原 030024； 2.太原煤氣化股份有限公司， 太原 030024)

隨著煤炭產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展、調(diào)整與升級(jí)，煤礦礦井水排放量逐年遞增，如何科學(xué)高效地對(duì)礦井水進(jìn)行綜合利用成為山西省轉(zhuǎn)型發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)重要課題。本文以龍泉煤礦為例，在科學(xué)分析的基礎(chǔ)上提出了礦井水用作生態(tài)補(bǔ)水的新思路。

1 龍泉煤礦礦井水利用現(xiàn)狀

1.1 龍泉煤礦概況

太原煤氣化龍泉煤礦位于山西省中部的婁煩縣境內(nèi)，新舍科～上龍泉～下靜游村一帶，地理坐標(biāo)為北緯38°08′50″～38°11′53″、東經(jīng)111°45′04″～111°50′58″，行政區(qū)劃屬婁煩縣龍泉鄉(xiāng)管轄。龍泉煤礦是國(guó)家“十一五”煤炭規(guī)劃項(xiàng)目、山西省重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目和太原市重點(diǎn)推進(jìn)項(xiàng)目，儲(chǔ)量7.8億t，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5.0 Mt/a，配套建設(shè)同等規(guī)模選煤廠。

1.2 礦井水處理工藝

龍泉煤礦礦井水處理能力為500 m3/h，廠房為全封閉建筑。處理工藝如下：

礦井水提升至地面后經(jīng)管道混合管加聚合氯化鋁(PAC)進(jìn)入預(yù)沉調(diào)節(jié)池，在預(yù)沉調(diào)節(jié)池初步沉淀后通過(guò)提升泵進(jìn)入GDH型高效化學(xué)多功能凈水器，進(jìn)入凈水器之前再投加混凝劑：破乳劑、PAC、聚丙烯酰胺(PAM)，凈水器為絮凝反應(yīng)、撇油、沉淀、澄清4個(gè)處理單元組合在一起的一體化高效處理設(shè)備，凈水器出水進(jìn)入中間水池，由泵提升至自動(dòng)過(guò)濾器經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入清水池，經(jīng)消毒后進(jìn)行生產(chǎn)回用。工藝流程如圖1所示。

圖1 礦井水處理工藝

1.3 礦井水利用情況

龍泉煤礦根據(jù)具體情況，將處理后的礦井水進(jìn)行了一定程度的綜合利用，利用情況為：井下防塵灑水、消防等用水為2 100 m3/d；地面消防、灑水綠化夏季600 m3/d(冬季300 m3/d)，選煤廠洗煤用水1 000 m3/d，共計(jì)130.4萬(wàn) m3/a。

龍泉礦井正常涌水量為440 m3/h，按此水平測(cè)算全年水量為385.44萬(wàn)m3，扣除上述利用量，全年累計(jì)多余水量約255.04萬(wàn)m3未得到有效利用。

2 礦井水用作生態(tài)補(bǔ)水方案研究

2.1 礦井水目前的水質(zhì)

龍泉礦井目前礦井水處理系統(tǒng)進(jìn)水水質(zhì)情況見(jiàn)表1：

表1 礦井水進(jìn)水水質(zhì)

續(xù)表1

根據(jù)國(guó)家城市供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)太原監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)報(bào)告，龍泉煤礦礦井水處理后出水水質(zhì)情況如表2所示。

表2 龍泉煤礦礦井水處理后出水水質(zhì)

注：數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家城市供水水質(zhì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)太原監(jiān)測(cè)站W(wǎng)2014140號(hào)

由表2可知，水質(zhì)指標(biāo)中氟化物和總氮兩項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)。為確認(rèn)水質(zhì)，連續(xù)進(jìn)行了6個(gè)月水質(zhì)抽檢，確認(rèn)兩項(xiàng)指標(biāo)確實(shí)超過(guò)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)限值。

2.2 礦井水水質(zhì)進(jìn)一步優(yōu)化的方法

在采用PAC+PAM處理礦井水的工藝中，PAC作為混凝劑對(duì)氟離子有一定的去除率(30.7%)，但當(dāng)PAC投加量大于5 mg/L時(shí)，氟離子的去除率不再隨投加量的增加而增加[1]。

含氟水主要采用沉淀法和吸附法進(jìn)行處理：鋁鹽沉淀法、石灰乳沉淀法、離子交換法以及電滲析，這些技術(shù)在正常工作下，均可使處理后的氟離子達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[2]。

根據(jù)對(duì)井下原水水質(zhì)的取樣監(jiān)測(cè)，礦井涌水本身總氮和氨氮濃度水平并不高，因此總氮指標(biāo)降低主要依托增加硝酸鹽的去除率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

程功林[3]的研究表明，采用反滲透技術(shù)可將進(jìn)水氟化物指標(biāo)由2.34 mg/L降至0.20 mg/L、同時(shí)將硝酸鹽指標(biāo)由1.9 mg/L降至0.5 mg/L以下，可達(dá)到GB 5749—200《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》中限值要求。

因此，龍泉煤礦在現(xiàn)有礦井水處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上配套“超濾+反滲透”處理裝置后，出水水質(zhì)可以滿足GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中地表水Ⅲ類水質(zhì)要求。

礦井水處理系統(tǒng)新增加部分工藝可采用圖2所示深度處理工藝。

2.3 生態(tài)補(bǔ)水可行性分析

生態(tài)補(bǔ)水是通過(guò)采取工程或非工程措施，向因最小生態(tài)需水量無(wú)法滿足而受損的生態(tài)系統(tǒng)調(diào)水，補(bǔ)充其生態(tài)系統(tǒng)用水量，遏制生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的破壞和功能的喪失，逐漸恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)原有的、能自我調(diào)節(jié)的基本功能，或者實(shí)現(xiàn)新的生態(tài)平衡的活動(dòng)[4]。

圖2 礦井水深度處理工藝

龍泉煤礦工業(yè)廣場(chǎng)地處婁煩縣上龍泉村，周邊有季節(jié)性河流龍泉河緊鄰該工業(yè)廣場(chǎng)。龍泉河全長(zhǎng)28 km，為嵐河一級(jí)支流，流域面積約167 km2，雨季最大流量13.5 m3/s，旱季最小流量0.014 m3/s，多年平均流量約0.051 m3/s，多年平均徑流量約160.83萬(wàn)m3。

受周邊煤礦采煤影響，龍泉河水量逐年下降，河道生態(tài)系統(tǒng)已受到一定影響，本著因地制宜、實(shí)事求是的原則，龍泉煤礦處理后的礦井水用作龍泉河生態(tài)補(bǔ)水是其綜合利用的首選。

龍泉河斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示主要污染物COD平均值為25.33 mg/L、氨氮平均值1.87 mg/L，按照GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水質(zhì)要求，已無(wú)COD和氨氮水環(huán)境容量。根據(jù)李瑋等[5]對(duì)汾河干流水質(zhì)及環(huán)境容量的研究，河流水環(huán)境容量與河道流量以及水環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)緊密相關(guān)，生態(tài)高補(bǔ)水方案由于受生態(tài)補(bǔ)水量加大、河道外生態(tài)用水增長(zhǎng)緩慢等因素影響，河流水體的水環(huán)境容量明顯得到提高。龍泉煤礦年供水量為255.04萬(wàn)m3，水質(zhì)指標(biāo)COD平均值10.5 mg/L、氨氮平均值0.23 mg/L，生態(tài)補(bǔ)水后龍泉河年徑流量上升為415.87萬(wàn)m3，主要污染物COD平均值降至16.23 mg/L、氨氮平均值降至0.73 mg/L，不僅有效地改善了龍泉河水質(zhì)情況，使龍泉河有了一定的COD和氨氮水環(huán)境容量，而且提高了河道生態(tài)供水量。而嵐河多年平均徑流量[6]為4 325.7萬(wàn)m3，顯而易見(jiàn)，補(bǔ)水后的龍泉河水匯入嵐河后，不會(huì)消耗嵐河的COD和氨氮水環(huán)境容量，因而龍泉煤礦礦井水作為生態(tài)補(bǔ)水供龍泉河補(bǔ)水技術(shù)上是可行的。

礦井水處理新增深度處理工藝運(yùn)行成本為：新增電費(fèi)0.492元/m3、新增藥劑消耗0.351元/m3、新增其它費(fèi)用0.08元/m3，在原處理成本1.731元/m3的基礎(chǔ)上增加了0.923元/m3，用作生態(tài)補(bǔ)水的處理成本達(dá)到了2.654元/m3，增幅雖然較大，但尚在企業(yè)可接受范圍內(nèi)，按年補(bǔ)水量255.04萬(wàn)m3計(jì)，年增加運(yùn)行成本總額為235.4萬(wàn)元，不會(huì)給龍泉煤礦帶來(lái)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)防范措施

為防范水質(zhì)波動(dòng)或礦井水處理系統(tǒng)故障情況下生態(tài)補(bǔ)水水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，龍泉煤礦生態(tài)補(bǔ)水應(yīng)采取如下措施：

(1) 在現(xiàn)有礦井水處理系統(tǒng)已有事故池的前提下，按照系統(tǒng)故障處理或例行維修所耗最長(zhǎng)時(shí)間另外增設(shè)生態(tài)補(bǔ)水專用事故池1座，在主要設(shè)備有備用、主要備品備件充分的前提下，按照12 h內(nèi)能夠消除任何故障來(lái)測(cè)算，考慮1.5的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，該事故池容量最小為4 500 m3。

(2) 主要處理設(shè)備，特別是反滲透系統(tǒng)中使用填料的自動(dòng)過(guò)濾設(shè)備，因其更換時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3～4 d，必須有備用設(shè)施。

(3) 生態(tài)補(bǔ)水口安裝水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控補(bǔ)水水質(zhì)情況，根據(jù)礦井水處理水質(zhì)情況及河道水質(zhì)敏感情況，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)包括pH值、COD、氨氮、氟化物、硫化物、總鉛、總鎘、總鐵、總錳、流量等。特別是鐵、錳等重金屬元素對(duì)地表水具有強(qiáng)危害性，補(bǔ)水pH值波動(dòng)過(guò)大也會(huì)造成水生生物的損傷或死亡，應(yīng)予以高度重視，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中要增加補(bǔ)水后河道內(nèi)相關(guān)生物指標(biāo)的不定期監(jiān)測(cè)。

(4) 生態(tài)補(bǔ)方案應(yīng)配套專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)急預(yù)案按照《山西省企業(yè)突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急預(yù)案編制導(dǎo)則》(晉環(huán)發(fā)〔2011〕269號(hào))要求編制并按規(guī)定報(bào)環(huán)境保護(hù)主管部門備案。預(yù)案中關(guān)于重金屬元素超標(biāo)、pH值波動(dòng)等風(fēng)險(xiǎn)要有詳細(xì)的應(yīng)對(duì)措施。同時(shí)，應(yīng)急物資必須按預(yù)案要求備足備好、定期檢查，確保突發(fā)狀況下能夠滿足應(yīng)急需要。

3 礦井水用作生態(tài)補(bǔ)水前景展望

山西省是煤礦集中同時(shí)又相對(duì)缺水的地區(qū),礦井水的處理和利用對(duì)于改善當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境和人民的生活水平具有積極的意義。目前山西省內(nèi)煤礦礦井水就地利用模式主要有：處理后全部回用本礦、多余量供電廠或選礦廠、選煤廠補(bǔ)水等，個(gè)別企業(yè)也實(shí)現(xiàn)了處理后作生活飲用水用，但對(duì)于礦井涌水量大的煤礦，全礦自用水量遠(yuǎn)小于其礦井涌水量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部?jī)?nèi)部綜合利用，再加上周邊無(wú)企業(yè)受納多余水量，遠(yuǎn)距離輸水成本又太高，因此，生態(tài)補(bǔ)水不失為一種選擇。

按照噸煤排水量水平0.4 m3核算，山西省2013年煤炭產(chǎn)量9.6×108t，礦井水產(chǎn)生量達(dá)3.84×108m3，按照30%的平均回用水平計(jì)，外排量仍有2.68×108m3，非常可觀。這部分水量作為生態(tài)補(bǔ)水進(jìn)入河道、湖泊或水庫(kù)后，可在一定程度上緩解山西省水資源緊缺的局面，特別是對(duì)部分缺水的山區(qū)，如能與當(dāng)?shù)卣?lián)動(dòng)，更是意義重大。

4 結(jié)語(yǔ)

如前述，龍泉煤礦礦井水在現(xiàn)有工藝基礎(chǔ)上增加反滲透深度處理工序優(yōu)化工藝后，水質(zhì)可滿足GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水質(zhì)要求，在做好風(fēng)險(xiǎn)防范工作的前提下可采用直接向龍泉河進(jìn)行生態(tài)補(bǔ)水的綜合利用方案實(shí)現(xiàn)資源化利用，年補(bǔ)水量維持255萬(wàn)m3水平，能夠有效改善龍泉河水質(zhì)。

山西省煤礦眾多而且缺水，科學(xué)有效利用礦井水一直是煤炭行業(yè)的重要課題之一，龍泉煤礦礦井水用作生態(tài)補(bǔ)水的探討對(duì)于開(kāi)拓礦井水綜合利用途徑有一定積極意義，而且技術(shù)穩(wěn)定、可行。生態(tài)補(bǔ)水后整體效益評(píng)價(jià)工作尚待進(jìn)一步研究，本文初步的分析結(jié)果表明，年注入龍泉河255萬(wàn) m3處理后達(dá)到GB 3838-2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中Ⅲ類水質(zhì)的礦井水作為生態(tài)補(bǔ)水，可將龍泉河主要水質(zhì)指標(biāo)提升，COD由25.33 mg/L降低到16.23 mg/L，氨氮由1.87 mg/L降低到0.73 mg/L，同時(shí)提高了河道生態(tài)供水量。

參 考 文 獻(xiàn)

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