礦井水資源化利用

趙　亮，鄭　燕

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009；2.河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)，河北唐山063000）

礦井水資源化利用

趙亮*1，2，鄭燕1

（1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北唐山063009；2.河北省地礦局第二地質(zhì)大隊(duì)，河北唐山063000）

煤炭是我國(guó)的主要能源，且這種情況在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)是不可能發(fā)生根本性變化的。煤炭的開采作為一種地下活動(dòng)，不可避免的對(duì)地下含水系統(tǒng)造成局部破壞和污染。而且大量礦井水外排，不僅需耗費(fèi)大量排水費(fèi)用，增加煤礦生產(chǎn)成本，還浪費(fèi)了十分寶貴的水資源。因此，從我國(guó)水資源分布狀況以及我國(guó)礦區(qū)水資源短缺的現(xiàn)狀出發(fā)，對(duì)礦井水進(jìn)行開發(fā)利用，實(shí)現(xiàn)變廢為寶，既可以緩解煤礦供水緊張的局面，又能減輕采煤對(duì)礦區(qū)及其周邊城市的環(huán)境污染，可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的統(tǒng)一。

礦井水；資源化；合理利用

礦井水是具有行業(yè)特點(diǎn)的污染源，但同時(shí)又是一種寶貴的水資源。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)平均噸煤涌水量2～4m3，全國(guó)每年外排礦井水30×108m3左右，約占全國(guó)地下水開采量的5%，為我國(guó)城市年生活用水量的40%[1]。2005年全國(guó)煤炭產(chǎn)量約為20×108t，礦井水排放量約為42×108m3[2]。礦井水經(jīng)處理后全國(guó)綜合利用率在20世紀(jì)90年代僅為20%左右[3]。2005年統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，平均利用率已上升至26.2%。最近幾年利用率有所提高，但就全國(guó)平均水平而言仍不到30%。2010年全國(guó)煤礦年排放礦井水約61×108m3，利用量達(dá)到36× 108m3，利用率達(dá)到59%。2013年發(fā)改委發(fā)布《礦井水利用發(fā)展規(guī)劃》，到2015年，全國(guó)煤礦礦井水排放量達(dá)71×108m3，利用量54×108m3，利用率提高到75%，新增礦井水利用量18×108m3。

1　地面礦井水的分類與處理工藝

根據(jù)物理化學(xué)性質(zhì)，可將我國(guó)煤礦礦井水劃分為潔凈的礦井水、含懸浮物的礦井水、高礦化度的礦井水、酸性礦井水和含特殊污染物的礦井水[4]。礦井水凈化技術(shù)有沉淀、混凝、過(guò)濾、中和、膜分離、生物處理等。

1.1潔凈礦井水

潔凈礦井水的資源化工藝包括收集、提升、消毒。處理原則是清污分流。利用工藝為井下清水管線輸送至地面，消毒處理后即可作為生活、生產(chǎn)用水。必要時(shí)需進(jìn)行過(guò)濾處理。

河南平煤集團(tuán)主采煤層為丙、丁、戊、己、庚等5個(gè)煤層。地下水主要覆存于第四系砂礫含水層、石炭系灰?guī)r和古近系灰?guī)r含水層，且與寒武系巖層有密切水力聯(lián)系[5]，裂隙溶洞發(fā)育，水量豐富，年涌水量達(dá)4800× 104t以上，水質(zhì)較好，若能適當(dāng)凈化和消毒處理，其礦井水即可利用。潔凈礦井水的利用也有許多成功的例子，太原市古交礦在開采過(guò)程中穿過(guò)第四系河谷沖擊層，水質(zhì)良好，經(jīng)簡(jiǎn)單沉淀、消毒處理后直接供全礦生產(chǎn)和生活用水[6]。徐州地區(qū)新河煤礦的太原組巖溶水因含有多種微量元素而開發(fā)為礦泉水，還有兗礦集團(tuán)鮑店煤礦的三灰水等都實(shí)現(xiàn)了潔凈礦井水的合理利用。

1.2含懸浮物的礦井水

礦井水中的懸浮物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地表水，其主要污染物來(lái)自礦井水流經(jīng)采掘工作面時(shí)帶入的煤粒、煤粉、巖粒、巖粉等懸浮物。水的感官性狀差，長(zhǎng)期外排，會(huì)破壞景觀、淤塞河道，影響水生生物及農(nóng)作物的生長(zhǎng)等。其次礦井水懸浮物顆粒小、比重輕，因而其沉降速度十分緩慢，效果差。含懸浮物礦井水的另一個(gè)水質(zhì)特征是細(xì)菌含量較多，主要來(lái)自井下作業(yè)人員的生活、生產(chǎn)活動(dòng)，所以消毒殺菌在該類型礦井水處理中是非常必要的。煤粉顆粒與膠體顆粒相同，帶負(fù)電荷，靜電斥力阻止顆粒接近聚合成較大顆粒，也是礦井水懸浮顆粒很難自然沉降的原因。所以要適當(dāng)?shù)赝都有跄齽?，破壞這種結(jié)構(gòu)，使其可以聚合成較大顆粒而沉淀。阜新礦區(qū)的礦井下涌出的礦井水主要來(lái)源于地下水[7]，礦井水受礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響，一般屬碳酸鈣鎂型水，pH值在7.0～8.25之間，偏堿性，屬于含懸浮物的礦井水。

含懸浮物礦井水的資源化工藝包括混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒。原則上采用混凝沉淀工藝進(jìn)行一次處理達(dá)到井下防塵用水要求或進(jìn)行排放。再經(jīng)預(yù)氧化、過(guò)濾、消毒工藝進(jìn)行二次處理達(dá)到生產(chǎn)、生活用水要求。

從處理工藝本身來(lái)看，目前全國(guó)各地煤礦很多均使用一體化凈水器處理含懸浮物的礦井水[8]。它集反應(yīng)、過(guò)濾和沉淀作用于一體，具有占地面積小、上馬快等優(yōu)點(diǎn)。利用混凝沉淀法處理含懸浮物礦井水的成功工程案例比較多[9]。例如河南焦作礦區(qū)九里山礦礦井水為含懸浮物礦井水，經(jīng)過(guò)水質(zhì)分析與大量試驗(yàn)研究，采用混凝沉淀法處理，使原來(lái)超標(biāo)的水質(zhì)完全達(dá)到了《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。從而提高了礦井水的利用率，節(jié)約了成本。山西焦煤集團(tuán)西山煤電集團(tuán)公司所屬屯蘭礦，經(jīng)檢測(cè)，礦井水水質(zhì)屬含懸浮物礦井水，主要污染物為煤粒、煤粉、巖粒、巖粉等懸浮物，呈灰黑色，渾濁度較高。根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)，確定礦井水處理工藝如下：礦井水→調(diào)節(jié)池→一體化凈水器→清水池→出水。該工藝集混凝、沉淀、過(guò)濾與一體，采用鋼制結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、建設(shè)周期短、投資省、易于室內(nèi)布置、便于冬季保暖和平時(shí)維護(hù)的特點(diǎn)。工藝流程如圖1所示。

圖1　含懸浮物礦井水處理工藝

1.3高礦化度礦井水

產(chǎn)生高礦化度礦井水的主要原因有：（1）我國(guó)部分地區(qū)降水量少，蒸發(fā)量大，氣候干旱，蒸發(fā)濃縮強(qiáng)烈，再加上地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件差，造成地下水礦化度高；（2）煤系地層中含有大量的碳酸鹽及硫酸鹽巖層時(shí)，開采過(guò)程中使地下水廣泛接觸，加劇可溶性物質(zhì)溶解，使Ca2+、Mg2+等離子增多，形成高礦化度的礦井水；（3）開采高硫煤層時(shí)，因硫化物氧化產(chǎn)生游離酸，游離酸再同碳酸鹽礦物、堿性礦物發(fā)生中和反應(yīng)，使礦井水中Ca2+、Mg2+、SO42-等離子增加，致使礦井水的礦化度增大；（4）有的地區(qū)地下咸水侵入煤田，使礦井水呈高礦化度。

高礦化度礦井水不僅全鹽量高，而且總硬度往往也較高。其中，高硫酸鹽硬度礦井水分布范圍較廣，西北、華北、東北、華東等地區(qū)都有存在，如安徽淮北、江蘇徐州、山西大同、遼寧阜新等礦區(qū)[10]。龍口煤礦礦井水即為高礦化度礦井水。該類礦井水主要是由水中硫酸根與鈣離子、鎂離子等結(jié)合而形成的一種高礦化度礦井水，其主要水質(zhì)特點(diǎn)是硫酸鹽、總硬度和全鹽量較高。

對(duì)高礦化度礦井水的處理，除采用給水凈化傳統(tǒng)工藝去除懸浮物和消毒外，其關(guān)鍵工序就是脫鹽，所以高礦化度礦井水的處理原則是除鹽處理。高礦化度礦井水處理一般分為2個(gè)部分：第一部分是預(yù)處理，主要去除礦井水中的懸浮物，采用常規(guī)混凝沉淀技術(shù)；第二部分是脫鹽處理，使處理后出水含鹽量符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，其工藝流程如圖2所示。

圖2　高礦化度礦井水處理工藝

降低礦井水含鹽量的方法主要有蒸餾法和膜分離法，其中膜分離法包括電滲析法和反滲透法。蒸餾法是利用煤矸石作為燃料產(chǎn)生蒸汽，由蒸汽加熱待脫鹽的礦井水，獲得淡水；或以煤矸石作為燃料生產(chǎn)蒸汽用于發(fā)電，產(chǎn)生的余熱來(lái)加熱礦井水以獲得淡水。電滲析法是在電場(chǎng)作用下，利用陰、陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子的選擇透過(guò)性，而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過(guò)程。反滲透法利用高分子膜，以超過(guò)溶液滲透壓的壓力將水和雜質(zhì)分離。反滲透法脫鹽處理可以有效地去除水中無(wú)機(jī)鹽類、低分子有機(jī)物、膠體、病毒和細(xì)菌等，是目前公認(rèn)的高效、低耗、無(wú)污染水處理技術(shù)，適用于全鹽量大于4000mg/L的水脫鹽處理，更適用于高礦化度礦井水的脫鹽，其一般工藝如圖3所示。

圖3　反滲透法處理高礦化度礦井水工藝流程圖

1.4酸性礦井水

酸性礦井水的形成主要是含硫礦物的氧化，最常見(jiàn)的為黃鐵礦。天然狀態(tài)下，煤層埋藏于地下，一般為良好的還原條件，含硫礦物在封閉體系中是穩(wěn)定的，而在開采過(guò)程中，煤層開采破壞了還原環(huán)境，使煤層暴露在空氣中，為硫的氧化創(chuàng)造了條件。酸性礦井水的工藝流程如圖4所示。

圖4　酸性礦井水處理工藝

酸性礦井水資源化工藝為投加堿性藥物中和反應(yīng)，處理原則主要是中和處理，除鐵錳。中和法是目前煤礦酸性礦井水常采用的處理方法，適合做中和劑的有石灰石、大理石、白云石、石灰等堿性物質(zhì)。其中尤以石灰石和石灰中和劑的應(yīng)用最為廣泛。生物氧化與石灰中和法是利用氧化亞鐵硫桿菌將亞鐵離子氧化成鐵離子，然后投入石灰中和。

廣東某酸性水排水設(shè)備和鋼軌的使用壽命一般不超過(guò)半年，有的甚至不足3個(gè)月即被腐蝕穿孔，損壞嚴(yán)重，既造成頻繁維修的人力和物力浪費(fèi)，更直接危害礦工安全，長(zhǎng)期接觸酸性水可使手腳破裂、眼睛疼癢。吳東升以汾西礦業(yè)集團(tuán)公司某礦的高鹽高鐵酸性礦井水為研究對(duì)象，通過(guò)“中和—曝氣—反滲透”連用技術(shù)，為高鹽高鐵酸性礦井水污染治理和回收再利用探索了一條經(jīng)濟(jì)可行之路。

1.5含特殊污染物的礦井水

目前我國(guó)的東北、華北北部、淮南等礦區(qū)有些礦井的礦井水中含鐵、錳離子較多。地下水中鐵、錳多以二價(jià)形式存在，由于煤礦開采的影響，造成含鐵錳礦井水又具有含鐵錳地下水水質(zhì)特點(diǎn)。含鐵錳礦井水在我國(guó)北方地區(qū)占有一定的比例[11]。以鶴壁礦為例，大約有30%的礦井水為高礦化度高鐵錳礦井水。

含特殊污染物的礦井水資源化工藝為去除有毒有害物質(zhì)等。目前，重金屬?gòu)U水的而處理方法有2大類：一是使呈溶液狀態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗艿闹亟饘俪恋砦?，?jīng)沉淀從廢水中去除，具體方法有中和法、硫化法、還原法、氧化法、離子交換法、活性炭吸附法、電解法和隔膜電解法等；二是濃縮和分離，具體方法有反滲透法、電滲析法、蒸發(fā)濃縮法等。以高錳礦井水處理為例，其工藝流程如圖5所示。

圖5　接觸氧化法除錳工藝流程圖

礦井水資源化的總體思路為：清污分流，不同礦井水分類處理；先去除懸浮物，后去除其他雜質(zhì)；不同回用方向，處理程度與要求不一樣；工藝盡量簡(jiǎn)單，成本盡量降低。

2　礦井水的利用方向

積極推進(jìn)礦井水的資源化，是節(jié)約水資源、解決礦區(qū)缺水問(wèn)題的一條重要途徑，也是煤礦實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

目前礦井水資源化利用主要有2個(gè)途徑：一是通過(guò)簡(jiǎn)單處理作為井上、井下生產(chǎn)用水和附近農(nóng)業(yè)灌溉用水；二是通過(guò)深度處理作為礦區(qū)居民或礦業(yè)城市居民生活用水。煤礦生產(chǎn)對(duì)水質(zhì)要求不高，經(jīng)適當(dāng)處理的礦井水既可作為井下灌漿、防塵、消防等用水，也可供礦區(qū)地面綠化、道路灑水、沖廁等用水。

3　展望

20世紀(jì)，人們對(duì)礦井水的處理多以達(dá)標(biāo)排放為目標(biāo)。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著人們環(huán)保意識(shí)、經(jīng)濟(jì)效益意識(shí)的提高，強(qiáng)化對(duì)礦井水處理主要是為了開發(fā)利用，不僅簡(jiǎn)單處理供工業(yè)生產(chǎn)之用，而且希望通過(guò)對(duì)礦井水的深度處理，以開發(fā)為生活用水、生活飲用水等用途。我們要開拓思路，集思廣益，對(duì)礦井水最大程度的回收利用，真正實(shí)現(xiàn)“以廢治廢、廢物利用”，在開發(fā)煤礦資源的同時(shí)，推動(dòng)水資源的可持續(xù)發(fā)展。

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1004-5716（2016）11-0144-04

2016-01-11

2016-01-11

趙亮（1981-），男（漢族），河北昌黎人，助理工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)勘查工作。