煤礦礦井水的凈化處理技術

侯文杰(陜西煤業(yè)化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710070)

0 引言

煤礦礦井水是在煤礦開采過程中產(chǎn)生的地下涌水，其形成主要來源于大氣降水、地表水、斷層水等，其中大氣降水是礦井水的主要來源，并對其他水源進行補給。煤炭開采過程會產(chǎn)生大量礦井水，大約每開產(chǎn)一噸煤會產(chǎn)生兩噸礦井水。目前我國礦井水的利用率還很低，礦井水資源浪費驚人，與此形成鮮明對的是，礦區(qū)缺水特別是北方礦區(qū)嚴重缺水已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象。因此，將礦井水凈化處理后作為生產(chǎn)和生活用水是解決礦區(qū)缺水問題，實現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[1]。

1 礦井水凈化處理的技術現(xiàn)狀

礦井水按水質類型可分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和有害有毒礦井水五類。不同水質的礦井水經(jīng)過處理，均可達到工業(yè)用水或生活用水的標準。

1.1 潔凈礦井水處理

潔凈礦井水是沒有受到污染的地下水，此類礦井水可通過設置專用的輸水管道將其引出后直接利用，如果用作生活飲用水時需進行消毒處理。

1.2 含懸浮物礦井水處理

在礦井水中有很多粒徑非常細小的煤粉或其他雜質(如巖粉、黏土等)，僅僅依靠自然沉淀難度較大，需要借助混凝劑和混凝沉淀技術將其去除。此類礦井水在經(jīng)過凈化處理和二氧化氯消毒后可以作為生活用水。

含有懸浮物的礦井水凈化處理主要采用鐵鹽混凝劑，這種無機高分子混凝劑可以有效應對礦井水的水溫變化和pH值變化。混凝劑的混合方式以管道混合器混合、水泵混合為主，其中水泵混合更為常見。

采用混凝沉淀法去除懸浮物，可分為井下處理和地面處理兩種方式。井下處理是在井下設置若干段水倉，添加了絮凝劑的礦井水經(jīng)沉淀、溢流后可脫除水中的懸浮物；地面處理是在地面設置沉淀池，添加了絮凝劑的礦井水在沉淀池中經(jīng)沉淀后可脫除懸浮物。

1.3 高礦化度礦井水處理

高礦化度礦井水在我國北方地區(qū)分布較多，主要分布于西北高原或東北的部分礦區(qū)，主要特征為礦井水含鹽量極高，超過1000mg/L，這些區(qū)域也是我國煤礦缺水最為嚴重的地區(qū)。因為高礦化度礦井水含鹽量高，即便經(jīng)過處理后也不宜用于飲用，所以目前對于此類水的凈化和利用主要從工業(yè)應用的角度來開展。

在處理技術上，除了混凝和過濾等傳統(tǒng)工藝以外，關鍵的工序在于脫鹽處理。脫鹽技術包括電滲析技術和反滲透脫鹽技術，前者由于不能去除礦井水中含有的細菌和有機物，加之設備能耗較高，在礦井水淡化工程中有很大的局限性，現(xiàn)已逐漸被反滲透裝置所取代。目前反滲透膜對鹽的脫除率超過99.5%，隨著膜和組件生產(chǎn)成本的不斷減低，淡化水的成本也因此快速下降。

膜分離技術在實際運行過程中存在的主要問題是膜的污染和結垢，具體表現(xiàn)為膜的透水量隨著運行時間而下降。為了減小膜污染的影響，一方面需要根據(jù)礦井水的性質選擇合適的膜材料并定期對膜進行清洗；另一方面可以在膜處理工序前增加前處理工藝，比如三級過濾、投加阻垢劑等方法，這樣可有效降低礦井水中雜質對膜的直接沖擊。

1.4 酸性礦井水凈化處理

酸性礦井水一般采用化學中和法來處理，例如在水中添加堿性藥劑、石灰石、白云石等。化學中和法的技術優(yōu)勢在于能夠用非常簡單的設備進行操作和管理，成本比較低，處理技術本身對石灰石顆粒和性能方面的要求也不高，操作過程易于控制，缺點是出水中存在著大量的碳酸，pH值難以達標。

近年來，人工濕地處理酸性礦井水的方法得到了廣泛的研究，在技術層面和客觀上已經(jīng)證實了可行性。不過需要注意的是濕地生態(tài)對水的pH值有一定的要求，需要保持在4.0以上，否則會增加工藝處理成本，另外濕地生態(tài)工程系統(tǒng)在處理性能方面還很有限，只適用于間歇排放的廢水。

1.5 有毒有害礦井水凈化處理

對含氟礦井水，可采用活性氧化鋁吸附的方法去除氟，也可采用電滲析法在除鹽的同時去除氟。對含鐵、錳的礦井水，通常采用曝氣充氧、錳砂過濾的方法去除。

對含有重金屬以及放射性物質的礦井水，需要綜合考慮水中的總α、總β放射性水平。根據(jù)重點礦區(qū)水質監(jiān)測，全國煤礦礦區(qū)地下水的總α放射性污染狀況比較嚴重，有近一半礦區(qū)的飲用水指標處于超標情況，個別區(qū)域如西南地區(qū)的部分礦區(qū)，超標情況非常嚴重。人們在接觸放射性和其他有毒有害物質的飲用水后會有癌癥、白血病等疾病風險，所以在處理此類礦井水時，首先應去除懸浮物，后續(xù)利用沉淀、反滲透、離子交換或活性材料吸附等方法去除有毒有害物質。

在實際生產(chǎn)中遇到的礦井水大多為復合型水，選擇處理工藝之前首先要清楚的了解礦井水的基本特征，然后綜合考慮水處理操作單元的選取和優(yōu)化組合。一般而言，礦井水中都會含有懸浮物，因而去除懸浮物對大部分礦井水都是必須的前處理步驟。

2 礦井水凈化處理中的工程問題

2.1 調節(jié)池管理

煤礦井下排水本身具有一定的特殊性，水量、水質都會受到煤層等因素的影響，為了保障水處理系統(tǒng)的性能和安全，同時起到均衡水質的效果，在礦井水進行凈化處理前設置調節(jié)池是非常必要的，調節(jié)池的作用在于預沉淀。

井下排水系統(tǒng)和井上水處理系統(tǒng)并不一定同步運行，通過調節(jié)池一方面可以協(xié)調井下排水系統(tǒng)排水時間，另一方面可以和井上水處理系統(tǒng)進行聯(lián)動，優(yōu)化水處理設備的處理能力，讓設備的使用更加合理。在池容方面，按照以下標準執(zhí)行：V=(Q1-Q2)t(1)

式中：V為預沉調節(jié)池容積；Q1為井下單位時間排水量；Q2為礦井水處理系統(tǒng)單位時間處理水量；t為井下排水時間。

在利用這一公式進行計算時，調節(jié)池的池容需要符合場地建設要求，按照《煤炭工業(yè)給水排水設計規(guī)范》中的有關規(guī)定，根據(jù)井下涌水量確定礦井水排水量。如果礦區(qū)在北方等比較寒冷的地區(qū)，還應設置相應的防凍措施以避免冬季冰凍出現(xiàn)的不利影響。

2.2 自動控制系統(tǒng)

遠程網(wǎng)絡監(jiān)控是通過組態(tài)軟件構建系統(tǒng)化的信息平臺，利用數(shù)據(jù)交換機和某些通訊模塊進行通信，將系統(tǒng)的運行畫面和數(shù)據(jù)發(fā)布至網(wǎng)絡范圍內(nèi)，讓終端用戶進行監(jiān)控，從而實現(xiàn)設備的遠程運行控制和集中管理。遠程監(jiān)控可實現(xiàn)礦井水處理工藝流程的綜合自動化控制， 解決礦井水處理流程中的系統(tǒng)問題，還可實現(xiàn)自動加藥、自動排泥，使處理后的水質達到工業(yè)用水標準。

隨著儀器儀表技術的進一步發(fā)展和自動化水平的提高，各類先進的在線儀表可以實現(xiàn)更多的自動化控制。一般來說，礦井水處理裝置中的動力裝置和在線檢測設備分布在各個水處理單元，采用過程監(jiān)控的方式可以將這些單元進行聯(lián)動協(xié)同，根據(jù)水處理系統(tǒng)運行的實際情況實時調整工藝運行參數(shù)。在確保水量和水質符合相關要求的前提下，礦井水處理系統(tǒng)的自動控制技術將有效提高工作效率，降低礦井水的處理成本[2]。

2.3 污泥處理系統(tǒng)

在礦井水處理過程中，預沉調節(jié)池和沉淀池中會產(chǎn)生污泥，預沉調節(jié)池池容不足或建設的時候未考慮排泥設施都會導致排泥不暢。離心式污泥脫水機的工作性能較差時會影響污泥的含水率以及后續(xù)的運輸環(huán)節(jié)，對此需要根據(jù)污泥性質的不同選擇與其所帶電荷相反的高分子絮凝劑，并根據(jù)污泥量選擇大小合適的離心脫水設備[3]。

2.4 消毒系統(tǒng)

礦井水在經(jīng)過凈化處理后用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)時，消毒系統(tǒng)非常關鍵。利用二氧化氯進行消毒已經(jīng)在實際生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。二氧化氯作為國際公認的一種高效、低毒、安全的廣譜強氧化殺菌劑，能夠對微生物細胞產(chǎn)生非常明顯的吸附穿透能力，氧化微生物細胞內(nèi)的生物酶，通過抑制細菌蛋白質的合成從而破壞細菌的生成，同時不產(chǎn)生刺激性氣味或有毒有害的致癌物質。

歐美國家普遍采用紫外線對處理后的廢水和飲用水進行消毒，利用紫外線的滅活機理起到凈化水質的目的。紫外線消毒的優(yōu)勢在于不需要添加其他化學藥劑且無二次污染，缺點是影響其效果因素較多，無持續(xù)殺菌能力，一般應用于小型污水處理廠。

3 結語

煤礦礦井水是一種極具行業(yè)特點的廢水，經(jīng)凈化處理后礦井水可轉化為寶貴的水資源。目前很多礦區(qū)一方面缺水，一方面又將未經(jīng)處理的礦井水直接排放，不僅污染了環(huán)境也浪費了寶貴的資源。將礦井水經(jīng)過凈化處理作為工業(yè)和生活用水不僅可有效解決礦區(qū)缺水問題，有效保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，同時還可實現(xiàn)礦井水的綜合利用，具有顯著的社會和經(jīng)濟效益。礦井水的資源化利用需要根據(jù)礦井水自身特征，結合當?shù)厣a(chǎn)、生活對水質和水量的具體要求、工程和設備投資以及技術經(jīng)濟的可行性，因地制宜選擇適合的處理方案。

本文對現(xiàn)階段煤礦礦井水凈化處理常用的一些技術進行了總結，并針對某些關鍵的工程環(huán)節(jié)進行了探討，期望通過技術和設備的不斷進步，提升礦井水的綜合利用率，助力煤炭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。