金家渠煤礦多污染物有效處置技術集成及應用

呂兆海 馮耀東 牛風雪 劉興龍 靳亞軍 祝振洲 葉文清

(國家能源集團寧夏煤業(yè)有限責任公司，寧夏回族自治區(qū)銀川市，750001)

采礦活動產(chǎn)生的多污染物將對生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能產(chǎn)生不良影響，造成生態(tài)環(huán)境破壞，凸顯水體污染、水資源流失、地表塌陷、耕地破壞、植被覆蓋率降低、矸石堆積、大氣污染等問題，如何將開采活動對生態(tài)環(huán)境的影響降低到最小程度是煤炭開發(fā)亟待解決的重大實踐問題[1]。西部能源“金三角”(晉陜蒙寧甘)境內探明的煤炭儲量和產(chǎn)量約占全國的2/3，其核心區(qū)(寧東、鄂爾多斯和榆林)煤炭儲量占全國的27%，但境內生態(tài)環(huán)境相對脆弱，水資源供需矛盾突出，屬重度缺水區(qū)，煤炭開采與地下水保護和利用問題亟待解決。煤矸石長期露天堆存容易引起矸石自燃、進而排放粉塵和有害氣體。國內外學者及煤炭企業(yè)針對煤礦多污染物處置及生態(tài)系統(tǒng)修復進行了大量課題研究，謝和平針對生態(tài)環(huán)境損害治理，建立科學產(chǎn)能綜合評價體系，提出了生產(chǎn)綠色度概念[2]；袁亮提出綠色煤炭資源評價方法，并將生態(tài)恢復度作為一項重要評價指標[3]。歐盟和美國對人工濕地處理礦井水進行了研究和推廣應用；神東礦區(qū)以超大尺度工作面采空區(qū)為儲水空間，通過施工煤柱和人工擋水壩體，構筑煤礦地下水庫30余座，儲水量約為2900萬m3，復用量約為2000萬m3/a，實現(xiàn)了地下水井下存儲復用[4]；寧東煤炭基地將南部馬家灘礦區(qū)礦井水處理達標后排至南湖工程，經(jīng)二次提標處理后供給規(guī)劃園區(qū)，用作園區(qū)內電廠循環(huán)冷卻用水、電廠化水車間用水和化工廠生產(chǎn)用水[5]；唐山市政府在采煤沉降形成的水域基礎上，對周邊矸石場及廢棄場地進行整治，將其建設成濱湖景觀區(qū)；唐山煤礦應用采、選、充一體化技術，將地表矸石通過垂直投料系統(tǒng)送至井下，且將開采的煤炭在井下洗選，洗選矸石直接用于采空區(qū)充填[6]。結合新建礦井面臨的多污染物問題，本文也進行了多污染物有效管控與處置的工程實踐。

1 新建礦井面臨的多污染物污染問題

我國首部綠色礦山建設行業(yè)標準《非金屬礦行業(yè)綠色礦山建設規(guī)范》(DZ/T 0312-2018)已于2018年10月1日起正式實施，規(guī)范提出在礦產(chǎn)資源開發(fā)全過程中，實施科學有序開采，對礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境擾動控制在可控范圍內[7]。

寧夏煤業(yè)公司金家渠煤礦(以下簡稱“金家渠煤礦”)地處寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣境內，井田位于馬家灘礦區(qū)的南部，北部與金鳳井田相鄰，呈南北向條帶狀，東西寬約3 km，南北長約9 km，面積約為27 km2，礦井設計生產(chǎn)能力400萬t/a，服務年限為60.1 a。礦井于2012年11月開工建設，2018年8月建成并聯(lián)合試運。礦井建設期間產(chǎn)生的污染物主要為礦井水、鍋爐煙氣、煤矸石等，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞和影響呈現(xiàn)出一定的關聯(lián)性，開展污染物治理技術的研究尤為重要。

1.1 水體污染物排放情況

煤礦水體污染物主要來源于井下疏放水和礦區(qū)生活污水，煤礦現(xiàn)階段正常涌水量為200 m3/h，礦井水總礦化度為5110 mg/L、總硬度達2532 mg/L(其中暫時硬度為419 mg/L，永久硬度為2113 mg/L)。目前外排井下疏放水量為4300 m3/d、深度處理后復用的礦井水量約為500 m3/d(設計深度處理規(guī)模為100 m3/h、產(chǎn)水量為75 m3/h、工作時間為20 h)。

1.2 氣體污染物排放情況

井下作業(yè)過程中會產(chǎn)生部分有害氣體，如使用炸藥產(chǎn)生的CO和NOx，柴油類設備排放的尾氣中含有NOx，采用負壓通風的方式排至地面；冬季采暖期鍋爐運行燃燒會產(chǎn)生大量鍋爐煙氣；地面儲煤場揚塵也將帶來空氣污染。

1.3 固體污染物排放情況

井巷開拓過程中會產(chǎn)生大量的煤矸石，累計排放量約為60萬t。煤矸石堆積不但占用大量沙地，同時煤矸石中含有的硫化鐵、煤等可燃物，在堆放過程中易產(chǎn)生自燃，排放大量CO、SO2、H2S等污染氣體和粉塵。此外，礦區(qū)生活垃圾由當?shù)丨h(huán)衛(wèi)部門統(tǒng)一收集處置，鍋爐灰渣冷卻后用于路基充填。

2 新建礦井多污染物集約處置

礦井自建設以來就高度重視環(huán)境保護工作，秉承“綠水青山就是金山銀山”的理念，以清潔綠色開采為目標，最大程度地做到人與自然生態(tài)系統(tǒng)的和諧。認真遵守國家環(huán)境保護法律、法規(guī)，加大綠色設施建設和環(huán)保投入，強化各類污染源的管控與處置，抓好環(huán)保設施運行維檢，抓好礦井“固廢、廢水、廢氣”等污染物處置，實現(xiàn)達標排放[8-9]。礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復效果如圖1所示。

2.1 水體污染物處置

開采活動形成導水裂隙空間，驅動地下水區(qū)域流場重新分布，破壞了原有地下水系統(tǒng)補-徑-排原始平衡系統(tǒng)，造成自然含水層失水和地下水系統(tǒng)失衡[10]。金家渠煤礦礦區(qū)生活用水量為479 m3/d、工業(yè)生產(chǎn)用水量為932 m3/d、綠化用水量為147 m3/d。根據(jù)礦井水分級處理程度、水質參數(shù)，做好礦井水及礦區(qū)生活污水處理和復用規(guī)劃，形成選煤、生活雜用、景觀等內部用水+鄰近工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)灌溉、河湖生態(tài)補水等外部供給的綜合利用模式。同時，完善復用水管網(wǎng)系統(tǒng)及井下用水精準計量系統(tǒng)，擴大復用水使用規(guī)模。

圖1 礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)修復效果

2.1.1 礦井水處理

礦井水處理站安裝了2×600 m3/h混凝沉淀+高密沉淀水處理系統(tǒng)，包括混合段、絮凝段、反應段、沉淀段，經(jīng)處理后進入2×100 m3/h深度處理系統(tǒng)(除鐵過濾+超濾+反滲透)復用于礦井生產(chǎn)工業(yè)用水。礦井水處理系統(tǒng)采用可編程控制，分別對預沉調節(jié)池、提升泵、預沉調節(jié)池排泥泵、加藥裝置、高密度高效水處理設備、集水池、污水回流泵及污泥脫水系統(tǒng)進行精確控制。礦井水處理裝置如圖2所示。

圖2 礦井水處理裝置

礦井水預處理采用混凝、絮凝段+高密沉淀段水處理設備2套，每臺處理水量為600 m3/h，與井下排水泵相匹配。礦井水首先進入混凝池(5 m×3.5 m×5 m)，該池投加藥劑為PAC(聚合氯化鋁)，化學反應促使水中的微粒初步凝結成細小結構礬花；混凝池的水隨后進入絮凝池(5 m×3.5 m×5 m)，該池投加藥劑為PAM陰離子(聚丙烯酰胺)，將混凝池中無法靠重力下沉的礬花進一步凝結成較大絮體結構沉降；高密度沉淀池(13 m×13 m×7 m)就是將經(jīng)過混凝池和絮凝池處理后的水再次進行沉淀，池子上半部分為斜管，下半部分為小型集泥池，目的是泥水分離，上清液排入外排水池；小型集泥池中的煤泥經(jīng)過排泥泵抽到壓濾車間進行脫水。經(jīng)過預處理的礦井水達到《煤炭工業(yè)污染物排放標準》(GB20426-2006)標準要求、其中COD、氨氮達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB3838-2002)中IV類指標(COD≤30 mg/L，氨氮≤1.5 mg/L)后外排。深度處理采用“除鐵過濾+超濾+反滲透”工藝，除鐵過濾裝置進一步去除水中的懸浮物，通過超濾裝置去除水中大部分微粒和大量有機物，反滲透(RO)裝置在外加壓力的作用下，使?jié)馊芤耗嬷匀粷B透的方向做反向滲透，從而在膜的低壓側得到透過的溶劑，高壓側得到濃縮的溶液，以達到脫鹽、凈化或濃縮分離的目的。

寧夏地質礦產(chǎn)中心實驗室出具的井下原水水質檢測結果見表1，其中檢測出的pH值為7.93、電導率為6590 μs/cm、濁度為147.5 NTU、菌落總數(shù)為700 CFU/mL。

礦井水預處理后的水質檢測結果見表2，礦井水深度處理后的水質檢測結果見表3。

由表2可以看出，預處理后懸浮物監(jiān)測值為4～25 mg/L，COD監(jiān)測值為11～23 mg/L，氨氮監(jiān)測值為0.125～0.268 mg/L，處理效果明顯。各污染因子的排放濃度均滿足《煤炭工業(yè)污染物排放標準》(GB 20426-2006)，其中COD、氨氮達到《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838-2002)中IV類指標。礦井水深度處理后的水質檢測結果見表3，其中檢測出的總大腸菌群為13 CFU/mL、耐熱大腸菌群為8 CFU/mL、大腸埃希氏菌為ND、菌落總數(shù)為184 CFU/mL、總α放射性為0.139 Bq/L、總β放射性為0.324 Bq/L、色度為ND、渾濁度為0.06 NTU、臭味和肉眼可見物無、pH值為7.83。

由表3可以看出，深度處理后的水質滿足《煤礦井下消防灑水設計規(guī)范》(GB 50383-2006)、《城市污水再生利用城市雜用水水質》(GB/T 18920-2002)以及《城市污水再生利用城市工業(yè)用水水質》(GB/T19923-2005)的限值要求。

表1 井下原水水質檢測結果 mg/L

注：ND表示檢測結果低于檢出限值

表2 礦井水預處理后的水質檢測結果 mg/L(pH除外)

表3 礦井水深度處理后的水質檢測結果 mg/L

注：ND表示檢測結果低于檢出限值

2.1.2 礦區(qū)生活污水處理

礦區(qū)生活污水在地面建設2×35 m3/h的生活污水處理站處理，現(xiàn)階段的處理能力為360 m3/d，采用“A/O生物接觸氧化處理+瓷砂過濾+活性炭吸附+二氧化氯消毒”深度處理工藝，處理后非采暖季全部用于綠化，采暖季排至38662 m3容積的蓄水池，待夏季回用于綠化。生活水處理裝置如圖3所示，生活污水處理工藝如圖4所示。

2019年3月21-22日，對生活污水水質進行了每天4次、連續(xù)2 d的監(jiān)測，生活污水處理設施進、出口監(jiān)測結果見表4。

由表4可以看出，SS、CODCr、BOD5和NH3-N的處理效率均能達到環(huán)評要求的85%、80%、85%和70%的處理效果。

圖3 生活水處理裝置

圖4 生活污水處理工藝

2.2 氣體污染物處理

2.2.1 鍋爐廢氣處理

按照《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB13271-2014)，對20 t燃煤熱水鍋爐進行除塵、脫硫、脫銷改造，煙氣治理采用“PNCR脫硝+陶瓷多管預除塵+DMCD低壓脈沖長布袋除塵+氧化鎂法脫硫”工藝，20 t/h鍋爐脫硫脫硝除塵流程如圖5示。

脫硫采用的是煙氣散射塔脫硫工藝，核心設備煙氣散射脫硫塔是將噴淋塔和鼓泡塔相結合的一種新的脫硫塔形式，在一個單獨的氣—液—固相反應器中合并實現(xiàn)SO2吸收、氧化、溶解等工藝過程。脫硫過程可分為兩個階段，第一個階段是利用噴淋塔脫硫曲線的斜率最大段，即脫硫效率最高處(液氣比為1～2處)進行煙氣脫硫，同時對進入散射塔的煙氣還有降溫、增濕和對散射塔的中倉進行清洗，噴淋塔脫硫曲線如圖6所示；第二階段是利用鼓泡塔散射器插入吸收液的深度與脫硫率的關系選取最佳參數(shù)進行煙氣脫硫，由于鼓泡塔在煙氣脫硫時具有分散相(煙氣中的SO2)對連續(xù)相(吸收液)反應充分的優(yōu)點，使得散射塔具有更節(jié)能的特點和更高的脫硫率，鼓泡塔運行曲線如圖7所示。

經(jīng)過改造后的鍋爐每年減排煙塵475 t、SO2減排量為230 t、NOx減排量為38.6 t，大大降低了污染物排放總量，鍋爐脫硫脫硝除塵前煙氣監(jiān)測數(shù)據(jù)見表5，鍋爐脫硫脫硝除塵改造后鍋爐煙氣監(jiān)測數(shù)據(jù)見表6。

圖5 20 t/h鍋爐脫硫脫硝除塵流程

表4 生活污水處理設施進、出口監(jiān)測結果

圖7 鼓泡塔運行曲線

圖8 鍋爐煙氣除塵脫硫設計及散射塔結構

表5 鍋爐脫硫脫硝除塵改造前鍋爐煙氣監(jiān)測數(shù)據(jù)

表6 鍋爐脫硫脫硝除塵改造后鍋爐煙氣監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測項目顆粒物折算濃度/(mg·m-3)顆粒物排放速率/(kg·h-1)SO2排放實測濃度/(mg·m-3)SO2排放折算濃度/(mg·m-3)鍋爐煙氣進口第1次42912.1266298第2次44112.8253284第3次46413.3247280鍋爐煙氣出口第1次8.030.245//第2次11.420.305//第3次10.900.385//處理效率/%98.5//100排放限值30--200監(jiān)測項目SO2排放速率/(kg·h-1)NOx排放實測濃度/(mg·m-3)NOx排放折算濃度/(mg·m-3)NOx排放速率/(kg·h-1)鍋爐煙氣進口第1次8.4381912.57第2次8.2685952.77第3次7.99881002.85鍋爐煙氣出口第1次/47611.87第2次/41531.41第3次/47612.14處理效率/%//38.8/排放限值--200-

改造前除塵效率為86.4%、脫硫效率為47.1%，改造后除塵效率98.5%、脫硫效率為100%、脫硝效率為38.8%，改造效果顯著，改造后鍋爐煙氣各污染因子均能滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》(GB13271-2014)。對礦區(qū)周邊的環(huán)境空氣質量監(jiān)測，各監(jiān)測點SO2、NO2、TSP、PM10的24 h平均濃度分別為20～29 μg/mg3、41～46 μg/mg3、198～222 μg/mg3、94～114 μg/mg3，SO2、NO2的1 h平均濃度分別為14～32 μg/mg3、35～51 μg/mg3，均符合《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095-2012)二級標準，對周邊大氣環(huán)境質量影響較小。

2.2.2 回風余熱利用

井工煤礦通常采用抽出式通風，利用通風機通過回風井回風。金家渠煤礦回風余熱直換自供暖循環(huán)系統(tǒng)采用間壁式換熱器的方式置換回風流的熱量(設計回風進口溫度14℃)，新風與間壁式換熱器直接換熱，將新風加熱至10℃以上通過保溫風道送入進風井井口區(qū)域，與部分未加熱的冷空氣混合，進入井筒的空氣溫度不低于2℃。自2018年11月至2019年3月運行情況來看，當室外溫度低于-7℃時，新風管進風溫度低于2℃，經(jīng)該礦運行熱風機組補充熱量后才能保證井筒防凍的要求。

2.3 固體污染物處置

開采活動中外排的煤矸石等固體污染物，通過地表堆積、流域排放等形式將采動影響傳導至外部系統(tǒng)，致使原態(tài)區(qū)域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生污染現(xiàn)象。針對外排煤矸石治理，采取外排煤矸石充填、分層碾壓、覆土綠化[11]的方法進行煤矸石治理。礦區(qū)設置2處排矸場，總占地面積為22.12 hm2，排矸場總庫容為78.74萬m3；結合地理環(huán)境、氣候等自然條件，主要種植紫花苜蓿、冰草、沙蒿等耐干旱、耐貧瘠、萌發(fā)力強、成活率高、生長快的優(yōu)良品種。其中，矸石的浸出毒性監(jiān)測結果見表7，浸出液各項分析指標均遠遠小于《危險廢物鑒別標準浸出毒性鑒別》(GB5085.3-2007)中的各項指標，屬于一般工業(yè)固體廢棄物。

1#排矸場位于中部工業(yè)場地東北側約450 m處的一處沖溝洼地內，該區(qū)東、北、南三面為緩坡梁峁包圍，西部為沖溝出口，占地面積為2.12 hm2，已堆放的2.69萬m3矸石全部覆土并恢復植被，覆土量為0.64萬m3，最大堆高為5 m；2#排矸場位于中部工業(yè)場地東南側的荒溝內，占地面積為20.00 hm2，最大堆高為7 m，總庫容為75.83萬m3，目前已堆放矸石27.43萬m3。外排的煤矸石采用碾壓覆土方式處理，覆土用排矸場前期剝離表土。排矸場覆土后采取節(jié)水灌溉措施，鋪設DN108鍍鋅管路1200 m，砌筑砼檢查井5座，噴淋管路主管、支管敷設5120 m，搖臂噴頭安裝680個，復墾種植植被45450 m2。根據(jù)排矸場防洪安全的需要，沿排矸場周邊修筑截排水溝，排矸場上方來水排至自然溝道，攔矸壩內修筑排水暗溝，排出壩內雨水。

表7 矸石浸出毒性監(jiān)測結果一覽表 mg/L(pH除外)

注：表格里的下標L為Limited的縮寫，表示該檢測方法的檢出極限，代表某種污染物只能檢測到小數(shù)點后的位數(shù)

3 污染源監(jiān)測系統(tǒng)

礦井建設期間產(chǎn)生的廢水、廢氣等污染物日常監(jiān)測采取委托第三方監(jiān)測公司和污染源在線監(jiān)測相結合的方法。第三方監(jiān)測公司每季度進行一次手工采樣監(jiān)測，污染在線監(jiān)測系統(tǒng)為實時監(jiān)測。污染源在線監(jiān)測通過對污染監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、統(tǒng)計、分析等，實現(xiàn)污染源監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)超警預報、監(jiān)控設備的管理及反控，統(tǒng)計結果以報表形式展現(xiàn)。污染物在線監(jiān)測系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 污染物在線監(jiān)測系統(tǒng)

4 生態(tài)系統(tǒng)修復及評價

金家渠煤礦在建礦之初，從源頭降低煤炭開采引發(fā)的生態(tài)損傷，做好多污染物集約處置，加強環(huán)境治理，降低煤炭開采對當?shù)厮Y源、土地資源及空氣的污染，改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

(1)做好礦井水的凈化處理、循環(huán)利用及達標排放。精準劃分礦區(qū)覆巖富水分區(qū)，建立礦井水質動態(tài)監(jiān)測機制，應用“高效沉淀澄清+超濾+反滲透”礦井水分級提標處理技術，投用“A/O生化處理+瓷砂/生物活性炭過濾+二氧化氯消毒”生活污水處理工藝，構建礦井水資源綜合利用體系。

(2)開展鍋爐煙氣污染物治理。采用“PNCR脫硝+陶瓷多管預除塵+DMCD低壓脈沖長布袋除塵+氧化鎂法脫硫”工藝，實現(xiàn)鍋爐煙氣的達標排放。

(3)地表生態(tài)修復采取人工快速修復措施和生態(tài)自修復能力相結合，煤矸治理修復效果主要由林草植被恢復率體現(xiàn)，項目擾動面積為162.68 hm2，可恢復植被面積為62.52 hm2，實際恢復植被面積為60.77 hm2，林草植被恢復率為97.20%，達到方案設計的95%目標值，接近采前水平。針對煤矸石污染物治理，提出“草灌+喬灌+林草”的立體式生態(tài)系統(tǒng)植被修復技術，有效地修復了礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)，水源得到涵養(yǎng)，實現(xiàn)了當?shù)亟?jīng)濟的可持續(xù)健康發(fā)展。