李 庭,李井峰,杜文鳳,郭奇峰,張 英,李 娜
(1.國家能源集團(tuán) 煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102200;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083;3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083;4.中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司,北京 100120)
礦產(chǎn)資源的開采常伴隨著大量產(chǎn)水,例如相關(guān)研究統(tǒng)計(jì),每開采1t煤在荷蘭相應(yīng)產(chǎn)出2t水[1],而在英國則相應(yīng)產(chǎn)出3t水[2]。礦井水的外排、滲漏造成的地表水和地下水污染問題,已成為影響世界采礦業(yè)發(fā)展的主要問題,而加強(qiáng)礦井水利用,不但可以減輕污染,還能減少水資源的浪費(fèi)。
在我國,一方面煤礦和金屬礦礦井水大量外排造成污染,而另一方面,很多礦區(qū)由于缺水造成礦物洗選、礦物冶煉、火電、煤化工等產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。例如我國14個(gè)大型煤炭基地中有11個(gè)存在不同程度的缺水問題,尤其是晉、陜、蒙、寧、甘等西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量占全國煤炭產(chǎn)量的70%以上,而水資源占有量不足全國總量的3.9%[3,4]。因此,只有更好的保護(hù)與利用礦井水資源,才能為我國礦區(qū)發(fā)展提供有力保障。
目前我國礦井水利用已進(jìn)入高速擴(kuò)張發(fā)展期,各種新的利用處理技術(shù)、利用途徑都在不斷的涌現(xiàn)和嘗試[5-7],取得了大量成績的同時(shí)也存在一些不足。國外發(fā)達(dá)國家礦井水利用的發(fā)展時(shí)間更長,在技術(shù)上、理念上和管理上更加先進(jìn)和成熟,因此,對國外現(xiàn)狀的研究可給我國礦井水利用的發(fā)展提供借鑒和指導(dǎo),同時(shí)也可填補(bǔ)國內(nèi)缺乏對國外礦井水利用情況系統(tǒng)研究總結(jié)的空白。
國外對于礦井水的利用,除了傳統(tǒng)的回用于自身的生產(chǎn)之外,利用方式還包括生活飲用水、灌溉用水、工業(yè)用水和環(huán)境用水等。近年來,對于礦井水用于蓄熱、蓄能發(fā)電以及回注的相關(guān)研究和應(yīng)用逐漸增多。
很多礦區(qū)位于干旱少雨地區(qū),水資源緊張,同時(shí)礦業(yè)開采又加劇了水資源短缺。為了營造環(huán)境友好的礦區(qū),同時(shí)更好的履行社會責(zé)任,很多礦業(yè)公司利用礦井水為礦區(qū)居民供水。例如印度尼西亞第二大煤炭企業(yè)PT Adaro公司,將礦井水處理達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)后,通過15km長的管網(wǎng)供給礦區(qū)附近的Padang Panjang和Dahai兩個(gè)村子,使超過5500名村民從中受益[8]。另外,Adaro公司創(chuàng)新性的將礦井水處理設(shè)施交給村民自己管理與運(yùn)營。運(yùn)營管理人員由村民會議選出,并接受Adaro公司和相關(guān)專家的技術(shù)培訓(xùn)。
世界上約有70%的水被用于農(nóng)業(yè)。利用礦井水灌溉,可以增加缺水礦區(qū)的耕種面積并提高產(chǎn)量。例如美國內(nèi)華達(dá)州的Betz-Post金礦,每天產(chǎn)生約30萬m3礦井水,其中有10%約3萬m3礦井水被用于灌溉2000hm2的農(nóng)作物[9]。此外,礦井水還經(jīng)常被用作干旱時(shí)的備用水源。有些地區(qū)直接利用未經(jīng)處理的礦井水進(jìn)行灌溉,造成了土地鹽堿化、土壤酸化和重金屬超標(biāo)等問題。因此必須監(jiān)測和控制礦井水水質(zhì),并定期評估環(huán)境影響。
礦井水回用于礦石洗選、場地降塵、鉆探等活動(dòng)等是最常見的工業(yè)利用方式。近年來利用礦井水作為火電廠的冷卻用水的研究越來越多。例如美國西弗吉尼亞大學(xué)的國家礦山復(fù)墾中心(NMRC),正在研究使用阿巴拉契亞盆地1萬多個(gè)地下廢棄礦井的近9.5億m3礦井水資源來為該地區(qū)的熱電廠供水[10]。
礦井水用于環(huán)境用途開始于20世紀(jì)80年代,并逐漸發(fā)展出濕地修復(fù)功能。濕地除了能處理酸性礦井水外,還創(chuàng)造了新的生態(tài)系統(tǒng),增加了生物多樣性。例如西班牙的As Pontes礦山,通過使用礦井水創(chuàng)建了一個(gè)新的濕地湖泊,從而美化了景觀和周圍環(huán)境,生物多樣性甚至超過開采前[11]。
水產(chǎn)養(yǎng)殖也是礦井水環(huán)境利用的一個(gè)重要途徑。例如美國馬里蘭州自然資源部和Mettiki煤炭公司研究評價(jià)了利用廢棄煤礦的礦井水進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性,并將處理后的礦井水用于養(yǎng)殖褐鱒,虹鱒等魚類[12]。
廢水回注地下的做法在美國、歐洲有很長的研究和應(yīng)用歷史,近年來在采礦業(yè),這種做法越來越受到重視[13]。當(dāng)面臨嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)限制,特別是在環(huán)境敏感地區(qū),礦井水無法外排處置時(shí),回注是較為理想的可選方案,不但規(guī)避了政策風(fēng)險(xiǎn),還有效補(bǔ)充了地下水資源量。礦井水注入時(shí)無需達(dá)到很好的水質(zhì),因?yàn)榈叵聨r層具有天然的過濾作用,可以將注入的礦井水自然凈化。
南非的Kolomela鐵礦位于南非開普省北部,開采活動(dòng)破壞了地下含水層,為了控制地下水位下降,減小對地面農(nóng)業(yè)和生態(tài)的影響,該礦利用鉆孔每月向含水層回注約36000m3礦井水,取得了很好的效果[14]。
澳大利亞Mt.Whaleback鐵礦位于澳大利亞西北角的Pilbara地區(qū),氣候干旱,蒸發(fā)量大且降雨量極不均衡。每年抽取1千萬m3地下水供給鐵礦生產(chǎn)和附近約6000居民生活使用,其中700萬m3地下水屬于超采。為了調(diào)節(jié)降雨不均衡并補(bǔ)充地下水,每年將790萬m3的礦井水和地表河水注入地下含水層,支撐了當(dāng)?shù)厮Y源的可持續(xù)發(fā)展[15]。此外,美國的Betze-Post金礦,德國的Garzweiler煤礦,西班牙的Alquife鐵礦和Las Cruce銅礦等都采用了礦井水回注技術(shù)。
通常地溫梯度為每增加100 m深度,溫度提升約3℃。地下水具有熱能利用的潛力,采礦活動(dòng)大大提高了從井下抽取地下水并利用其所含熱能的潛力。歐洲開展了大量的研究和商業(yè)活動(dòng),對廢棄礦井的礦井水低溫資源進(jìn)行開發(fā)利用。德國埃森市的Zollverein礦的礦井水水溫27℃,被用來給5000m2的建筑供熱[16,17]。目前應(yīng)用最成功的是荷蘭Heerlen市的礦井水能源項(xiàng)目,2008年10月啟動(dòng)了礦井水區(qū)域供暖系統(tǒng)的試點(diǎn),到2015年已達(dá)到為50萬m2建筑面積供能,降低了65%的CO2排放[18]。
國外發(fā)達(dá)國家由于資源枯竭,遺留了大量廢棄礦井,而廢棄礦井擁有地下巷道等優(yōu)質(zhì)地下空間可供改造利用。近年來針對利用廢棄礦井地下空間,并結(jié)合廢棄礦井的礦井水資源來建設(shè)抽水蓄能發(fā)電站的研究逐年增多[19,20]。目前,以德國為代表的相關(guān)國家在這個(gè)領(lǐng)域的研究已獲得了一些成果,例如德國的杜伊斯堡-埃森(Duisburg-Essen)大學(xué)與魯爾集團(tuán)(Ruhr Group)合作,將位于德國北萊茵-威斯特法倫州(Nordrhein-Westfalen)的Prosper-Haniel煤礦改建成200MW抽水蓄能電站[21,22]。該礦地下約25km的巷道被改造成用來蓄能發(fā)電的水庫,儲存的礦井水量超過100萬m3。
由于國外發(fā)達(dá)國家的礦業(yè)開采規(guī)模和開采強(qiáng)度遠(yuǎn)小于我國,礦井水總量也相對較小,處理達(dá)標(biāo)后外排對環(huán)境造成的影響不突出,因此,礦井水達(dá)標(biāo)外排在國外是礦井水處置的重要方式。以澳大利亞新南威爾士州為例,列舉3個(gè)礦的排水情況。新南威爾士州中部的Wilpinjong露天煤礦在2016年6月至2017年7月間,共計(jì)產(chǎn)生礦井水約444.5萬m3,其中有184.7萬m3外排,外排礦井水占比41.6%[23]。新南威爾士州IIlawarra區(qū)域有12座生產(chǎn)煤礦,每年產(chǎn)煤約1300萬t,其中1座井工礦產(chǎn)生礦井水量約為3000m3/d,外排礦井水約600m3/d,外排礦井水占比20%[24]。位于新南威爾士州中西部Ulan煤礦2015年共產(chǎn)生礦井水978.5萬m3,其中有725.2萬m3外排,外排礦井水占比74.1%[25]。
國外礦井水利用處理技術(shù)按照處理手段,可以分為主動(dòng)處理技術(shù)和被動(dòng)處理技術(shù)兩大類。主動(dòng)處理是指需要持續(xù)的人工操作、維護(hù)和監(jiān)測,并使用外部能源、基礎(chǔ)設(shè)施和工程系統(tǒng)的技術(shù)。被動(dòng)處理是指不需要經(jīng)常人工干預(yù)、操作或維護(hù)的過程,通常使用天然材料和介質(zhì)。
主動(dòng)處理技術(shù)中,最基礎(chǔ)的混凝、沉淀和普通過濾工藝本文不再詳述。近年來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,反滲透、納濾等膜處理技術(shù)大量應(yīng)用于礦井水處理,取得了很好的效果。此外正滲透等一批新技術(shù)也在不斷的研究與改進(jìn)[26]。國外常見的礦井水主動(dòng)處理技術(shù)詳見表1。
表1 國外常見礦井水主動(dòng)處理技術(shù)[25,27-33]
被動(dòng)處理技術(shù)相對主動(dòng)處理技術(shù),具有能耗低、維護(hù)少和成本低等優(yōu)勢,尤其適應(yīng)用于廢棄礦井的礦井水處理。國外常見的礦井水被動(dòng)處理技術(shù)詳見表2。
表2 國外常見礦井水被動(dòng)處理技術(shù)[27-30,34-39]
Witbank是南非最大的煤炭礦區(qū),位于南非東北部。礦區(qū)內(nèi)礦井眾多,其中一些礦已經(jīng)進(jìn)入資源枯竭期。英美資源集團(tuán)(Anglo American)動(dòng)力煤公司在該礦區(qū)的礦井水資源量約為1.4億m3。Witbank礦區(qū)位于缺水地區(qū),隨著人口增長,eMalahleni市用水需求預(yù)計(jì)到2030年增加到每天180萬m3。英美資源集團(tuán)動(dòng)力煤公司與必和必拓公司(BHP)合作于2007年建設(shè)了eMalahleni水處理廠,用來處理4個(gè)煤礦的礦井水[40]。該處理廠每天處理約3萬m3礦井水,除部分用于煤炭生產(chǎn)外,大部分輸送給eMalahleni市作為生活用水,供水量約占eMalahleni市每天用水需求的12%。到2011年底,共計(jì)處理了0.3億m3礦井水,其中0.22億m3供給eMalahleni市作為生活用水。2013年,處理廠二期擴(kuò)建完成,處理能力提高到5萬m3/d[40,41]。
Wilpinjong露天煤礦位于澳大利亞新南威爾士州中部,主產(chǎn)動(dòng)力煤,每年產(chǎn)量可達(dá)1600萬t。該礦礦井水處理設(shè)施于2012年6月竣工,根據(jù)新南威爾士州環(huán)境保護(hù)局頒發(fā)的環(huán)境保護(hù)許可(編號EPL 12425),該礦被批準(zhǔn)從24號排放點(diǎn)(編號LDP24)排放處理后的礦井水,污染物排放控制限值見表3。
表3 Wilpinjong礦礦井水污染物排放限值
2017年1月,該礦的環(huán)境保護(hù)許可變更,將每日外排水量限值從5000m3/d提高到15000m3/d,2017年該礦共排放礦井水約185萬m3,未超出1.5萬m3/d的許可,水質(zhì)也滿足排放要求[23]。除了外排外,該礦礦井水還回用于道路降塵澆灑、洗選等。Wilpinjong礦按照環(huán)保要求編制了詳細(xì)的水資源管理計(jì)劃,包括地表水和地下水的監(jiān)測計(jì)劃等。該礦對礦井水的管理重點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)[42]:
1)分類收集和利用擾動(dòng)區(qū)的地表徑流清水。
2)控制地下水和降雨徑流進(jìn)入作業(yè)區(qū),避免受到污染。
3)根據(jù)新南威爾士州環(huán)境與遺產(chǎn)辦公室編制的《處理污水利用環(huán)境指南》對污水進(jìn)行管理。
4)根據(jù)環(huán)境保護(hù)許可(編號EPL 12425),排放處理達(dá)標(biāo)的礦井水。
通過前文對國外礦井水利用方式和處理技術(shù)現(xiàn)狀的分析和總結(jié),對比我國現(xiàn)狀,國外礦井水利用的主要特點(diǎn)如下:
1)回注是礦井水處置的重要方式。當(dāng)面臨法規(guī)限制,特別是在環(huán)境敏感地區(qū),礦井水無法外排處置時(shí),回注是較為理想的可選方案,不但規(guī)避了政策風(fēng)險(xiǎn),還有效補(bǔ)充了地下水資源量。
2)礦井水達(dá)標(biāo)外排較為普遍。由于國外發(fā)達(dá)國家的礦業(yè)開采規(guī)模和開采強(qiáng)度遠(yuǎn)小于我國,礦井水總量也相對較小,礦井水達(dá)標(biāo)外排對環(huán)境的影響不突出。
3)處理技術(shù)理念更加先進(jìn)。國外發(fā)達(dá)國家更提倡利用濕地法等被動(dòng)處理技術(shù),不但成本低,還能改善礦區(qū)環(huán)境。
4)重視對廢棄礦井排水的處理與利用。大部分發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入資源枯竭期,廢棄礦井增多的同時(shí)也產(chǎn)生了酸性礦井水污染等問題,因此對相關(guān)問題的研究更為重視。
5)注重礦井水分類收集。礦井在設(shè)計(jì)初期就考慮了將雨水、受擾動(dòng)的地表徑流水與疏干排水等進(jìn)行單獨(dú)收集,有效減少了需要處理的礦井水總量。