煤礦井下疏干水處理與回用技術(shù)

吳珍， 易漢平， 田繼蘭， 李繼定， 張弦

（1.鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程系， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.鄂爾多斯市紫荊創(chuàng)新研究院， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

煤礦井下疏干水主要指煤炭開采過程中井下地質(zhì)性涌滲水到巷道， 為安全生產(chǎn)而排出的自然地下水和井下采煤生產(chǎn)過程中灑水、 降塵、 滅火灌漿、消防及液壓設(shè)備產(chǎn)生的廢水。 煤礦井下疏干水排水量和礦區(qū)地理位置、 煤田水文地質(zhì)條件及充水因素、 采煤方式等有關(guān)［1-3］。 對煤礦井下疏干水進(jìn)行處理并加以綜合利用， 不但可以避免對水環(huán)境造成污染， 還可以防止水資源浪費(fèi)。 處理后的水可回用于礦區(qū)生產(chǎn)、 綠化、 防塵等， 還可以作為礦區(qū)周邊企業(yè)的工業(yè)補(bǔ)充用水， 礦區(qū)周邊農(nóng)田灌溉用水等，經(jīng)深度處理甚至可作為居民生活用水水源。 對于緩解礦區(qū)水資源不足、 改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、 最大限度地滿足生產(chǎn)和生活用水需求有著重大意義［4］。

對于煤礦井下疏干水， 有關(guān)酸性煤礦井下廢水中重金屬的處理［5-8］、 疏干水中沉積底泥的結(jié)構(gòu)形態(tài)及對底棲生物的影響［9-10］、 疏干水及底泥中稀土元素的收集［11-12］等研究備受關(guān)注， 而對于偏堿性疏干水處理以及處理后出水的資源化利用報道較少。鄂爾多斯市伊金霍洛旗地處北溫帶干旱半干旱大陸性氣候區(qū)， 風(fēng)大沙多、 干旱少雨、 蒸發(fā)強(qiáng)烈， 多年平均降水量為340 ～420 mm， 平均蒸發(fā)量為2 163 mm， 境內(nèi)地表水與地下水資源較為緊缺。 加之近年來全旗經(jīng)濟(jì)社會的持續(xù)快速發(fā)展， 城鎮(zhèn)建設(shè)、 工業(yè)項目建設(shè)的力度不斷加大， 用水需求急劇增加，用水矛盾日益突出。 解決水資源短缺問題， 保障城鎮(zhèn)生活用水和重點(diǎn)工業(yè)項目用水的安全， 成為伊金霍洛旗當(dāng)前迫切需要解決的實際問題。

本文以內(nèi)蒙古鄂爾多斯市伊金霍洛旗為例， 綜述了該旗煤礦井下疏干水水質(zhì)及水量狀況， 介紹了煤礦井下疏干水常規(guī)處理工藝， 以及近年來為了達(dá)到GB 3838—2002 《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)甚至“零排放”要求而進(jìn)行的處理工藝及處置方式探索， 并從處理工藝、 信息化管理等角度對疏干水處理與綜合利用提出建議。

1 煤礦井下疏干水水質(zhì)水量分析

1.1 水量分析

在我國， 煤炭生產(chǎn)以地下開采為主， 為了確保井下安全， 必須排除大量的礦井水。 據(jù)統(tǒng)計我國每年礦井水排放量高達(dá)45 億m3， 約占整個采礦業(yè)（有色冶金、 黃金、 化工等礦山）的80%， 而利用率僅為43.8%［13］， 與發(fā)達(dá)國家80% 的回用率相比還有較大差距。 其中大部分礦井水未經(jīng)處理就直接排放到江河湖泊， 造成嚴(yán)重的環(huán)境污染， 同時導(dǎo)致大量的水資源浪費(fèi)。 隨著環(huán)境保護(hù)監(jiān)管的日趨嚴(yán)格， 煤礦井下疏干水的處理與回用已經(jīng)成為影響煤炭企業(yè)正常生產(chǎn)的關(guān)鍵問題之一。

鄂爾多斯市伊金霍洛旗現(xiàn)有大小煤礦80 家，煤炭區(qū)域面積為1 100 km2。 根據(jù)2016 年調(diào)研數(shù)據(jù)， 已開采或正準(zhǔn)備開采的38 家煤礦井下疏干水排水量達(dá)到119 275.9 m3／d， 排水區(qū)域主要集中在伊金霍洛旗東部礦區(qū)的賽蒙特爾和淖爾壕礦區(qū)。 根據(jù)當(dāng)?shù)厮块T勘探數(shù)據(jù)， 平均每240 km2日涌水量約為5 萬t， 按全旗1 100 km2礦區(qū)面積近一半存在地下涌水計算， 煤礦總涌水量為114 583.3 m3／d，與現(xiàn)狀調(diào)研數(shù)據(jù)基本一致。

1.2 水質(zhì)及適用標(biāo)準(zhǔn)

煤礦井下疏干水是受到人為干擾的地下水， 水質(zhì)特性主要受地質(zhì)條件、 煤層特性、 采煤工藝的影響。 疏干水中的主要污染物為采煤過程中煤粉和巖粉滲入水中形成的高懸浮固體（SS）， 水的顏色呈黑色。 受采煤機(jī)械影響， 疏干水中還含有一定的機(jī)械油和乳化油。 此外， 疏干水隨煤層地質(zhì)不同還可能含有砷、 汞、 氟等有毒有害離子。 疏干水按污染物種類不同可分為潔凈礦井水、 高濁礦井水、 高礦化度礦井水、 酸性礦井水及有毒有害離子礦井水。

伊金霍洛旗各煤礦井下疏干水排放標(biāo)準(zhǔn)前期主要適用GB 20426—2006《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》， 自2016 年起， 由于伊金霍洛旗主要礦區(qū)疏干水的接納水體烏蘭木倫河下游與陜西省交界的國控斷面部分指標(biāo)超標(biāo)， 自治區(qū)及當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門要求沿河各煤礦井下疏干水“零排放”或者排放達(dá)到GB 3838—2002 Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（總氮除外）。 表1 為伊金霍洛旗沿烏蘭木倫河8 家煤礦井下疏干水主要排水水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

表1 烏蘭木倫沿河主要煤礦井下疏干水水質(zhì)Tab. 1 Water quality of Drainage water from main coal pit along the Ulan Mulun River in Yijinhuoluo Banner

根據(jù)表1 可以看出， 與GB 3838—2002 Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比較， 伊金霍洛旗烏蘭木倫河沿岸8 家煤礦排水的主要污染物指標(biāo)為糞大腸菌群、 石油類和氟化物， 少數(shù)煤礦出現(xiàn)CODCr、 氨氮、 總磷、 揮發(fā)酚及陰離子表面活性劑超標(biāo)現(xiàn)象， 氰化物和重金屬汞均不超標(biāo)。 疏干水中的糞大腸菌群超標(biāo)與井下開采人為活動有關(guān)， 石油類主要受采煤機(jī)械漏油影響， 而氟化物超標(biāo)可能與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)環(huán)境本底氟化物濃度較高有關(guān)。

此外， 雖然GB 3838—2002 Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)對水中SS 沒有規(guī)定限值， 但煤礦井下疏干水混入的懸浮煤炭顆粒會使排水感官上呈黑色， 對水質(zhì)檢測的CODCr指標(biāo)造成貢獻(xiàn)。 此外， 懸浮顆粒對水中氨氮、石油類、 揮發(fā)酚、 表面活性劑的吸附及遷移轉(zhuǎn)化行為產(chǎn)生一定影響。 因此， 除了表1 中的各項指標(biāo)外，SS 應(yīng)為煤礦井下疏干水需考慮的一項重要指標(biāo)。

2 煤礦井下疏干水處理與回用技術(shù)現(xiàn)狀

隨著政府部門對煤礦井下疏干水處理與回用的逐漸重視， 伊金霍洛旗各煤礦在疏干水處理及回用技術(shù)革新方面做了積極的探索， 從最初的以簡單除濁為目的的絮凝沉淀-過濾工藝， 到目前正在推進(jìn)的深度除氟處理工藝， 以及回用于井下生產(chǎn)和礦區(qū)居民生活飲用處理工藝， 煤礦井下疏干水正逐步“變廢為寶”， 回歸其“資源”屬性。

2.1 常規(guī)處理工藝

伊金霍洛旗存在涌水問題的煤礦均安裝有水處理設(shè)施， 最常用的工藝為絮凝沉淀-過濾工藝， 工藝流程如圖1 所示。 根據(jù)處理水量的大小， 小于200 m3／d 的煤礦一般選擇碳鋼結(jié)構(gòu)的混凝沉淀一體化設(shè)備， 涌水量較大的煤礦采用鋼筋混凝土混凝沉淀池。 混凝劑通常采用常規(guī)PAC 或者PAC＋PAM。處理后的出水經(jīng)石英砂或者多介質(zhì)過濾器過濾后排放或用于礦區(qū)綠化、 防塵， 壓泥機(jī)脫水后的泥餅主要成分為煤粉， 一般可同煤礦的粉煤一同出售。

圖1 煤礦井下疏干水常規(guī)處理工藝流程Fig. 1 Coventional treatment process of drainage water in coal pit

該工藝能有效去除疏干水中的懸浮顆粒， 解決“黑水”問題， 出水基本符合GB 20426—2006 要求。但該工藝在運(yùn)行過程中普遍存在混凝劑加藥量大、石英砂／多介質(zhì)過濾器易污堵以及導(dǎo)致處理水量不夠等問題。 且自2016 年自治區(qū)及當(dāng)?shù)丨h(huán)保部門對出水水質(zhì)進(jìn)行提標(biāo)后， 該工藝處理后出水中的糞大腸桿菌、 石油類及氟化物達(dá)不到GB 3838—2002 Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（總氮除外）。

2.2 除氟處理工藝

某煤礦進(jìn)行了1 200 m3／h 疏干水除氟工藝改造， 處理工藝流程如圖2 所示。 該工藝與常規(guī)處理工藝比較， 主要增加了氣浮除油和除氟濾池單元，其中除氟濾池采用的是活性氧化鋁吸附法。 含氟水經(jīng)過比表面積較大的活性氧化鋁吸附過濾層， 設(shè)計濾速為6 ～10 m／h， 在合適的pH 值（＜7.0）條件下，水中氟離子被吸附生成難溶解的氟化物而被除去，吸附劑失效后， 用氫氧化鈉溶液進(jìn)行再生， 以恢復(fù)其吸附能力。

圖2 煤礦井下疏干水除氟處理工藝流程Fig. 2 Process flow of defluoridation treatment for drainage water in coal pit

運(yùn)行結(jié)果表明， 該工藝出水氟化物指標(biāo)滿足GB 3838—2002 Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中小于1 mg／L 的要求， 處理后的出水排入附近地表水系或回用于礦區(qū)綠化、 防塵。 但該工藝存在如下幾個問題： ①工藝流程長， 中間提升次數(shù)多， 動力消耗大； ②精密濾池采用傳統(tǒng)石英砂過濾， 污堵造成處理水量不足；③酸堿調(diào)節(jié)繁瑣。 活性氧化鋁吸附氟離子在酸性條件效果較好， 而伊金霍洛旗受地質(zhì)環(huán)境影響， 疏干水基本呈弱堿性， 運(yùn)行過程需要加酸調(diào)節(jié)pH 值，處理后的出水需要重新加堿以滿足排放要求； ④吸附飽和后的活性氧化鋁需加堿再生， 整個過程藥劑耗費(fèi)量大， 操作復(fù)雜。 此工藝方案在解決疏干水氟化物超標(biāo)問題上有一定的借鑒意義， 但需要在設(shè)計時充分利用勢能差， 減少提升次數(shù)及能耗。 此外，開發(fā)和使用適用于弱堿性環(huán)境的高效氟離子吸附劑將為該工藝的推廣提供技術(shù)支撐。

2.3 回用于井下生產(chǎn)處理工藝

煤礦井下疏干水經(jīng)處理后除了用于礦區(qū)綠化、防塵外， 達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)還可用于井下生產(chǎn)， 如液壓支柱乳化液配制。 液壓支柱乳化液配制對用水的顆粒物含量及絮凝劑殘留有較嚴(yán)格要求， 因此常規(guī)處理工藝出水不能滿足要求。 在常規(guī)工藝基礎(chǔ)上的改進(jìn)工藝如圖3 所示。 該工藝在伊金霍洛旗淖爾壕煤礦獲得應(yīng)用， 取得較好效果。

圖3 煤礦井下疏干水回用處理工藝流程Fig. 3 Process flow of coal drainage water treatment and reuse in underground production

該工藝的特點(diǎn)是： ①在混凝沉淀前增加了氣浮除油單元， 有效降低石油類含量； ②用高效集成處理系統(tǒng)（HEIT）取代傳統(tǒng)的石英砂／多介質(zhì)過濾器，提升過濾精度。 HEIT 系統(tǒng)采用高分子濾料取代石英砂、 無煙煤等介質(zhì)過濾， 并在系統(tǒng)運(yùn)行及反洗上進(jìn)行改進(jìn)， 設(shè)計濾速可達(dá)30～45 m／h， 過濾精度介于微濾與超濾之間， 對進(jìn)水水質(zhì)及水量變化適應(yīng)性強(qiáng)且不易污堵， 對于進(jìn)水濁度不超過30 NTU 的疏干水可不經(jīng)混凝沉淀直接過濾， 且短期能承受300～1 000 NTU 的高濁進(jìn)水； ③在過濾出水后增加消毒單元， 降低水中糞大腸菌群含量。 經(jīng)該工藝處理后的出水可滿足煤礦井下液壓支柱乳化液配制用水水質(zhì)要求， 但該工藝對氟化物去除有限， 外排時氟化物指標(biāo)不能滿足GB 3838—2002 Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中小于1 mg／L 的要求。

2.4 回用于生活飲用處理工藝

由于采煤活動長期抽取地下水， 部分礦區(qū)出現(xiàn)生活飲用水源不足的問題。 疏干水作為受人為擾動的地下水， 在生活飲用水源受限的情況下具備作為飲用水源的潛質(zhì)。 在常規(guī)工藝基礎(chǔ)上的改進(jìn)工藝如圖4 所示。 該工藝在伊金霍洛旗某煤礦得到應(yīng)用，取得較好效果。

圖4 煤礦井下疏干水作為生活飲用水源處理工藝流程Fig. 4 Treatment process of drainage water in coal pit used as domestic drinking water resource

該工藝的特點(diǎn)是： 煤礦井下疏干水經(jīng)井下水倉自然沉淀后進(jìn)入原水箱， 首先進(jìn)行氣浮除油、 混凝沉淀， 再經(jīng)過多介質(zhì)過濾器截留水中細(xì)小懸浮顆粒， 達(dá)到去除水中絕大多數(shù)懸浮顆粒和部分大分子有機(jī)物、 膠體物質(zhì)、 金屬絡(luò)合物等污染物的目的。多介質(zhì)過濾器出水經(jīng)消毒后進(jìn)入中間水箱， 部分直接回用于礦區(qū)沖廁、 洗浴等， 部分經(jīng)增壓泵打入RO 系統(tǒng)， 利用RO 膜過濾有效去除水中的溶解鹽、膠體、 細(xì)菌和大部分有機(jī)物等雜質(zhì)。 最后， 經(jīng)過進(jìn)一步消毒處理后出水達(dá)到GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》要求。

2.5 其他處理處置方式

除了以上疏干水處理工藝， 伊金霍洛旗多家煤礦在疏干水處理處置上進(jìn)行了積極探索。 如為了緩解排水矛盾， 伊金霍洛旗多家煤礦對井下供、 排水系統(tǒng)進(jìn)行改造， 形成了井下疏干水通過采空區(qū)進(jìn)行自然沉淀后回用或排出地面的處置方式。 該方式有效利用了井下采空區(qū)巨大的閑余空間， 且大大減少了混凝藥劑的使用量［14］。 但井下水倉儲水方式需考慮一定的風(fēng)險， 實施過程中需對井下水量、 堵水墻等進(jìn)行較全面的監(jiān)測， 避免透水事故發(fā)生。

達(dá)標(biāo)排放水作為景觀河道及海子（湖泊）補(bǔ)充用水。 對于經(jīng)處理達(dá)到GB 3838—2002 Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的疏干水， 伊金霍洛旗建設(shè)有從東部礦區(qū)淖爾壕煤礦至城區(qū)烏蘭木倫湖及東紅海子的輸水工程， 該工程對于增加城市景觀， 改善城區(qū)微氣候及生態(tài)環(huán)境起到重要作用， 但輸水成本較高。

此外， 有的礦區(qū)利用疏干水及礦區(qū)大量閑置土地， 進(jìn)行了循環(huán)生態(tài)經(jīng)濟(jì)利用探索， 如利用經(jīng)氣浮除油、 混凝除濁后的疏干水種植水稻， 利用地下含鹽量較高的疏干水進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖。 該項目目前正在試驗運(yùn)行中， 若能獲得良好運(yùn)行效果， 無疑將給疏干水綜合利用打開了新的思路， 但由于受當(dāng)?shù)貧夂驐l件限制， 疏干水生態(tài)利用可能會遇到冬季實施困難的挑戰(zhàn)。

3 結(jié)語

（1） 煤礦井下疏干水綜合治理與資源化利用，不僅能解決當(dāng)?shù)孛旱V井下污水的肆意排放對環(huán)境造成的污染問題， 確保煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)運(yùn)行， 更為當(dāng)?shù)厝彼畣栴}找到了一條切實可行的解決方案，對于當(dāng)?shù)鼐用裆钣盟约肮さV企業(yè)用水帶來極大的資源保障。

（2） 煤礦井下疏干水處理工藝和設(shè)備應(yīng)結(jié)合實際， 盡量簡單、 高效、 實用。 傳統(tǒng)混凝沉淀法仍是目前采用最為普遍的方法， 該工藝技術(shù)簡單， 運(yùn)行方便， 但同時存在水力停留時間長， 對水處理構(gòu)筑物要求高， 對水中石油類、 懸浮顆粒等去除有限，不耐水溫、 水質(zhì)、 水量變化沖擊， 藥劑成本高以及增加后續(xù)污泥處理負(fù)擔(dān)等問題。 對于特定污染物如氟化物超標(biāo)的疏干水， 盡量利用現(xiàn)有工藝單元， 開發(fā)和利用經(jīng)濟(jì)高效的特定污染物選擇性藥劑可能是將來的發(fā)展方向之一。

（3） 煤礦井下疏干水綜合治理與資源化利用還應(yīng)考慮水資源網(wǎng)絡(luò)化配置以及水資源管理信息化建設(shè)， 以實現(xiàn)水資源的合理有效分配以及水資源的高效、 現(xiàn)代化管理。 根據(jù)煤礦及工業(yè)產(chǎn)業(yè)的區(qū)域劃分以及具體的水質(zhì)水量情況， 興建調(diào)配水工程， 加強(qiáng)區(qū)域內(nèi)煤礦井下疏干水的集中治理以及處理后出水的資源化利用調(diào)配能力， 實現(xiàn)水資源合理配置和內(nèi)部調(diào)劑， 提高水資源的利用效率和效益， 有效地解決水資源的供需矛盾， 達(dá)到區(qū)域供需平衡。 此外，在行政管理上， 還應(yīng)建立完善的污水排放收費(fèi)制度以及水資源有償使用制度。 切實執(zhí)行排水設(shè)施有償使用， 促進(jìn)排水系統(tǒng)、 污水處理系統(tǒng)以及水資源循環(huán)利用系統(tǒng)的良性循環(huán)。