煤礦礦井水井下深度處理與回用技術(shù)*

王 錦，彭 年，徐燕飛，2，3，陶鵬飛，2，3，陳永春，2，3

(1.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001；2.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001)

0 引言

我國礦井水產(chǎn)生量每年達(dá)100億m3，其利用率僅約70%；大量礦井水外排造成水資源浪費(fèi)，同時(shí)礦井水中存在的溶解性鹽類會造成土壤板結(jié)、水體富營養(yǎng)化等一系列環(huán)境污染問題[1-3]。2015年國務(wù)院印發(fā)《水污染防治行動計(jì)劃》對煤礦礦井水排放和利用提出了專項(xiàng)整治要求；2020年11月生態(tài)環(huán)境部、國家發(fā)展改革委等聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)煤炭資源開發(fā)環(huán)境影響評價(jià)管理的通知》(環(huán)評〔2020〕63號)，要求外排的礦井水應(yīng)滿足或優(yōu)于受納水體環(huán)境功能區(qū)劃規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量對應(yīng)值，含鹽量不得超過1 000 mg/L。可見，開展高鹽礦的井水處理與利用研究具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

目前，國內(nèi)外對礦井水處理利用的傳統(tǒng)方法通常是將礦井水抽排到地面，在地面建設(shè)礦井水處理廠，將礦井水凈化處理后出水作為井下用水、地面工廠用水或達(dá)標(biāo)外排[4-7]。傳統(tǒng)的礦井水在地面凈化處理方式，需要用管道向井下供水，不但增加了維護(hù)成本，而且長距離管路輸水線易造成水體污染，影響生產(chǎn)使用。在井下建立礦井水凈化處理站，并在井下將凈化后的礦井水向供水系統(tǒng)補(bǔ)水，可減少礦井水抽排工作量，降低礦井水提升費(fèi)用。國內(nèi)外煤礦礦井水井下深度處理與回用技術(shù)處于剛起步階段。國外礦井水處理利用技術(shù)，主要集中在歐美發(fā)達(dá)國家和俄羅斯等，這些國家的水資源相對較豐富，主要以煤礦礦井水無害化處理工藝為主，直接排入地表水體，以避免地表水體受到污染為最終目標(biāo)[8-12]。礦井水回用技術(shù)較少，目前還停留在去除懸浮物的水平上，礦井水中去除離子的深度處理技術(shù)報(bào)道較少。我國的煤水資源分布不協(xié)調(diào)，煤炭資源豐富的地區(qū)往往缺水，特別是內(nèi)蒙古、寧夏、山西、陜西和新疆等省區(qū)水資源需求和供給缺口巨大，上述五省(自治區(qū))煤炭資源豐富，煤炭保有儲量約占全國的76%，但水資源總量僅占全國的6.14%，整體上存在水資源匱乏問題。煤礦生產(chǎn)需要大量的水資源作為保障，煤礦生產(chǎn)同時(shí)也排放大量礦井水，造成巨大的水資源浪費(fèi)[13-14]。面對煤炭產(chǎn)區(qū)水資源匱乏的現(xiàn)實(shí)環(huán)境和礦井水利用率低的現(xiàn)實(shí)情況，開展煤礦礦井水井下深度處理與回用技術(shù)研究，符合煤礦綠色開采的理念。目前，在兗州礦區(qū)、神東礦區(qū)的個(gè)別煤礦井下已有小型的軟化器，小規(guī)模嘗試性地將礦井水處理后作為煤礦井下生產(chǎn)用水。綜采工作面用水主要是乳化液用水的井下局部用水，是水質(zhì)要求比較高的用水，需要對原水的硬度、硫酸根和氯化物指標(biāo)進(jìn)行控制，小型軟化器顯然不能滿足要求[15-18]。因此，開發(fā)適合煤礦井下巷道工作環(huán)境，滿足不同用水需求的深度技術(shù)和處理成套設(shè)備，對礦井水的分質(zhì)處理、分級利用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 淮南礦區(qū)礦井水現(xiàn)狀與利用對策

1.1 煤礦礦井水現(xiàn)狀

表1 淮南礦區(qū)典型煤礦井下水源水質(zhì)指標(biāo)Table 1 Water quality indicators of typical coal mines in Huainan mining area

煤礦井下生產(chǎn)用水量占煤礦總用水量70%～80%，不同用水地點(diǎn)、生產(chǎn)環(huán)節(jié)對水質(zhì)要求也不同。常規(guī)混凝、沉淀、過濾工藝處理后的礦井水滿足一般防塵、冷卻要求；但乳化液配制用水等對水質(zhì)要求較高，水中的氯離子會影響乳化液的乳化性能，降低乳化液的防腐蝕及潤滑能力，給設(shè)備運(yùn)行帶來一定危害，增加了故障率，縮短了大修間隔，目前礦井水出水水質(zhì)無法滿足井下乳化液配制、高壓噴霧等高品質(zhì)用水需求設(shè)備，造成煤礦礦井水得不到有效利用。

1.2 煤礦礦井水利用對策

針對淮南礦區(qū)煤礦礦井水回用利用率低的問題，本著就地處理、就地利用的原則。根據(jù)煤礦實(shí)際生產(chǎn)情況，構(gòu)建了淮南礦區(qū)礦井水處理利用技術(shù)體系，如圖1所示。當(dāng)井下不具備處理?xiàng)l件，則全部礦井水抽排至地面，按要求處理后部分地面利用，部分送至井下利用；當(dāng)井下具備處理?xiàng)l件，以井下處理利用為主，多余礦井水抽排到地面處理利用。其中，礦井水在井下處理的部分要先進(jìn)行井下水倉前預(yù)處理，以去除較大顆粒物和大部分懸浮物為主，出水滿足井下凈化處理要求，然后降低鐵錳含量，可以作為井下一般生產(chǎn)用水，而井下特殊設(shè)備冷卻和配置乳化液用水則需要進(jìn)一步降低氯離子和硫酸根等離子含量。

圖1 淮南礦區(qū)礦井水處理利用技術(shù)體系Fig.1 Technical system of mine water treatment and utilization in Huainan mining area

煤礦綜采、綜掘設(shè)備的大量采用，對水質(zhì)也提出了新的要求?；茨系V區(qū)大部分煤礦礦井水中的硬度、溶解性總固體含量都比較高，超出相關(guān)用水標(biāo)準(zhǔn)的要求，限制了礦井水的回用。因此在井下開展煤礦礦井水井下深度處理與回用技術(shù)研究，進(jìn)行原本需要升井外排的礦井水在井下處理并回用，可為礦區(qū)開辟井下用水的第二水源；同時(shí)減少了污水的排放量，減輕了受納水體的污染，是礦區(qū)發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

2 礦井水懸浮物去除技術(shù)

2.1 常規(guī)處理中懸浮物粒徑分布特征

對淮南礦區(qū)礦井水取樣分析，研究采用混凝、沉淀、過濾等常規(guī)處理工藝前后的礦井水懸浮物含量及粒徑特征。圖2為礦井水中顆粒物粒徑分布圖，從圖中可以看出未經(jīng)處理的礦井水所含顆粒物的粒徑主要分布在0.1～20 μm，其中0.25～15 μm直徑的顆粒含量都高于0.5%，是其主要分布區(qū)。3～10 μm的顆粒物所占比例最大，含量都超過2%，最高達(dá)到4.5%以上。

圖2 處理前后礦井水顆粒物粒徑分布Fig.2 Particle size distribution of mine water before and after treatment

與未經(jīng)處理的礦井水相比，經(jīng)過凈化處理后的礦井水中顆粒物含量大于0.5%的最小顆粒物出現(xiàn)在2 μm。最大顆粒物直徑達(dá)到600 μm，含量最高的顆粒出現(xiàn)在250 μm左右，處理后的礦井水中顆粒物的直徑明顯變大。這是因?yàn)榈孛鎯艋幚磉^程中加入了混凝劑PAC、絮凝劑PAM，同時(shí)管路輸送過程中摻雜進(jìn)來的顆粒物普遍也較大，導(dǎo)致處理后的礦井水顆粒增大，甚至達(dá)到毫米級別。

為了保持反滲透系統(tǒng)的性能和運(yùn)行，保證膜的使用壽命，需對原水進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理，即降低水中懸浮物的含量，保證進(jìn)入膜系統(tǒng)的水濁度小于3 NTU。

2.2 礦井水顆粒物去除試驗(yàn)

根據(jù)礦井水中顆粒物的粒徑分析結(jié)果，綜合考慮現(xiàn)有的技術(shù)手段及經(jīng)濟(jì)條件，選用過濾等級50 μm、20 μm、10 μm、5 μm的圓形過濾介質(zhì)對綜采工作面供水進(jìn)行顆粒物的去除試驗(yàn)研究，截取直徑為10 cm。分別測量待濾液和濾過液的濁度，從而研究不同孔徑單獨(dú)過濾及多種孔徑組合過濾工藝對礦井水中顆粒物的去除能力。表2是用50 μm、20 μm、10 μm、5 μm等級過濾介質(zhì)分別單獨(dú)過濾綜采工作面供水的試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出，在進(jìn)水濁度67 NTU左右時(shí)，5 μm濾材的濾過液濁度在0.5 NTU以下，可以滿足反滲透進(jìn)水要求，但是濾速很慢；10 μm濾材的濾過液1個(gè)數(shù)據(jù)超過3.0 NTU，其他2個(gè)數(shù)據(jù)在3.0 NTU以下，平均為2.87 NTU，基本可以滿足反滲透進(jìn)水要求；20 μm、50 μm濾材單獨(dú)過濾濾過液濁度均超過3 NTU，不能滿足反滲透進(jìn)水要求，但是過濾速度較快。從工業(yè)實(shí)現(xiàn)及經(jīng)濟(jì)、可靠的角度，5 μm濾材雖然出水滿足要求，但是由于過濾速度很慢，一定過濾流量要求下，會導(dǎo)致過濾設(shè)備很龐大，不利于工業(yè)實(shí)現(xiàn)，所以本項(xiàng)目選用50 μm、20 μm、10 μm濾材繼續(xù)進(jìn)行組合過濾試驗(yàn)。

表2 不同等級材質(zhì)單獨(dú)過濾試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Separate filtration test results for different grades of materials

表3為綜采工作面供水經(jīng)過50 μm、20 μm、10 μm濾材過濾，并分別測量濾過液濁度的試驗(yàn)結(jié)果。從表中可以看出待濾液依次過濾，過濾速度普遍提高，分別為快、快、較快；并且經(jīng)過10 μm濾材后的濾過液濁度普遍降低，最高為1.8 NTU，最低為1.3 NTU，平均為1.53 NTU，濁度去除率為97.71。因此選擇“50 μm+20 μm+10 μm”組合過濾，可以保證出水濁度小于3 NTU，滿足反滲透進(jìn)水需要。

表3 不同等級材質(zhì)組合過濾試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Combination filtration test results of different grades of materials

3 礦井水離子去除技術(shù)

3.1 膜處理技術(shù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

膜處理是去除原水中溶解性鹽類的主要技術(shù)，膜處理脫鹽主要包括反滲透和納濾2種技術(shù)手段，其區(qū)別主要在于膜元件的孔徑不同，從而去除的溶解性鹽類的離子價(jià)位不同。反滲透膜孔徑較小，可以去除幾乎所有的溶解性鹽類；納濾膜孔徑較大，主要去除二價(jià)及以上的溶解性鹽類。開展礦井水膜處理試驗(yàn)，以探索反滲透/納濾技術(shù)處理該類礦井水的經(jīng)濟(jì)高效的途徑。

反滲透/納濾試驗(yàn)采用定流量變壓力的試驗(yàn)方法，進(jìn)水流量為1 300 L/h，進(jìn)水電導(dǎo)3 461 μS/cm。通過條件濃水側(cè)壓力實(shí)現(xiàn)淡水出水流量變化。部分反滲透部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，納濾部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表4 反滲透處理礦井水部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Some experimental data of mine water treated by reverse osmosis

由表4可知，反滲透系統(tǒng)對于礦井水電導(dǎo)率的去除率基本在87%～96%之間，在較低回收率時(shí)，濾膜對離子截留主要通過網(wǎng)撲作用實(shí)現(xiàn)，脫鹽率較低，甚至只達(dá)到87%。當(dāng)操作壓力逐步升高時(shí)，回收率也相應(yīng)升高，此時(shí)，截留離子主要為網(wǎng)撲、架橋，對可溶性物質(zhì)的去除率升高到94%～95%。

由表5可知，納濾系統(tǒng)對礦井水可溶性鹽類的脫鹽率較低，在25%～40%之間，這主要是由于淮南礦區(qū)潘北煤礦礦井水所含可溶性鹽類以鈉離子、氯化物等一價(jià)離子為主決定的。而納濾膜對一價(jià)離子的去除率較低，對二價(jià)及以上離子有較高的去除率，達(dá)到95%以上，因此，導(dǎo)致納濾處理的出水脫鹽率較低、電導(dǎo)率較高。

表5 納濾處理礦井水部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 5 Some experimental data of nanofiltration treatment of mine water

針對反滲透/納濾技術(shù)的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種由反滲透和納濾組成的離子去除單元。先利用納濾系統(tǒng)對礦井水中的二價(jià)離子進(jìn)行過濾，以減輕反滲透的處理壓力，然后再利用反滲透對礦井水離子進(jìn)行全面的去除。

3.2 離子去除單元處理試驗(yàn)

離子去除單元試驗(yàn)裝置反滲透膜與納濾膜聯(lián)合使用，采用定流量變壓力的試驗(yàn)方法，進(jìn)水流量為10 t/h，進(jìn)水電導(dǎo)3 461 μS/cm，通過調(diào)節(jié)排污側(cè)壓力實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品水出水流量變化，試驗(yàn)過程中檢測出水電導(dǎo)率的變化，從而確定出水含鹽量。部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6?？梢钥闯?，離子去除單元對于電導(dǎo)率的去除率基本在90%～96%之間，較低回收率時(shí)，由于對離子截留主要通過網(wǎng)撲作用實(shí)現(xiàn)，脫鹽率較低約87%。當(dāng)操作壓力逐步升高時(shí)，回收率也相應(yīng)升高，此時(shí)，截留離子主要為網(wǎng)撲、架橋，脫鹽率升高到93%～96%。

表6 離子去除單元工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 6 Industrial test data of ion removal unit

綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠以及經(jīng)濟(jì)因素，綜采工作面給水處理系統(tǒng)回收率在50%左右比較合適，平時(shí)運(yùn)行控制在45%～55%。長時(shí)間運(yùn)行后，由于膜表面可溶性鹽類的堆積，其透過孔徑減小，脫鹽率將進(jìn)一步升高，可以穩(wěn)定保持在95%以上。

4 礦井水井下處理回用工藝及裝置

4.1 礦井水井下處理回用工藝

通過前述試驗(yàn)研究，試驗(yàn)確定綜采工作面用水處理流程為水源→壓力調(diào)節(jié)單元→過濾單元A→過濾單元B→過濾單元C→反滲透/納濾處理單元，如圖3所示，P為壓力調(diào)節(jié)單元，通過該單元，系統(tǒng)水壓被調(diào)節(jié)到適合壓力、流量，保證后續(xù)處理過程的穩(wěn)定運(yùn)行。A1、A2為懸浮物去除單元，通過前述試驗(yàn)研究，確定了50 μm、20 μm、10 μm的三級過濾預(yù)處理方案，A、B單元組件采用MK-FB系列過濾器，C單元組件采用MK-FC系列過濾器。D為離子去除單元，由MK-R336反滲透膜與MK-N940納濾膜等核心組件組成。MK-R336為低壓苦咸水膜元件，適用于工作壓力極低且脫鹽率要求高的場合。MK-N940為大通量納濾膜元件，工作壓力低，產(chǎn)水通量大。

圖3 成套設(shè)備工藝流程Fig.3 Process flow chart of the complete set of equipment

4.2 礦井水井下處理回用裝置

基于上述工藝流程，開發(fā)了MK-RHY-BP2型乳化液配制用水處理站(圖4)，并在煤礦井下工作面開展工業(yè)試驗(yàn)，對該設(shè)備進(jìn)出水水質(zhì)進(jìn)行分析。工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7，主要溶解性鹽類含量及去除率對比如圖5所示。由表7可以看出，處理后礦井水的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)出水水質(zhì)要求，更滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，主要溶解性鹽類去除率都在85%以上。從圖5可以看出，溶解性鹽類以氯離子、鈉離子為主，碳酸氫根、硫酸根次之，其他離子很少。除鉀離子含量極低(≤15 mg/L)，導(dǎo)致去除率在85%左右，其他一價(jià)離子去除率都超過90%；二價(jià)離子的去除率都在99%以上，優(yōu)于反滲透技術(shù)指標(biāo)的要求，一價(jià)、二價(jià)離子去除率的分布規(guī)律也符合反滲透系統(tǒng)的技術(shù)特性。

圖4 乳化液配制用水處理站現(xiàn)場運(yùn)行照片F(xiàn)ig.4 On-site operation photos of the water treatment station for emulsion preparation

圖5 主要溶解性鹽類含量及去除率對比Fig.5 Comparison of main dissolved salt content and removal rate

表7 礦井水現(xiàn)場試驗(yàn)去除率計(jì)算結(jié)果Table 7 Calculation results of removal rate of mine water field test

4.3 處理效果

在近7個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行中，該設(shè)備處理運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，離子去除單元運(yùn)行穩(wěn)定正常，脫鹽率一直保持在95%以上。研發(fā)設(shè)計(jì)的MK-RHY-BP2型乳化液配制用水處理站的使用大大減少了水中雜質(zhì)的含量，減少了液壓支架冒液、竄液現(xiàn)象的發(fā)生。而且，綜采工作面未使用水處理站前，每個(gè)開采周期支架拆解大修率約為80%～85%；使用水處理站后，每個(gè)開采周期支架拆解大修率將為55%左右，拆解大修率降低25%～30%，安全和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論

(1)煤礦礦井水作為重要的非常規(guī)水資源，存在懸浮物、硫酸鹽、氯化物等超標(biāo)問題，限制了礦井水的回收和利用；將礦井水在井下處理并回用，針對井下不同用水需求，開發(fā)相應(yīng)礦井水處理技術(shù)和裝備，實(shí)現(xiàn)礦井水就地處理、就地利用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，可作為煤礦礦井水開發(fā)和利用的一種途徑。

(2)針對礦井水懸浮物去除，采用常規(guī)混凝、沉淀、過濾處理工藝處理后，由于混凝劑PAC、絮凝劑PAM投加和管道運(yùn)輸污染，導(dǎo)致礦井水凈化處理后水中的顆粒物直徑普遍增大，處理后的礦井水所含剩余顆粒物粒徑普遍增大1到2個(gè)數(shù)量級。采用濾材為“50 μm+20 μm+10 μm”組合過濾方案，進(jìn)水濁度在130 NTU以下時(shí)，實(shí)現(xiàn)了出水濁度小于3 NTU，滿足深度處理進(jìn)水需要。

(4)針對煤礦井下綜采工作面乳化液配置用水要求，研發(fā)了由“壓力調(diào)節(jié)單元、懸浮物去除單元、離子去除單元”組成的礦井水井下處理后回用為綜采工作面乳化液配制用水工藝。開發(fā)了MK-RHY-BP 2型乳化液配制用水處理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)綜采工作面液壓支架拆解大修率降低25%～30%，同時(shí)提高了礦井水利用率，減少地表取水，安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益顯著。