高礦化度礦井水井下循環(huán)利用水質(zhì)指標研究

雷兆武，孫京敏，張尊舉，景長勇，金泥沙，董亞榮，張俊安

(河北環(huán)境工程學(xué)院，河北 秦皇島 066102)

高礦化度礦井水是部分煤礦亟須解決的難題。高礦化度礦井水一般是指含鹽量大于1000mg/L的礦井水，水質(zhì)多呈中性或偏堿性，據(jù)統(tǒng)計，我國礦井水中約30%為高礦化度礦井水[1]。各礦山大力推行保水采煤，從源頭削減礦井水產(chǎn)生量，根據(jù)2012年的相關(guān)統(tǒng)計，全國煤礦年實際排水量達71.7億m3[2]，除部分礦井水被利用外，大部分礦井水被外排，由地下水進入地表循環(huán)。

高礦化度礦井水由于礦化度高，限制了礦井水的利用途徑，大部分高礦化度礦井水在經(jīng)達標處理后排放，并未進行脫鹽處理，這增大了高礦化度礦井水外排對環(huán)境的風(fēng)險如地表受納水體含鹽量增加、土壤鹽堿化等[3，4]。根據(jù)《關(guān)于進一步加強煤炭資源開發(fā)環(huán)境影響評價管理的通知》(環(huán)環(huán)評〔2020〕63號)中，“鼓勵多途徑利用多余礦井水”；“礦井水在充分利用后仍有剩余且確需外排的，經(jīng)處理后擬外排的，除應(yīng)符合相關(guān)法律法規(guī)政策外，其相關(guān)水質(zhì)因子值還應(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1000mg/L，且不得影響上下游相關(guān)河段水功能需求”。國家相關(guān)政策在鼓勵多途徑利用礦井水的同時，對礦井水的外排提出了更高的要求，這要求產(chǎn)生高礦化度礦井水的煤礦亟須尋找礦井水的出路，解決高礦化度礦井水的出路問題。

1 高礦化度礦井水處理與利用現(xiàn)狀

1.1 高礦化度礦井水脫鹽處理

高礦化度礦井水脫鹽處理工藝主要有超濾-反滲透工藝、活性炭過濾-砂濾-反滲透工藝，以及蒸餾法、電滲析、電吸附除鹽等工藝[1]，目前應(yīng)用最廣泛、最成熟的工藝是以反滲透為脫鹽關(guān)鍵過程的超濾-反滲透工藝。反滲透脫鹽技術(shù)具有適用范圍廣、脫鹽率高、水回收率高、工藝技術(shù)成熟、出水水質(zhì)好等特點，是目前礦井水深度處理的主要技術(shù)工藝[5]。

內(nèi)蒙古紅慶河煤礦采用“超濾-反滲透”工藝深度處理礦井水，產(chǎn)水可用于生活用水[1]。靈新煤礦礦井水總礦化度約5000mg/L，采用“陶瓷膜-反滲透”工藝，產(chǎn)品水礦化度小于等于200mg/L，產(chǎn)品水回收率85%，產(chǎn)水可用于生活用水[6]。其他如神華寧煤清水營煤礦、安徽謝橋煤礦、山西汾西曙光煤礦、山西陽泉煤礦、陜西黃陵一號煤礦等，脫鹽效率可達到98%～99.3%[2，4]。以反滲透過程進行高礦化度礦井水脫鹽，產(chǎn)水主要指標優(yōu)于《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)，可滿足生活飲用水要求，為高礦化度礦井水的利用提供了巨大的空間。

反滲透工藝在使用過程中，產(chǎn)生約30%左右的濃水，濃水中具有更高的含鹽量，濃水去向問題成為制約超濾-反滲透工藝應(yīng)用的重要因素。內(nèi)蒙古紅慶河煤礦對反滲透濃水通過“兩級濃縮—三效蒸發(fā)結(jié)晶—離心分離”工藝，得到工業(yè)級硫酸鈉、氯化鈉，以及少量雜鹽[1]。靈新煤礦陶瓷膜-反滲透工藝，濃水經(jīng)兩級反滲透濃縮，將礦化度為4500mg/L礦井水濃縮到濃度為32000mg/L的濃鹽水，對濃鹽水進行封存[6-8]。

在煤礦區(qū)，由于黃泥灌漿用水對水質(zhì)礦化度無要求，反滲透濃水可用于黃泥灌漿用水[9]。但由于反滲透濃水產(chǎn)生量大，在用于黃泥灌漿用水后，還有大量剩余反滲透濃水，因此在使用反滲透脫鹽時，反滲透濃水的去向是必須要解決的問題。

高礦化度礦井水反滲透脫鹽，濃水多級濃縮脫鹽或蒸發(fā)結(jié)晶工藝，具有能耗高、工藝流程長、設(shè)備多等特點，制約著該工藝在高礦化度礦井水中的應(yīng)用[10]。

1.2 高礦化度礦井水井下回灌

井下回灌是礦井水地下儲存的途徑之一。礦井水地下儲存包括地下水庫儲存、地表回灌以及井下回灌等方式，是實現(xiàn)合理利用水資源、涵養(yǎng)補充地下水、凈化水質(zhì)的有效手段[11]。對于高礦化度礦井水，由于礦化度高，對礦井水的利用和排放構(gòu)成了極大的制約，井下回灌是解決高礦化度礦井水去向的重要途徑。高礦化度礦井水井下回灌，有利于保持礦區(qū)地下水的動態(tài)平衡，減少地表沉降、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保護礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境。井下回灌適用于水文地質(zhì)單元相對獨立封閉、含水層處于相對停滯狀態(tài)的礦區(qū)，回灌水水質(zhì)應(yīng)不高于回灌目標含水層的水質(zhì)背景值[12]。

礦井水井下回灌是一種廣義的零排放技術(shù)，在地質(zhì)條件可行的情況下，比蒸發(fā)結(jié)晶技術(shù)具有更好的成本優(yōu)勢[13]。在目前達標處理情況下外排不符合國家政策要求，高礦化度礦井水井下回灌，是個較為理想的途徑[14]。

梧桐莊煤礦根據(jù)井田地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)條件、突水機理，對礦井水源頭減量，經(jīng)井下“混凝-沉淀”工藝處理系統(tǒng)后，提升至地面深度處理系統(tǒng)進行處理，出水深層回灌，實現(xiàn)了礦井水零排放。礦井水礦化度5000mg/L，回灌量300m3/h 以上，削減總鹽排放量4萬t/a，解決了該礦高礦化度礦井水的出路問題，保護了礦區(qū)周邊環(huán)境，有利于推進該礦綠色生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變[12、15]。

2 礦井水綜合利用要求

根據(jù)《煤炭采選業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》要求，井工開采煤礦，礦井水綜合利用率要求見表1，露天開采煤礦，礦井水綜合利用率要求見表2。

表1 井工開采礦井水綜合利用率限定性指標

表2 露天煤礦疏干水及礦坑排水綜合利用率限定性指標

在表1和表2中，煤礦企業(yè)如滿足國內(nèi)清潔生產(chǎn)一般水平，礦井水綜合利用率指標必須滿足Ⅲ級基準值；煤礦企業(yè)如滿足國內(nèi)清潔生產(chǎn)先進水平，礦井水綜合利用率指標必須滿足Ⅱ級基準值；煤礦企業(yè)如滿足國際清潔生產(chǎn)領(lǐng)先水平，礦井水綜合利用率指標必須滿足Ⅰ級基準值；對不同水資源礦區(qū)的礦井水綜合利用率限定性指標不同。在《煤炭采選業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》中，礦井水綜合利用包括將礦井水用于礦區(qū)生產(chǎn)、生活、綠化、防塵，以及企業(yè)的工業(yè)補充用水、灌溉、養(yǎng)殖、居民生活用水等途徑。

對于高礦化度礦井水，除可用于礦區(qū)部分生產(chǎn)、防塵外，高礦化度礦井水在生活、綠化、工業(yè)補充用水、灌溉、養(yǎng)殖等方面被利用，則必須進行脫鹽處理，達到利用的水質(zhì)標準要求，因此高礦化度礦井水煤礦必須面對如何提高礦井水綜合利用率，滿足《煤炭采選業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系》的要求。

3 高礦化礦井水井下循環(huán)利用水質(zhì)指標選擇

3.1 高礦化礦井水井下循環(huán)利用水質(zhì)確定

峰峰集團九龍礦為高礦化度礦井水礦區(qū)，礦井水礦化度4000～5500mg/L，現(xiàn)有礦井水處理工藝為“磁混凝—超磁分離”工藝，處理后出水進水倉，水倉出水部分井下回用，部分外排用于礦區(qū)周邊用水。為滿足政策要求，該礦開展礦井水井下生產(chǎn)利用和回灌研究，經(jīng)處理后，部分礦井水回用于井下生產(chǎn)，其余部分回灌到礦區(qū)井下奧灰水層，以解決高礦化度礦井水對礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險問題。

高礦化度礦井水是在水巖長期相互作用下形成的，這一過程決定了礦井水高礦化度的性質(zhì)[16]，此外，礦井水中的污染物還有來自于煤炭開采過程中帶入的煤粉巖粉、使用的原輔材料，以及員工在井下排放的糞污等，礦井水中的這些污染物影響高礦化度礦井水井下循環(huán)利用水質(zhì)指標的確定。高礦化度礦井水井下循環(huán)利用方向包括回用于該礦井下生產(chǎn)用水和回灌到礦區(qū)井下含水層兩個環(huán)節(jié)，由于井下回灌水質(zhì)優(yōu)于回用井下生產(chǎn)用水水質(zhì)，因此根據(jù)井下回灌水質(zhì)要求來確定高礦化度礦井水井下循環(huán)利用的水質(zhì)指標?；毓嗨|(zhì)要求為一是避免污染地下水，二是避免在回灌過程中發(fā)生堵塞[15]，基本原則為回灌水質(zhì)優(yōu)于回灌層水質(zhì)指標或與回灌層水質(zhì)相近，不對回灌層水質(zhì)造成有害影響。

高礦化度礦井水，由于引入了生產(chǎn)過程的其他污染物，合理確定礦井水井下回灌水質(zhì)指標，是避免礦井水回灌造成地下水污染的關(guān)鍵，也決定著該礦高礦化度礦井水深度處理的工程投資和運行成本。目前，國內(nèi)關(guān)于地下水回灌水質(zhì)的規(guī)定，只有《城市污水再生利用地下水回灌水質(zhì)》(GB/T 19772—2005)規(guī)定了利用城市污水再生水進行地下回灌應(yīng)控制的項目及其限值。高礦化度礦井水不同于城市污水及再生水，因此該礦的礦井水井下循環(huán)利用水質(zhì)指標，需要綜合該礦地下水水質(zhì)指標和《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)進行綜合確定工藝水質(zhì)指標。

3.2 高礦化礦井水井下循環(huán)利用水質(zhì)指標確定

按照“優(yōu)于回灌層水質(zhì)指標或與回灌層水質(zhì)相近，不對回灌層水質(zhì)造成有害影響”的原則，主要根據(jù)該礦地下水水質(zhì)和《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類水質(zhì)，結(jié)合煤炭開采和礦井水處理過程可能引入的組分，進行水質(zhì)指標體系確定。

根據(jù)以上條件，擬定該礦礦井水井下循環(huán)利用主要水質(zhì)指標體系見表3。

表3 該礦化度礦井水井下循環(huán)利用主要水質(zhì)指標體系

表3中的指標體系，以高礦化度礦井水井下生產(chǎn)利用和回灌為目標，降低了高礦化度礦井水中含鹽組分去除的難度，使得礦井水深度處理工藝得以簡化，也降低了礦區(qū)對高礦化度礦井水深度處理利用的工程投資和運行費用，該高礦化度礦化礦井水井下利用和回灌模式及深度處理水質(zhì)指標，易被更多同類礦區(qū)接受和推廣。

該礦礦井水經(jīng)深度處理后回用于井下生產(chǎn)和回灌至奧灰水層，根據(jù)建議水質(zhì)指標，推薦采用“超濾-消毒”工藝對礦井水進行深度處理，達到建議水質(zhì)指標目標，滿足“優(yōu)于回灌層水質(zhì)指標或與回灌層水質(zhì)相近，不對回灌層水質(zhì)造成有害影響”的要求。

礦區(qū)實施礦井水源頭控制，降低礦井水產(chǎn)生量，控制高礦化度礦井水深度處理工程的規(guī)模，降低回灌量，實現(xiàn)礦井水產(chǎn)生量最少，深度處理工藝最佳，回灌量最低，對地下水影響最小的最優(yōu)生產(chǎn)過程。

4 結(jié) 語

高礦化度礦井水井下回灌的工程應(yīng)用，在國內(nèi)開展得較少，對高礦化度礦井水井下回灌水質(zhì)指標的研究更為少見。根據(jù)九龍煤礦地下水水質(zhì)和《地下水質(zhì)量標準》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類水質(zhì)，進行高礦化度礦井水井下回灌水水質(zhì)指標的確定，優(yōu)選礦井水深度處理工藝，滿足深度處理出水水質(zhì)“優(yōu)于回灌層水質(zhì)指標或與回灌層水質(zhì)相近，不對回灌層水質(zhì)造成有害影響”的目的。

根據(jù)九龍礦實際情況，確定高礦化度礦井水井下回灌水水質(zhì)指標，優(yōu)化礦井水深度處理工藝，降低工程投資和費用，是實現(xiàn)高礦化度礦井水綜合利用指標和零排放目標的可行途徑。