高礦化度礦井水處理及分質(zhì)資源化綜合利用分析

沈 婧，折 樂(lè)，蔡亞萍，丁紅英

（寧夏回族自治區(qū)生態(tài)環(huán)境工程評(píng)估中心，寧夏銀川 750001）

在礦井開(kāi)發(fā)過(guò)程中，礦井水處理一直都是重中之重，為了讓礦井水得到妥善處理，實(shí)現(xiàn)高效率的處理和利用。區(qū)別于普通的礦井水，高礦化度礦井水處理難度更大，尤其是在生態(tài)環(huán)保政策標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的背景下，還需要對(duì)高礦化度礦井水處理工藝展開(kāi)深層次的分析。在完善處理工藝的基礎(chǔ)上，還需要針對(duì)分支資源化綜合利用工作展開(kāi)進(jìn)一步落實(shí)，以此強(qiáng)化經(jīng)濟(jì)效益，在實(shí)現(xiàn)零排放的同時(shí)，有效節(jié)約水資源。

1 礦井水水質(zhì)特征及處理技術(shù)

煤礦礦井水是一種含有豐富的礦物質(zhì)和微量元素，具有較高的硬度、含鹽量和有機(jī)污染物的水，水質(zhì)變化大，給處理帶來(lái)了一定的難度。目前國(guó)內(nèi)礦井水主要采取回用、循環(huán)利用或達(dá)標(biāo)排放等方式進(jìn)行處理，但受資金、技術(shù)及回用成本等因素限制，礦井水在綜合利用方面尚存在諸多問(wèn)題[1]。寧夏地區(qū)作為中國(guó)重要的能源基地，其煤炭資源豐富，礦井?dāng)?shù)量眾多。然而，隨著煤炭開(kāi)采的深入，礦井水的問(wèn)題也逐漸凸顯。

高礦化度礦井水的問(wèn)題尤為突出，高礦化度礦井水是指在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，由于地下水與巖石相互作用，形成的具有高礦化度的地下水。這種水的特點(diǎn)是含鹽量高，主要是氯化物、硫酸鹽等，因此其礦化度也高。在寧夏地區(qū)，由于地質(zhì)條件特殊，高礦化度礦井水的分布廣泛，給煤炭開(kāi)采帶來(lái)了一定的影響。根據(jù)近年來(lái)對(duì)寧夏地區(qū)礦井水的調(diào)查，該地區(qū)高礦化度礦井水的分布主要集中在北部的寧東煤田和南部的六盤山煤田[2]。

寧東煤田的高礦化度礦井水分布最為集中，主要分布在靈武、橫城、鴛鴦湖等區(qū)域。而六盤山煤田的高礦化度礦井水分布相對(duì)較少，主要分布在紅崖、西華山等區(qū)域。高礦化度礦井水的形成主要是由于地下水與巖石相互作用。在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，地下水受到壓力作用，通過(guò)巖石的裂隙滲透到礦井中，與巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致水的礦化度升高。

地下水在運(yùn)移過(guò)程中，也會(huì)與圍巖中的礦物質(zhì)發(fā)生溶解和沉淀作用，從而影響水的礦化度。由于高礦化度礦井水的含鹽量高，處理難度較大。目前，常用的處理方法包括物理法、化學(xué)法和生物法等。然而，這些方法在處理高礦化度礦井水時(shí)都存在一定的局限性。例如，物理法雖然可以去除水中的懸浮物和雜質(zhì)，但對(duì)于降低水的礦化度效果不佳；化學(xué)法雖然可以降低水的硬度，但可能會(huì)產(chǎn)生新的污染；生物法則受到溫度、pH等因素的影響較大[3]。

2 高礦化度礦井水處理工藝分析

高礦化度礦井水預(yù)處理主要包括物理法、化學(xué)法和生物法等。其中，物理法主要包括沉淀法、過(guò)濾法等；化學(xué)法主要包括氧化法、還原法等；生物法則主要利用微生物降解有機(jī)物和無(wú)機(jī)物。本文介紹的是一種基于物理-化學(xué)聯(lián)合處理的高礦化度礦井水預(yù)處理工藝。該工藝主要包括預(yù)處理、主處理和后處理三個(gè)階段。

2.1 預(yù)處理工藝

常用的礦井水預(yù)處理工藝包括混凝沉淀、過(guò)濾、氧化還原及消毒等。其中，混凝沉淀主要是通過(guò)投加混凝劑（如PAM）將水中懸浮物凝聚成絮體，然后利用過(guò)濾、澄清等方法去除懸浮物及有機(jī)物，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。過(guò)濾主要是通過(guò)重力或機(jī)械方式截留懸浮物，并借助反滲透或超濾等技術(shù)進(jìn)行深度處理；氧化還原主要是通過(guò)投加氧化劑（如NaOH）和還原劑（如CaCl2）將水中的溶解性有機(jī)物和重金屬離子氧化成難溶鹽，然后利用超濾等技術(shù)進(jìn)行深度處理。消毒主要是通過(guò)投加消毒劑（如二氧化氯、次氯酸鈉等）使水中的微生物失活[4]。

2.2 混凝沉淀

混凝沉淀工藝是礦井水處理的基礎(chǔ)工藝，其原理是通過(guò)投加混凝劑（如PAM）使水中的懸浮物發(fā)生凝聚和絮凝作用，使懸浮物質(zhì)沉降，以達(dá)到凈化水質(zhì)的目的?；炷恋砉に嚦Ｅc沉淀工藝結(jié)合使用，一方面可增加去除懸浮物和膠體物質(zhì)的效果，另一方面可減少沉淀池占地面積，從而降低處理成本。常用的混凝劑有聚合氯化鋁（PAC）、硫酸鋁、明礬和聚合氯化鐵（PFC）等。混凝沉淀工藝的優(yōu)點(diǎn)是處理效果穩(wěn)定、易于控制；缺點(diǎn)是處理水量較小或受季節(jié)影響較大，且運(yùn)行過(guò)程中需定期進(jìn)行化學(xué)清洗；同時(shí)，混凝沉淀工藝對(duì)礦井水水質(zhì)的要求較高，尤其是對(duì)色度、懸浮物、氨氮及重金屬離子等指標(biāo)有較高要求。

2.3 過(guò)濾

過(guò)濾是一種去除懸浮物（SS）的常用方法，主要用于去除水中的懸浮物，一般采用重力或機(jī)械方式截留懸浮物。過(guò)濾可以去除水中的懸浮物和膠體，但是對(duì)于礦井水中含有的有機(jī)物及重金屬離子等污染物不能有效去除。此外，隨著礦井水中有機(jī)污染物含量的增加，過(guò)濾工藝還會(huì)增加能耗和運(yùn)行費(fèi)用，不利于高礦化度礦井水處理系統(tǒng)的建設(shè)。針對(duì)高礦化度礦井水水質(zhì)特點(diǎn)，在過(guò)濾工藝中一般采用超濾（UF）和反滲透（RO）進(jìn)行深度處理。超濾技術(shù)是一種可廣泛應(yīng)用于市政、工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的膜分離技術(shù)。超濾膜孔徑小，能截留0.1μm以上的污染物，可用于去除水中的有機(jī)物和細(xì)菌等微生物，提高水的澄清度，減輕后續(xù)處理單元中的壓力，降低膜污染。反滲透技術(shù)是利用膜截留水中的溶解鹽、膠體以及一些大分子物質(zhì)（如細(xì)菌）等，達(dá)到分離、凈化水質(zhì)和濃縮海水或淡水水質(zhì)目的。反滲透技術(shù)應(yīng)用于高礦化度礦井水處理時(shí)，一般采用多級(jí)過(guò)濾工藝，可以有效去除水中污染物并保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，如表1所示。

表1 過(guò)濾效果對(duì)比

2.4 氧化還原

礦井水的氧化還原工藝主要有三種：

（1）投加氧化劑（如NaOH）將水中溶解性有機(jī)物和重金屬離子氧化成難溶鹽，然后利用超濾等技術(shù)進(jìn)行深度處理。

（2）投加還原劑（如CaCl2）將水中的溶解性有機(jī)物和重金屬離子還原成難溶鹽，然后利用超濾等技術(shù)進(jìn)行深度處理。

（3）投加氧化劑（如NaOH）將水中的溶解性有機(jī)物和重金屬離子氧化成難溶鹽，然后利用超濾等技術(shù)進(jìn)行深度處理。

配電網(wǎng)N-1安全性準(zhǔn)則是配電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行的重要準(zhǔn)則，它規(guī)定了在配電網(wǎng)中主變壓器或線路發(fā)生故障時(shí)，線路或主變壓器所帶負(fù)荷可通過(guò)與之聯(lián)絡(luò)的線路進(jìn)行轉(zhuǎn)供，即不對(duì)外停電。

投加NaOH或CaCl2將水中的溶解性有機(jī)物和重金屬離子氧化成難溶鹽，再利用超濾等技術(shù)進(jìn)行深度處理，是礦井水預(yù)處理中常用的方法。在礦井水中投加NaOH或CaCl2不僅可以提高出水水質(zhì)，還可以將水中的溶解性有機(jī)物和重金屬離子氧化成難溶鹽。

3 分質(zhì)資源化綜合利用工程應(yīng)用

3.1 案例概述

寧夏某礦是西北地區(qū)首個(gè)實(shí)現(xiàn)全礦井水全指標(biāo)回用的礦井，該礦井水處理系統(tǒng)采用“預(yù)處理+反滲透+納濾+蒸發(fā)結(jié)晶”工藝，通過(guò)對(duì)礦區(qū)內(nèi)不同礦井水進(jìn)行分類分級(jí)，達(dá)到礦井水綜合利用的目的。寧夏某礦分質(zhì)資源化綜合利用系統(tǒng)運(yùn)行后，經(jīng)過(guò)濃縮單元的處理后，出水水質(zhì)均達(dá)到《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848—2017）中的Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，其中總硬度、礦化度等指標(biāo)達(dá)到國(guó)家規(guī)定的地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)運(yùn)行后，可實(shí)現(xiàn)礦區(qū)內(nèi)礦井水的全指標(biāo)回用，進(jìn)一步減少了礦井排水對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，有效提高了水資源利用效率，同時(shí)也提高了礦區(qū)資源環(huán)境綜合效益。該項(xiàng)目每年可節(jié)約新鮮水約1 900 萬(wàn)m3，節(jié)約電費(fèi)約320 萬(wàn)元/年。另外，該項(xiàng)目還為礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境治理提供了寶貴的水資源保障，促進(jìn)了礦區(qū)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。

3.2 應(yīng)用效果

高礦化度礦井水分質(zhì)資源化綜合利用工程主要包括預(yù)處理、反滲透、納濾、蒸發(fā)結(jié)晶等單元。根據(jù)目前市場(chǎng)情況，礦井水分質(zhì)資源化綜合利用項(xiàng)目的直接經(jīng)濟(jì)效益和間接經(jīng)濟(jì)效益。直通過(guò)回用系統(tǒng)回用礦井水，可以減少新鮮水量的消耗和排放，節(jié)約新鮮水資源，提高礦井水利用率。不僅如此，對(duì)于寧夏地區(qū)而言，高礦化度礦井水分質(zhì)資源化綜合利用可以減少新鮮水的外調(diào)壓力，降低水資源在運(yùn)輸過(guò)程中的損耗。最為關(guān)鍵的是，這一工程項(xiàng)目和技術(shù)手段的落實(shí)，有效減少因向外輸送礦井水而產(chǎn)生的電費(fèi)支出，提高礦井水利用效率，減少排水對(duì)環(huán)境的污染。從另一層面來(lái)看，通過(guò)回用系統(tǒng)降低了用水需求，減少了礦井排水對(duì)區(qū)域水資源利用效率的影響，并且通過(guò)處理后的高礦化度礦井水用于工業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)。該工藝可實(shí)現(xiàn)礦井水分質(zhì)資源化綜合利用，主要包括：

（1）高礦化度礦井水作為礦井水循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水。

（2）礦井水回用于地面綠化、沖洗車輛、冷卻設(shè)備等。

（3）礦井水通過(guò)電解生產(chǎn)電解液。

（4）高礦化度礦井水可用于生產(chǎn)工業(yè)鹽、礦鹽。

從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看。該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)礦井水分質(zhì)資源化綜合利用，但目前該工藝的回用水規(guī)模較小，難以滿足該礦工業(yè)用水要求。隨著工業(yè)鹽產(chǎn)能的不斷增加和回用水規(guī)模的擴(kuò)大，該工藝的回用水規(guī)模將會(huì)擴(kuò)大，從而有利于實(shí)現(xiàn)礦井水質(zhì)資源化綜合利用。

3.3 應(yīng)用要點(diǎn)

高礦化度礦井水具有較高的懸浮物、濁度和COD等水質(zhì)指標(biāo)，且其化學(xué)需氧量和氨氮含量較低，若將其作為回用水處理后可減少回用水處理系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的凈化處理后，高礦化度礦井水可滿足回用水質(zhì)要求。

3.3.1 用于循環(huán)冷卻水補(bǔ)充水

該礦設(shè)計(jì)總?cè)∷?guī)模為3.0 萬(wàn)m3/d，其中礦井涌水量為1.0 萬(wàn)m3/d，地面海水淡化廠補(bǔ)水流量為0.5 萬(wàn)m3/d。該礦設(shè)計(jì)年利用系數(shù)為0.53，設(shè)計(jì)年利用水量在5.0 萬(wàn)m3左右。通過(guò)對(duì)比分析可知，在正常生產(chǎn)條件下，礦井涌水量為5.0 萬(wàn)m3/d時(shí)，礦井水循環(huán)冷卻水補(bǔ)水資源量可以滿足設(shè)計(jì)年利用系數(shù)的要求。該礦設(shè)計(jì)年利用系數(shù)為0.53時(shí)的礦井涌水量為6.5 萬(wàn)m3/d。當(dāng)?shù)V井水補(bǔ)水量大于5.0 萬(wàn)m3/d時(shí)，礦井涌水量開(kāi)始出現(xiàn)增加趨勢(shì)。按每年循環(huán)冷卻水量4.0萬(wàn)m3計(jì)算，當(dāng)?shù)V井水補(bǔ)水量達(dá)到6.0 萬(wàn)m3/d時(shí)，礦井涌水量將會(huì)出現(xiàn)飽和。因此，為了保證礦井安全生產(chǎn)和防止地下水污染，該礦設(shè)計(jì)年利用系數(shù)在5.0萬(wàn)～6.0 萬(wàn)m3/d之間較為合理。

3.3.2 用于地面綠化、沖洗車輛、冷卻設(shè)備等

該礦已投入運(yùn)行的高礦化度礦井水分質(zhì)資源化綜合利用工藝，出水水質(zhì)能夠滿足地面綠化、沖洗車輛、冷卻設(shè)備等的要求，礦井水回用于地面綠化的水量為1.14 m3/h，回用規(guī)模為800 m3/h。其中，沖洗車輛水量為40 m3/h，回用規(guī)模為400 m3/h。據(jù)此估算可降低回用水處理系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷為10%左右。同時(shí)可減少水處理系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的大量污泥。同時(shí)，考慮到高礦化度礦井水的特殊性，在不影響出水水質(zhì)的前提下，可對(duì)回用水進(jìn)行進(jìn)一步處理?？紤]到回用水水量較小，且回用水質(zhì)較好，可以考慮在礦井水處理站旁設(shè)置一套高礦化度礦井水回用裝置，用于沖洗車輛和冷卻設(shè)備等。

3.3.3 用于生產(chǎn)工業(yè)鹽、礦鹽

目前，寧夏地區(qū)已有部分煤礦采用礦井水電解生產(chǎn)工業(yè)鹽、礦鹽，如寧夏某煤礦、某煤業(yè)公司等。從原理上講，礦井水電解生產(chǎn)工業(yè)鹽、礦鹽是將高礦化度礦井水進(jìn)行預(yù)處理，將其pH調(diào)節(jié)到接近工業(yè)用海水的pH，然后采用直流電電解技術(shù)將水電解成氫離子和氫氧根離子，再利用電解水的剩余電流電解制取工業(yè)鹽、礦鹽。將高礦化度礦井水預(yù)處理后用于電解生產(chǎn)工業(yè)鹽、礦鹽，一方面可以節(jié)省生產(chǎn)用水，另一方面可以提高產(chǎn)量。在電解法制取工業(yè)鹽、礦鹽過(guò)程中，為提高電解效率，電解槽的功率一般為3.5～4.0 kW，而根據(jù)目前我國(guó)工業(yè)鹽產(chǎn)能的分布情況分析，寧夏地區(qū)年產(chǎn)工業(yè)鹽約為1 000 萬(wàn)噸，若采用高礦化度礦井水進(jìn)行電解生產(chǎn)工業(yè)鹽、礦鹽，其生產(chǎn)成本將會(huì)進(jìn)一步降低，因此礦井水作為電解法制取工業(yè)鹽礦鹽技術(shù)在寧夏地區(qū)具有較好的發(fā)展前景。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，煤礦礦井水是一種含有豐富礦物質(zhì)和微量元素，具有較高硬度、含鹽量和有機(jī)污染物的水，水質(zhì)變化大，給處理帶來(lái)了一定的難度。目前國(guó)內(nèi)礦井水處理技術(shù)已發(fā)展較為成熟，但對(duì)高礦化度礦井水的處理技術(shù)研究還處于起步階段，目前常用的預(yù)處理技術(shù)如混凝沉淀、過(guò)濾和超濾技術(shù)均存在一定缺點(diǎn)。本文提出的高礦化度礦井水預(yù)處理及分質(zhì)資源化綜合利用工藝可實(shí)現(xiàn)高礦化度礦井水的達(dá)標(biāo)排放與高礦化利用相統(tǒng)一，為今后煤礦井下礦井水綜合利用提供了思路。