矿井水资源化利用

2016-12-09赵亮，郑燕

西部探矿工程 2016年11期

关键词：矿化度悬浮物矿井

赵　亮，郑　燕

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063009；2.河北省地矿局第二地质大队，河北唐山063000）

矿井水资源化利用

赵亮*1，2，郑燕1

（1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山063009；2.河北省地矿局第二地质大队，河北唐山063000）

煤炭是我国的主要能源，且这种情况在今后相当长的时期内是不可能发生根本性变化的。煤炭的开采作为一种地下活动，不可避免的对地下含水系统造成局部破坏和污染。而且大量矿井水外排，不仅需耗费大量排水费用，增加煤矿生产成本，还浪费了十分宝贵的水资源。因此，从我国水资源分布状况以及我国矿区水资源短缺的现状出发，对矿井水进行开发利用，实现变废为宝，既可以缓解煤矿供水紧张的局面，又能减轻采煤对矿区及其周边城市的环境污染，可以实现经济和环境效益的统一。

矿井水；资源化；合理利用

矿井水是具有行业特点的污染源，但同时又是一种宝贵的水资源。据不完全统计，全国平均吨煤涌水量2～4m3，全国每年外排矿井水30×108m3左右，约占全国地下水开采量的5%，为我国城市年生活用水量的40%[1]。2005年全国煤炭产量约为20×108t，矿井水排放量约为42×108m3[2]。矿井水经处理后全国综合利用率在20世纪90年代仅为20%左右[3]。2005年统计结果显示，平均利用率已上升至26.2%。最近几年利用率有所提高，但就全国平均水平而言仍不到30%。2010年全国煤矿年排放矿井水约61×108m3，利用量达到36× 108m3，利用率达到59%。2013年发改委发布《矿井水利用发展规划》，到2015年，全国煤矿矿井水排放量达71×108m3，利用量54×108m3，利用率提高到75%，新增矿井水利用量18×108m3。

1　地面矿井水的分类与处理工艺

根据物理化学性质，可将我国煤矿矿井水划分为洁净的矿井水、含悬浮物的矿井水、高矿化度的矿井水、酸性矿井水和含特殊污染物的矿井水[4]。矿井水净化技术有沉淀、混凝、过滤、中和、膜分离、生物处理等。

1.1洁净矿井水

洁净矿井水的资源化工艺包括收集、提升、消毒。处理原则是清污分流。利用工艺为井下清水管线输送至地面，消毒处理后即可作为生活、生产用水。必要时需进行过滤处理。

河南平煤集团主采煤层为丙、丁、戊、己、庚等5个煤层。地下水主要覆存于第四系砂砾含水层、石炭系灰岩和古近系灰岩含水层，且与寒武系岩层有密切水力联系[5]，裂隙溶洞发育，水量丰富，年涌水量达4800× 104t以上，水质较好，若能适当净化和消毒处理，其矿井水即可利用。洁净矿井水的利用也有许多成功的例子，太原市古交矿在开采过程中穿过第四系河谷冲击层，水质良好，经简单沉淀、消毒处理后直接供全矿生产和生活用水[6]。徐州地区新河煤矿的太原组岩溶水因含有多种微量元素而开发为矿泉水，还有兖矿集团鲍店煤矿的三灰水等都实现了洁净矿井水的合理利用。

1.2含悬浮物的矿井水

矿井水中的悬浮物含量远远高于地表水，其主要污染物来自矿井水流经采掘工作面时带入的煤粒、煤粉、岩粒、岩粉等悬浮物。水的感官性状差，长期外排，会破坏景观、淤塞河道，影响水生生物及农作物的生长等。其次矿井水悬浮物颗粒小、比重轻，因而其沉降速度十分缓慢，效果差。含悬浮物矿井水的另一个水质特征是细菌含量较多，主要来自井下作业人员的生活、生产活动，所以消毒杀菌在该类型矿井水处理中是非常必要的。煤粉颗粒与胶体颗粒相同，带负电荷，静电斥力阻止颗粒接近聚合成较大颗粒，也是矿井水悬浮颗粒很难自然沉降的原因。所以要适当地投加絮凝剂，破坏这种结构，使其可以聚合成较大颗粒而沉淀。阜新矿区的矿井下涌出的矿井水主要来源于地下水[7]，矿井水受矿区地质环境影响，一般属碳酸钙镁型水，pH值在7.0～8.25之间，偏碱性，属于含悬浮物的矿井水。

含悬浮物矿井水的资源化工艺包括混凝、沉淀、过滤、消毒。原则上采用混凝沉淀工艺进行一次处理达到井下防尘用水要求或进行排放。再经预氧化、过滤、消毒工艺进行二次处理达到生产、生活用水要求。

从处理工艺本身来看，目前全国各地煤矿很多均使用一体化净水器处理含悬浮物的矿井水[8]。它集反应、过滤和沉淀作用于一体，具有占地面积小、上马快等优点。利用混凝沉淀法处理含悬浮物矿井水的成功工程案例比较多[9]。例如河南焦作矿区九里山矿矿井水为含悬浮物矿井水，经过水质分析与大量试验研究，采用混凝沉淀法处理，使原来超标的水质完全达到了《生活饮用水卫生标准》。从而提高了矿井水的利用率，节约了成本。山西焦煤集团西山煤电集团公司所属屯兰矿，经检测，矿井水水质属含悬浮物矿井水，主要污染物为煤粒、煤粉、岩粒、岩粉等悬浮物，呈灰黑色，浑浊度较高。根据水质特点，确定矿井水处理工艺如下：矿井水→调节池→一体化净水器→清水池→出水。该工艺集混凝、沉淀、过滤与一体，采用钢制结构，具有结构紧凑、占地面积小、建设周期短、投资省、易于室内布置、便于冬季保暖和平时维护的特点。工艺流程如图1所示。

图1　含悬浮物矿井水处理工艺

1.3高矿化度矿井水

产生高矿化度矿井水的主要原因有：（1）我国部分地区降水量少，蒸发量大，气候干旱，蒸发浓缩强烈，再加上地下水补给、径流、排泄条件差，造成地下水矿化度高；（2）煤系地层中含有大量的碳酸盐及硫酸盐岩层时，开采过程中使地下水广泛接触，加剧可溶性物质溶解，使Ca2+、Mg2+等离子增多，形成高矿化度的矿井水；（3）开采高硫煤层时，因硫化物氧化产生游离酸，游离酸再同碳酸盐矿物、碱性矿物发生中和反应，使矿井水中Ca2+、Mg2+、SO42-等离子增加，致使矿井水的矿化度增大；（4）有的地区地下咸水侵入煤田，使矿井水呈高矿化度。

高矿化度矿井水不仅全盐量高，而且总硬度往往也较高。其中，高硫酸盐硬度矿井水分布范围较广，西北、华北、东北、华东等地区都有存在，如安徽淮北、江苏徐州、山西大同、辽宁阜新等矿区[10]。龙口煤矿矿井水即为高矿化度矿井水。该类矿井水主要是由水中硫酸根与钙离子、镁离子等结合而形成的一种高矿化度矿井水，其主要水质特点是硫酸盐、总硬度和全盐量较高。

对高矿化度矿井水的处理，除采用给水净化传统工艺去除悬浮物和消毒外，其关键工序就是脱盐，所以高矿化度矿井水的处理原则是除盐处理。高矿化度矿井水处理一般分为2个部分：第一部分是预处理，主要去除矿井水中的悬浮物，采用常规混凝沉淀技术；第二部分是脱盐处理，使处理后出水含盐量符合《生活饮用水卫生标准》，其工艺流程如图2所示。

图2　高矿化度矿井水处理工艺

降低矿井水含盐量的方法主要有蒸馏法和膜分离法，其中膜分离法包括电渗析法和反渗透法。蒸馏法是利用煤矸石作为燃料产生蒸汽，由蒸汽加热待脱盐的矿井水，获得淡水；或以煤矸石作为燃料生产蒸汽用于发电，产生的余热来加热矿井水以获得淡水。电渗析法是在电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。反渗透法利用高分子膜，以超过溶液渗透压的压力将水和杂质分离。反渗透法脱盐处理可以有效地去除水中无机盐类、低分子有机物、胶体、病毒和细菌等，是目前公认的高效、低耗、无污染水处理技术，适用于全盐量大于4000mg/L的水脱盐处理，更适用于高矿化度矿井水的脱盐，其一般工艺如图3所示。

图3　反渗透法处理高矿化度矿井水工艺流程图

1.4酸性矿井水

酸性矿井水的形成主要是含硫矿物的氧化，最常见的为黄铁矿。天然状态下，煤层埋藏于地下，一般为良好的还原条件，含硫矿物在封闭体系中是稳定的，而在开采过程中，煤层开采破坏了还原环境，使煤层暴露在空气中，为硫的氧化创造了条件。酸性矿井水的工艺流程如图4所示。

图4　酸性矿井水处理工艺

酸性矿井水资源化工艺为投加碱性药物中和反应，处理原则主要是中和处理，除铁锰。中和法是目前煤矿酸性矿井水常采用的处理方法，适合做中和剂的有石灰石、大理石、白云石、石灰等碱性物质。其中尤以石灰石和石灰中和剂的应用最为广泛。生物氧化与石灰中和法是利用氧化亚铁硫杆菌将亚铁离子氧化成铁离子，然后投入石灰中和。

广东某酸性水排水设备和钢轨的使用寿命一般不超过半年，有的甚至不足3个月即被腐蚀穿孔，损坏严重，既造成频繁维修的人力和物力浪费，更直接危害矿工安全，长期接触酸性水可使手脚破裂、眼睛疼痒。吴东升以汾西矿业集团公司某矿的高盐高铁酸性矿井水为研究对象，通过“中和—曝气—反渗透”连用技术，为高盐高铁酸性矿井水污染治理和回收再利用探索了一条经济可行之路。

1.5含特殊污染物的矿井水

目前我国的东北、华北北部、淮南等矿区有些矿井的矿井水中含铁、锰离子较多。地下水中铁、锰多以二价形式存在，由于煤矿开采的影响，造成含铁锰矿井水又具有含铁锰地下水水质特点。含铁锰矿井水在我国北方地区占有一定的比例[11]。以鹤壁矿为例，大约有30%的矿井水为高矿化度高铁锰矿井水。

含特殊污染物的矿井水资源化工艺为去除有毒有害物质等。目前，重金属废水的而处理方法有2大类：一是使呈溶液状态的重金属转变为不溶的重金属沉淀物，经沉淀从废水中去除，具体方法有中和法、硫化法、还原法、氧化法、离子交换法、活性炭吸附法、电解法和隔膜电解法等；二是浓缩和分离，具体方法有反渗透法、电渗析法、蒸发浓缩法等。以高锰矿井水处理为例，其工艺流程如图5所示。

图5　接触氧化法除锰工艺流程图

矿井水资源化的总体思路为：清污分流，不同矿井水分类处理；先去除悬浮物，后去除其他杂质；不同回用方向，处理程度与要求不一样；工艺尽量简单，成本尽量降低。

2　矿井水的利用方向

积极推进矿井水的资源化，是节约水资源、解决矿区缺水问题的一条重要途径，也是煤矿实现清洁生产和可持续发展的必然选择。

目前矿井水资源化利用主要有2个途径：一是通过简单处理作为井上、井下生产用水和附近农业灌溉用水；二是通过深度处理作为矿区居民或矿业城市居民生活用水。煤矿生产对水质要求不高，经适当处理的矿井水既可作为井下灌浆、防尘、消防等用水，也可供矿区地面绿化、道路洒水、冲厕等用水。

3　展望

20世纪，人们对矿井水的处理多以达标排放为目标。进入21世纪，随着人们环保意识、经济效益意识的提高，强化对矿井水处理主要是为了开发利用，不仅简单处理供工业生产之用，而且希望通过对矿井水的深度处理，以开发为生活用水、生活饮用水等用途。我们要开拓思路，集思广益，对矿井水最大程度的回收利用，真正实现“以废治废、废物利用”，在开发煤矿资源的同时，推动水资源的可持续发展。

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