浅谈煤矿矿井水深度处理的方案

成素霞，翠玲崔

(山西建筑职业技术学院，山西 太原 030006)

煤炭是我国重要的矿产资源，含煤层、含水层和隔水层常常伴随共生，煤炭开采过程中，必然产生大量的涌水，地表渗透水、地下含水层渗流水和疏放水以及采掘过程中使用过的水组成了矿井废水。矿井涌水量往往不均匀，其与煤矿矿山所处的地理位置、地质构造、煤层形成年代、开采深度等相关联。在地下水资源丰富的地区，吨煤排水量超过80m3；气候干燥少雨、蒸发量大的地区，矿井涌水量就小，比如山西大同的某矿区，吨煤平均涌水量只有0.24m3，平均吨煤涌水量0.88m3。山西是我国的煤炭大省，2017年1-9月中国原煤产量共259202万吨，其中山西排名第二，64184.2万吨。由此计算，山西省2017年1-9月份矿井水涌水量可达228098万吨，而山西煤矿矿井水整体重复利用率并不高。据文献表明，山西潞安集团矿井水利用率仅为45%[1]。按照国家能源局2016年12月22日印发的《煤炭工业发展“十三五”规划》的要求，中部地区矿井水利用率达到77%，山西作为煤炭大省，坐拥七大国有煤矿，研究煤矿涌水的分质处理可有效提高矿井水重复利用率，缓解我国水资源短缺的问题。

一、煤矿矿井水深度处理的提出

煤矿区一般地处远离城市的较偏远地带，城市供水管网难以覆盖，生活用水需要自备水源，常采用深井泵供水。同时，煤矿开采又会产生大量的煤矿伴生水，经过简单处理后排放。从上述水质指标分析及水量分析来看，煤矿矿井水深度处理的提出，可有效缓解煤矿区水资源极度不平衡的现状。根据用水点水质水量要求，在煤矿矿井水深度处理，达到排放标准的基础上，根据相应的水质标准进一步优化水质，可有效提高矿井水的利用率。

从水质上看，矿井水处理站的初级处理后水质无法满足《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）表1中的III类标准，总氮、石油类等指标仍然较高；也无法满足《城市杂用水水质标准》（GBT18920-2002），铁、锰等指标较高。

从水量平衡来看，深度处理过的矿井水可以部分用于井下抑尘回用、路面浇洒绿化、冲洗便器等回用系统，并且可以通过深度处理进一步提升水质，达到《杂用水水质标准》后回用于生活冲洗便器；也可以对其中相应水质指标通过膜处理工艺达到省内要求的排放标准或作为饮用水源。

总之，煤矿矿井水深度处理的提出，可作为煤矿区水资源循环利用的有效手段，以有效解决矿区水资源极度不匹配的问题。

二、煤矿矿井水深度处理常见技术

目前，据对山西省煤矿矿井水深入处理的调研中，发现对矿井水深度处理工艺中，最常见和常用的是生物活性碳工艺（BAC）、以反渗透膜法过滤为核心组合工艺以及以超滤膜法过滤为核心组合工艺这三种。

（一）生物活性炭工艺

山西潞安集团司马煤业有限公司矿井水处理站提标改造工程采用生物活性碳工艺（BAC）为主的组合工艺。

生物活性炭技术（BAC）是指在活性炭上通过人工或者富集固定微生物，在活性炭外表构成生物膜，提高活性炭的吸附容量，达到水质净化的目的。活性炭具有比表面积巨大、细微孔隙发达以及吸附性能好等特点，在活性炭上通过人工或者富集固定微生物构成生物膜，提高活性炭的吸附容量，达到水质净化的目的则是生物活性炭技术的原理。活性炭对分子量介于500～1000内的有机物具有较强的吸附能力，且吸附能力受有机物的孔径散布和有机物的极性及分子量的影响。相同分子量的有机物，溶解度越大、亲水性越强，活性炭对它的吸附性越差；反之，对溶解度小，亲水性差、极性弱的有机物，如苯类化合物、酚类化合物等具有较强的吸附能力。

矿井水中的COD含量并不高，矿井水中主要的污染物质是无机悬浮物和某些离子，活性炭对此类污染物的吸附能力并不明显。

（二）以反渗透膜法过滤为核心组合工艺

山西煤炭运销集团莲盛煤业有限公司矿井水处理提标改造工程采用“石英砂过滤+活性炭过滤+保安过滤+超滤+反渗透+紫外消毒”处理工艺进行深度处理。

反渗透膜净化水是长久以来人们认知中出水水质较好且稳定的一种方法，因为其良好的脱盐性能，出水水质优良而被广泛应用于工业水处理中。反渗透膜一般为有机膜，孔径≤1nm，理论上可以截留所有高分子有机物、二价离子和一价离子，只允许水分子通过。出水水质为通常所称的去离子水，常常应用于食品药品加工行业和实验室用水，出水水质高于《地表水环境质量标准》的Ⅲ级标准。

反渗透膜的主要性能指标——脱盐率，而脱盐率的高低取决于反渗透膜元件表面超薄的脱盐层的致密度，脱盐层越致密脱盐率越高，同时产清水量越低，浓水的产量越高[2]。浓水是对反渗透膜截留物质以溶液形式的排出液，大约占总进水量的25%-35%，浓水的处理则是反渗透膜处理技术的一个无法回避的难点。

反渗透系统对原水的水质要求较高，一般要求前端设置超滤膜过滤系统。

反渗透膜需要定期清洗。矿井水处理前端添加的PAC和PAM混凝剂、微生物、矿井水中的重金属离子和碳酸盐类，对反渗透膜的危害较大。如果不及时清洗，污染物将会在较短时间内损坏膜元件的性能；清洗之后，反渗透膜性能逐步衰减。

反渗透系统采用高压泵、膜的定期更换等因素导致系统运行成本极高。

（三）以超滤膜法过滤为核心组合工艺

山西离柳焦煤集团有限公司朱家店煤矿、山西煤炭运销集团三元石窟煤业有限公司、山西潞安集团蒲县新良友煤业有限公司、山西凌志达煤业有限公司的长治市长子县色头镇煤矿、霍尔辛赫煤业的长治市长子县丹朱镇南鲍村矿区，采用“精密过滤+超滤+活性炭过滤”工艺为矿井水处理站提标改造工艺。

超滤，一般指的是孔径介于1nm-50nm之间的滤膜，可拦截绝大部分悬浮物和少部分离子，出水浊度一般小于0.1NTU。目前，常见的有机超滤膜分为纤维素酯类、聚砜类、聚烯烃类、氟材料等，主要有壳聚糖(CS)、醋酸纤维素(CA)、对聚醚砜(PES)、聚乙烯醇(PVA)、和聚偏氟乙烯(PVDF)。

目前，超滤膜中最先进和最普遍采用的是聚偏氟乙烯(PVDF)。聚偏氟乙烯（PVDF）是一种结晶性聚合物，玻璃化温度-39℃，结晶熔点约为170℃，热分解温度在316℃，机械性能优良，具有良好的耐冲击性、耐磨性和化学稳定性。室温下PVDF膜不被酸、碱、强氧化剂和卤素等所腐蚀，对芳香烃、脂肪烃、醇和醛等有机溶剂很稳定，在盐酸、硝酸、硫酸和稀、浓碱液中以及高达100℃温度下，其性能基本不变，并且耐γ射线、紫外线辐射。

以PVDF为膜主材的超滤膜目前在水处理领域应用较为广泛，但因其强疏水性使其在应用中受到限制。通常需要添加其他材料对其改性，改善膜界面的亲水性[3]。一般的，亲水性的膜表面与水形成氢键，使之处于某种有序结构，当疏水溶质（油脂类）要接近膜表面时，必须破坏这种结构，显然不易进行，因此膜表面不易被污染。而疏水性膜和水无氢键作用，疏水溶质接近膜表面是个增熵自发过程，则膜表面易被疏水溶质污染，因此当水体中含有石油类污染物时，有机聚合物膜容易被石油类物质所污染[4]。

有机聚合物膜被油脂类物质污染后，需要采用药剂反冲洗。常采用的药剂为NaClO、HCl和NaOH，其中HCl的清洗效果最好，其次为NaClO和NaOH混合液，再次为NaClO；但是从对膜的损伤程度来看，NaClO对膜的损伤最小，其次为NaClO和NaOH混合液，HCl清洗液由于其pH低，对膜的损伤最大[5]。

相比而言，超滤膜过滤法满足山西省要求的《地表水环境质量标准》中Ⅲ级标准，并且性价比较高。

三、平板陶瓷膜用于矿井水深度处理的优越性

相对于目前市面上常见的有机聚合物膜，无机陶瓷膜具有更好的热稳定性、化学稳定性与机械稳定性，耐受温度范围广、耐酸碱反冲洗、结构稳定、使用寿命长等优势，受到科研工作者的广泛关注。无机陶瓷膜在食品饮料安全、能源冶炼、环境保护及医疗生化等领域，有广泛的应用[6]。

陶瓷膜的主要优势如下：

1.孔径分布窄，分离精度高，抗污染能力强，清洗后通量恢复容易。

2.机械强度高，热稳定性好，耐高温高压，能够较便捷地引进清洗辅助工艺如气水反冲、超声波反洗和表面湍流强化等技术。

3.具有较强的化学稳定性，耐强酸强碱性，可耐受pH范围为1-14；使用寿命长，化工、能源、环保、食品、生物工程和医药行业广泛适用。

4.大规模组件的负面放大效应很小，组件设计时膜池材料的选择面更宽。

山西某大型煤业有限公司的吕梁某矿矿井水从井下水仓中泵出时，悬浮物、COD、氨氮、铁、锰、石油类污染物含量较高，经过常规的混凝——沉淀——过滤——消毒工艺后，悬浮物、COD指标降低明显，但是仍然达不到山西省规定的煤矿矿井水外排标准的《地标水环境质量标准》的Ⅲ级标准，需要进一步对石油类、铁、锰等去除。

经过调研分析，该煤矿提标改造中采用了平板陶瓷膜处理工艺，该工艺采用的陶瓷膜为上海巴安水务股份有限公司购买的德国ItN的平板陶瓷滤膜（CFM），膜孔径为200nm，设计通量采用300L/m2h。

系统运行时，陶瓷膜放置在膜架上，下设曝气管和反冲洗管路。正常过滤时，原水为矿井水处理站出水，由清水泵抽送至无机陶瓷膜膜池内，膜池采用SS304不锈钢制造。膜组浸没在原水中。陶瓷膜系统出水管路位于陶瓷膜组上方，由负压管道抽出后经出水泵送入清水池。

反冲洗采用气水反冲洗+药剂反冲洗模式。气水反冲洗为人工控制，压力表设于出水泵出水管上，当压力表显示真空值增高至一设定值时，开始反冲洗。先采用风机曝气方式，将膜表面附着的污垢冲洗下来，然后从清水池抽出清水进入膜池反洗。药剂反冲洗采用次氯酸钠和盐酸，分别设置于PVC药剂罐中，药剂质量浓度配比为：NaCLO=1%，HCl=2%。

药剂反冲洗过程为先水冲洗，后经过反洗药剂浸泡，浸泡时间不多于6h。实践证明：无机陶瓷膜过滤系统对SS的去除率较高，达到99%，并且在经历气水反冲洗和化学反洗后，出水水质没有大的变化。无机陶瓷膜过滤系统对矿井水的铁锰去除率较高。该矿清水池水进入无机陶瓷膜过滤系统后，出水水质明显提高，石油类污染物稳定在0.02mg/L以下。药剂反洗浸泡4h后，通量恢复到原始通量的99%。可见，药剂反洗能够较好地清除膜表面的粘垢，恢复膜通量。

该煤矿废水经陶瓷膜深度处理后，出水符合我国《地表水环境质量标准》中的Ⅲ级标准，有利于该煤矿矿井水的回用。无机陶瓷膜的耐强酸强碱的特性可以有效解决此类问题，并延长膜的使用年限。

综上所述，通过几种主流处理工艺的对比筛选，超滤膜过滤法满足山西省要求的《地表水环境质量标准》中Ⅲ级标准，相对性价比较高，但当水体中含有石油类污染物时，有机聚合物膜容易被石油类物质所污染。无机陶瓷膜相比传统PVDF膜，具有使用寿命长、耐酸碱反冲洗、耐高温等优势，用于煤矿矿井水的处理中，可有效将煤矿矿井水中的悬浮物和石油类物质去除，在山西省煤矿矿井水提标改造工程中推荐采用。