煤矿矿井水的净化处理技术

侯文杰(陕西煤业化工技术研究院有限责任公司，陕西 西安 710070)

0 引言

煤矿矿井水是在煤矿开采过程中产生的地下涌水，其形成主要来源于大气降水、地表水、断层水等，其中大气降水是矿井水的主要来源，并对其他水源进行补给。煤炭开采过程会产生大量矿井水，大约每开产一吨煤会产生两吨矿井水。目前我国矿井水的利用率还很低，矿井水资源浪费惊人，与此形成鲜明对的是，矿区缺水特别是北方矿区严重缺水已经成为普遍现象。因此，将矿井水净化处理后作为生产和生活用水是解决矿区缺水问题，实现矿区可持续发展的有效途径[1]。

1 矿井水净化处理的技术现状

矿井水按水质类型可分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和有害有毒矿井水五类。不同水质的矿井水经过处理，均可达到工业用水或生活用水的标准。

1.1 洁净矿井水处理

洁净矿井水是没有受到污染的地下水，此类矿井水可通过设置专用的输水管道将其引出后直接利用，如果用作生活饮用水时需进行消毒处理。

1.2 含悬浮物矿井水处理

在矿井水中有很多粒径非常细小的煤粉或其他杂质(如岩粉、黏土等)，仅仅依靠自然沉淀难度较大，需要借助混凝剂和混凝沉淀技术将其去除。此类矿井水在经过净化处理和二氧化氯消毒后可以作为生活用水。

含有悬浮物的矿井水净化处理主要采用铁盐混凝剂，这种无机高分子混凝剂可以有效应对矿井水的水温变化和pH值变化。混凝剂的混合方式以管道混合器混合、水泵混合为主，其中水泵混合更为常见。

采用混凝沉淀法去除悬浮物，可分为井下处理和地面处理两种方式。井下处理是在井下设置若干段水仓，添加了絮凝剂的矿井水经沉淀、溢流后可脱除水中的悬浮物；地面处理是在地面设置沉淀池，添加了絮凝剂的矿井水在沉淀池中经沉淀后可脱除悬浮物。

1.3 高矿化度矿井水处理

高矿化度矿井水在我国北方地区分布较多，主要分布于西北高原或东北的部分矿区，主要特征为矿井水含盐量极高，超过1000mg/L，这些区域也是我国煤矿缺水最为严重的地区。因为高矿化度矿井水含盐量高，即便经过处理后也不宜用于饮用，所以目前对于此类水的净化和利用主要从工业应用的角度来开展。

在处理技术上，除了混凝和过滤等传统工艺以外，关键的工序在于脱盐处理。脱盐技术包括电渗析技术和反渗透脱盐技术，前者由于不能去除矿井水中含有的细菌和有机物，加之设备能耗较高，在矿井水淡化工程中有很大的局限性，现已逐渐被反渗透装置所取代。目前反渗透膜对盐的脱除率超过99.5%，随着膜和组件生产成本的不断减低，淡化水的成本也因此快速下降。

膜分离技术在实际运行过程中存在的主要问题是膜的污染和结垢，具体表现为膜的透水量随着运行时间而下降。为了减小膜污染的影响，一方面需要根据矿井水的性质选择合适的膜材料并定期对膜进行清洗；另一方面可以在膜处理工序前增加前处理工艺，比如三级过滤、投加阻垢剂等方法，这样可有效降低矿井水中杂质对膜的直接冲击。

1.4 酸性矿井水净化处理

酸性矿井水一般采用化学中和法来处理，例如在水中添加碱性药剂、石灰石、白云石等。化学中和法的技术优势在于能够用非常简单的设备进行操作和管理，成本比较低，处理技术本身对石灰石颗粒和性能方面的要求也不高，操作过程易于控制，缺点是出水中存在着大量的碳酸，pH值难以达标。

近年来，人工湿地处理酸性矿井水的方法得到了广泛的研究，在技术层面和客观上已经证实了可行性。不过需要注意的是湿地生态对水的pH值有一定的要求，需要保持在4.0以上，否则会增加工艺处理成本，另外湿地生态工程系统在处理性能方面还很有限，只适用于间歇排放的废水。

1.5 有毒有害矿井水净化处理

对含氟矿井水，可采用活性氧化铝吸附的方法去除氟，也可采用电渗析法在除盐的同时去除氟。对含铁、锰的矿井水，通常采用曝气充氧、锰砂过滤的方法去除。

对含有重金属以及放射性物质的矿井水，需要综合考虑水中的总α、总β放射性水平。根据重点矿区水质监测，全国煤矿矿区地下水的总α放射性污染状况比较严重，有近一半矿区的饮用水指标处于超标情况，个别区域如西南地区的部分矿区，超标情况非常严重。人们在接触放射性和其他有毒有害物质的饮用水后会有癌症、白血病等疾病风险，所以在处理此类矿井水时，首先应去除悬浮物，后续利用沉淀、反渗透、离子交换或活性材料吸附等方法去除有毒有害物质。

在实际生产中遇到的矿井水大多为复合型水，选择处理工艺之前首先要清楚的了解矿井水的基本特征，然后综合考虑水处理操作单元的选取和优化组合。一般而言，矿井水中都会含有悬浮物，因而去除悬浮物对大部分矿井水都是必须的前处理步骤。

2 矿井水净化处理中的工程问题

2.1 调节池管理

煤矿井下排水本身具有一定的特殊性，水量、水质都会受到煤层等因素的影响，为了保障水处理系统的性能和安全，同时起到均衡水质的效果，在矿井水进行净化处理前设置调节池是非常必要的，调节池的作用在于预沉淀。

井下排水系统和井上水处理系统并不一定同步运行，通过调节池一方面可以协调井下排水系统排水时间，另一方面可以和井上水处理系统进行联动，优化水处理设备的处理能力，让设备的使用更加合理。在池容方面，按照以下标准执行：V=(Q1-Q2)t(1)

式中：V为预沉调节池容积；Q1为井下单位时间排水量；Q2为矿井水处理系统单位时间处理水量；t为井下排水时间。

在利用这一公式进行计算时，调节池的池容需要符合场地建设要求，按照《煤炭工业给水排水设计规范》中的有关规定，根据井下涌水量确定矿井水排水量。如果矿区在北方等比较寒冷的地区，还应设置相应的防冻措施以避免冬季冰冻出现的不利影响。

2.2 自动控制系统

远程网络监控是通过组态软件构建系统化的信息平台，利用数据交换机和某些通讯模块进行通信，将系统的运行画面和数据发布至网络范围内，让终端用户进行监控，从而实现设备的远程运行控制和集中管理。远程监控可实现矿井水处理工艺流程的综合自动化控制， 解决矿井水处理流程中的系统问题，还可实现自动加药、自动排泥，使处理后的水质达到工业用水标准。

随着仪器仪表技术的进一步发展和自动化水平的提高，各类先进的在线仪表可以实现更多的自动化控制。一般来说，矿井水处理装置中的动力装置和在线检测设备分布在各个水处理单元，采用过程监控的方式可以将这些单元进行联动协同，根据水处理系统运行的实际情况实时调整工艺运行参数。在确保水量和水质符合相关要求的前提下，矿井水处理系统的自动控制技术将有效提高工作效率，降低矿井水的处理成本[2]。

2.3 污泥处理系统

在矿井水处理过程中，预沉调节池和沉淀池中会产生污泥，预沉调节池池容不足或建设的时候未考虑排泥设施都会导致排泥不畅。离心式污泥脱水机的工作性能较差时会影响污泥的含水率以及后续的运输环节，对此需要根据污泥性质的不同选择与其所带电荷相反的高分子絮凝剂，并根据污泥量选择大小合适的离心脱水设备[3]。

2.4 消毒系统

矿井水在经过净化处理后用于工业生产环节时，消毒系统非常关键。利用二氧化氯进行消毒已经在实际生产中得到了广泛的应用。二氧化氯作为国际公认的一种高效、低毒、安全的广谱强氧化杀菌剂，能够对微生物细胞产生非常明显的吸附穿透能力，氧化微生物细胞内的生物酶，通过抑制细菌蛋白质的合成从而破坏细菌的生成，同时不产生刺激性气味或有毒有害的致癌物质。

欧美国家普遍采用紫外线对处理后的废水和饮用水进行消毒，利用紫外线的灭活机理起到净化水质的目的。紫外线消毒的优势在于不需要添加其他化学药剂且无二次污染，缺点是影响其效果因素较多，无持续杀菌能力，一般应用于小型污水处理厂。

3 结语

煤矿矿井水是一种极具行业特点的废水，经净化处理后矿井水可转化为宝贵的水资源。目前很多矿区一方面缺水，一方面又将未经处理的矿井水直接排放，不仅污染了环境也浪费了宝贵的资源。将矿井水经过净化处理作为工业和生活用水不仅可有效解决矿区缺水问题，有效保护矿区生态环境，同时还可实现矿井水的综合利用，具有显著的社会和经济效益。矿井水的资源化利用需要根据矿井水自身特征，结合当地生产、生活对水质和水量的具体要求、工程和设备投资以及技术经济的可行性，因地制宜选择适合的处理方案。

本文对现阶段煤矿矿井水净化处理常用的一些技术进行了总结，并针对某些关键的工程环节进行了探讨，期望通过技术和设备的不断进步，提升矿井水的综合利用率，助力煤炭产业的可持续发展。