煤炭矿井水处理工艺简析

王 前

江苏源拓环境科技有限公司

1 前言

煤炭是我国重要的基础能源和原料，在国民经济中具有重要的战略地位，在我国一次能源结构中，煤炭占到70%以上，2019年，全国原煤产量为37.5亿吨，为我国的国民经济和社会发展做出了巨大的贡献。在煤炭开采的过程中不可避免地大量排放矿井水和破坏水资源。

目前，全国煤矿矿井水排放量巨大，吨煤废水量约为2m3～4m3，按2019年原煤产量计算，废水排放量超过100亿立方米，约占整个采矿业(有色冶金、黄金、化工等矿山)的80%，而利用率约为26%。且我国大部分富煤地区就是贫水地区，这些矿区用水短缺十分严重。一边是大量排放的有污染的矿井水，一边是生产生活所需洁净水的巨大缺口，这就是我国煤炭开采业所面临的现实。因而将矿井水进行处理、回收再利用，不但能减轻环保压力，改善生态环境，还能实现一部分经济效益。

2 矿井水来源及特点

2.1 矿水的来源

矿井建设和生产过程中，流向井筒和巷道的水称为矿井水。矿井水来至大气降水、地表水、地下水和老窑积水等。

2.2 矿井水的分类及特点

（1）洁净矿井水：水质清洁，与地下水相当。

（2）悬浮物矿井水：主要悬浮物为煤粉颗粒，还包含一部分岩粉和黏土等，颜色为黑色，含有一定的盐分、硬度、碱度等。

（3）高矿化度矿井水：高含盐量，一般同时具有高硬度、高碱度的特点。

（4）酸性矿井水：PH值较低。

2.3 矿井水处理的技术现状

含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水和酸性矿井水的处理工艺基本成熟，其处理流程如下。

（1）含悬浮物矿井水。含悬浮物矿井水的处理目前多采用一体化净水工艺。该工艺集混凝、沉淀、过滤于一体，采用钢制结构，具有紧凑、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。

（2）高矿化矿井水。高矿化度矿井水的预处理工艺同常规矿井水相同，在后续工序中增加了除盐工序。除盐工序有蒸馏法、离子交换法、电渗析法和反渗透法等，因反渗透法具有成本低、模块化、快速建设的特点，已经成为现阶段我过矿井水除盐工序的主流工艺。

（3）酸性矿井水。酸性矿井水的处理主要是采用石灰或氢氧化钠加药进行中和后再利用高矿化矿井水工艺进行处理。

（4）深度浓缩。以上传统处理方法都不能实现废水的零排放，且经过反渗透浓缩后虽然回用了80%左右的产水，但仍有20%的废水需要排放，且这部分废水的盐度更高，对环境污染更大，因此需要对这部分浓缩后的废水进行进一步处理。

深度浓缩是在传统处理的工艺基础上增加蒸发结晶工艺段，从而将固体盐分彻底分离处理，实现彻底的废水零排放。其中固体盐可进行固化等无害化处理后进行填埋处理，回用水可用于生产及生活用水。

3 矿井水深度回用及资源化利用

目前的主流工艺已经实现了淡水资源的部分回收利用，但废水中仍有部分淡水进行了排放，且废水中的有用盐分并未得到利用，反而是作为了污染源进行排放。矿井水深度回用的核心是水的回收率接近100%；资源化利用的核心是将废水中的主要盐分进行分离提纯，使之达到可工业应用标准，也就是分盐结晶工艺。

矿井水等高盐废水中分盐结晶过程的分离对象主要是氯化钠和硫酸钠，其它成分要么含量少，要么在预处理过程中转化成了氯化钠和硫酸钠。分盐结晶工艺主要有两种流派：传统流派是直接利用废水中不同无机盐的浓度差异和溶解度差异，通过在结晶过程中控制合适的运行温度和浓缩倍数等来实现盐的分离，即通常所说的热法分盐结晶工艺；新兴流派是随着高分子膜产业的飞速发展而出现并逐步扩大市场的，新兴流派是利用氯离子和硫酸根离子的离子半径或电荷特性等的差异，通过膜分离过程在结晶之前实现不同盐之间的分离或富集，再用热法结晶过程得到固体，即膜法分盐结晶工艺。

热法分盐通常有直接蒸发、冷冻（冷却）结晶、盐硝联产等方式，由于直接结晶得到的盐纯度较差，冷冻结晶能耗较大，因此实际应用上多以盐硝联产为主。膜法分盐目前主要是应用纳滤膜来进行一价盐和二价盐的分离。

3.1 盐硝联产

为了得到工业级精制盐的纯度，热法分盐通常采用盐硝联产的方式，在矿井水处理上，采用高温出硝→硝母液低温出盐→盐母液回高温出硝的嵌套联产工艺，同时得到高纯度的工业级氯化钠和无水硫酸钠。工艺流程如图1。

3.2 纳滤分盐

纳滤分盐工艺主要利用纳滤膜对二价盐的选择性截留特性，实现一价盐氯化钠和二价盐硫酸钠在液相中的分离，氯化钠主要进入纳滤透过液，硫酸钠则在纳滤浓水中被浓缩。通过对纳滤透过液和浓缩液分别进行结晶处理，最终实现氯化钠和硫酸钠结晶盐的回收。目前高性能的纳滤膜可以做到产水侧氯化钠含量与浓水侧硫酸钠含量均达到98%的水平，经纳滤分开后的两种盐溶液分别蒸发结晶得到高纯度的工业盐，由于浓水侧也会截留部分COD、重金属等，因此，纳滤分盐常结合再结晶工艺或深度预处理工艺。

图1

图2

3.3 分盐工艺投资与运行成本对比

本文针对矿井水零排放的投资和运行成本做了简要的测算，测算是建立在处理水量不小于20t/h，含盐量5%的假设条件下，测算结果如表1。

表1

经测算，盐硝联产工艺因不需要购置纳滤膜，因此在初投资上占有优势，但因为部分废水反复循环蒸发，导致运行成本较高；而纳滤膜则反之，初投资较大，但一次性分盐后分别蒸发，无反复过程，因此运行成本较低。因此，两种工艺互有短长，都成为主流的矿井水处理工艺之一。

4 结论

随着环保政策的收紧以及企业的自身发展需要，煤炭开采行业产生的矿井水逐渐由简单处理后达标排放转变为废水的零排放，提高水的回收率的同时，也可以回收矿井水中的盐分进行资源综合利用，矿井水零排放处理已经成为了时代要求和企业的必然选择。盐硝联产工艺和纳滤分盐工艺已经成为主流的资源化利用主要手段，两者在投资造价和运行成本上各有优劣，均有一定的市场占有率。