高矿化度矿井水井下深度处理与浓盐水封存技术研究

郭 强，宋喜东，虎晓龙，高 峻，李井峰

(1.国家能源投资集团有限责任公司 煤炭开采水资源保护与利用国家重点实验室，北京 100011；2.国家能源集团宁夏煤业公司 灵新煤矿，宁夏 灵武 751410)

未来一段时间煤炭依然是我国的主体能源，煤炭工业的发展需要大量的水资源支撑，水资源不足是影响我国煤炭产业发展的重要制约因素[1-3]。矿井水通常是指煤炭开采过程中所有渗入井下采掘空间的水，其本身的成分主要受地质年代、地质构造、煤系伴生矿物成分、所在地区环境条件等因素的影响。煤矿开采过程中产生的矿井水主要污染物为盐类、SS和石油类等，这些矿井水排放到自然环境中，会对农业、土地、森林等资源造成不同程度的破坏。矿井水也是一种宝贵的水资源，将矿井水处理利用，不仅可以减少外排带来污染、减免排污费，还可以节约地下水资源、节省水资源费[4-6]。

本文结合灵新煤矿高矿化度矿井水处理项目，详细介绍矿井水井下深度处理工艺和浓盐水井下封存技术，为我国西部矿区矿井水处理提供一条新的技术路径。

1 矿井概况

灵新煤矿隶属于神华宁夏煤业集团有限责任公司，位于灵武市宁东镇境内，南北走向长约10km，东西两翼宽约2.8km，面积约28km2，为生产矿井，设计生产能力1.5Mt/a。灵新煤矿共有7个采区，其中一至五采区煤已经采完，六采区正在开采，七采区尚未动工。煤矿矿井涌水水源主要来自含水层水、断层构造水、老空水和生产用水。目前矿井正常涌水量为535m3/h，最大涌水量为610m3/h。水质分析表明，灵新矿的矿井水属于典型的高悬浮物和高矿化度矿井水，悬浮物含量和矿化度平均值分别达到300mg/L和4570mg/L，硬度和碱度也较高，平均值分别为1097mg/L和465mg/L。另外，从含盐组成可以看出，矿井水的主要含盐组分为钠30.9%，氯化物28.2%，硫酸盐26.3%，重碳酸盐6.4%，镁4.1%，钙3.1%，其余离子1%。

2 矿井水井下深度处理

灵新煤矿现已建成井下矿井水处理站一座，采用重介速沉矿井水处理技术，设计预处理能力为800m3/h，矿井水处理后出水水质达到了《煤炭工业污染物排放标准》采煤废水污染物排放限值要求，出水悬浮物SS≤30mg/L。经过处理的矿井水排至地面后，除少量供选矸楼及煤场降尘洒水外，其余通过地面明渠排入工业场地南侧的西天河[13]。现采用“井下直滤系统+井下反渗透系统”的“井下双膜法”处理工艺，降低矿井水的SS值和矿化度，实现矿井水井下深度处理。其工艺流程如图1所示。

图1 灵新矿矿井水水井下深度处理工艺

具体流程为来自三、五和六采区、运输巷斜巷的矿井水经汇集自流至预沉调节池，后经提升泵提升供至直滤设备，去除水中的悬浮物、胶体、微粒、细菌等大分子物质后，产水经管道自流至直滤产水池；直滤设备的错流水通过地沟自流至预沉调节池；污泥水、化学清洗水自流至污泥存储池。直滤产水池内的清水，由原水反渗透供水泵提升，依次经过保安过滤器、高压泵增压供至原水反渗透设备，脱除水中大部分的盐分后，产生的纯水经管道自流至纯水产品水池，产生的浓水经管道自流至浓水池。浓水池内的浓水，由纳滤除硬供水泵提升，经保安过滤器、高压泵增压供至纳滤除硬设备进行软化。纳滤系统的“心脏”是纳滤膜组，其作用是去除待处理水中的可溶性盐份、胶体、有机物及微生物。纳滤膜能阻挡大部分的硬度和硫酸盐，对二价离子的脱除率高于一价离子，硬度脱除率大于90%。软化产水经管道自流至软化水池，产生的浓水经管道自流至浓盐水池，由浓盐水泵提升至浓盐水库封存。软化水池内的软化水，由浓水反渗透供水泵提升，经保安过滤器、高压泵增压供至浓水反渗透设备进一步脱盐处理。浓水反渗透设备产生的纯水经管道自流至纯水产品水池，产生的浓水经管道自流至浓盐水池，由浓盐水泵提升至浓盐水库封存。经处理后的矿井水储存在纯水产品水池内，一部分井下回用，另外一部分供至地面回用。

工艺中的直滤系统是一种采用柔性陶瓷膜的加压膜分离技术，柔性陶瓷膜是一种由PTFE材料、陶瓷颗粒相组合的复合材料。在直滤过程中，水溶液在压力推动下，流经膜表面，小于膜孔的溶剂(水)及小分子溶质透过膜，成为净化水，比膜孔大的溶质及溶质集团被截留，随水流排出，成为浓缩液。溶质及溶质集团仅在膜表面有限沉积，直滤速率衰减到一定程度而趋于平衡，且通过清洗可以恢复。为防止膜污染，需定期对直滤系统进行反冲清洗，该设备选用的是气反冲清洗。该直滤系统能够将悬浮物为300～1000mg/L的矿井水直接处理至出水浊度低于1NTU。

采用上述工艺，可以有效的将矿化度为4500mg/L左右、悬浮物含量约300mg/L的待处理矿井水处理到产品水矿化度小于等于200mg/L，产品水回收率85，浓盐水浓度达到32000mg/L以上。在出水流量为500m3/h的条件下，不同悬浮物和矿化度含量的矿井水经处理后获得的产品水质量见表1。可以看出平均进水悬浮物在307mg/L时，经过直滤系统后降低到0.70NTU，通过双膜系统矿化度从4637mg/L降到161mg/L，产品水总回收率可以达到85.3%。

表1 不同进水条件下产品质量和回收率

3 浓盐水封存

经过膜法处理的矿井水约产生进水量15%的矿化度在32000mg/L左右的浓盐水。随着环保要求日益严格，废水零排放已经在内蒙、宁夏等煤矿主产地开始实施。常用的浓盐水零排放都是通过蒸发结晶进行处理，实现盐的分级回收和水的回用。矿井水井下处理时，采用蒸发结晶显然不合适，一方面是蒸发结晶能耗大，在井下布置蒸汽管道存在较大风险；另一方面，蒸发结晶产生的盐仍需输送到地面进行处理，投资高且容易造成二次污染。采用废弃采空区来封存浓盐水是一种经济合理的方式，具体过程为将矿井水处理过程产生的浓盐废水经排水管路输送入有隔水密闭墙完全密封的废弃采空区中，形成一个安全稳定的地下水库[14，15]。水库中的浓水在采空区上层的含水层补给时，浓度会随着时间的变化而降低，这样在一段时间的封存后，浓水水库中的水可以再次被抽出来进行再次浓缩处理，进一步回收淡水，同时保持浓水储库的可持续使用。考虑到浓盐水在井下储存时的环境安全性，其必须满足两个条件：一是浓盐水所含组分为钾、钙、钠、镁等无机盐常规组分，不含重金属、有毒有机物和放射性污染物等或者其含量指标满足环评标准；二是所建地下水库项目不涉及集中饮用水水源地保护区，没有特殊地下水资源保护区，建设项目区周边有浅层至中层的分散式居民饮用水井，且地下水库所在地层无联通的地下含水层，保证浓盐水不会经含水层渗流扩散。

灵新矿浓盐水储库选取区域位于灵新井田内磁窑堡至长梁山向斜的西端，灵新井田开拓的一采区的北翼，该区域地质构造简单，没有大断层，地质水文条件相对简单。该部位处于向斜西北角，属于向斜倾末端，与向斜外的其他地层没有直接的水力联系，仅第四系地下水之间在层位中存在一定的水力联系，地下水补径排条件较弱，地下水流动应处于缓慢区或滞流区。同时灵新煤矿一采区北翼下组煤14#、15#、16#的回采工作在储库选择位置已开采完毕，利用采区保护煤柱和区段保护煤柱，以及采空区构成的天然封闭区间作为浓盐水地下储库从经济和技术角度都能比较容易实现。同时测试分析，灵新矿矿井水通过井下水处理设施处理后产生的浓盐水不含放射性和有毒有机污染物，且重金属含量远低于地表水三类水标准(见表2)，满足目前环境要求。通过测量和计算，获得一采区北翼采空区浓水储库库容为380万m3以上，在水处理量550m3/h，浓水产率15%的条件下，能够满足5年的浓水储量。利用采空区进行浓盐水井下封存不仅解决了浓水处理难处理成本高的问题，同时解决了杂盐处理的问题。此外，整个过程全部在井下进行，除了产品水升井复用外，没有任何污染物带出矿井，实现了矿井水井下处理零排放。

表2 浓盐水部分组分含量和地表三类水比较

4 效益分析

4.1 社会效益

灵新矿高矿化度矿井水井下处理及浓盐水封存技术实现矿井水脱盐、净化、再利用及浓盐水地下储存，充分利用了煤矿井下采空区及原有巷道的自然空间储水，节约土地资源，有效解决了地面建设水处理厂征地难、污染大气的问题。对确保矿井附近居民的用水安全，实现矿区水资源的可持续开发，具有重要的理论和实际意义。该项目的成功实施能够促进煤矿企业和谐发展，对于煤炭行业可持续发展具有重大意义。

4.2 经济效益

在达到“零排放”(浓盐水分盐、分质结晶)的标准下，系统在井下建设时，不必将井下采煤废水全部提升至地面，大大降低能耗。同时井下建设后清仓费、主排水泵维修费、提升费用及提升磨损费及采暖费等费用大大节省。项目中井下处理系统流程简洁，操作简单，维修维护费用低，运行费用节省50%～80%。膜处理产生的浓盐水重新储存到浓盐水储库，不需要蒸发结晶处理和杂盐的处置，对比传统工艺运行费用，井下处理每吨矿井水可节约15.9元，减少建设成本1.0235亿元，每年节省运行费用865万元。

5 结 论

1)灵新高矿化度矿井水的井下深度处理和浓盐水封存改变了传统矿井水地面处理模式，实现了井下污水零升井的目标，有效的解决了矿井水外排污染环境的问题。

2)采用“直滤系统+反渗透系统”首次实现灵新矿高矿化度矿井水井下脱盐、净化和再利用，该工艺流程简洁，操作简单，维修维护费用低。处理系统在井下建设，不必将井下采煤废水全部提升至地面，大大降低能耗和投资运行成本。

3)首次采用浓盐水井下储库储存矿井水处理产生的浓盐废水。该方法不仅减少了浓盐废水蒸发结晶零排放带来的高投资高成本问题，而且避免了结晶盐的处理问题，大幅度的降低了浓盐废水的处理成本，开辟了一条浓盐废水处理的新路径。