煤矿矿井水处理技术及资源化综合利用

杨廷超

（河北省煤田地质局 水文地质队，河北 邯郸 056001）

0 引言

煤炭作为我国的主体能源，开采量巨大。伴随着煤炭开采及采煤人工干预过程对地质条件变化的影响，使地下水、煤层、岩层和微生物之间相互接触，发生一系列复杂的介质间物理、化学和生化反应，继而产生极具煤炭行业特色的矿井水。

很长一段时间以来，由于未充分认识到矿井水资源的重要性，我国对矿井水资源疏于管理，矿井水往往未经处理直接外排，不仅对地表水、地下水造成严重的污染，还会导致矿区周边土壤性质发生变化，对当地环境产生不利影响。同时，我国煤矿矿区水资源结构单一，大多过度依赖地表水和地下水，矿井水的肆意排放加剧了矿区的缺水现状。研究矿井水的资源化，在缓解缺水、优化矿区水资源利用结构及防控环境的污染中发挥重要作用。

1 国内外煤矿矿井水综合利用现状

国外工业发达国家的煤炭资源和水资源禀赋和我国有所不同，所采用的开采工艺与方法和我国亦有一定的差异，导致对于矿井水的处置思路也有不同。国外工业发达国家通常经适当的处理后用于生产、生活用水，剩余水资源简单的无害化处理，达标排放至地表水体。

俄罗斯煤矿矿井水排放量大，约20×108t/a，早期矿井水随意排放，对矿井附近的流域造成巨大污染，导致部分河流(如米乌斯河、卢干河等)中的水生动植物一度绝迹。为了缓解矿井水排放所造成环境污染，俄罗斯对矿井水处理和资源化利用方面的研究包括：①简单混凝沉淀澄清和消毒后外排入水体；②净化处理后作为洗煤厂和井下防尘等工作的水源水；③净化以及淡化后作为生活用水或工业用水。

德国的莱茵褐煤矿和希腊南部的米加波罗里褐煤矿，利用潜水泵在煤矿井地下水补给边界处强排后输送至电厂发电[1]。日本矿井水除部分用于洗煤外，大部分经沉淀处理去除悬浮物后排入地表水系[2]。匈牙利外多瑙河煤矿，矿井水的水质较好，达到饮用水标准，通过售卖给城市供水部门，获得了可观的经济效益[3]。

我国吨煤矿井水外排量较高，据统计，我国吨煤产水量约2.1 t，每年矿井水产生量接近70 亿t，但矿井水整体综合利用率较低。2010 年利用率约为60%[4]，近年来，在我国“矿井水利用专项计划”等各项激励政策的指导下，主要产煤省区及各大煤业集团逐渐走向规模化、系统化，矿井水利用水平迅速攀升，尤其对矿井水的深度处理及综合利用方面愈发重视。“十三五”末即2020 年达到80%，但整体而言，我国煤矿矿井水还存在与西方发达国家90%以上的利用率还有差距，利用发展不均衡等现状。目前我国矿井水资源化主要应用于煤矿区生产用水、生活杂用水、农田水利灌溉及其他用水（水源热泵、地下水补充回灌水、矿泉水等）。

2 煤矿矿井水处理工艺进展

一般而言，按照环境影响，将矿井水可分为洁净矿井水、高悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含有有害有毒元素矿井水5 类[5]。

2.1 洁净矿井水

洁净矿井水主要来自石炭系和奥陶系灰岩水、砂岩裂隙水等，是煤炭开采中未被污染的地下水。其水质好，感观好，pH 呈中性，无毒无害，通常经简单消毒处理后便可饮用。少量洁净矿井水富锶、含偏硅酸等一些对人身体有益元素，可以加工为矿泉水，如原北京矿务局“九龙山牌”矿泉水。

2.2 高悬浮物矿井水

煤炭开采过程中会产生大量的煤和岩粉的粉尘，这些粉尘进入矿井水中，造成水中含有较多的悬浮物。由于煤的密度仅为1.5 g/cm3，远小于泥沙等颗粒物的比重（2.4～2.6 g/cm3），且悬浮物自然沉降速度受其粒度小的影响也较慢，这些因素都导致这些悬浮物处于稳定的悬浮状态，虽浓度低，但呈黑色导致感官较差。高悬浮物矿井水类型约占我国北方煤矿的60%，采用的工艺较为统一，大部分均采用澄清+过滤处理后排入地表水体，所采用工艺的原理一般为重力沉降，所采用的药剂多为Al2（SO4）3和PAM，个别案例也有采用FeCl3和石灰。絮凝反应所形成的污泥经脱水后成型固化。

2.3 高矿化度矿井水

高矿化度矿井水的形成是因为地下水在岩石裂缝流动过程中，会溶解岩石内的可溶性固体，导致含盐量的升高。一般将无机盐总含量大于1 000 mg/L，大多在3 000 mg/L 之内，少量可达4 000 mg/L，最高可达15 g/L。其成分主要含有Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO2-4、Cl-、HCO-3 等离子，pH多呈中性或偏碱性，硬度大，悬浮物也较高。高矿化度矿井水会对土壤产生盐渍化的不良影响，因此不能用作灌溉农田的专用水。

我国高矿化度矿井水主要分布在东北、华北地区，常规处理为混凝+沉淀+过滤+脱盐处理。主要包含离子交换、化学试剂脱盐(CaCO3、Na2CO3、CaSO4等)、膜过滤、热力脱盐等。离子交换适用于处理相对较低浓度矿井水。热力脱盐采用蒸馏淡化法，适用于含盐量大于4 000 mg/L 矿井水，但由于处理单位体积成本过高，对于含盐量过低的废水不适用。齐俊启[6]针对峰峰集团梧桐庄矿高矿化度矿井排水，通过钻探手段实施回灌孔回灌至奥灰含水层治理的技术方法，对矿井废水实现了地面零排放。

2.4 酸性矿井水

酸性矿井水pH 值小于6，一般由硫化物氧化造成。当开采煤层含有硫时，硫在空气和人类活动所带进的微生物共同作用下发生氧化作用产生硫酸，导致呈酸性。其对环境主要产生的危害主要体现在酸性水极易溶解煤及岩石中分布的金属，导致铁、锰和无机盐类离子浓度增加，使矿化度、硬度升高，还会使岩石及煤矿中的一些重金属离子在酸性水中富集，呈现明显黄色。酸性矿井水的处理工艺国内外基本一致，都是采用碱性物质进行中和，再后续处理。通常投入CaCO3、CaO 等碱性物质进行中和反应。武云志[7]采用一种矿物质吸附酸性废水中的硫酸根离子，徐建平[8]等人采用可渗透反应墙(PRB)去除酸性矿井水中的Cu2+、SO2-4，邵武[9]采用煤矸石作为人工湿地填料处理酸性矿井废水等，均取得较好的处理效果。

2.5 含特殊污染物矿井水

含特殊污染物矿井水主要来源于煤或岩石中铜、铁、锰、铅等重金属，铀、镭等放射性核素以及一些氟矿物在水中的溶解。其中，含铁、锰矿井水中的Fe2+、Mn2+为低价状态，抽至井上在氧气的作用下Fe2+极易氧化为高价态，导致水的铁腥味变重，水易变浑浊。目前常用除氟包括吸附、膜分离及电凝聚等方式。翟宇等[10-12]采用改性矿石吸附矿井水中的氟离子，去除率最高可达70%。对于重金属的去除，王建兵等[13-14]采用经高锰酸钾溶液改性锰砂滤料对高铁锰矿井水进行处理，周福来[15-16]等人采用煤炭燃烧后所产生的粉煤灰对含有重金属的矿井水进行处理，均取得较好的去除效果。放射性核素具有一定地域性，我国西部及西南部的矿区总α 放射性水平相对较高，里面放射性元素或裂变产物会对人体造成内照射，导致放射性疾病，因此矿井水资源化务必考虑放射性超标元素。含特殊污染物矿井水处理起来比较复杂，对人体及环境危害较大，目前仍需针对不同污染物类型寻求高效价廉的处理工艺。

3 矿井水综合利用存在问题

（1）对矿井水资源的正确认识还不够。矿井排水作为煤矿企业生产的附属产物，得到的重视程度、正确认识还不够。大多煤业集团重视采煤生产效益，轻视矿井排水附属效益，矿井排水“不会抓、无力抓、抓不实”。甚至认为矿井水感官上“黑、脏、臭”，处理工艺复杂，利用率较低，没有把矿井水纳入“第二水资源”的用水及效益计划。

（2）矿井水利用发展不均衡。我国矿井水利用存在较强的地域性，对于相对缺水地区，矿井水能够得到一定的重视，利用率较高，尤其以山西、内蒙古等地矿区为代表，整体利用率可达80%以上。相对水资源条件较好的地区，如我国西南、东南部分矿区，因经济效益不显著，其利用率低于全国平均水平。

（3）矿井水资源利用的方式方法缺乏国家激励引导。由于矿井水水质、排放水量的复杂性及处理工艺的不合理性，导致很多煤业集团虽然投入了大量的工作，却没有取得预期的效益。针对采矿区复杂的地层及构造条件，矿井水水量、水质及复杂的变化特点，未经过深入的研究及统计测试。同时缺乏对不同类型矿井水利用方式的统筹规划、分析。导致投入产出比低于预期，同时造成了人力、物力及财力的重复投入及较大的浪费。因此，针对矿区水文地质类型划分、矿井排水的深入研究尤显重要。

4 结论

综上，本文通过论述矿井水国内外研究现状，具体介绍几种不同类型的矿井水以及国内外针对不同类型矿井水的处理和资源化利用方式，并详细分析了目前矿井水综合利用存在的问题，并对矿井水的处理和资源化利用作如下总结。

（1）在政策方面。一是强化执法监督，严格限制新批水源，优先选用矿井排水。二是因地制宜制定矿井水利用优惠政策，提高中小型煤矿企业利用的积极性。对矿井水处理和利用项目，必要的时候还可以提供资金支持或税收补贴，使企业从经济角度考虑自愿进行矿井水开发利用。

（2）在技术方面。根据不同回用途径的矿井水利用标准，鼓励技术创新，扩建改造现有的矿井水处理系统，加强水计量数据的应用管理与水质监测，提高水资源利用率。对高耗水行业要最大限度的使用矿井水，代替对地下水的使用。

（3）在社会层面。拓宽融资渠道，适当引入社会资本联合开发，延伸矿井水综合利用下游产业链。有条件的矿区采用水源热泵进行供暖（制冷），并积极寻求下游用户，鼓励废弃矿井老窑水供暖（制冷）的综合利用，降低水处理成本。