煤矿矿井水处理技术应用现状及前景分析

王 东 升

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2. 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013;3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

煤矿生产过程中会产生一定量的矿井水，矿井水主要来自于含煤地层的顶部岩层、含水层及裂隙渗入的地表水以及煤矿生产废水。受到地下水文地质、岩层类型、矿床地质构造、煤矿开采生产活动等因素的综合影响，煤矿矿井水水质与地表水水质明显差异，前者在某种程度上属于生产废水[1]。矿井水的主要来源包括以下3个部分:① 地下水，主要来自奥陶纪灰岩水、煤系薄煤层灰岩水、砂岩裂隙水、溶洞水、采空区水、第四纪冲积层水等，矿井涌水量取决于当地气候条件、地理环境、地层构造、地质构造及开采方法、开采深度和开采范围等；② 生产废水，采矿过程中用于液压支架、机电设备、洒水降尘、清洗等产生的少量的废水；③ 通过岩层裂痕渗入的地表水。因而根据矿井水的水质不同，一般分为洁净的矿井水、高矿化度的矿井水、酸性矿井水、含悬浮物的矿井水和含特殊污染物的矿井水[2]。

我国煤炭资源和水资源分布区域均不均匀，煤炭资源分布总体呈西多东少、北多南少的趋势，而水资源分布呈东多西少、南多北少的趋势。新疆、内蒙、山西、陕西、宁夏等地的煤炭资源占我国总储量的80%左右，而水资源仅占20%。煤矿生产过程中需要消耗一定量的水，导致煤炭主产区的水资源需求紧张。矿井水作为煤炭生产的附属产物，每年产量在60亿m3以上。据统计，我国每开采1 t煤产生的矿井水量约为2t，2018年我国煤矿矿井水资源总量约68.9亿m3[3]，约占2018年我国工业用水总量的5.5%。

我国的水资源严重匮乏，矿井水直接排放不仅浪费水资源，还会对地表水和地面环境造成污染[4]，因而近年来我国大力推进矿井水综合利用。习近平总书记提出“节水优先”的新时期治水思路，国家先后出台了一系列政策措施，如2015年国务院印发了《水污染防治行动计划》，2016年国家能源局印发了《煤炭工业发展“十三五”规划》等，明确提出大力发展非常规水资源利用，推进矿井水综合利用，以提高矿井水的利用效率和利用水平，其中规划中要求到2020年矿井水的利用率须达到80%。将矿井水进行资源化利用，即通过一定的技术手段进行净化处理，处理后的水用于矿区生产、生活及其他用途，不仅能够缓解我国矿区生产用水及生活用水紧缺的问题，且可节省地下水资源，有利于煤炭产业和矿区经济的可持续发展。

1 矿井水处理技术应用现状

1.1 国内外矿井水应用现状

西方发达国家如美国、英国、德国、俄罗斯等对矿井水的处理技术和利用研究较早，处理效果显著，矿井水综合利用率均达90%以上。国外矿井水处理技术除了常规的混凝、沉淀和过滤等工艺以外，还采用了反渗透、纳滤等先进的膜处理技术以及人工湿地、可渗透反应墙、缺氧石灰沟等低成本、低能耗的被动处理技术[5]。矿井水主要应用方向主要包括工业用水、生活饮用水、农田灌溉、环境用水、矿井水回注、达标外排以及蓄热和蓄能发电等方式[6]。国外对于矿井水处理的理念较为先进，把矿井水处理利用作为环境保护工作的重点，重视矿井水回注技术，提倡利用湿地法等被动处理技术，不仅成本低，还能改善矿区环境，且认为矿井水排放愈多，水资源愈充足盈利愈多，经济效益愈大[7-8]。

国内煤矿矿井水的处理利用有所滞后。近年来，随着国内水资源需求紧缺问题的日益加剧，国家对矿井水资源综合利用的重视，相关研究机构和科研人员在学习借鉴国外先进矿井水综合利用理念和先进技术的基础上，结合我国煤矿矿井水的特点，开展了矿井水利用技术的研发和应用工作。李福勤等[9]介绍了煤矿矿井水井下复用的方向、水质要求、新技术以及工程问题。何绪文等[10]对矿井水水质进行分析，介绍矿井水处理新技术、总结井下处理就地复用关键技术并探讨了矿井水处理的新模式。周如禄等[11]对煤矿井下采空区采用曝气氧化池和压力式气水相互冲洗滤池结合工艺，将处理后矿井水作为防尘洒水和设备冷却用水就地复用，已取得良好的效果，具有流程简单、自动化程度高、处理成本低、运行稳定等优点。

目前，据相关机构统计，我国煤矿矿井水的利用效率在75%以上，矿井水主要用于以下3个方面:① 矿区及周边生产用水，主要包括井下消防、降尘，地面洗煤厂用水、工业锅炉用水等，富余的矿井水还可供应临近的电厂、煤化工及工业业园区使用；② 生活饮用与杂用水，净化处理达到生活饮用水与城市杂用水标准要求后，供应矿区及周边居民使用；③ 农林灌溉用水，主要用于矿区绿化、周边农田灌溉等。

1.2 矿井水处理技术

不同类型矿井水具有不同的物理化学性质。在处理矿井水时，需根据不同类型矿井水的特性采取使用相对应的处理技术。

1.2.1洁净矿井水

洁净矿井水水质较好，pH值为中性，矿化度低，悬浮物含量比较低。洁净矿井水可直接使用，或经消毒处理后使用。由于其含有多种微量元素，也可开发为矿泉水，可满足矿区生活用水及生态用水，因而具有良好的经济效益和社会效益。

1.2.2含悬浮物的矿井水

矿井水中的悬浮物主是煤炭开采过程中产生的岩粉、煤粒以及其他细颗粒物质，我国大部分煤矿井水中均含有悬浮物。矿井水中悬浮物的主要特性是在动水中呈悬浮状态，净化处理时主要去除悬浮颗粒和有机胶质体。常采用混凝沉淀法进行处理，其中混凝过程是矿井水处理工艺中十分重要的环节，通常添加一定量的铝盐和铁盐混凝剂[2]，使其能快速均匀地分散到水中，与矿井水中悬浮物发生吸附作用，凝聚成较大颗粒并沉降，通过沉淀去除。

含悬浮物矿井水处理工艺还包括超磁分离法和高效旋流法。超磁分离法是通过向矿井水中添加磁种介质与微磁絮凝药剂，通过絮凝吸附和磁力作用将水中悬浮物与磁种介质相互凝结并成为具备磁性的较大絮团，然后利用超磁分离设备将絮团快速分离。高效旋流法是通过旋流器高速旋转、矿井水中的悬浮物在离心力和重力的作用下实现分离的方法。

国内部分煤矿(如神东矿区)还采用地下采空区蓄水净化的方式有效去除矿井水中的悬浮物，实现了低投入、低净化成本的矿井水资源利用，净化后的矿井水主要用于生产用水。

一般的含悬浮物矿井水经过初步混凝沉淀处理后即可作为生产用水，如井下防尘、消防用水以及选煤厂补水等，或直接排放再进行净化处理后可用作其他用途。

1.2.3高矿化度矿井水

高矿化度矿井水净化处理的主要目标为脱除水中的无机盐(脱盐),目前常用的处理方法包括蒸发法、离子交换法、膜分离法等方法。膜分离法主要包括电渗析(ED)法和反渗透(RO)法2种，此为目前高矿化度矿井水净化处理主流的工艺方法。① ED法是在外加直流电场力的作用下利用离子交换膜对溶液中离子选择透过性作用，从而使无机盐与水发生分离。近年来，使用ED法处理矿井水时存在净化程度低、水回收率低、能耗高等问题；② RO法是借助于半透膜、在压力作用下进行物质分离的方法。RO法的净化效果比较好，其优点是脱盐效果好、净化水的回收率高；缺点是操作压力高，对进水水质要求高，后续需要对浓盐水进行处置。

早期部分煤矿采用蒸发塘技术对矿井水进行蒸发脱盐处理，该技术投资较低，处理成本也比较低。由于蒸发塘占地面积大、蒸发效果受季节性影响大和易发生渗透污染地下水等问题，现在使用该技术的企业较少。

高矿化度矿井水主要的处理流程包括预调沉淀、渗透浓缩和蒸发结晶等，经渗透膜处理后的水可直接回用，膜浓水需再进行蒸发结晶富集无机盐。

1.2.4酸性矿井水

酸性矿井水是指pH值小于5.5的矿井水，是硫化矿系(如煤矿、多金属硫化矿)在开采、运输、选矿及废石排放和尾矿储存等生产过程中的硫化矿物经氧化、分解并与水化合形成H2SO4而产生的酸性水。酸性矿井水在我国南方高硫矿区比较常见。

酸性矿井水处理的主要目标是降低水中的酸类物质的含量。处理方法主要包括中和法、微生物法、人工湿地法和粉煤灰吸附法，目前最常采用中和法。中和法是以石灰石或石灰等碱性物质作为中和剂，在矿井水中发生中和反应来提高矿井水的pH值。酸性矿井水主要的处理流程包括中和、沉淀、过滤等。

1.2.5含特殊污染物矿井水

含特殊污染物矿井水主要指含氟、含铁、锰等元素的矿井水。含氟矿井水主要分布在煤层与顶板岩层中含有萤石(CaF2)或氟磷灰石的地区或地下水含氟较高的区域。含铁、锰矿井水主要是煤炭开采过程中含铁、含锰的地下水渗透混入所造成，矿井水有铁腥味且易变混浊，可使地表水的溶解氧降低[12]。

含氟矿井水处理的主要目标为去除水中的氟离子。处理方法主要包括吸附过滤法、絮凝沉淀法、膜分离技术和离子交换法。絮凝沉淀法常用的药剂包括石灰乳、漂白粉、氯化铝、硫酸铝等、铝酸盐等[13]。膜分离法常用的方法包括反渗透和电渗析等。目前，膜分离法处理效果较好，在企业中应用较多。

含铁矿井水的常规处理方法有空气自然氧化法、氯氧化法和接触氧化法；对于含锰矿井水的常规处理方法主要有KMnO4氧化法、氯连续再生接触过滤除锰法、空气接触氧化法、碱化除锰法和生物氧化除锰法。

综上所述，经过多年的矿井水处理技术、设备及材料的研发应用，反渗透技术、膜处理技术、纳滤等先进的处理技术在煤矿企业均已得到应用，科研人员也正在对先进高效的处理技术进行研发。我国矿井水处理技术与国外先进技术相比已相差不大。但矿井水综合利用率还略低于西方发达国家，主要由于对矿井水处理的理念不同，国外重视矿井水资源化利用对环境保护带来的效益，而国内煤矿企业还是为了满足政策要求而进行矿井水处理，再加上其他方面的原因，因而国内对矿井水处理的积极性不高；另一方面我国煤矿数量众多，产能较小或经济效益不佳的煤矿对于矿井水资源化利用的重视程度不够。

2 矿井水处理技术应用前景

随着国家对煤矿矿井水资源利用的重视，矿井水处理技术、处理设备和材料取得明显进步，矿井水利用率逐步提高，但在矿井水处理自动化程度、矿井水处理效率和处理成本、以及矿井相关标准等方面存在不足之处。

(1)针对煤矿矿井水的综合利用和矿井水资源交易，建议出台相关政策给予支持，并通过财政补贴、税收优惠等方式扶持矿井水资源综合利用产业发展，以提高煤矿企业进行矿井水处理的积极性。

(2)应加快矿井水处理技术研发及应用。近几年，经过国外先进技术引进和国内技术研发应用，矿井水处理技术已较为成熟，但矿井水设备的处理效果和自动化程度不高，造成矿井水处理效率较低、人工成本较高，再加上部分处理技术使用的药剂和材料价格较高，导致矿井水处理费用较高，企业对于矿井水处理利用的积极性不高。科研院所和设备生产厂家应注重新型高效矿井水处理设备以及自动控制系统的研发与应用，开发廉价耐用的处理药剂并提高材料的耐久度以提高矿井水处理效率、减少工人劳动强度、提高工作效率、综合降低矿井水处理成本[14-15]。

(3)结合用水需求结构，建立合理的矿井水利用模式。不同用途对矿井水的水质要求不同，如井下消防、降尘对水质要求比较低，而工业锅炉用水、生活用水对水质要求相对严格。不同处理场所矿井水的输送消耗不同，用于井下防尘、消防和灌浆的矿井水在井下预处理后可直接使用，能够减少井下用水泵送至地面的输送消耗，剩余的矿井水再由泵送至地面进行净化处理。因而在矿井水处理系统规划时，应根据矿井水原水水质和涌水量以及矿井水不同用途的需水量和水质要求，并兼顾经济性选择适宜的矿井水处理工艺，进行统一规划及综合处理。在保障满足不用用途水质需求的前提下，避免过度投资、过度净化，对多用途矿井水资源实现梯级利用，以降低矿井水处理成本，为企业带来更多的经济效益。

(4)健全矿井水标准体系。目前，我国已发布部分矿井水综合利用的标准，但矿井水处理技术的选择和矿井水处理能效方面的标准相对欠缺。下一步应建立健全矿井水利用和监督管理标准体系，包括矿井水利用的技术标准、生产管理标准、药剂选择和出水水质的质量检查监督标准以及矿井水处理能效计算方法标准等，以保障矿井水的综合利用规范有序，实现矿井水处理产业健康稳定发展。

3 结 语

煤炭依然在我国一次能源结构中占用较大的比重，未来一段时间内仍会保持每年35亿t以上的产量，而矿井水作为煤矿开采的副产物，每年的涌水量在60亿m3以上。作为非常规水资源的煤矿矿井水实现综合利用，既可缓解煤矿生产供水不足的局面，又能避免直接排放造成的水资源浪费和环境污染，对于促进我国煤炭工业可持续发展具有重要战略意义。

经过多年的技术研发和生产应用，煤矿矿井水的处理技术日趋成熟，矿井水综合利用率逐渐提高。针对煤矿矿井水的综合利用和矿井水交易，应出台相关政策给予支持和激励，建议通过税收优惠、财政补贴等方式以提高煤炭企业进行矿井水处理的积极性，从而综合提高矿井水的利用率。今后应加快矿井水处理技术研发及应用，提高自动化控制水平，结合用水需求结构建立合理的矿井水利用模式，健全矿井水标准体系。