煤矿井下疏干水处理与回用技术

吴珍， 易汉平， 田继兰， 李继定， 张弦

（1.鄂尔多斯应用技术学院 化学工程系， 内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.鄂尔多斯市紫荆创新研究院， 内蒙古 鄂尔多斯 017000）

煤矿井下疏干水主要指煤炭开采过程中井下地质性涌渗水到巷道， 为安全生产而排出的自然地下水和井下采煤生产过程中洒水、 降尘、 灭火灌浆、消防及液压设备产生的废水。 煤矿井下疏干水排水量和矿区地理位置、 煤田水文地质条件及充水因素、 采煤方式等有关［1-3］。 对煤矿井下疏干水进行处理并加以综合利用， 不但可以避免对水环境造成污染， 还可以防止水资源浪费。 处理后的水可回用于矿区生产、 绿化、 防尘等， 还可以作为矿区周边企业的工业补充用水， 矿区周边农田灌溉用水等，经深度处理甚至可作为居民生活用水水源。 对于缓解矿区水资源不足、 改善矿区生态环境、 最大限度地满足生产和生活用水需求有着重大意义［4］。

对于煤矿井下疏干水， 有关酸性煤矿井下废水中重金属的处理［5-8］、 疏干水中沉积底泥的结构形态及对底栖生物的影响［9-10］、 疏干水及底泥中稀土元素的收集［11-12］等研究备受关注， 而对于偏碱性疏干水处理以及处理后出水的资源化利用报道较少。鄂尔多斯市伊金霍洛旗地处北温带干旱半干旱大陆性气候区， 风大沙多、 干旱少雨、 蒸发强烈， 多年平均降水量为340 ～420 mm， 平均蒸发量为2 163 mm， 境内地表水与地下水资源较为紧缺。 加之近年来全旗经济社会的持续快速发展， 城镇建设、 工业项目建设的力度不断加大， 用水需求急剧增加，用水矛盾日益突出。 解决水资源短缺问题， 保障城镇生活用水和重点工业项目用水的安全， 成为伊金霍洛旗当前迫切需要解决的实际问题。

本文以内蒙古鄂尔多斯市伊金霍洛旗为例， 综述了该旗煤矿井下疏干水水质及水量状况， 介绍了煤矿井下疏干水常规处理工艺， 以及近年来为了达到GB 3838—2002 《地表水环境质量标准》Ⅲ类标准甚至“零排放”要求而进行的处理工艺及处置方式探索， 并从处理工艺、 信息化管理等角度对疏干水处理与综合利用提出建议。

1 煤矿井下疏干水水质水量分析

1.1 水量分析

在我国， 煤炭生产以地下开采为主， 为了确保井下安全， 必须排除大量的矿井水。 据统计我国每年矿井水排放量高达45 亿m3， 约占整个采矿业（有色冶金、 黄金、 化工等矿山）的80%， 而利用率仅为43.8%［13］， 与发达国家80% 的回用率相比还有较大差距。 其中大部分矿井水未经处理就直接排放到江河湖泊， 造成严重的环境污染， 同时导致大量的水资源浪费。 随着环境保护监管的日趋严格， 煤矿井下疏干水的处理与回用已经成为影响煤炭企业正常生产的关键问题之一。

鄂尔多斯市伊金霍洛旗现有大小煤矿80 家，煤炭区域面积为1 100 km2。 根据2016 年调研数据， 已开采或正准备开采的38 家煤矿井下疏干水排水量达到119 275.9 m3／d， 排水区域主要集中在伊金霍洛旗东部矿区的赛蒙特尔和淖尔壕矿区。 根据当地水利部门勘探数据， 平均每240 km2日涌水量约为5 万t， 按全旗1 100 km2矿区面积近一半存在地下涌水计算， 煤矿总涌水量为114 583.3 m3／d，与现状调研数据基本一致。

1.2 水质及适用标准

煤矿井下疏干水是受到人为干扰的地下水， 水质特性主要受地质条件、 煤层特性、 采煤工艺的影响。 疏干水中的主要污染物为采煤过程中煤粉和岩粉渗入水中形成的高悬浮固体（SS）， 水的颜色呈黑色。 受采煤机械影响， 疏干水中还含有一定的机械油和乳化油。 此外， 疏干水随煤层地质不同还可能含有砷、 汞、 氟等有毒有害离子。 疏干水按污染物种类不同可分为洁净矿井水、 高浊矿井水、 高矿化度矿井水、 酸性矿井水及有毒有害离子矿井水。

伊金霍洛旗各煤矿井下疏干水排放标准前期主要适用GB 20426—2006《煤炭工业污染物排放标准》， 自2016 年起， 由于伊金霍洛旗主要矿区疏干水的接纳水体乌兰木伦河下游与陕西省交界的国控断面部分指标超标， 自治区及当地环保部门要求沿河各煤矿井下疏干水“零排放”或者排放达到GB 3838—2002 Ⅲ类水质标准（总氮除外）。 表1 为伊金霍洛旗沿乌兰木伦河8 家煤矿井下疏干水主要排水水质指标监测数据。

表1 乌兰木伦沿河主要煤矿井下疏干水水质Tab. 1 Water quality of Drainage water from main coal pit along the Ulan Mulun River in Yijinhuoluo Banner

根据表1 可以看出， 与GB 3838—2002 Ⅲ类水水质标准比较， 伊金霍洛旗乌兰木伦河沿岸8 家煤矿排水的主要污染物指标为粪大肠菌群、 石油类和氟化物， 少数煤矿出现CODCr、 氨氮、 总磷、 挥发酚及阴离子表面活性剂超标现象， 氰化物和重金属汞均不超标。 疏干水中的粪大肠菌群超标与井下开采人为活动有关， 石油类主要受采煤机械漏油影响， 而氟化物超标可能与当地地质环境本底氟化物浓度较高有关。

此外， 虽然GB 3838—2002 Ⅲ类水水质标准对水中SS 没有规定限值， 但煤矿井下疏干水混入的悬浮煤炭颗粒会使排水感官上呈黑色， 对水质检测的CODCr指标造成贡献。 此外， 悬浮颗粒对水中氨氮、石油类、 挥发酚、 表面活性剂的吸附及迁移转化行为产生一定影响。 因此， 除了表1 中的各项指标外，SS 应为煤矿井下疏干水需考虑的一项重要指标。

2 煤矿井下疏干水处理与回用技术现状

随着政府部门对煤矿井下疏干水处理与回用的逐渐重视， 伊金霍洛旗各煤矿在疏干水处理及回用技术革新方面做了积极的探索， 从最初的以简单除浊为目的的絮凝沉淀-过滤工艺， 到目前正在推进的深度除氟处理工艺， 以及回用于井下生产和矿区居民生活饮用处理工艺， 煤矿井下疏干水正逐步“变废为宝”， 回归其“资源”属性。

2.1 常规处理工艺

伊金霍洛旗存在涌水问题的煤矿均安装有水处理设施， 最常用的工艺为絮凝沉淀-过滤工艺， 工艺流程如图1 所示。 根据处理水量的大小， 小于200 m3／d 的煤矿一般选择碳钢结构的混凝沉淀一体化设备， 涌水量较大的煤矿采用钢筋混凝土混凝沉淀池。 混凝剂通常采用常规PAC 或者PAC＋PAM。处理后的出水经石英砂或者多介质过滤器过滤后排放或用于矿区绿化、 防尘， 压泥机脱水后的泥饼主要成分为煤粉， 一般可同煤矿的粉煤一同出售。

图1 煤矿井下疏干水常规处理工艺流程Fig. 1 Coventional treatment process of drainage water in coal pit

该工艺能有效去除疏干水中的悬浮颗粒， 解决“黑水”问题， 出水基本符合GB 20426—2006 要求。但该工艺在运行过程中普遍存在混凝剂加药量大、石英砂／多介质过滤器易污堵以及导致处理水量不够等问题。 且自2016 年自治区及当地环保部门对出水水质进行提标后， 该工艺处理后出水中的粪大肠杆菌、 石油类及氟化物达不到GB 3838—2002 Ⅲ类水质标准（总氮除外）。

2.2 除氟处理工艺

某煤矿进行了1 200 m3／h 疏干水除氟工艺改造， 处理工艺流程如图2 所示。 该工艺与常规处理工艺比较， 主要增加了气浮除油和除氟滤池单元，其中除氟滤池采用的是活性氧化铝吸附法。 含氟水经过比表面积较大的活性氧化铝吸附过滤层， 设计滤速为6 ～10 m／h， 在合适的pH 值（＜7.0）条件下，水中氟离子被吸附生成难溶解的氟化物而被除去，吸附剂失效后， 用氢氧化钠溶液进行再生， 以恢复其吸附能力。

图2 煤矿井下疏干水除氟处理工艺流程Fig. 2 Process flow of defluoridation treatment for drainage water in coal pit

运行结果表明， 该工艺出水氟化物指标满足GB 3838—2002 Ⅲ类水质标准中小于1 mg／L 的要求， 处理后的出水排入附近地表水系或回用于矿区绿化、 防尘。 但该工艺存在如下几个问题： ①工艺流程长， 中间提升次数多， 动力消耗大； ②精密滤池采用传统石英砂过滤， 污堵造成处理水量不足；③酸碱调节繁琐。 活性氧化铝吸附氟离子在酸性条件效果较好， 而伊金霍洛旗受地质环境影响， 疏干水基本呈弱碱性， 运行过程需要加酸调节pH 值，处理后的出水需要重新加碱以满足排放要求； ④吸附饱和后的活性氧化铝需加碱再生， 整个过程药剂耗费量大， 操作复杂。 此工艺方案在解决疏干水氟化物超标问题上有一定的借鉴意义， 但需要在设计时充分利用势能差， 减少提升次数及能耗。 此外，开发和使用适用于弱碱性环境的高效氟离子吸附剂将为该工艺的推广提供技术支撑。

2.3 回用于井下生产处理工艺

煤矿井下疏干水经处理后除了用于矿区绿化、防尘外， 达到一定标准还可用于井下生产， 如液压支柱乳化液配制。 液压支柱乳化液配制对用水的颗粒物含量及絮凝剂残留有较严格要求， 因此常规处理工艺出水不能满足要求。 在常规工艺基础上的改进工艺如图3 所示。 该工艺在伊金霍洛旗淖尔壕煤矿获得应用， 取得较好效果。

图3 煤矿井下疏干水回用处理工艺流程Fig. 3 Process flow of coal drainage water treatment and reuse in underground production

该工艺的特点是： ①在混凝沉淀前增加了气浮除油单元， 有效降低石油类含量； ②用高效集成处理系统（HEIT）取代传统的石英砂／多介质过滤器，提升过滤精度。 HEIT 系统采用高分子滤料取代石英砂、 无烟煤等介质过滤， 并在系统运行及反洗上进行改进， 设计滤速可达30～45 m／h， 过滤精度介于微滤与超滤之间， 对进水水质及水量变化适应性强且不易污堵， 对于进水浊度不超过30 NTU 的疏干水可不经混凝沉淀直接过滤， 且短期能承受300～1 000 NTU 的高浊进水； ③在过滤出水后增加消毒单元， 降低水中粪大肠菌群含量。 经该工艺处理后的出水可满足煤矿井下液压支柱乳化液配制用水水质要求， 但该工艺对氟化物去除有限， 外排时氟化物指标不能满足GB 3838—2002 Ⅲ类水质标准中小于1 mg／L 的要求。

2.4 回用于生活饮用处理工艺

由于采煤活动长期抽取地下水， 部分矿区出现生活饮用水源不足的问题。 疏干水作为受人为扰动的地下水， 在生活饮用水源受限的情况下具备作为饮用水源的潜质。 在常规工艺基础上的改进工艺如图4 所示。 该工艺在伊金霍洛旗某煤矿得到应用，取得较好效果。

图4 煤矿井下疏干水作为生活饮用水源处理工艺流程Fig. 4 Treatment process of drainage water in coal pit used as domestic drinking water resource

该工艺的特点是： 煤矿井下疏干水经井下水仓自然沉淀后进入原水箱， 首先进行气浮除油、 混凝沉淀， 再经过多介质过滤器截留水中细小悬浮颗粒， 达到去除水中绝大多数悬浮颗粒和部分大分子有机物、 胶体物质、 金属络合物等污染物的目的。多介质过滤器出水经消毒后进入中间水箱， 部分直接回用于矿区冲厕、 洗浴等， 部分经增压泵打入RO 系统， 利用RO 膜过滤有效去除水中的溶解盐、胶体、 细菌和大部分有机物等杂质。 最后， 经过进一步消毒处理后出水达到GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》要求。

2.5 其他处理处置方式

除了以上疏干水处理工艺， 伊金霍洛旗多家煤矿在疏干水处理处置上进行了积极探索。 如为了缓解排水矛盾， 伊金霍洛旗多家煤矿对井下供、 排水系统进行改造， 形成了井下疏干水通过采空区进行自然沉淀后回用或排出地面的处置方式。 该方式有效利用了井下采空区巨大的闲余空间， 且大大减少了混凝药剂的使用量［14］。 但井下水仓储水方式需考虑一定的风险， 实施过程中需对井下水量、 堵水墙等进行较全面的监测， 避免透水事故发生。

达标排放水作为景观河道及海子（湖泊）补充用水。 对于经处理达到GB 3838—2002 Ⅲ类水水质标准的疏干水， 伊金霍洛旗建设有从东部矿区淖尔壕煤矿至城区乌兰木伦湖及东红海子的输水工程， 该工程对于增加城市景观， 改善城区微气候及生态环境起到重要作用， 但输水成本较高。

此外， 有的矿区利用疏干水及矿区大量闲置土地， 进行了循环生态经济利用探索， 如利用经气浮除油、 混凝除浊后的疏干水种植水稻， 利用地下含盐量较高的疏干水进行水产养殖。 该项目目前正在试验运行中， 若能获得良好运行效果， 无疑将给疏干水综合利用打开了新的思路， 但由于受当地气候条件限制， 疏干水生态利用可能会遇到冬季实施困难的挑战。

3 结语

（1） 煤矿井下疏干水综合治理与资源化利用，不仅能解决当地煤矿井下污水的肆意排放对环境造成的污染问题， 确保煤矿企业的正常生产运行， 更为当地缺水问题找到了一条切实可行的解决方案，对于当地居民生活用水以及工矿企业用水带来极大的资源保障。

（2） 煤矿井下疏干水处理工艺和设备应结合实际， 尽量简单、 高效、 实用。 传统混凝沉淀法仍是目前采用最为普遍的方法， 该工艺技术简单， 运行方便， 但同时存在水力停留时间长， 对水处理构筑物要求高， 对水中石油类、 悬浮颗粒等去除有限，不耐水温、 水质、 水量变化冲击， 药剂成本高以及增加后续污泥处理负担等问题。 对于特定污染物如氟化物超标的疏干水， 尽量利用现有工艺单元， 开发和利用经济高效的特定污染物选择性药剂可能是将来的发展方向之一。

（3） 煤矿井下疏干水综合治理与资源化利用还应考虑水资源网络化配置以及水资源管理信息化建设， 以实现水资源的合理有效分配以及水资源的高效、 现代化管理。 根据煤矿及工业产业的区域划分以及具体的水质水量情况， 兴建调配水工程， 加强区域内煤矿井下疏干水的集中治理以及处理后出水的资源化利用调配能力， 实现水资源合理配置和内部调剂， 提高水资源的利用效率和效益， 有效地解决水资源的供需矛盾， 达到区域供需平衡。 此外，在行政管理上， 还应建立完善的污水排放收费制度以及水资源有偿使用制度。 切实执行排水设施有偿使用， 促进排水系统、 污水处理系统以及水资源循环利用系统的良性循环。