河北省矿井水资源化利用现状研究与展望

2022-03-16王伟乔郑丽娟

区域治理 2022年8期

王伟乔，郑丽娟

1.河北省煤田地质局环境地质调查院；2.河北省煤田地质局第四地质队

众所周知，煤炭资源的开采是一个系统工程，煤炭资源在开采的进程中，必须源源不断地抽、排地下水，这部分地下水在排放过程中充分与煤、岩层接触，并受人类生产生活的影响，就发生了一系列由简单到复杂的化学、物理反应，有时甚至是生物化学反应，这就是具有显著的煤炭工业行业特征的矿井水。矿井水就组成成分而言，不仅含废机油、润滑油等一系列有机污染物，还含有大量悬浮物，且含量远高于地表水中悬浮物含量，其粒度比较小、比重比较轻、沉降速度较慢、混凝效果和感官性状也都较差。

一、矿井水资源化利用的紧迫性

《国家矿产资源“十三五”规划》确定的全国14个煤炭生产基地之一就在河北。包括唐山的开滦煤田、邯郸的峰峰煤田、张家口的宣下煤田等大型煤田，是河北省主要的煤炭生产区。据国家能源局统计，截止到2019年底，河北省生产煤矿共计37个，生产能力约6105万t/a。由于地下水位埋藏浅，受采掘影响的主要含水层富水性强，因此，煤炭开采抽排地下水量很大。据相关资料显示，河北煤矿每生产1t原煤，矿井排水量约在4m3左右，以此推算，河北省每年煤炭开采抽排地下水量约为2.44亿m3左右。煤炭开采产生的大量矿井水，不仅严重影响了矿区及周边生态环境，更是对宝贵水资源造成了严重浪费。河北省地处我国北方，是我国严重缺水省份之一，水资源严重不足。据国家水利厅《2020年全国水资源公报》显示，2020年，全国水资源总量31605.2亿m3，其中，河北水资源总量仅为146.3亿m3（扣除地表水和地下水资源的重复计算量）,比多年平均值少58.43亿m3，仅占全国水资源总量的0.46%，资源性缺水成为河北的基本省情水情。2020年各省级行政区水资源分布见图1。一边是水资源严重短缺，另一边是矿井水排放浪费，因此，提高矿井水资源化利用水平，实行最严格的水资源管理刻不容缓、不容置喙。

图1 2020年各省级行政区水资源分布图

二、矿井水资源化利用发展历程

为推动矿井水资源化综合利用，国家发改委早在2006年底就印发了关于矿井水资源化利用的指导性文件—《矿井水利用专项规划》，规划提出，要逐步提高矿井水资源化利用水平，争取到2010年，全国矿井水资源化综合利用率能达到70%。

2013年，针对矿井水资源化利用，国家发改委又联合国家能源局在2006年发布的《矿井水利用专项规划》的基础上，印发了《矿井水利用发展规划》，规划对全国矿井水综合利用水平提出了新要求，到2015年，全国矿井水资源化综合利用率要提高到75%。同年，《煤炭工业“十三五”发展规划》出台，提出最晚到2020年，全国矿井水资源化综合利用率要再提高5%，达到80%。

2019年，国家市场监督管理总局联合国家标准化管理委员会共同发布了矿井水处理及回用的技术性指导文件，如《高矿化度矿井水处理与回用技术导则》《酸性矿井水处理与回用技术导则》，以此作为矿井水资源化综合利用的重要规范性文件，为以后全国各地矿井水综合利用提供科学依据与技术支持。

2020年，为了保护水资源，防治水污染，国务院正式颁布了《水污染防治行动计划》，又称“水十条”。“水十条”对类似矿井水这样的再生水利用加以支撑和鼓励，要求把污染及缺水严重的地区作为重点，加强对再生水利用基础设施的建设和完善。要优先把再生水运用到工农业生产、城市道路绿化、抑尘、车辆冲洗、建筑工程用水等方面，大力推进矿井水综合利用进程。同年，为推动煤炭资源开发环评管理更加规范化，促进煤炭资源开发，使其与生态环境保护相协调，生态环境部、国家发改委、国家能源局三部门联合印发了《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》。该通知的发布指出了矿井水管理的新思路，矿井水的用途应优先考虑项目建设及工农业生产，鼓励支持多种用途、多种方式综合利用多余矿井水。矿井水在最大限度利用后，依然有剩余、的确需要向外排放的，不仅要符合相关法律法规及政策条件，其水质因子还应满足甚至优于受纳水体地表水环境质量对应值，含盐量的范围控制在0-1000mg/L，而且不能影响上下游相关河段的水功能需求。此次矿井水管理思路的调整，不仅有助于摸清矿井水资源家底，还可以倒逼矿井水资源利用率进一步提升，实现矿井水由无害化处理到资源化利用。

三、矿井水类型及处理方式

按照国家标准，矿井水根据水质类型可分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含有毒有害元素矿井水，共五类。河北省的矿井水类型主要为含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水和酸性矿井水三类。

（一）含悬浮物矿井水处理

含悬浮物矿井水一般是指含较多煤粒、岩、粉等悬浮物或油类有机污染物，水质为中性、矿化度低(矿化度小于1000mg/L)，未检出或微量检出金属阳离子、基本上无毒无害的矿井水。

根据悬浮物的特性，含悬浮物矿井水，在处理时主要需经过混凝、沉淀、过滤等流程，常用的混凝剂有铝盐、铁盐等混凝剂。原则上含悬浮物矿井水一般都采用混凝—沉淀方式进行一次处理，进而达到井下生产用水或抑尘用水标准。如需满足生活用水要求，则需再经预氧化、过滤、消毒等工艺进行二次处理。详细处理流程如图2所示。

图2 含悬浮物矿井水处理流程图

（二）高矿化度矿井水处理

高矿化度矿井水，是指矿井水中Ca2+、Mg2+、Na+等阳离子和CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-等阴离子含量远超行业标准，含盐量在1000～4000mg/L。若将这些矿井水直接外排，很容易造成周边土壤盐碱化，污染水环境和土壤环境，影响农作物生长，使农业减产，影响农民增收。在我国，最初的高矿化度矿井水处理主要采用蒸发塘工艺。该工艺具有运行成本低、运营维护简单、使用寿命长且能充分利用清洁能源太阳能等优点，但由于其占地面积大，受季节变化影响明显，所以逐步被膜分离法、离子交换法和蒸发结晶法代替。目前，我国高矿化度矿井水的处理主要是采用膜分离法中的反渗透法(RO)和电渗析法(ED)。RO工艺一般情况下分为两步：第一步是通过预处理来去除矿井水中的大量悬浮物，采用的技术是常规混凝—沉淀技术；第二步是脱盐处理，通过脱盐处理使得处理后的矿井水含盐量达到《生活饮用水卫生标准》，其工艺经长期实践并不断改进已日臻成熟。ED工艺处理后的矿井水，则多用于矿区内部抑尘或消防，其处理程度相对较低，处理后的回收率仅在50%左右。高矿化度矿井水处理流程如图3。

图3 高矿化度矿井水处理流程图

（三）酸性矿井水处理

酸性矿井水的PH值—般介于2至4间，主要含SO42-、Fe3+、Fe2+等。酸性矿井水如不加以处理直接外排，会腐蚀排水管道、排水设备等其它机电设备，导致周围水体水质矿化、硬度增加，造成严重的环境污染。同时，煤矿企业也会因排污费、水资源损失费的缴纳而付出沉重的经济代价。目前，酸性矿井水的处理方法通常有中和法、人工湿地法和微生物法三种。中和法，即通过投加碱性化学试剂从而使矿井水中的酸根离子与碱性化学试剂发生化学反应实现中和的方式。中和法是目前为止已知的处理酸性矿井水的最常用方法。日常适合做中和剂的有石灰石、大理石、生石灰等碱性化学物质，其主要化学成分为CaCO3、CaO和Ca(OH)2。其中，尤以石灰石和生石灰的应用最为广泛。人工湿地法由于对P、N等营养物质去除能力强，出水稳定、管理维护简单、运行成本和技术要求低，且兼具环境美化作用，作为简单有效处理酸性矿井水的工艺，在我国应用前景广阔。利用微生物法处理酸性矿井水的工艺，在欧美和日本等发达国家已进入实际应用阶段，且前景十分广阔。其主要原理为利用硫酸盐还原菌，通过异化硫酸盐的生物还原反应将硫酸盐还原成H2S，再利用某些微生物将H2S氧化成单质硫，再进行过滤。

四、工作方法和实施方案

（一）工作方法

1.资料收集

收集各生产矿山矿井水资源台账（包括资源量、可利用量、外排量等）、水文地质类型划分报告及论文文献等资料。

2.实地调查

（1）实地走访矿方或当地居民，就矿井水种类、利用现状、处理工艺、资源化技术创新等进行询问、调查和了解记录。（2）样品采集。对各生产矿井地表水、生产用水及其它水资源进行样品采集，每个矿井拟采集样品3件。（3）化验测试。对采集的样品进行水质分析测试。

3.综合分析

对调查成果以及测试数据等资料进行汇总和综合分析，编制表格及相关图件，建立河北省煤矿矿井水资源化Excel数据库，并提交最终成果报告。

（二）工作部署和实施方案

本次河北省矿井水资源化利用现状研究工作，旨在通过系统收集省内各生产煤矿矿井水相关资料、现场调查和样品化验测试的工作方法，详细了解各煤矿矿井水利用现状，建立河北省煤矿山矿井水资源化利用现状数据库，编制成果报告。其内容包括如下几个方面：（1）不同煤矿山抽排矿井地下水层位、水质特征、矿井水污染类型；（2）不同煤矿山矿井水的水温、水质状况，污染物来源及治理现状；（3）矿井水资源化利用现状，如煤矿生产过程用水，包括煤炭加工和采煤等；矿区生活用水，包括生活饮用和使用；其它途径用水，包括建筑用水、农业灌溉、矸石山灭火及其它用水等。

五、主要实物工作量

收集调查区内矿井水资源化利用相关资料10件（套）；拟调查37个矿，每个矿采集水质分析样3件，共计111件；调查设计、综合研究、编写报告各1份；项目检查验收和绩效评价；建立河北省煤矿山矿井水资源化利用现状数据库。

六、资源化利用现状

矿井水资源化利用是一项社会性系统工程。近年来，河北省各煤矿在矿井水处理利用方面采取了很多措施，也取得了一些成效，矿井水处理率达90%以上。经处理后的矿井水，水质良好，浊度小于3NTU,COD浓度在30㎎/L以下，能满足一般工业用水水质要求，能达到城市杂用水、农田灌溉用水和城市景观水标准。目前，在河北省，矿井水经处理后主要有以下几个方面用途：矿区生产过程用水，包括煤炭开采、加工、抑尘等方面用水；办公区日常生活用水，包括盥洗、绿化和生态景观用水；其它途径用水，包括建筑工程、农业灌溉、电厂发电及其它用水。总体来讲，利用率达80%以上。

七、存在问题及对策

（一）问题

河北省的矿井水处理及资源化利用虽已经达到一定水平，但仍存在以下问题：（1）虽然按照相关政策要求，各煤矿企业在矿井水处理及利用方面已采取了多项措施，但由于各矿山所处自然地理环境及周边经济发展水平不同，因而矿井水资源化利用的途径也就不同，再加上处理成本居高不下，这些都导致了矿井水资源化利用总体水平并不高。（2）受煤炭市场产能过剩，以及国家绿色、低碳、环保新发展理念的影响，河北省内大多数煤矿现都已停产或关闭，即使是生产矿区，经济效益也普遍下滑，这些都严重影响矿井水治理投入成本的增加。（3）由于大部分煤矿企业位于农村或偏远郊区，附近几乎没有大型工业企业，因此，矿井水处理后除一部分自用外，剩余的基本都外排，主要用于附近农田灌溉，外售的可能性小，直接经济效益也很低。但是，为了缓和矿企与周围居民的关系，又必须保证这部分供水的水量和水质。（4）矿井水资源化综合利用潜力不清。矿井水的资源化综合利用牵涉到矿山开采企业、水务管理部门、市政供水部门、煤矿安监部门、应急管理部门、环保部门等各行各业的方方面面，这种多头领导直接导致了矿井水利用缺乏统一的监管和检查、行业间协调不到位及信息共享不及时等问题。此外，基础数据信息不全、权责不明，这些都导致矿井水资源化综合利用潜力不清。

（二）对策

（1）矿井水要在时空、数量、质量以及用途等方面实现资源的合理优化配置，用好、用足“从下到上，从工业到生态，最后再到农业”的管理策略，由近及远、先易后难，逐步、有计划地提高矿井水综合利用率，从而实现区域间矿井水高水平、高层次循环利用和资源化合理配置。（2）政府要致力于建立良好的矿井水资源化利用鼓励机制，对于矿井水资源化利用项目应给予政策优待与扶持。