高悬浮物矿井水治理及资源化利用技术研究

赵俊昌

(中国煤炭地质总局水文地质局，河北邯郸 056006)

0 引言

中国煤矿多分布在北方缺水地区，据不完全统计，目前全国86个国有重点煤矿区中有71%缺水，40%严重缺水，80%的煤矿职工饮用不洁水，生产和生活用水日趋紧张，在相当程度上制约了煤炭生产和矿区经济的可持续发展[1]。然而矿井废水是煤矿排放量最大的一项，大部分矿区的吨煤排水量约为2m3[2-4]。据统计2018年全国煤矿外排矿井水约68.9亿m3，煤矿的矿井水利用率仅35%[5]。煤矿生产生活缺水和矿井水利用率较低已然成为供需矛盾，矿井水治理及资源化利用俨然成为迫切解决的技术难题。

高悬物矿井水的主要成分是煤粉和岩粉，其含量一般为每升几十至几百毫克，且其感官性状差。对矿井水中悬浮物含量实测统计表明，悬浮物质量浓度低于300 mg/L的矿井约占80%，而悬浮物质量浓度高于500 mg/L的矿井不到12%，具有悬浮物粒度小、密度低、沉降效果差的缺点[6-7]。已有高悬浮物矿井水处理技术主要包括传统絮凝技术、超磁分离技术、高密度沉降技术和煤矿地下水库技术[5]。传统絮凝技术是目前应用最多的技术，指向水体中投加絮凝剂和助凝剂，实现悬浮物沉降的过程[8]。超磁分离技术是在原有传统絮凝技术的基础上向水体中投加磁种铁，加速沉淀的过程[9]。高密度沉降技术指在原有传统絮凝技术的基础上向水体中投加高密度介质，加速沉淀[10]。煤矿地下水库技术指利用废弃的采空空间通过过滤、沉淀、吸附和离子交换实现高悬浮矿井水的净化和储存[11-14]。

尽管现有高悬浮矿井水处理手段众多，但每一种技术在具体应用过程中均有其各自的优势和弊端。因此，本文以冀中能源葛泉矿高悬浮物矿井水为例，研究其治理及资源化利用技术。

1 矿井水水量水质特征及治理目标

1.1 矿井水水量水质特征

冀中能源葛泉矿矿位于邢台市沙河市，发育地层由老至新依次为奥陶系马家沟组、峰峰组，石炭系本溪组、太原组，二叠系山西组、下石盒子组、上石盒子组，新生界第四系。该矿开采煤层为石炭系太原组5号煤，上覆顶板含水层为二叠系砂岩裂隙含水层，水质类型属HCO3-Na+型水，矿化度为0.486～0.742g/L，富水性较弱；直接充水含水层为太原组岩溶裂隙含水层，主要含五层薄层灰岩(大青、小青、伏青、山青及野青)，属HCO3-Na+型水，矿化度为0.344g/L，富水性中等；底板含水层为寒武-奥陶岩溶裂隙水，属HCO3-Ca2+·Mg2+型水，矿化度为0.228g/L，富水性不均一。5号煤顶板含水层富水性较差，底板受本溪组隔水层保护，因此矿井涌水的主要来源为石炭系太原组岩溶裂隙地下水。根据煤矿防治水台账，现矿井涌水量为150～240m3/h。

矿井水按洁净程度可分为清水和混水。清水主要来源于煤层直接充水含水层石炭系太原组岩溶裂隙水涌入井巷或从疏水降压钻孔中专门获取的优质水；混水则是指生产准备和新老生产区域渗(流)出汇入大巷水沟中的污水。清水水质较好，属洁净矿井水，可直接利用或经消毒处理后利用；混水多属于中性或偏碱性、高悬浮物矿井水，多数混水采用常规给水净化工艺即能达到饮用水标准，因此具备资源化利用的条件。

葛泉矿井下涌水排入临时沉淀池，排水量最大可达到6 000m3/d，经沉淀后在临时沉淀池于2009年11月取样化验，pH 值为7，其它污染物化验结果见表1。据表1可知矿井水属于典型的含高悬浮物矿井水。

表1 原水初沉结果Table 1 Original mine water first settlement results

1.2 治理目标

根据矿井水回收利用目的，该矿设计两个排放标准，即废水经处理后，达到《煤炭工业污染物排放标准》(CECS61—94)后回用至工业用水，如洗煤厂、井下除尘等；回用水经深度处理后，达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)，生活用水标准中未涉及的指标参考《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中的三类水标准，供职工洗浴、广场绿化、社区住宅冲厕等回用，实现废水水质的资源化利用。设计出水水质见表2。

表2 出水水质排放标准Table 2 Yielding water quality emission standards

2 矿井水治理及资源化技术

2.1 工艺流程

污水处理工艺的选择直接关系到出水是否稳定达标，运行管理是否方便，投资和运行成本的高低及运行年限的长短等，因此选择合理的处理工艺是污水处理工程建设的关键。综合考虑煤矿现有排水能力及资源化回收利用目的，本次治理高悬浮物矿井水选择工艺成熟、经济成本较低的传统絮凝工艺实现工业用水处理达标，增加活性炭过滤+消毒实现生活饮用水处理达标，同时考虑高热值污泥的回收利用，切实做到高悬浮物矿井水的资源化利用，具体工艺流程见图1。

图1 处理工艺及资源化利用流程Figure 1 Treatment process and reutilization procedures

2.2 运行概况及问题整改

本工程建设地点在葛泉矿矿区内，井下废水通过地下排水泵提升至预沉调节池。工程于2009年开始设计施工，2010年工程验收并投入使用。2017年矿井废水处理系统改扩建，改扩建完成后处理水量提升到10 000m3/d，主要增加了一套“水力循环澄清池+重力无阀滤池”。2018年11月改扩建完成并投入使用，工程自开始投入使用以来，运行稳定，出水达标。处理后的水排至矿区外，用于附近农田灌溉，得到了矿区和附近村民的一直好评。

工程运行期间存在水力循环澄清池出现大块浮泥和重力无阀滤池反冲洗频率增大两个问题。水力循环澄清池上清液运行过程中出现有大块浮泥， 且肉眼观测悬浮物较多，突然出现混凝效果很差的现象。研究发现此问题是由于水力循环澄清池中添加絮凝剂为三氯化铁，三氯化铁的最大特点是投加量不易控制，量大或量小都会出现混凝效果差的现场。选用聚合氯化铝作为混凝剂后，问题得到解决。重力无阀滤池在运行过程中反冲洗频率增大。经过观察、研究发现此问题系进水时水流会带入空气至重力无阀滤池后无法排出，使得滤池内部压力增大，经常出现反冲洗频率过多现象。通过在进水管路最低处安装气水分离器将空气排出，问题得到解决。

3 运用效果评价

2018年11月该工程改扩建完成到2019年5月份，两次现场回访，矿井水处理系统基本满负荷运行且运行良好。第二次回访期间取中间水池出水和清水池出水进行水质化验，中间水池化验结果见表3，清水池出水化验结果见表4。

表3 中间水池监测结果Table 3 Intermediate pool monitored results

表4 清水池监测结果Table 4 Clean water pool monitored results

据表3及表4可知，本文提出的高悬浮物矿井水治理及资源化利用技术出水水质稳定达标。

4 结论

高悬浮物矿井水治理及资源化利用，选择工艺成熟、经济成本较低的传统絮凝工艺实现工业用水处理达标，增加活性炭吸附和消毒实现生活饮用水处理达标，同时考虑高热值污泥的回收利用，切实做到高悬浮物矿井水的资源化利用。