高矿化度矿井水处理技术及资源化利用研究

严新峰，折 乐，蔡亚萍，丁红英

（宁夏回族自治区生态环境工程评估中心，宁夏银川 750001）

高矿化度矿井水的处理是一个复杂而关键的过程。传统的处理方法往往效果有限，难以满足环境保护和资源利用的要求。因此，研究人员不断探索新的处理技术，以提高处理效率和资源回收率。离子交换法、蒸馏法、电渗析法和反渗透法等新型处理技术因其高效性和环保性而备受关注。同时，高矿化度矿井水的资源化利用也成为一个研究热点，通过回收金属、盐类和热能等资源，可以实现矿井水的循环利用，降低对自然资源的依赖。

1 高矿化度矿井水处理及资源化利用的重要性

宁夏回族自治区位于我国的西北部，是一个矿产资源丰富的地区。在该地区，矿井水处理及资源化利用工作具有重要意义。

1）高矿化度矿井水处理及资源化利用工作对于保护生态环境具有重要意义。随着煤矿开采和利用的不断深入，矿井水问题日益突出。高矿化度的矿井水一旦排放到环境中，会对周边土壤、水源和生态系统造成严重污染，甚至危害周边居民的健康。因此，对高矿化度矿井水进行有效处理，可以有效减少对环境的污染，保护当地的生态环境。

2）高矿化度矿井水处理及资源化利用工作对于促进资源循环利用和节约能源具有重要意义。在资源紧缺的当今社会，矿井水中所含的各种矿物质和元素资源并不可忽视。通过科学的处理和提取技术，可以将矿井水中的有价值物质进行有效回收和利用，实现资源的再利用和循环利用。同时，在处理过程中，还可以充分利用矿井水中的热能和压力能等能源，实现能源的节约和资源的高效利用，符合可持续发展的理念。

3）高矿化度矿井水处理及资源化利用工作对于改善当地人民生活和经济发展具有重要意义。宁夏回族自治区是一个人口密集、资源相对匮乏的地区，而且煤矿资源开发也是当地的支柱产业之一。

通过对高矿化度矿井水进行有效处理和资源化利用，可以提供清洁的饮用水资源，改善当地居民的生活条件。同时，将矿井水中的有价值物质进行回收利用，可以为当地经济发展提供新的增长点，推动当地产业结构的调整和优化，促进经济的可持续发展[1]。

2 高矿化度矿井水处理技术的应用

2.1 离子交换法

在离子交换法应用的过程中，进行预处理。这一步骤旨在去除水中的悬浮物、悬浮胶体、颗粒物等杂质，以减少对离子交换剂的污染和损坏。预处理方法包括过滤、絮凝、沉淀等，可以根据实际情况选择合适的方法。之后，使用离子交换剂，将水中的有害离子与交换剂上的对应离子进行交换。

将离子交换剂装填在固定床或流动床的柱子中，形成离子交换膜。然后，将待处理的高矿化度矿井水通过离子交换膜，使水中的离子与交换剂上的对应离子进行交换。交换剂上的对应离子会吸附水中的有害离子，从而实现水质的改善。

在离子交换过程中，需要注意交换剂的选择。不同的离子交换剂对特定离子有不同的亲和力，因此需要根据水中的离子成分选择合适的交换剂。常见的离子交换剂包括阴离子交换剂和阳离子交换剂，可以根据水质分析结果确定使用哪种交换剂。处理过程中，离子交换膜的运行时间会随着水中离子的吸附而逐渐增长。当离子交换膜达到饱和状态时，需要进行再生。再生过程包括洗涤、反洗和再生三个步骤。

（1）通过洗涤步骤去除交换膜上的杂质和吸附的离子；

（2）进行反洗步骤，以恢复交换剂的吸附能力；

（3）通过再生步骤将吸附的离子释放出来，使交换剂得以重复利用。

在高矿化度矿井水处理中，离子交换法可以有效去除水中的硬度离子、重金属离子等有害离子，提高水质[2]。

2.2 蒸馏法

蒸馏法通过蒸发和冷凝的过程，将水中的盐分和杂质去除，从而实现淡化处理。具体来说，蒸发器是蒸馏法处理的核心设备，它通常由加热器、蒸发室和冷凝器组成。将高矿化度矿井水引入蒸发室，加热器提供热能使水蒸发。

在蒸发室中，水分子蒸发成水蒸气，而盐分和其他杂质则留在蒸发室中。蒸发后的水蒸气进入冷凝器，通过冷却使水蒸气重新凝结成液态水。在冷凝过程中，水蒸气释放出的热量被冷却介质吸收，从而使水蒸气迅速冷凝。凝结后的淡水被收集起来，并进一步处理以达到所需的水质标准。这可能包括过滤、杀菌、调节pH 等步骤，以确保水的安全和适用性。蒸馏法处理高矿化度矿井水的流程的注意事项：

（1）热能消耗是一个重要的考虑因素，因为蒸发过程需要大量的热能作为驱动力。这可能导致能源成本较高，特别是在矿井等偏远地区。

（2）蒸馏法对水中的盐分含量有一定的要求。如果水的盐分含量过低，可能会导致蒸发器操作不稳定或产生过多的废水。因此，在处理高矿化度矿井水时，水中的盐分含量应超过一定的标准。

（3）燃料选择也是一个需要考虑的因素。一些文献提到使用煤矸石作为蒸馏法的燃料，但煤矸石含硫量高且热值较低，不符合大气防治控制政策，且获得的热量有限。因此，燃料选择需要综合考虑环境因素和经济代价[3]。

2.3 电渗析法

原水经过预处理，如过滤、加药等工序，去除悬浮物和有机物质，以减少对电渗析单元的影响。接下来，原水进入电渗析单元，在电场的作用下，阳离子和阴离子被迁移至相应的电极，从而实现脱盐。电渗析单元通常由阳极室、阴极室和中间隔膜组成，通过电场作用使得离子在膜中迁移，从而实现脱盐。迁移的速度如式（1）所示。

其中，v代表离子的迁移速度（单位为m/s），μ代表离子的迁移率（单位为m/(s·V)，E代表电场强度（单位为V/m.S）处理后的水经过后处理工序，如消毒、调整水质等，最终得到符合要求的水质。在整个处理流程中，需要注意设备的维护和清洗，以防止结垢问题的发生。同时，对处理后的废水也需要进行合理的处理，以减少水资源的浪费。电渗析法的处理流程相对简单，但也存在着局限性。

（1）电渗析法在运行过程中存在不稳定性，可能导致处理效果不一致，因此需要对设备进行精细的调控。

（2）电渗析法容易产生结垢问题，需要定期进行清洗和维护，以保证处理效果。此外，电渗析法所需的设备较多，占用空间较大，需要合理规划工艺布局，以确保设备的正常运行。

（3）电渗析法适用于原水含盐量较小的矿井水脱盐处理，以及需要连续出水的大规模处理场景。然而，其工艺流程单一，缺乏灵活性和适应性，且缺乏全面性分析，无法有效分析水型等因素，导致处理效果有限。

此外，电渗析法对浓度不循环水进行排放，积水利用清水，导致水资源浪费严重，回收率低，这也是其局限性之一。

2.4 反渗透法

反渗透技术利用膜分离原理，通过施加高于溶液渗透压的外界压力，使原水中的水分透过膜而溶质被截留在膜表面上，实现液体分离。在处理高矿化度矿井水时，反渗透技术的流程主要包括预处理、反渗透膜分离、后处理等阶段。反渗透膜分离阶段是反渗透技术处理高矿化度矿井水的核心环节。

经过预处理后的原水被送入反渗透膜分离装置，施加高压力，使水分透过膜而溶质被截留在膜表面上。通过这一过程，高矿化度矿井水中的溶解性盐和离子等溶质得以有效分离和去除，从而实现脱盐和净化的目的。在反渗透膜分离后，产生的浓水和净水需要进行后续处理，以达到对浓水的再循环利用和对净水的二次净化的目的。后处理通常包括浓水处理、净水再处理等环节，通过这些步骤可以有效地提高反渗透系统的水资源利用效率和净水质量。

3 高矿化度矿井水资源化利用的策略

3.1 金属回收

金属回收可以用于金属制品的生产。高矿化度矿井水中含有多种金属离子，例如铁、锰、铜等。通过适当的处理和提取技术，可以将这些金属离子回收利用，用于金属制品的生产。回收的铁和锰可以用于钢铁工业的生产，用于制造建筑材料、机械设备等。回收的铜可以用于电线、电缆等电子产品的制造。金属回收不仅可以降低对原始矿石的依赖，减少对自然资源的开采，还可以为金属制品的生产提供可持续的原材料来源。

（1）金属回收可以用于资源再利用。回收的金属可以经过适当的处理和加工，得到纯净的金属产物。这些金属产物可以重新投入生产过程中，实现资源的再利用。例如，回收的铁和铜可以经过熔炼和再加工，用于制造新的金属制品。通过资源再利用，不仅可以减少废弃物的产生，还可以节约能源和减少环境污染。

（2）金属回收还可以用于环境治理。高矿化度矿井水中的金属离子如果未经处理直接排放，可能会对环境造成污染和危害。通过金属回收，可以将这些金属离子从矿井水中回收出来，减少其对环境的影响。特别是对于含有重金属的矿井水，金属回收可以有效地减少重金属的排放量，降低对土壤和水体的污染风险，保护环境和生态系统的健康。

（3）金属回收对于经济可持续发展也具有重要意义。金属回收可以创造就业机会，促进经济增长。回收利用金属资源可以降低生产成本，提高资源利用效率，从而增强企业的竞争力。此外，金属回收还可以减少对进口金属的依赖，提高国家的资源安全性和自给能力[4]。矿井水的回用要满足对应的水质指标，如表1所示：

表1 矿井水常用的指标满足项

3.2 盐类回收

高矿化度矿井水中含有丰富的盐类，例如氯化钠、硫酸钠等。通过适当的处理和提取技术，可以将这些盐类回收利用，用于化学工业的生产。回收的氯化钠可以用于氯碱化工生产中的氯化钠电解、氯碱法制碱等工艺。硫酸钠可以用于玻璃工业、造纸工业等领域的生产。盐类回收不仅可以降低对原始盐矿石的依赖，减少对自然资源的开采，还可以为化学工业提供可持续的原材料来源。同时，盐类回收可以用于冶金工业生产。

高矿化度矿井水中的盐类含量较高，其中包括氯化钠、氯化镁等。这些盐类可以通过适当的处理和提取技术进行回收利用，用于冶金工业的生产。回收的氯化镁可以用于镁金属的生产、合金制备和防腐蚀剂制造等。盐类回收不仅可以降低对原始矿石的依赖，减少对自然资源的开采，还可以为冶金工业提供可持续的原材料来源。

通过盐类回收，可以将这些盐类从矿井水中回收出来，减少其对环境的影响。特别是对于含有氯化物的矿井水，盐类回收可以有效地减少氯化物的排放量，降低对土壤和水体的污染风险，保护环境和生态系统的健康。

3.3 热能回收

（1）热能回收可以应用于供暖领域。高矿化度矿井水中的温度较高，通过热交换技术，可以将矿井水中的热能转化为热水或蒸汽，用于供暖系统中的暖气、热水等需求。这种方式不仅可以减少对传统能源的依赖，降低供暖成本，还可以提高能源利用效率，减少碳排放。同时，高矿化度矿井水中的热能可以转化为蒸汽，通过蒸汽发电机组产生电力。这种方式可以利用矿井水中的热能资源，实现能源的有效利用，减少对传统燃料的需求，降低发电成本。尤其对于那些位于热能资源稀缺地区的矿井，热能回收可以提供可持续的发电解决方案，促进当地的经济发展。

（2）许多工业过程需要大量的热能，例如：炼油、冶金、化工等。通过热交换技术，可以将高矿化度矿井水中的热能转移到工业生产过程中，用于加热、蒸馏、干燥等工艺。这不仅可以降低工业生产过程中的能源消耗，提高能源利用效率，还可以减少对传统能源的需求，降低生产成本，提升企业的竞争力。

（3）热能回收对于环境保护也具有重要意义。高矿化度矿井水中的热能如果未经回收直接排放，可能会对环境造成热污染，影响生态系统的健康。通过热能回收，可以将矿井水中的热能有效利用，减少热能的浪费，降低热污染的风险，保护环境和生态系统的可持续发展。

4 结束语

离子交换法适用于去除离子污染物；蒸馏法可以高效地去除溶解性固体；电渗析法在处理高矿化度矿井水方面具有潜力；反渗透法是一种常用的处理技术，可以同时去除溶解性固体和金属离子。在高矿化度矿井水资源化利用方面，金属回收、盐类回收和热能回收是可行的策略。通过综合利用这些策略，可以实现高矿化度矿井水的有效处理和资源化利用，为矿业的可持续发展和环境保护作出贡献。