高矿化度矿井水处理及分质资源化综合利用分析

沈 婧，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）

在矿井开发过程中，矿井水处理一直都是重中之重，为了让矿井水得到妥善处理，实现高效率的处理和利用。区别于普通的矿井水，高矿化度矿井水处理难度更大，尤其是在生态环保政策标准不断提高的背景下，还需要对高矿化度矿井水处理工艺展开深层次的分析。在完善处理工艺的基础上，还需要针对分支资源化综合利用工作展开进一步落实，以此强化经济效益，在实现零排放的同时，有效节约水资源。

1 矿井水水质特征及处理技术

煤矿矿井水是一种含有丰富的矿物质和微量元素，具有较高的硬度、含盐量和有机污染物的水，水质变化大，给处理带来了一定的难度。目前国内矿井水主要采取回用、循环利用或达标排放等方式进行处理，但受资金、技术及回用成本等因素限制，矿井水在综合利用方面尚存在诸多问题[1]。宁夏地区作为中国重要的能源基地，其煤炭资源丰富，矿井数量众多。然而，随着煤炭开采的深入，矿井水的问题也逐渐凸显。

高矿化度矿井水的问题尤为突出，高矿化度矿井水是指在煤炭开采过程中，由于地下水与岩石相互作用，形成的具有高矿化度的地下水。这种水的特点是含盐量高，主要是氯化物、硫酸盐等，因此其矿化度也高。在宁夏地区，由于地质条件特殊，高矿化度矿井水的分布广泛，给煤炭开采带来了一定的影响。根据近年来对宁夏地区矿井水的调查，该地区高矿化度矿井水的分布主要集中在北部的宁东煤田和南部的六盘山煤田[2]。

宁东煤田的高矿化度矿井水分布最为集中，主要分布在灵武、横城、鸳鸯湖等区域。而六盘山煤田的高矿化度矿井水分布相对较少，主要分布在红崖、西华山等区域。高矿化度矿井水的形成主要是由于地下水与岩石相互作用。在煤炭开采过程中，地下水受到压力作用，通过岩石的裂隙渗透到矿井中，与岩石发生化学反应，导致水的矿化度升高。

地下水在运移过程中，也会与围岩中的矿物质发生溶解和沉淀作用，从而影响水的矿化度。由于高矿化度矿井水的含盐量高，处理难度较大。目前，常用的处理方法包括物理法、化学法和生物法等。然而，这些方法在处理高矿化度矿井水时都存在一定的局限性。例如，物理法虽然可以去除水中的悬浮物和杂质，但对于降低水的矿化度效果不佳；化学法虽然可以降低水的硬度，但可能会产生新的污染；生物法则受到温度、pH等因素的影响较大[3]。

2 高矿化度矿井水处理工艺分析

高矿化度矿井水预处理主要包括物理法、化学法和生物法等。其中，物理法主要包括沉淀法、过滤法等；化学法主要包括氧化法、还原法等；生物法则主要利用微生物降解有机物和无机物。本文介绍的是一种基于物理-化学联合处理的高矿化度矿井水预处理工艺。该工艺主要包括预处理、主处理和后处理三个阶段。

2.1 预处理工艺

常用的矿井水预处理工艺包括混凝沉淀、过滤、氧化还原及消毒等。其中，混凝沉淀主要是通过投加混凝剂（如PAM）将水中悬浮物凝聚成絮体，然后利用过滤、澄清等方法去除悬浮物及有机物，以达到净化水质的目的。过滤主要是通过重力或机械方式截留悬浮物，并借助反渗透或超滤等技术进行深度处理；氧化还原主要是通过投加氧化剂（如NaOH）和还原剂（如CaCl2）将水中的溶解性有机物和重金属离子氧化成难溶盐，然后利用超滤等技术进行深度处理。消毒主要是通过投加消毒剂（如二氧化氯、次氯酸钠等）使水中的微生物失活[4]。

2.2 混凝沉淀

混凝沉淀工艺是矿井水处理的基础工艺，其原理是通过投加混凝剂（如PAM）使水中的悬浮物发生凝聚和絮凝作用，使悬浮物质沉降，以达到净化水质的目的。混凝沉淀工艺常与沉淀工艺结合使用，一方面可增加去除悬浮物和胶体物质的效果，另一方面可减少沉淀池占地面积，从而降低处理成本。常用的混凝剂有聚合氯化铝（PAC）、硫酸铝、明矾和聚合氯化铁（PFC）等。混凝沉淀工艺的优点是处理效果稳定、易于控制；缺点是处理水量较小或受季节影响较大，且运行过程中需定期进行化学清洗；同时，混凝沉淀工艺对矿井水水质的要求较高，尤其是对色度、悬浮物、氨氮及重金属离子等指标有较高要求。

2.3 过滤

过滤是一种去除悬浮物（SS）的常用方法，主要用于去除水中的悬浮物，一般采用重力或机械方式截留悬浮物。过滤可以去除水中的悬浮物和胶体，但是对于矿井水中含有的有机物及重金属离子等污染物不能有效去除。此外，随着矿井水中有机污染物含量的增加，过滤工艺还会增加能耗和运行费用，不利于高矿化度矿井水处理系统的建设。针对高矿化度矿井水水质特点，在过滤工艺中一般采用超滤（UF）和反渗透（RO）进行深度处理。超滤技术是一种可广泛应用于市政、工业和农业等领域的膜分离技术。超滤膜孔径小，能截留0.1μm以上的污染物，可用于去除水中的有机物和细菌等微生物，提高水的澄清度，减轻后续处理单元中的压力，降低膜污染。反渗透技术是利用膜截留水中的溶解盐、胶体以及一些大分子物质（如细菌）等，达到分离、净化水质和浓缩海水或淡水水质目的。反渗透技术应用于高矿化度矿井水处理时，一般采用多级过滤工艺，可以有效去除水中污染物并保证出水水质达标，如表1所示。

表1 过滤效果对比

2.4 氧化还原

矿井水的氧化还原工艺主要有三种：

（1）投加氧化剂（如NaOH）将水中溶解性有机物和重金属离子氧化成难溶盐，然后利用超滤等技术进行深度处理。

（2）投加还原剂（如CaCl2）将水中的溶解性有机物和重金属离子还原成难溶盐，然后利用超滤等技术进行深度处理。

（3）投加氧化剂（如NaOH）将水中的溶解性有机物和重金属离子氧化成难溶盐，然后利用超滤等技术进行深度处理。

配电网N-1安全性准则是配电网规划和运行的重要准则，它规定了在配电网中主变压器或线路发生故障时，线路或主变压器所带负荷可通过与之联络的线路进行转供，即不对外停电。

投加NaOH或CaCl2将水中的溶解性有机物和重金属离子氧化成难溶盐，再利用超滤等技术进行深度处理，是矿井水预处理中常用的方法。在矿井水中投加NaOH或CaCl2不仅可以提高出水水质，还可以将水中的溶解性有机物和重金属离子氧化成难溶盐。

3 分质资源化综合利用工程应用

3.1 案例概述

宁夏某矿是西北地区首个实现全矿井水全指标回用的矿井，该矿井水处理系统采用“预处理+反渗透+纳滤+蒸发结晶”工艺，通过对矿区内不同矿井水进行分类分级，达到矿井水综合利用的目的。宁夏某矿分质资源化综合利用系统运行后，经过浓缩单元的处理后，出水水质均达到《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017）中的Ⅱ类标准，其中总硬度、矿化度等指标达到国家规定的地表水Ⅲ类标准。系统运行后，可实现矿区内矿井水的全指标回用，进一步减少了矿井排水对生态环境的影响，有效提高了水资源利用效率，同时也提高了矿区资源环境综合效益。该项目每年可节约新鲜水约1 900 万m³，节约电费约320 万元/年。另外，该项目还为矿区及周边生态环境治理提供了宝贵的水资源保障，促进了矿区经济和生态环境可持续发展。

3.2 应用效果

高矿化度矿井水分质资源化综合利用工程主要包括预处理、反渗透、纳滤、蒸发结晶等单元。根据目前市场情况，矿井水分质资源化综合利用项目的直接经济效益和间接经济效益。直通过回用系统回用矿井水，可以减少新鲜水量的消耗和排放，节约新鲜水资源，提高矿井水利用率。不仅如此，对于宁夏地区而言，高矿化度矿井水分质资源化综合利用可以减少新鲜水的外调压力，降低水资源在运输过程中的损耗。最为关键的是，这一工程项目和技术手段的落实，有效减少因向外输送矿井水而产生的电费支出，提高矿井水利用效率，减少排水对环境的污染。从另一层面来看，通过回用系统降低了用水需求，减少了矿井排水对区域水资源利用效率的影响，并且通过处理后的高矿化度矿井水用于工业生产，实现循环经济。该工艺可实现矿井水分质资源化综合利用，主要包括：

（1）高矿化度矿井水作为矿井水循环冷却水补充水。

（2）矿井水回用于地面绿化、冲洗车辆、冷却设备等。

（3）矿井水通过电解生产电解液。

（4）高矿化度矿井水可用于生产工业盐、矿盐。

从实际应用效果来看。该工艺能够实现矿井水分质资源化综合利用，但目前该工艺的回用水规模较小，难以满足该矿工业用水要求。随着工业盐产能的不断增加和回用水规模的扩大，该工艺的回用水规模将会扩大，从而有利于实现矿井水质资源化综合利用。

3.3 应用要点

高矿化度矿井水具有较高的悬浮物、浊度和COD等水质指标，且其化学需氧量和氨氮含量较低，若将其作为回用水处理后可减少回用水处理系统的运行负荷。经过进一步的净化处理后，高矿化度矿井水可满足回用水质要求。

3.3.1 用于循环冷却水补充水

该矿设计总取水规模为3.0 万m3/d，其中矿井涌水量为1.0 万m3/d，地面海水淡化厂补水流量为0.5 万m3/d。该矿设计年利用系数为0.53，设计年利用水量在5.0 万m3左右。通过对比分析可知，在正常生产条件下，矿井涌水量为5.0 万m3/d时，矿井水循环冷却水补水资源量可以满足设计年利用系数的要求。该矿设计年利用系数为0.53时的矿井涌水量为6.5 万m3/d。当矿井水补水量大于5.0 万m3/d时，矿井涌水量开始出现增加趋势。按每年循环冷却水量4.0万m3计算，当矿井水补水量达到6.0 万m3/d时，矿井涌水量将会出现饱和。因此，为了保证矿井安全生产和防止地下水污染，该矿设计年利用系数在5.0万～6.0 万m3/d之间较为合理。

3.3.2 用于地面绿化、冲洗车辆、冷却设备等

该矿已投入运行的高矿化度矿井水分质资源化综合利用工艺，出水水质能够满足地面绿化、冲洗车辆、冷却设备等的要求，矿井水回用于地面绿化的水量为1.14 m3/h，回用规模为800 m3/h。其中，冲洗车辆水量为40 m3/h，回用规模为400 m3/h。据此估算可降低回用水处理系统的运行负荷为10%左右。同时可减少水处理系统运行产生的大量污泥。同时，考虑到高矿化度矿井水的特殊性，在不影响出水水质的前提下，可对回用水进行进一步处理。考虑到回用水水量较小，且回用水质较好，可以考虑在矿井水处理站旁设置一套高矿化度矿井水回用装置，用于冲洗车辆和冷却设备等。

3.3.3 用于生产工业盐、矿盐

目前，宁夏地区已有部分煤矿采用矿井水电解生产工业盐、矿盐，如宁夏某煤矿、某煤业公司等。从原理上讲，矿井水电解生产工业盐、矿盐是将高矿化度矿井水进行预处理，将其pH调节到接近工业用海水的pH，然后采用直流电电解技术将水电解成氢离子和氢氧根离子，再利用电解水的剩余电流电解制取工业盐、矿盐。将高矿化度矿井水预处理后用于电解生产工业盐、矿盐，一方面可以节省生产用水，另一方面可以提高产量。在电解法制取工业盐、矿盐过程中，为提高电解效率，电解槽的功率一般为3.5～4.0 kW，而根据目前我国工业盐产能的分布情况分析，宁夏地区年产工业盐约为1 000 万吨，若采用高矿化度矿井水进行电解生产工业盐、矿盐，其生产成本将会进一步降低，因此矿井水作为电解法制取工业盐矿盐技术在宁夏地区具有较好的发展前景。

4 结束语

综上所述，煤矿矿井水是一种含有丰富矿物质和微量元素，具有较高硬度、含盐量和有机污染物的水，水质变化大，给处理带来了一定的难度。目前国内矿井水处理技术已发展较为成熟，但对高矿化度矿井水的处理技术研究还处于起步阶段，目前常用的预处理技术如混凝沉淀、过滤和超滤技术均存在一定缺点。本文提出的高矿化度矿井水预处理及分质资源化综合利用工艺可实现高矿化度矿井水的达标排放与高矿化利用相统一，为今后煤矿井下矿井水综合利用提供了思路。