煤礦礦井水處理技術(shù)及資源化綜合利用

楊廷超

（河北省煤田地質(zhì)局 水文地質(zhì)隊(duì)，河北 邯鄲 056001）

0 引言

煤炭作為我國的主體能源，開采量巨大。伴隨著煤炭開采及采煤人工干預(yù)過程對地質(zhì)條件變化的影響，使地下水、煤層、巖層和微生物之間相互接觸，發(fā)生一系列復(fù)雜的介質(zhì)間物理、化學(xué)和生化反應(yīng)，繼而產(chǎn)生極具煤炭行業(yè)特色的礦井水。

很長一段時(shí)間以來，由于未充分認(rèn)識到礦井水資源的重要性，我國對礦井水資源疏于管理，礦井水往往未經(jīng)處理直接外排，不僅對地表水、地下水造成嚴(yán)重的污染，還會導(dǎo)致礦區(qū)周邊土壤性質(zhì)發(fā)生變化，對當(dāng)?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，我國煤礦礦區(qū)水資源結(jié)構(gòu)單一，大多過度依賴地表水和地下水，礦井水的肆意排放加劇了礦區(qū)的缺水現(xiàn)狀。研究礦井水的資源化，在緩解缺水、優(yōu)化礦區(qū)水資源利用結(jié)構(gòu)及防控環(huán)境的污染中發(fā)揮重要作用。

1 國內(nèi)外煤礦礦井水綜合利用現(xiàn)狀

國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的煤炭資源和水資源稟賦和我國有所不同，所采用的開采工藝與方法和我國亦有一定的差異，導(dǎo)致對于礦井水的處置思路也有不同。國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家通常經(jīng)適當(dāng)?shù)奶幚砗笥糜谏a(chǎn)、生活用水，剩余水資源簡單的無害化處理，達(dá)標(biāo)排放至地表水體。

俄羅斯煤礦礦井水排放量大，約20×108t/a，早期礦井水隨意排放，對礦井附近的流域造成巨大污染，導(dǎo)致部分河流(如米烏斯河、盧干河等)中的水生動植物一度絕跡。為了緩解礦井水排放所造成環(huán)境污染，俄羅斯對礦井水處理和資源化利用方面的研究包括：①簡單混凝沉淀澄清和消毒后外排入水體；②凈化處理后作為洗煤廠和井下防塵等工作的水源水；③凈化以及淡化后作為生活用水或工業(yè)用水。

德國的萊茵褐煤礦和希臘南部的米加波羅里褐煤礦，利用潛水泵在煤礦井地下水補(bǔ)給邊界處強(qiáng)排后輸送至電廠發(fā)電[1]。日本礦井水除部分用于洗煤外，大部分經(jīng)沉淀處理去除懸浮物后排入地表水系[2]。匈牙利外多瑙河煤礦，礦井水的水質(zhì)較好，達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，通過售賣給城市供水部門，獲得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益[3]。

我國噸煤礦井水外排量較高，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國噸煤產(chǎn)水量約2.1 t，每年礦井水產(chǎn)生量接近70 億t，但礦井水整體綜合利用率較低。2010 年利用率約為60%[4]，近年來，在我國“礦井水利用專項(xiàng)計(jì)劃”等各項(xiàng)激勵政策的指導(dǎo)下，主要產(chǎn)煤省區(qū)及各大煤業(yè)集團(tuán)逐漸走向規(guī)模化、系統(tǒng)化，礦井水利用水平迅速攀升，尤其對礦井水的深度處理及綜合利用方面愈發(fā)重視?！笆濉蹦┘?020 年達(dá)到80%，但整體而言，我國煤礦礦井水還存在與西方發(fā)達(dá)國家90%以上的利用率還有差距，利用發(fā)展不均衡等現(xiàn)狀。目前我國礦井水資源化主要應(yīng)用于煤礦區(qū)生產(chǎn)用水、生活雜用水、農(nóng)田水利灌溉及其他用水（水源熱泵、地下水補(bǔ)充回灌水、礦泉水等）。

2 煤礦礦井水處理工藝進(jìn)展

一般而言，按照環(huán)境影響，將礦井水可分為潔凈礦井水、高懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含有有害有毒元素礦井水5 類[5]。

2.1 潔凈礦井水

潔凈礦井水主要來自石炭系和奧陶系灰?guī)r水、砂巖裂隙水等，是煤炭開采中未被污染的地下水。其水質(zhì)好，感觀好，pH 呈中性，無毒無害，通常經(jīng)簡單消毒處理后便可飲用。少量潔凈礦井水富鍶、含偏硅酸等一些對人身體有益元素，可以加工為礦泉水，如原北京礦務(wù)局“九龍山牌”礦泉水。

2.2 高懸浮物礦井水

煤炭開采過程中會產(chǎn)生大量的煤和巖粉的粉塵，這些粉塵進(jìn)入礦井水中，造成水中含有較多的懸浮物。由于煤的密度僅為1.5 g/cm3，遠(yuǎn)小于泥沙等顆粒物的比重（2.4～2.6 g/cm3），且懸浮物自然沉降速度受其粒度小的影響也較慢，這些因素都導(dǎo)致這些懸浮物處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，雖濃度低，但呈黑色導(dǎo)致感官較差。高懸浮物礦井水類型約占我國北方煤礦的60%，采用的工藝較為統(tǒng)一，大部分均采用澄清+過濾處理后排入地表水體，所采用工藝的原理一般為重力沉降，所采用的藥劑多為Al2（SO4）3和PAM，個(gè)別案例也有采用FeCl3和石灰。絮凝反應(yīng)所形成的污泥經(jīng)脫水后成型固化。

2.3 高礦化度礦井水

高礦化度礦井水的形成是因?yàn)榈叵滤趲r石裂縫流動過程中，會溶解巖石內(nèi)的可溶性固體，導(dǎo)致含鹽量的升高。一般將無機(jī)鹽總含量大于1 000 mg/L，大多在3 000 mg/L 之內(nèi)，少量可達(dá)4 000 mg/L，最高可達(dá)15 g/L。其成分主要含有Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO2-4、Cl-、HCO-3 等離子，pH多呈中性或偏堿性，硬度大，懸浮物也較高。高礦化度礦井水會對土壤產(chǎn)生鹽漬化的不良影響，因此不能用作灌溉農(nóng)田的專用水。

我國高礦化度礦井水主要分布在東北、華北地區(qū)，常規(guī)處理為混凝+沉淀+過濾+脫鹽處理。主要包含離子交換、化學(xué)試劑脫鹽(CaCO3、Na2CO3、CaSO4等)、膜過濾、熱力脫鹽等。離子交換適用于處理相對較低濃度礦井水。熱力脫鹽采用蒸餾淡化法，適用于含鹽量大于4 000 mg/L 礦井水，但由于處理單位體積成本過高，對于含鹽量過低的廢水不適用。齊俊啟[6]針對峰峰集團(tuán)梧桐莊礦高礦化度礦井排水，通過鉆探手段實(shí)施回灌孔回灌至奧灰含水層治理的技術(shù)方法，對礦井廢水實(shí)現(xiàn)了地面零排放。

2.4 酸性礦井水

酸性礦井水pH 值小于6，一般由硫化物氧化造成。當(dāng)開采煤層含有硫時(shí)，硫在空氣和人類活動所帶進(jìn)的微生物共同作用下發(fā)生氧化作用產(chǎn)生硫酸，導(dǎo)致呈酸性。其對環(huán)境主要產(chǎn)生的危害主要體現(xiàn)在酸性水極易溶解煤及巖石中分布的金屬，導(dǎo)致鐵、錳和無機(jī)鹽類離子濃度增加，使礦化度、硬度升高，還會使巖石及煤礦中的一些重金屬離子在酸性水中富集，呈現(xiàn)明顯黃色。酸性礦井水的處理工藝國內(nèi)外基本一致，都是采用堿性物質(zhì)進(jìn)行中和，再后續(xù)處理。通常投入CaCO3、CaO 等堿性物質(zhì)進(jìn)行中和反應(yīng)。武云志[7]采用一種礦物質(zhì)吸附酸性廢水中的硫酸根離子，徐建平[8]等人采用可滲透反應(yīng)墻(PRB)去除酸性礦井水中的Cu2+、SO2-4，邵武[9]采用煤矸石作為人工濕地填料處理酸性礦井廢水等，均取得較好的處理效果。

2.5 含特殊污染物礦井水

含特殊污染物礦井水主要來源于煤或巖石中銅、鐵、錳、鉛等重金屬，鈾、鐳等放射性核素以及一些氟礦物在水中的溶解。其中，含鐵、錳礦井水中的Fe2+、Mn2+為低價(jià)狀態(tài)，抽至井上在氧氣的作用下Fe2+極易氧化為高價(jià)態(tài)，導(dǎo)致水的鐵腥味變重，水易變渾濁。目前常用除氟包括吸附、膜分離及電凝聚等方式。翟宇等[10-12]采用改性礦石吸附礦井水中的氟離子，去除率最高可達(dá)70%。對于重金屬的去除，王建兵等[13-14]采用經(jīng)高錳酸鉀溶液改性錳砂濾料對高鐵錳礦井水進(jìn)行處理，周福來[15-16]等人采用煤炭燃燒后所產(chǎn)生的粉煤灰對含有重金屬的礦井水進(jìn)行處理，均取得較好的去除效果。放射性核素具有一定地域性，我國西部及西南部的礦區(qū)總α 放射性水平相對較高，里面放射性元素或裂變產(chǎn)物會對人體造成內(nèi)照射，導(dǎo)致放射性疾病，因此礦井水資源化務(wù)必考慮放射性超標(biāo)元素。含特殊污染物礦井水處理起來比較復(fù)雜，對人體及環(huán)境危害較大，目前仍需針對不同污染物類型尋求高效價(jià)廉的處理工藝。

3 礦井水綜合利用存在問題

（1）對礦井水資源的正確認(rèn)識還不夠。礦井排水作為煤礦企業(yè)生產(chǎn)的附屬產(chǎn)物，得到的重視程度、正確認(rèn)識還不夠。大多煤業(yè)集團(tuán)重視采煤生產(chǎn)效益，輕視礦井排水附屬效益，礦井排水“不會抓、無力抓、抓不實(shí)”。甚至認(rèn)為礦井水感官上“黑、臟、臭”，處理工藝復(fù)雜，利用率較低，沒有把礦井水納入“第二水資源”的用水及效益計(jì)劃。

（2）礦井水利用發(fā)展不均衡。我國礦井水利用存在較強(qiáng)的地域性，對于相對缺水地區(qū)，礦井水能夠得到一定的重視，利用率較高，尤其以山西、內(nèi)蒙古等地礦區(qū)為代表，整體利用率可達(dá)80%以上。相對水資源條件較好的地區(qū)，如我國西南、東南部分礦區(qū)，因經(jīng)濟(jì)效益不顯著，其利用率低于全國平均水平。

（3）礦井水資源利用的方式方法缺乏國家激勵引導(dǎo)。由于礦井水水質(zhì)、排放水量的復(fù)雜性及處理工藝的不合理性，導(dǎo)致很多煤業(yè)集團(tuán)雖然投入了大量的工作，卻沒有取得預(yù)期的效益。針對采礦區(qū)復(fù)雜的地層及構(gòu)造條件，礦井水水量、水質(zhì)及復(fù)雜的變化特點(diǎn)，未經(jīng)過深入的研究及統(tǒng)計(jì)測試。同時(shí)缺乏對不同類型礦井水利用方式的統(tǒng)籌規(guī)劃、分析。導(dǎo)致投入產(chǎn)出比低于預(yù)期，同時(shí)造成了人力、物力及財(cái)力的重復(fù)投入及較大的浪費(fèi)。因此，針對礦區(qū)水文地質(zhì)類型劃分、礦井排水的深入研究尤顯重要。

4 結(jié)論

綜上，本文通過論述礦井水國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，具體介紹幾種不同類型的礦井水以及國內(nèi)外針對不同類型礦井水的處理和資源化利用方式，并詳細(xì)分析了目前礦井水綜合利用存在的問題，并對礦井水的處理和資源化利用作如下總結(jié)。

（1）在政策方面。一是強(qiáng)化執(zhí)法監(jiān)督，嚴(yán)格限制新批水源，優(yōu)先選用礦井排水。二是因地制宜制定礦井水利用優(yōu)惠政策，提高中小型煤礦企業(yè)利用的積極性。對礦井水處理和利用項(xiàng)目，必要的時(shí)候還可以提供資金支持或稅收補(bǔ)貼，使企業(yè)從經(jīng)濟(jì)角度考慮自愿進(jìn)行礦井水開發(fā)利用。

（2）在技術(shù)方面。根據(jù)不同回用途徑的礦井水利用標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵技術(shù)創(chuàng)新，擴(kuò)建改造現(xiàn)有的礦井水處理系統(tǒng)，加強(qiáng)水計(jì)量數(shù)據(jù)的應(yīng)用管理與水質(zhì)監(jiān)測，提高水資源利用率。對高耗水行業(yè)要最大限度的使用礦井水，代替對地下水的使用。

（3）在社會層面。拓寬融資渠道，適當(dāng)引入社會資本聯(lián)合開發(fā)，延伸礦井水綜合利用下游產(chǎn)業(yè)鏈。有條件的礦區(qū)采用水源熱泵進(jìn)行供暖（制冷），并積極尋求下游用戶，鼓勵廢棄礦井老窯水供暖（制冷）的綜合利用，降低水處理成本。