礦井水處理方法與綜合利用

摘要：通過對(duì)徐州礦物局、安徽淮北淮南、山西、河南的幾個(gè)煤礦進(jìn)行實(shí)地的調(diào)查，總結(jié)出針對(duì)不同類型的礦井水的處理利用方法，指出對(duì)目前礦井水處理還存在的問題、為更好地利用礦井水提出了一些建議。

關(guān)鍵詞：礦井水；處理方法；綜合利用

礦床開采破壞了地下水原始賦存狀態(tài)并產(chǎn)生了裂隙，密切了大氣降水、地表水、地下水和生活用水，各含水層之間的水力聯(lián)系，使各種水沿著原有的和新裂隙滲入井下采掘空間形成礦井水。礦井水是煤炭生產(chǎn)過程中排放量最多的廢水。據(jù)1993年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦年排礦井水約22億m3，平均噸煤涌水量約4．0m3，而且隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展礦井水的排放量還將不斷增多。長(zhǎng)期以來，由于技術(shù)所限和認(rèn)識(shí)不足，礦井水被當(dāng)做水害加以預(yù)防和治理，礦井水被白白排掉而未加以綜合利用和保護(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)平均每開采1t原煤需排放2t礦井水，不僅嚴(yán)重污染了水資源，而且造成了工業(yè)和生活用水短缺。隨著科學(xué)的發(fā)展和人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，對(duì)礦井水也已有了新的認(rèn)識(shí)，開始將礦井水作為一種水資源加以處理利用，即礦井水資源化。

1 礦井水資源化可行性分析

通過實(shí)地考察可以得到，煤層開采主要充水含水層有：第四系孔隙含水層、太原組巖溶含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。礦井水主要來源于這些含水層滲入地下的水，是礦井水與煤巖層接觸發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生化反應(yīng)而形成。煤礦礦井水本身的水質(zhì)主要受當(dāng)?shù)厮�文、地質(zhì)、氣候和地理等自然條件的影響[1]。當(dāng)?shù)V井水流經(jīng)采煤工作面時(shí)，將帶入大量的煤粉、巖粒等懸浮物，同時(shí)由于受到井下礦工的生產(chǎn)和生活活動(dòng)的影響，礦井水中往往含有較多的細(xì)菌。對(duì)于開采高硫煤層的礦井，由于煤層及其圍巖中硫鐵礦的氧化作用，使礦井水呈現(xiàn)酸性和高鐵性等。

2 礦井水利用的必要性

礦區(qū)采煤抽排大量的地下水，破壞和疏干礦區(qū)和周邊地區(qū)地下水資源，使地下水水位下降，造成礦區(qū)水資源的枯竭，引起隱伏礦區(qū)的地面下降，誘發(fā)巖溶礦區(qū)巖溶地面塌陷。大量的礦井地下水若直接外排則會(huì)引起水質(zhì)惡化，造成水環(huán)境污染。由于這些地下水初始流入井筒和巷道時(shí)比較清潔，如果將礦井地下水資源凈化成飲用水，不僅可以滿足生產(chǎn)和生活用水，還可以節(jié)省大量鉆探深水源井的資金，創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。目前大部分煤礦缺水很嚴(yán)重，因此有必要對(duì)礦井水加以利用。

3 礦井水的處理技術(shù)

目前我國(guó)按照對(duì)環(huán)境影響以及作為生活飲用水水源的可行性，習(xí)慣上將礦井水按水質(zhì)類型特征分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含有毒有害元素或放射性元素礦井水五類[2、3]。不同的礦井水采取不同的處理方法。

3．1 潔凈礦井水

多指礦區(qū)煤系地層中的奧灰水、砂巖裂隙水、第四紀(jì)沖積層水及老空積水。這種水質(zhì)中性，低濁度，低礦化度，有毒有害元素含量很低，基本符合生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，可設(shè)專用輸水管道給予利用，作生活飲用水時(shí)需進(jìn)行消毒處理。太原市古交礦井在開采過程中穿過第四紀(jì)河谷沖積層，就遇到這種水，古交礦直接供全礦生產(chǎn)和生活使用。

3．2 含懸浮物礦井水

這種水中含有較多煤粒、巖、粉、等懸浮物，一般呈黑色，但其總硬度和礦化度并不高。懸浮物的主要特性是在動(dòng)水中呈懸浮狀態(tài)，但在靜水中可以分離出來，輕的上浮，重的下沉。根據(jù)懸浮物的特性，對(duì)工業(yè)用水凈化處理常用的主要方法有混凝、沉淀�；炷�是水處理工藝中十分重要的環(huán)節(jié)。選用混凝劑的原則是產(chǎn)生大、重、強(qiáng)的礬花，凈水效果好，對(duì)水質(zhì)沒有不良影響，價(jià)格便宜，貨源充足。常用的混凝劑為鋁鹽和鐵鹽混凝劑�；旌线^程是讓藥劑迅速而均勻地分散到水中，應(yīng)在盡量短的時(shí)間內(nèi)與原水均勻混合，使水中的全部膠體雜質(zhì)都能和藥劑發(fā)生作用。原水加混凝劑后，經(jīng)過混合作用，水中膠體雜質(zhì)凝聚成較大的礬花顆粒，在沉淀池中去除。在經(jīng)過快濾和消毒處理后也可達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)。山西很多煤礦的井下排水屬這類礦井水。

3．3 高礦化度礦井水

礦化度無機(jī)鹽總含量大于1 000mg／L的礦井水。主要含有S0i2-、CI-1、Ca2+ 、K+ 、Na+ 等離子。硬度相應(yīng)較高，水質(zhì)多數(shù)呈中性或偏堿，帶苦澀味，少數(shù)有酸性。高礦化度礦井水不利于作物生長(zhǎng)，會(huì)使土壤鹽漬化。用作鍋爐用水，容易結(jié)垢。作建筑用水，會(huì)影響混凝土質(zhì)量。人們長(zhǎng)期飲用，將引起腹瀉和消化不良，尤其對(duì)心臟和腎臟病患者影響更嚴(yán)重。我國(guó)北方缺水礦區(qū)的礦井水往往屬于高礦度礦井水，有必要通過凈化和淡化工藝處理成為飲用水和生產(chǎn)用水。當(dāng)前高礦化度礦井水采用以下處理方法。

3．3．1 化學(xué)方法

離子交換法是化學(xué)脫鹽的主要方法，這是一種比較簡(jiǎn)單的方法，就是利用陰陽(yáng)離子交換劑去除水中的離子，以降低水的含鹽量。

3．3．2 膜分離法

反滲透和電滲析脫鹽技術(shù)均屬于膜分離技術(shù)，是我國(guó)目前苦咸水脫鹽淡化處理的主要方法。

(1)反滲透法。反滲透法是借助于半透膜在壓力作用下進(jìn)行物質(zhì)分離的方法�？捎行У厝コ裏o機(jī)鹽類、低分子有機(jī)物、病毒和細(xì)菌等，適用于含鹽量大于4000mg／L的水的脫鹽處理。

(2)電滲析法。在直流電場(chǎng)作用下，利用陰、陽(yáng)離子交換膜對(duì)溶液中陰、陽(yáng)離子的選擇透過性，而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過程。

3．3．3 濃縮蒸發(fā)

反復(fù)處理使含鹽量高的剩余水濃縮到很小體積，然后在合適的地方存放。依靠自然蒸發(fā)，使其避免排往下游。水蒸發(fā)后將留有鹽分結(jié)晶，可在其濃縮至200g／L以上濃度時(shí)運(yùn)走，用做化工原料。

3．3．4 稀釋排放

稀釋排放是將低含鹽量的水混合在一起，達(dá)到排入水體的標(biāo)準(zhǔn)后排放。避免對(duì)下游的不利影響。

3．3．5 消耗利用

消耗利用用于對(duì)含鹽量要求不高的場(chǎng)所，把水消耗掉，最后蒸發(fā)到大氣中，避免了向下游排放。

3．4 酸性礦井水

水質(zhì)特征為pH值小于5．5的礦井水，一般為3～ 3．5，個(gè)別小于3，總酸度高。當(dāng)開采含硫煤層時(shí)，硫受到氧化與生化作用產(chǎn)生硫酸，酸性水易溶解煤及其圍巖中的金屬元素，故鐵、錳重金屬以及無機(jī)鹽類增加，使礦化度、硬度升高。酸性水在我國(guó)南方高硫礦區(qū)比較常見。酸性水容易腐蝕礦井設(shè)備與排水管路，并且危害工人健康。如果抽排至地面，會(huì)影響土壤酸堿度，導(dǎo)致土壤板結(jié)和作物枯萎，而且使地表水酸度上升，間接的影響了水生生物的生存。對(duì)環(huán)境與生態(tài)會(huì)造成重大的損害，因此必須進(jìn)行治理達(dá)標(biāo)后外排，其處理的方法有以下幾種。

3．4．1 物理化學(xué)法(中和法)[8]

(1)石灰石中和法。采用石灰石作中和劑與酸性水中硫酸中和反應(yīng)，產(chǎn)生微溶硫酸鈣和易分解的碳酸，從而降低酸度。

(2)石灰中和法。石灰的主要化學(xué)成分是CaO，當(dāng)用水調(diào)配成石灰乳，則形成熟石灰Ca(OH)2，熟石灰與酸性水中的H2SO4反應(yīng)。

(3)石灰石．石灰聯(lián)合中和法。該工藝第一階段選用石灰石滾筒法中和，消耗酸性礦井水中絕大部分游離H2SO4，使酸性水的pH值接近于6；然后在第二階段再投加石灰中和處理，使水的pH值進(jìn)一步提高，達(dá)到8左右，這時(shí)Fe2 水解產(chǎn)生沉淀，形成絮狀物，起到混凝作用，有利于懸浮固體去除。

3．4．2 生物化學(xué)方法(微生物法)[8]

該方法是目前國(guó)內(nèi)外研究比較多的處理方法，在美國(guó)、日本等國(guó)家已進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。其原理是利用氧化亞鐵硫桿菌在酸性條件下將水中的Fe2+氧化成Fe3+，以實(shí)現(xiàn)酸性礦井水的除鐵[9,10]。氧化亞鐵硫桿菌能從Fe2 +的氧化反應(yīng)中獲取自身生存和繁殖所需的能量，無須加任何營(yíng)養(yǎng)液。

3．4．3 濕地生態(tài)工程處理法[8]

人工濕地(Constructed Wetlands)酸性礦井水處理方法是20世紀(jì)70年代末在國(guó)外發(fā)展起來的一種污水處理方法u ，它利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高效凈化[12]，與中和法等傳統(tǒng)的酸性礦井水的處理方法相比，人工濕地處理方法具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、對(duì)N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除能力強(qiáng)、基建和運(yùn)行費(fèi)用低、技術(shù)含量低、維護(hù)管理方便、耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)、適于處理間歇排放的污水和具有美學(xué)價(jià)值等優(yōu)點(diǎn)[13]，因而在北美、歐洲的許多國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用[14-16]。

中國(guó)是一個(gè)礦產(chǎn)資源大國(guó)，礦產(chǎn)開采和利用對(duì)水資源的破壞相當(dāng)嚴(yán)重，酸性礦井水的處理是眾多礦山企業(yè)面臨的主要環(huán)境和生態(tài)問題[17,18]。人工濕地作為一種有效的酸性礦井水處理方法，在中國(guó)的應(yīng)用將越來越廣泛，其作用將越來越大。

隨著高分子研究的深入，出現(xiàn)了用無機(jī)高分子、有機(jī)高分子、高分子改性陽(yáng)離子、微生物等絮凝劑、陽(yáng)離子交換樹脂等材料來加強(qiáng)對(duì)酸性水的處理程度[19]。同時(shí)，也有學(xué)者在進(jìn)行以廢治廢研究，如利用粉煤灰作為中和劑[21]、利用煤矸石制取聚硅酸鋁作為絮凝劑[22]等都取得了明顯的效果。另外，值得一提的就是原位處理方法——可滲透法反應(yīng)墻。該方法在1982年由美國(guó)環(huán)保局提出來，滑鐵盧大學(xué)在1989年進(jìn)一步開發(fā)，并在安大略省的保登(Borden)成功進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)演示。這種方法完全可以在礦山應(yīng)用，其基本原理是：在礦山地下水流的下游方向，定義一個(gè)被動(dòng)的反應(yīng)材料的原位處理區(qū)[20]，針對(duì)礦山酸性水的具體成分分析結(jié)果，采用物理化學(xué)或者生物處理的技術(shù)方法，處理流經(jīng)墻體的污染組分，這是目前礦山酸性水處理研究的熱點(diǎn)問題。

3．5 含有害有毒元素或放射性元素礦井水

主要指含有氟、鐵、錳銅、鋅、鉛及鈾、鐳等元素的水。含氟礦井水主要來源于含氟較高的地下水區(qū)域或煤與圍巖中含有氟礦物螢石CaF2或氟磷灰石的地區(qū)。飲用高氟水，容易產(chǎn)生骨質(zhì)疏松，氟斑牙等病癥。我國(guó)北方一些煤礦礦井水含氟超過lmg／L。含鐵、錳礦井水一般是在地下水還原條件下形成的，大多呈現(xiàn)Fe2 Mn2 的低價(jià)狀態(tài)，有鐵腥味，容易變混濁，可使地表水的溶解氧降低，這類水需要經(jīng)過處理后才能使用或外排。含重金屬礦井水主要指含有Cu、Zn、Pd等元素的礦井水，這些元素濃度符合排放標(biāo)準(zhǔn)，但超過生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，所以不宜直接飲用。放射性元素水主要指含有超過生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)的U、Ra等天然放射性核素及其衰變產(chǎn)物氡Rn的礦井水。對(duì)于這類礦井水首先應(yīng)去除懸浮物，然后對(duì)其中不符合目標(biāo)水質(zhì)的污染物進(jìn)行處理。

在實(shí)際生產(chǎn)中的礦井水大多數(shù)為復(fù)合型水。因此在設(shè)計(jì)水處理工藝時(shí)必須搞清楚水質(zhì)和水量的實(shí)際水文地質(zhì)情況，然后考慮水處理單元的取舍和優(yōu)化組合，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行處理，如利用沙層對(duì)礦井污水的凈化作用及礦井水的利用[23]。但礦井水都或多或少的含有懸浮物，因此含懸浮物礦井水的處理工藝對(duì)于任何類型礦井水來說都是必要的前處理步驟。

4 礦井水的利用概況

我國(guó)煤礦礦井水的利用率還很低，平均僅為22％。雖然我國(guó)有意識(shí)的綜合利用礦井水起步較晚，利用率只有15％左右。但就目前來說，隨著各礦水資源的緊張，許多礦區(qū)都進(jìn)行了不同程度的綜合利用工作，主要利用有工業(yè)用水、生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉。

除了這些常規(guī)的利用外，要開發(fā)新的利用方式。

(1)利用礦井水和電廠余熱實(shí)現(xiàn)辦公樓冷暖空調(diào) 5水源熱泵技術(shù)是一項(xiàng)新興的節(jié)能空調(diào)技術(shù)，可達(dá)到節(jié)約投資及運(yùn)行費(fèi)用，節(jié)約能耗，節(jié)約用水，減少對(duì)環(huán)境影響的效果[24]。

(2)井下處理利用[7]。含懸浮物礦井水污染程度較低，易于凈化處理，如果在井下采取諸如清濁分流、水倉(cāng)預(yù)沉等措施，會(huì)使礦井水的井下處理難度更低。因此建立井下礦井水處理系統(tǒng)，改進(jìn)礦井現(xiàn)有的供水系統(tǒng)，使部分礦井水在井下實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，在技術(shù)上完全是可行的。建立井下礦井水處理系統(tǒng)，將礦井地面供水變?yōu)榫�下供水，可�?jié)省大量的礦井排供水費(fèi)用，對(duì)開采深度較大的礦井來說，其經(jīng)濟(jì)效益更顯著。

(3)與附近的城市綜合利用，以徐州礦區(qū)與徐州市為例[6] 6。徐州市將礦井水資源納入全市水資源管理規(guī)劃，實(shí)行統(tǒng)一管理。將位于徐州市區(qū)附近涌水量大且穩(wěn)定的礦井，充分利用地面供水主干網(wǎng)，將其礦井水直接向市區(qū)供水，重點(diǎn)是利用權(quán)臺(tái)、大黃山井田的礦井水，以緩解市區(qū)用水緊張的狀況；韓橋煤礦的礦井水可利用賈汪電廠改擴(kuò)建的有利時(shí)機(jī)，統(tǒng)籌安排，爭(zhēng)取盡早供水；將遠(yuǎn)離市區(qū)、城區(qū)且涌水量大的礦井，可就近作為工農(nóng)業(yè)及居民生活用水，重點(diǎn)是利用龐莊煤礦東城井、夾河煤礦的礦井水向九里區(qū)、城北工業(yè)區(qū)供水。徐州礦區(qū)還組建礦井水綜合利用開發(fā)公司，按照市場(chǎng)規(guī)律運(yùn)作，打破自來水市場(chǎng)獨(dú)家壟斷的局面。擬訂可行方案，在西關(guān)地區(qū)選擇一居民區(qū)鋪設(shè)礦井水管道到居民家中，直接供應(yīng)飲用水，爭(zhēng)取市政府支持，制定優(yōu)惠政策，鼓勵(lì)居民使用。徐州礦區(qū)將會(huì)按照市場(chǎng)公平競(jìng)爭(zhēng)的原則，逐步加大井水向市區(qū)供水量，適當(dāng)調(diào)高價(jià)格。重點(diǎn)扶持礦井水的深加工，利用新河、義安等煤礦的礦井水符合優(yōu)質(zhì)礦泉水標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)，積極尋求合作伙伴，開發(fā)系列優(yōu)質(zhì)礦泉水，作為一個(gè)新型產(chǎn)業(yè)，闖市場(chǎng)、創(chuàng)名牌、求發(fā)展。

5 存在的問題[4]

(1)觀念上的差距。歷來在煤炭勘探的同時(shí)把一些非煤的礦物如鐵、硒、鍺等甚至白堊土都列為有用的礦物資源，而對(duì)煤層上賦存的地下水、煤層氣(瓦斯)卻視為有害物。

(2)感情上的差距。人們認(rèn)為井下排水又黑、又臭、又臟，寧肯從幾十公里以外去引泥漿一般的黃河水，也不肯處理近在身邊的礦井水。

(3)認(rèn)識(shí)上的差距。盡管礦井水長(zhǎng)年累月不停地排放，但人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)卻很不夠。沒有深入地研究其特有的規(guī)律，水質(zhì)、水量變化的情況，不同類型水質(zhì)差異十分懸殊的致因，也從未系統(tǒng)地進(jìn)行全面化驗(yàn)分析總結(jié)。

(4)政策上的差距。國(guó)家對(duì)礦井水排放政策上沒有作為水資源開發(fā)利用，單純地進(jìn)行排污收費(fèi)，甚至罰款。

(5)管理上的差距。我國(guó)各礦區(qū)技術(shù)人員大多為采礦、機(jī)電、土建、機(jī)制等專業(yè)人員，目前尚有一些環(huán)保專業(yè)人員負(fù)責(zé)環(huán)境管理，但具體到水處理站的給水排水專業(yè)技術(shù)人員就非常缺乏，幾乎沒有，負(fù)責(zé)操作的工人大部分未培訓(xùn)，一部分是井下失去工作能力的工人轉(zhuǎn)到地面上來“看泵”。從領(lǐng)導(dǎo)到技術(shù)人員到工人都不了解工藝，不利于管理，更不能發(fā)揮主觀能動(dòng)性，積極地處理運(yùn)行中發(fā)生的問題。

6 對(duì)策和措施

①完善政策法規(guī)，向礦井水回收利用工程傾斜；②在煤田地質(zhì)勘探過中，除煤炭作為能源進(jìn)行儲(chǔ)量計(jì)算外，同時(shí)必需將賦存在煤田地層內(nèi)的地下水也作為資源進(jìn)行儲(chǔ)量的勘探和計(jì)算；③在礦區(qū)礦井的規(guī)劃、可研、初設(shè)及施工圖各階段，必須把井下排水作為水資源來開發(fā)利用；④加大礦井水科研試驗(yàn)的力度。要集中資金和人力，對(duì)礦井水作全面系統(tǒng)的調(diào)研、分析，對(duì)各類型的礦井水進(jìn)行分類并做長(zhǎng)期的觀測(cè)試驗(yàn)，包括年際變化以及日際變化，找到其變化的規(guī)律；⑤加大宣傳力度，轉(zhuǎn)變?nèi)藗兊挠^念，對(duì)礦井水的回收利用；⑥強(qiáng)化運(yùn)行管理，提高工人素質(zhì)；⑦規(guī)范市場(chǎng)，公平競(jìng)爭(zhēng)；⑧加強(qiáng)技術(shù)交流，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)。來源：谷騰水網(wǎng) 作者: 黃國(guó)軍，董守華，李東會(huì)