山西采煤礦井廢水深度處理與利用研究

秦小茅

(山西省呂梁市環境保護局，山西呂梁 033000)

引言

山西是我國的煤炭大省，煤田儲量十分豐富，煤炭產量長期居全國之首。在煤炭開采過程中，由于巷道的揭露以及采空區塌陷波及水源往往導致礦井廢水的形成與集聚。礦井廢水的來源主要為大氣降水、地表水、含水層水、斷層水及采空區水，其水質通常與當地地下水水質相符。同時，煤炭行業的特殊性決定了煤礦礦井廢水還具有懸浮物含量較高，沉降性差，鐵、錳含量高，礦化度高等特點。

據監測分析，大多數煤礦礦井廢水溶解性總固體含量通常較高，為高礦化度礦井廢水，俗稱苦咸水。調查表明，此類礦井廢水廣泛分布于我國北方地區，如華北、西北高原、黃淮海平原、東北、中東部等地區，其中，華北地區，作為我國最大的產煤地區，區域內礦井廢水大部分為偏堿性高礦化度礦井廢水。高礦化度礦井廢水中主要無機鹽離子有、Cl-、Ca2+、Na+、HCO-3，含量通常為1000mg/L。據統計，我國煤礦高礦化度礦井廢水無機鹽含量通常為1000～3000mg/L之間，有的甚至高達4000mg/L。監測結果顯示，山西煤礦礦井廢水礦化度為0.3～2.45g/L，礦化度偏高，硬度較大，水質多數偏堿性，帶苦澀味，僅有極少數為中性或酸性。目前，對于高礦化度礦井廢水，僅進行混凝、沉淀、過濾、消毒的初級處理，只能去除水中的懸浮物和部分有機物，處理后出水僅能用于對水質要求不高的工業用水。為使礦井廢水滿足水質要求較高的工業用水和生活用水甚至飲用水，實現煤炭礦井廢水資源化，就必需要進一步深化處理去除或者減少水中的無機鹽離子，即為礦井廢水的深度處理。當前，礦井廢水深度處理主要有離子交換、電滲析、蒸餾和反滲透等技術。實踐證明，煤炭礦井廢水的深度處理可明顯提高其利用率，拓展其利用范圍，真正實現礦井廢水的資源化。

1 礦井廢水深度處理的現實意義與前景展望

1.1 提高礦井廢水利用率，緩解地區水資源短缺矛盾

我國水資源人均占有量的長期不足已嚴重制約著經濟社會的可持續發展。水資源緊缺狀況在我國北方地區尤其實在煤炭礦區極為嚴重。調查顯示，我國86個重點煤礦中70%缺水，40%嚴重缺水［1］。山西地處黃土高原，屬半干旱地區，據山西省第二次水資源評價結果，全省多年平均水資源總量123.8億m3，人均占有量為382m3，為全國平均值2400m3的15.9%，為世界公認的人均水資源占有量500m3的76.4%［2］，水資源十分匱乏，供水矛盾十分尖銳，正在嚴重制約山西工農業的發展和人民的正常生活。素有“中國煤都”之稱的大同，每年由于缺水其煤炭、電力行業造成的直接和間接損失高達100億元。據測算，同煤集團公司礦、廠、公司生產用水和員工及家屬生活需水量為17萬t/d，而實際只能供水12.9萬t/d，缺水4.1萬t/d，同煤集團水資源總量早已低于安全警戒線。據統計，2010年我國煤礦礦井廢水排放量約72.6億m3，其中煤礦礦井廢水的排放量占到84%。山西各大煤礦集團同樣具有豐富的礦井廢水資源，涌水水量和水質穩定，其中山煤集團礦井正常涌水量為30495m3/d，最大涌水量可達59977m3/d，晉城煤業集團礦井實際涌水量為63000m3/d。由于常規的初級處理技術對提高礦井廢水利用率的能力非常有限，從而較大程度上，限制了礦井廢水的可利用范圍。而對煤炭礦井廢水的深度處理的研究和應用，既可提高其利用率以彌補常規水源的不足，緩和水資源短缺矛盾，解決礦區缺水問題，又保證了煤炭行業的可持續發展。

1.2 保護和改善礦區生態環境，維護地區生態平衡

一方面，礦區供水水源的不足常以通過大量甚或過量開采地下水來予以補充，由此而帶來礦區地下水位下降、地面沉降、地面塌陷等生態問題。從山西大同同煤集團來看，由于該集團對時莊水源的長期大量開采，造成該水源地地下水位持續下降。國家對該水源地批準的日開采量為1.2萬t/d，而實際開采量高達2萬t/d，甚至2.5萬t/d。目前，由于超量開采造成水位下降過快而導致開采量降至1.18萬t/d。另一方面來源穩定且水量豐富的礦井廢水如經過深度處理即可作為礦區工業生活補充水源甚至飲用水源，便極大減少了對礦區地下水的開采，從而保護了礦區生態地質與植被生存環境。相反，因高礦化度礦井廢水含有大量的無機鹽，若直接排放會則會造成礦區水體和土壤污染，使水體含鹽量升高以及土壤板結或者鹽堿化等生態災難。因此，將礦井廢水進行深度處理后回用，不僅較大提高了礦井廢水利用率，節約水資源，還進一步避免了因地下水的過量開采而帶來的系列生態問題以及因礦井廢水排放對造成環境的污染破壞等，較好的改善礦區生態環境。

2 礦井廢水處理和利用現狀

目前，我國煤礦礦井廢水大都采用初級處理，即在井下匯合，泵提到地面，經混凝、沉淀、過濾、消毒處理后部分用作工業用水或非飲用生活飲用水，其余則達標排放。從下表中可以看出，2005年我國礦井廢水利用率為31%，2010年提高到59%，雖然與2005年相比2010年我國礦井廢水利用率有所提高，但是總體結果較為偏低，為使利用率提高到2015年預計的75%，就必須采取深度處理技術，拓寬礦井廢水利用范圍，提高利用率，減少其排放量，節約水資源。

表1 煤炭行業礦井廢水排放利用情況和規劃目標

調查顯示，山西煤炭集團，如陽煤集團陽泉地區、山西煤炭運銷集團、潞安集團、山煤集團、晉城煤業集團等礦區礦井廢水處理工藝通常都為混凝、沉淀、過濾、消毒，處理后的礦井廢水主要回用于井上井下地面降塵、井下生產回用、礦井消防、洗煤廠和電廠的補充用水等工業用水，以及礦區綠化等景觀用水。該出水水質無法滿足原有村莊和遷入村莊村民生活用水需求，尤其是人畜飲水需求。同時，由于礦井廢水無法全部回用，少量外排，造成局部地區環境污染與生態破壞。

再從全國來看，煤礦礦井廢水處理仍處在初級處理僅可用于工業、景觀等用水階段，深度處理還遠遠不夠，難以應用于礦區洗浴、洗衣和飲用等方面，已遠遠不能適應煤炭生產與采礦區經濟社會發展的需要。

3 礦井水深度處理技術現狀

3.1 離子交換法

離子交換法是采用離子交換樹脂中的H+或OH-離子來置換水中的無機鹽離子從而降低其在水中的含量，該方法設備簡單、投資運行費用較低、操作易于控制，而且使用過的樹脂可采用一定方法進行再生，可用作高礦化度水經膜分離法處理的進一步脫鹽工序，適于無機鹽濃度低于500mg/L的水處理。

圖1 山西某煤礦礦井廢水處理工藝

3.2 蒸餾法

蒸餾法即熱法，是最早開發的飲用水脫鹽技術，通過加熱將水變成蒸汽，然后將蒸汽冷凝后收集來去除水中硝酸鹽。煤礦開采過程中排出的大量可利用低熱值燃料可作為廉價燃料，用蒸餾法淡化高礦化度礦井廢水，在供給礦區高質量用水的同時消除煤矸石污染，改善礦區環境。蒸餾法淡化苦咸水工藝流程主要有以煤矸石為沸騰爐燃料生產蒸汽淡化苦咸水工藝和以發電廠廢熱為能源的電-淡水聯產工藝組合方式淡化工藝。研究表明以煤矸石為燃料淡化苦咸水工藝成本低于電滲析工藝，在煤礦高礦化度礦井廢水淡化方面具有較大的競爭力。

3.3 電滲析法

電滲析是在直流電場作用下，采用具有選擇透過性的交替排列的陰陽離子交換膜將水與水中溶質分離出來的方法，其最先用于海水和苦咸水淡化來制取飲用水和工業用水。電滲析技術脫鹽存在對原水的預處理要求較高，電耗較大，膜容易結垢等問題，電滲析通常適用于含鹽量為1000～5000mg/L的原水淡化，

3.4 反滲透

反滲透是通過施加壓力使原水通過只允許水分子透過的半透膜將水與水中其他物質進行分離，達到淡化除鹽的目的，該法能阻擋所有溶解性鹽及分子量大于100的有機物。目前隨著反滲透膜與組件技術的成熟，反滲透法脫鹽率升高，透水通量增加，抗污染和抗氧化能力提高、銷售價格下降，使其淡化水的成本明顯降低。目前廣泛應用于海水及苦咸水淡化［3］，鍋爐給水、工業純水，飲用水純化，廢水處理等過程。反滲透法一般需要經過初級處理、膜分離和后續處理三個階段。初級處理主要是采用混凝、沉淀、過濾、吸附等去除懸浮物、油類、有機物質以及調節溫度、pH。后續處理需要根據不同回用目的采用消毒、中和、曝氣等方法。趙曙光等［4］在采用中和、絮凝、沉淀、過濾等初級處理工藝后，通過反滲透方法對高礦化度煤炭礦井廢水進行脫鹽直接用作配乳用水，結果表明，加入PAC25mg/L和PAM0.6mg/L時絮凝沉淀效果比較好，然后經過過濾和反滲透處理，出水電導率基本可以穩定在30μS/cm煤炭礦井廢水初級處理后，再以反滲透脫鹽工藝進行深度處理，即可將高濁、高鹽、高硬度水處理為高質量的水，均可用作生活用水甚至飲用水。

4 結論

經過初級處理后的煤炭礦井廢水大多數仍不能用于對水質要求較高的行業，尤其是高礦化度礦井廢水，無機鹽含量很高，必須經過深度處理后，才能廣泛用作高標準的工業和生活用水，甚至飲用水。深度處理可擴大煤炭礦井廢水的使用范圍，提高其利用率，實現礦井廢水的資源最大化。目前，我國礦井廢水深度處理主要采用電滲析和反滲透技術。從山西同煤集團、焦煤集團等煤炭礦井廢水的深度處理技術應用實踐來看，電滲析存在膜容易結垢、維修成本高、脫鹽率達不到設計要求、操作管理復雜等缺點，而反滲透法具有工藝簡單、運行穩定、脫鹽率高、操作管理方便、適用范圍較廣等優點。同時，近年來隨著膜技術的提升與發展，其處理成本大幅下降。因此，采用反滲透法處理高礦化度煤炭礦井廢水具有現實而又廣泛的應用前景。

［1］劉志斌，王娟，張躍進.阜新礦區礦井廢水資源化途徑研究［J］.露天采礦技術，2004(2):21-24.

［2］徐高強，胡冬冬，楊云龍.山西礦井廢水現狀及綜合利用途徑探討［J］.山西建筑，2008，34(8):200-201.

［3］何緒文，宋志偉，王殿芳，等.反滲透技術在煤礦苦咸水處理中的應用研究［J］.中國礦業大學學報，2002，31(6):618-621.

［4］趙曙光，李福勤，侯明剛等.高礦化度礦井廢水資源化工程實踐［J］.水處理技術，36(7).