龍泉煤礦礦井水用作生態補水探討

苑 鑫 ， 劉育萍

(1.太原煤炭氣化(集團)有限責任公司， 太原 030024； 2.太原煤氣化股份有限公司， 太原 030024)

隨著煤炭產業的不斷發展、調整與升級，煤礦礦井水排放量逐年遞增，如何科學高效地對礦井水進行綜合利用成為山西省轉型發展過程中的一個重要課題。本文以龍泉煤礦為例，在科學分析的基礎上提出了礦井水用作生態補水的新思路。

1 龍泉煤礦礦井水利用現狀

1.1 龍泉煤礦概況

太原煤氣化龍泉煤礦位于山西省中部的婁煩縣境內，新舍科～上龍泉～下靜游村一帶，地理坐標為北緯38°08′50″～38°11′53″、東經111°45′04″～111°50′58″，行政區劃屬婁煩縣龍泉鄉管轄。龍泉煤礦是國家“十一五”煤炭規劃項目、山西省重點工程建設項目和太原市重點推進項目，儲量7.8億t，設計生產能力5.0 Mt/a，配套建設同等規模選煤廠。

1.2 礦井水處理工藝

龍泉煤礦礦井水處理能力為500 m3/h，廠房為全封閉建筑。處理工藝如下：

礦井水提升至地面后經管道混合管加聚合氯化鋁(PAC)進入預沉調節池，在預沉調節池初步沉淀后通過提升泵進入GDH型高效化學多功能凈水器，進入凈水器之前再投加混凝劑：破乳劑、PAC、聚丙烯酰胺(PAM)，凈水器為絮凝反應、撇油、沉淀、澄清4個處理單元組合在一起的一體化高效處理設備，凈水器出水進入中間水池，由泵提升至自動過濾器經過濾后進入清水池，經消毒后進行生產回用。工藝流程如圖1所示。

圖1 礦井水處理工藝

1.3 礦井水利用情況

龍泉煤礦根據具體情況，將處理后的礦井水進行了一定程度的綜合利用，利用情況為：井下防塵灑水、消防等用水為2 100 m3/d；地面消防、灑水綠化夏季600 m3/d(冬季300 m3/d)，選煤廠洗煤用水1 000 m3/d，共計130.4萬 m3/a。

龍泉礦井正常涌水量為440 m3/h，按此水平測算全年水量為385.44萬m3，扣除上述利用量，全年累計多余水量約255.04萬m3未得到有效利用。

2 礦井水用作生態補水方案研究

2.1 礦井水目前的水質

龍泉礦井目前礦井水處理系統進水水質情況見表1：

表1 礦井水進水水質

續表1

根據國家城市供水水質監測網太原監測站監測報告，龍泉煤礦礦井水處理后出水水質情況如表2所示。

表2 龍泉煤礦礦井水處理后出水水質

注：數據來源于國家城市供水水質監測網太原監測站W2014140號

由表2可知，水質指標中氟化物和總氮兩項指標超標。為確認水質，連續進行了6個月水質抽檢，確認兩項指標確實超過GB 3838—2002《地表水環境質量標準》Ⅲ類水質限值。

2.2 礦井水水質進一步優化的方法

在采用PAC+PAM處理礦井水的工藝中，PAC作為混凝劑對氟離子有一定的去除率(30.7%)，但當PAC投加量大于5 mg/L時，氟離子的去除率不再隨投加量的增加而增加[1]。

含氟水主要采用沉淀法和吸附法進行處理：鋁鹽沉淀法、石灰乳沉淀法、離子交換法以及電滲析，這些技術在正常工作下，均可使處理后的氟離子達到排放標準[2]。

根據對井下原水水質的取樣監測，礦井涌水本身總氮和氨氮濃度水平并不高，因此總氮指標降低主要依托增加硝酸鹽的去除率來實現。

程功林[3]的研究表明，采用反滲透技術可將進水氟化物指標由2.34 mg/L降至0.20 mg/L、同時將硝酸鹽指標由1.9 mg/L降至0.5 mg/L以下，可達到GB 5749—200《生活飲用水衛生標準》中限值要求。

因此，龍泉煤礦在現有礦井水處理系統的基礎上配套“超濾+反滲透”處理裝置后，出水水質可以滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中地表水Ⅲ類水質要求。

礦井水處理系統新增加部分工藝可采用圖2所示深度處理工藝。

2.3 生態補水可行性分析

生態補水是通過采取工程或非工程措施，向因最小生態需水量無法滿足而受損的生態系統調水，補充其生態系統用水量，遏制生態系統結構的破壞和功能的喪失，逐漸恢復生態系統原有的、能自我調節的基本功能，或者實現新的生態平衡的活動[4]。

圖2 礦井水深度處理工藝

龍泉煤礦工業廣場地處婁煩縣上龍泉村，周邊有季節性河流龍泉河緊鄰該工業廣場。龍泉河全長28 km，為嵐河一級支流，流域面積約167 km2，雨季最大流量13.5 m3/s，旱季最小流量0.014 m3/s，多年平均流量約0.051 m3/s，多年平均徑流量約160.83萬m3。

受周邊煤礦采煤影響，龍泉河水量逐年下降，河道生態系統已受到一定影響，本著因地制宜、實事求是的原則，龍泉煤礦處理后的礦井水用作龍泉河生態補水是其綜合利用的首選。

龍泉河斷面監測數據顯示主要污染物COD平均值為25.33 mg/L、氨氮平均值1.87 mg/L，按照GB 3838—2002《地表水環境質量標準》中Ⅲ類水質要求，已無COD和氨氮水環境容量。根據李瑋等[5]對汾河干流水質及環境容量的研究，河流水環境容量與河道流量以及水環境質量目標緊密相關，生態高補水方案由于受生態補水量加大、河道外生態用水增長緩慢等因素影響，河流水體的水環境容量明顯得到提高。龍泉煤礦年供水量為255.04萬m3，水質指標COD平均值10.5 mg/L、氨氮平均值0.23 mg/L，生態補水后龍泉河年徑流量上升為415.87萬m3，主要污染物COD平均值降至16.23 mg/L、氨氮平均值降至0.73 mg/L，不僅有效地改善了龍泉河水質情況，使龍泉河有了一定的COD和氨氮水環境容量，而且提高了河道生態供水量。而嵐河多年平均徑流量[6]為4 325.7萬m3，顯而易見，補水后的龍泉河水匯入嵐河后，不會消耗嵐河的COD和氨氮水環境容量，因而龍泉煤礦礦井水作為生態補水供龍泉河補水技術上是可行的。

礦井水處理新增深度處理工藝運行成本為：新增電費0.492元/m3、新增藥劑消耗0.351元/m3、新增其它費用0.08元/m3，在原處理成本1.731元/m3的基礎上增加了0.923元/m3，用作生態補水的處理成本達到了2.654元/m3，增幅雖然較大，但尚在企業可接受范圍內，按年補水量255.04萬m3計，年增加運行成本總額為235.4萬元，不會給龍泉煤礦帶來經濟負擔。

2.4 風險防范措施

為防范水質波動或礦井水處理系統故障情況下生態補水水質風險，龍泉煤礦生態補水應采取如下措施：

(1) 在現有礦井水處理系統已有事故池的前提下，按照系統故障處理或例行維修所耗最長時間另外增設生態補水專用事故池1座，在主要設備有備用、主要備品備件充分的前提下，按照12 h內能夠消除任何故障來測算，考慮1.5的風險系數，該事故池容量最小為4 500 m3。

(2) 主要處理設備，特別是反滲透系統中使用填料的自動過濾設備，因其更換時間長達3～4 d，必須有備用設施。

(3) 生態補水口安裝水質在線監測系統，實時監控補水水質情況，根據礦井水處理水質情況及河道水質敏感情況，監測項目應包括pH值、COD、氨氮、氟化物、硫化物、總鉛、總鎘、總鐵、總錳、流量等。特別是鐵、錳等重金屬元素對地表水具有強危害性，補水pH值波動過大也會造成水生生物的損傷或死亡，應予以高度重視，在實時監測的過程中要增加補水后河道內相關生物指標的不定期監測。

(4) 生態補方案應配套專項應急預案，應急預案按照《山西省企業突發環境事件應急預案編制導則》(晉環發〔2011〕269號)要求編制并按規定報環境保護主管部門備案。預案中關于重金屬元素超標、pH值波動等風險要有詳細的應對措施。同時，應急物資必須按預案要求備足備好、定期檢查，確保突發狀況下能夠滿足應急需要。

3 礦井水用作生態補水前景展望

山西省是煤礦集中同時又相對缺水的地區,礦井水的處理和利用對于改善當地的生態環境和人民的生活水平具有積極的意義。目前山西省內煤礦礦井水就地利用模式主要有：處理后全部回用本礦、多余量供電廠或選礦廠、選煤廠補水等，個別企業也實現了處理后作生活飲用水用，但對于礦井涌水量大的煤礦，全礦自用水量遠小于其礦井涌水量，無法實現全部內部綜合利用，再加上周邊無企業受納多余水量，遠距離輸水成本又太高，因此，生態補水不失為一種選擇。

按照噸煤排水量水平0.4 m3核算，山西省2013年煤炭產量9.6×108t，礦井水產生量達3.84×108m3，按照30%的平均回用水平計，外排量仍有2.68×108m3，非常可觀。這部分水量作為生態補水進入河道、湖泊或水庫后，可在一定程度上緩解山西省水資源緊缺的局面，特別是對部分缺水的山區，如能與當地政府聯動，更是意義重大。

4 結語

如前述，龍泉煤礦礦井水在現有工藝基礎上增加反滲透深度處理工序優化工藝后，水質可滿足GB 3838-2002《地表水環境質量標準》中Ⅲ類水質要求，在做好風險防范工作的前提下可采用直接向龍泉河進行生態補水的綜合利用方案實現資源化利用，年補水量維持255萬m3水平，能夠有效改善龍泉河水質。

山西省煤礦眾多而且缺水，科學有效利用礦井水一直是煤炭行業的重要課題之一，龍泉煤礦礦井水用作生態補水的探討對于開拓礦井水綜合利用途徑有一定積極意義，而且技術穩定、可行。生態補水后整體效益評價工作尚待進一步研究，本文初步的分析結果表明，年注入龍泉河255萬 m3處理后達到GB 3838-2002《地表水環境質量標準》中Ⅲ類水質的礦井水作為生態補水，可將龍泉河主要水質指標提升，COD由25.33 mg/L降低到16.23 mg/L，氨氮由1.87 mg/L降低到0.73 mg/L，同時提高了河道生態供水量。

參 考 文 獻

[1] 焦志彬．含氟礦井水處理研究[J]．山西焦煤科技，2012，5：30-33．

[2] 袁航，石輝．礦井水資源利用的研究進展與展望[J]．水資源與水工程學報，2008，19(5)：50-57．

[3] 程功林．淮南礦區礦井水深度處理技術研究[J]．能源環境保護，2009，2319(1)：34-37．

[4] 張樹軍，趙峰，羅陶露，等．生態補水綜合效益評價指標體系建立[J]．吉林大學學報(地球科學版)，2008，38(5)：815-819.

[5] 李瑋,褚俊英,秦大庸，等．基于補水配置情景的河流水質及環境容量研究——以汾河干流為例[J]．中國水利水電科學研究院學報，2012，10(1)：9-12．

[6] 劉殷．嵐河流域水文特性分析[J]．科技情報開發與經濟，2008，18(19)：135-136.