煤礦礦井水的凈化處理技術(shù)

侯文杰(陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710070)

0 引言

煤礦礦井水是在煤礦開采過程中產(chǎn)生的地下涌水，其形成主要來源于大氣降水、地表水、斷層水等，其中大氣降水是礦井水的主要來源，并對(duì)其他水源進(jìn)行補(bǔ)給。煤炭開采過程會(huì)產(chǎn)生大量礦井水，大約每開產(chǎn)一噸煤會(huì)產(chǎn)生兩噸礦井水。目前我國(guó)礦井水的利用率還很低，礦井水資源浪費(fèi)驚人，與此形成鮮明對(duì)的是，礦區(qū)缺水特別是北方礦區(qū)嚴(yán)重缺水已經(jīng)成為普遍現(xiàn)象。因此，將礦井水凈化處理后作為生產(chǎn)和生活用水是解決礦區(qū)缺水問題，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)可持續(xù)發(fā)展的有效途徑[1]。

1 礦井水凈化處理的技術(shù)現(xiàn)狀

礦井水按水質(zhì)類型可分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和有害有毒礦井水五類。不同水質(zhì)的礦井水經(jīng)過處理，均可達(dá)到工業(yè)用水或生活用水的標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 潔凈礦井水處理

潔凈礦井水是沒有受到污染的地下水，此類礦井水可通過設(shè)置專用的輸水管道將其引出后直接利用，如果用作生活飲用水時(shí)需進(jìn)行消毒處理。

1.2 含懸浮物礦井水處理

在礦井水中有很多粒徑非常細(xì)小的煤粉或其他雜質(zhì)(如巖粉、黏土等)，僅僅依靠自然沉淀難度較大，需要借助混凝劑和混凝沉淀技術(shù)將其去除。此類礦井水在經(jīng)過凈化處理和二氧化氯消毒后可以作為生活用水。

含有懸浮物的礦井水凈化處理主要采用鐵鹽混凝劑，這種無機(jī)高分子混凝劑可以有效應(yīng)對(duì)礦井水的水溫變化和pH值變化。混凝劑的混合方式以管道混合器混合、水泵混合為主，其中水泵混合更為常見。

采用混凝沉淀法去除懸浮物，可分為井下處理和地面處理兩種方式。井下處理是在井下設(shè)置若干段水倉(cāng)，添加了絮凝劑的礦井水經(jīng)沉淀、溢流后可脫除水中的懸浮物；地面處理是在地面設(shè)置沉淀池，添加了絮凝劑的礦井水在沉淀池中經(jīng)沉淀后可脫除懸浮物。

1.3 高礦化度礦井水處理

高礦化度礦井水在我國(guó)北方地區(qū)分布較多，主要分布于西北高原或東北的部分礦區(qū)，主要特征為礦井水含鹽量極高，超過1000mg/L，這些區(qū)域也是我國(guó)煤礦缺水最為嚴(yán)重的地區(qū)。因?yàn)楦叩V化度礦井水含鹽量高，即便經(jīng)過處理后也不宜用于飲用，所以目前對(duì)于此類水的凈化和利用主要從工業(yè)應(yīng)用的角度來開展。

在處理技術(shù)上，除了混凝和過濾等傳統(tǒng)工藝以外，關(guān)鍵的工序在于脫鹽處理。脫鹽技術(shù)包括電滲析技術(shù)和反滲透脫鹽技術(shù)，前者由于不能去除礦井水中含有的細(xì)菌和有機(jī)物，加之設(shè)備能耗較高，在礦井水淡化工程中有很大的局限性，現(xiàn)已逐漸被反滲透裝置所取代。目前反滲透膜對(duì)鹽的脫除率超過99.5%，隨著膜和組件生產(chǎn)成本的不斷減低，淡化水的成本也因此快速下降。

膜分離技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行過程中存在的主要問題是膜的污染和結(jié)垢，具體表現(xiàn)為膜的透水量隨著運(yùn)行時(shí)間而下降。為了減小膜污染的影響，一方面需要根據(jù)礦井水的性質(zhì)選擇合適的膜材料并定期對(duì)膜進(jìn)行清洗；另一方面可以在膜處理工序前增加前處理工藝，比如三級(jí)過濾、投加阻垢劑等方法，這樣可有效降低礦井水中雜質(zhì)對(duì)膜的直接沖擊。

1.4 酸性礦井水凈化處理

酸性礦井水一般采用化學(xué)中和法來處理，例如在水中添加堿性藥劑、石灰石、白云石等?；瘜W(xué)中和法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于能夠用非常簡(jiǎn)單的設(shè)備進(jìn)行操作和管理，成本比較低，處理技術(shù)本身對(duì)石灰石顆粒和性能方面的要求也不高，操作過程易于控制，缺點(diǎn)是出水中存在著大量的碳酸，pH值難以達(dá)標(biāo)。

近年來，人工濕地處理酸性礦井水的方法得到了廣泛的研究，在技術(shù)層面和客觀上已經(jīng)證實(shí)了可行性。不過需要注意的是濕地生態(tài)對(duì)水的pH值有一定的要求，需要保持在4.0以上，否則會(huì)增加工藝處理成本，另外濕地生態(tài)工程系統(tǒng)在處理性能方面還很有限，只適用于間歇排放的廢水。

1.5 有毒有害礦井水凈化處理

對(duì)含氟礦井水，可采用活性氧化鋁吸附的方法去除氟，也可采用電滲析法在除鹽的同時(shí)去除氟。對(duì)含鐵、錳的礦井水，通常采用曝氣充氧、錳砂過濾的方法去除。

對(duì)含有重金屬以及放射性物質(zhì)的礦井水，需要綜合考慮水中的總α、總β放射性水平。根據(jù)重點(diǎn)礦區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，全國(guó)煤礦礦區(qū)地下水的總α放射性污染狀況比較嚴(yán)重，有近一半礦區(qū)的飲用水指標(biāo)處于超標(biāo)情況，個(gè)別區(qū)域如西南地區(qū)的部分礦區(qū)，超標(biāo)情況非常嚴(yán)重。人們?cè)诮佑|放射性和其他有毒有害物質(zhì)的飲用水后會(huì)有癌癥、白血病等疾病風(fēng)險(xiǎn)，所以在處理此類礦井水時(shí)，首先應(yīng)去除懸浮物，后續(xù)利用沉淀、反滲透、離子交換或活性材料吸附等方法去除有毒有害物質(zhì)。

在實(shí)際生產(chǎn)中遇到的礦井水大多為復(fù)合型水，選擇處理工藝之前首先要清楚的了解礦井水的基本特征，然后綜合考慮水處理操作單元的選取和優(yōu)化組合。一般而言，礦井水中都會(huì)含有懸浮物，因而去除懸浮物對(duì)大部分礦井水都是必須的前處理步驟。

2 礦井水凈化處理中的工程問題

2.1 調(diào)節(jié)池管理

煤礦井下排水本身具有一定的特殊性，水量、水質(zhì)都會(huì)受到煤層等因素的影響，為了保障水處理系統(tǒng)的性能和安全，同時(shí)起到均衡水質(zhì)的效果，在礦井水進(jìn)行凈化處理前設(shè)置調(diào)節(jié)池是非常必要的，調(diào)節(jié)池的作用在于預(yù)沉淀。

井下排水系統(tǒng)和井上水處理系統(tǒng)并不一定同步運(yùn)行，通過調(diào)節(jié)池一方面可以協(xié)調(diào)井下排水系統(tǒng)排水時(shí)間，另一方面可以和井上水處理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，優(yōu)化水處理設(shè)備的處理能力，讓設(shè)備的使用更加合理。在池容方面，按照以下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：V=(Q1-Q2)t(1)

式中：V為預(yù)沉調(diào)節(jié)池容積；Q1為井下單位時(shí)間排水量；Q2為礦井水處理系統(tǒng)單位時(shí)間處理水量；t為井下排水時(shí)間。

在利用這一公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，調(diào)節(jié)池的池容需要符合場(chǎng)地建設(shè)要求，按照《煤炭工業(yè)給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定，根據(jù)井下涌水量確定礦井水排水量。如果礦區(qū)在北方等比較寒冷的地區(qū)，還應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的防凍措施以避免冬季冰凍出現(xiàn)的不利影響。

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控是通過組態(tài)軟件構(gòu)建系統(tǒng)化的信息平臺(tái)，利用數(shù)據(jù)交換機(jī)和某些通訊模塊進(jìn)行通信，將系統(tǒng)的運(yùn)行畫面和數(shù)據(jù)發(fā)布至網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，讓終端用戶進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程運(yùn)行控制和集中管理。遠(yuǎn)程監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)礦井水處理工藝流程的綜合自動(dòng)化控制， 解決礦井水處理流程中的系統(tǒng)問題，還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加藥、自動(dòng)排泥，使處理后的水質(zhì)達(dá)到工業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)。

隨著儀器儀表技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和自動(dòng)化水平的提高，各類先進(jìn)的在線儀表可以實(shí)現(xiàn)更多的自動(dòng)化控制。一般來說，礦井水處理裝置中的動(dòng)力裝置和在線檢測(cè)設(shè)備分布在各個(gè)水處理單元，采用過程監(jiān)控的方式可以將這些單元進(jìn)行聯(lián)動(dòng)協(xié)同，根據(jù)水處理系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)。在確保水量和水質(zhì)符合相關(guān)要求的前提下，礦井水處理系統(tǒng)的自動(dòng)控制技術(shù)將有效提高工作效率，降低礦井水的處理成本[2]。

2.3 污泥處理系統(tǒng)

在礦井水處理過程中，預(yù)沉調(diào)節(jié)池和沉淀池中會(huì)產(chǎn)生污泥，預(yù)沉調(diào)節(jié)池池容不足或建設(shè)的時(shí)候未考慮排泥設(shè)施都會(huì)導(dǎo)致排泥不暢。離心式污泥脫水機(jī)的工作性能較差時(shí)會(huì)影響污泥的含水率以及后續(xù)的運(yùn)輸環(huán)節(jié)，對(duì)此需要根據(jù)污泥性質(zhì)的不同選擇與其所帶電荷相反的高分子絮凝劑，并根據(jù)污泥量選擇大小合適的離心脫水設(shè)備[3]。

2.4 消毒系統(tǒng)

礦井水在經(jīng)過凈化處理后用于工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)時(shí)，消毒系統(tǒng)非常關(guān)鍵。利用二氧化氯進(jìn)行消毒已經(jīng)在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。二氧化氯作為國(guó)際公認(rèn)的一種高效、低毒、安全的廣譜強(qiáng)氧化殺菌劑，能夠?qū)ξ⑸锛?xì)胞產(chǎn)生非常明顯的吸附穿透能力，氧化微生物細(xì)胞內(nèi)的生物酶，通過抑制細(xì)菌蛋白質(zhì)的合成從而破壞細(xì)菌的生成，同時(shí)不產(chǎn)生刺激性氣味或有毒有害的致癌物質(zhì)。

歐美國(guó)家普遍采用紫外線對(duì)處理后的廢水和飲用水進(jìn)行消毒，利用紫外線的滅活機(jī)理起到凈化水質(zhì)的目的。紫外線消毒的優(yōu)勢(shì)在于不需要添加其他化學(xué)藥劑且無二次污染，缺點(diǎn)是影響其效果因素較多，無持續(xù)殺菌能力，一般應(yīng)用于小型污水處理廠。

3 結(jié)語(yǔ)

煤礦礦井水是一種極具行業(yè)特點(diǎn)的廢水，經(jīng)凈化處理后礦井水可轉(zhuǎn)化為寶貴的水資源。目前很多礦區(qū)一方面缺水，一方面又將未經(jīng)處理的礦井水直接排放，不僅污染了環(huán)境也浪費(fèi)了寶貴的資源。將礦井水經(jīng)過凈化處理作為工業(yè)和生活用水不僅可有效解決礦區(qū)缺水問題，有效保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)礦井水的綜合利用，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。礦井水的資源化利用需要根據(jù)礦井水自身特征，結(jié)合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)、生活對(duì)水質(zhì)和水量的具體要求、工程和設(shè)備投資以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)的可行性，因地制宜選擇適合的處理方案。

本文對(duì)現(xiàn)階段煤礦礦井水凈化處理常用的一些技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，并針對(duì)某些關(guān)鍵的工程環(huán)節(jié)進(jìn)行了探討，期望通過技術(shù)和設(shè)備的不斷進(jìn)步，提升礦井水的綜合利用率，助力煤炭產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。