國外礦井水利用現(xiàn)狀及特點分析

李 庭，李井峰，杜文鳳，郭奇峰，張 英，李 娜

(1.國家能源集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102200；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083；4.中煤科工集團北京華宇工程有限公司，北京 100120)

礦產(chǎn)資源的開采常伴隨著大量產(chǎn)水，例如相關(guān)研究統(tǒng)計，每開采1t煤在荷蘭相應(yīng)產(chǎn)出2t水[1]，而在英國則相應(yīng)產(chǎn)出3t水[2]。礦井水的外排、滲漏造成的地表水和地下水污染問題，已成為影響世界采礦業(yè)發(fā)展的主要問題，而加強礦井水利用，不但可以減輕污染，還能減少水資源的浪費。

在我國，一方面煤礦和金屬礦礦井水大量外排造成污染，而另一方面，很多礦區(qū)由于缺水造成礦物洗選、礦物冶煉、火電、煤化工等產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。例如我國14個大型煤炭基地中有11個存在不同程度的缺水問題，尤其是晉、陜、蒙、寧、甘等西部地區(qū)煤炭產(chǎn)量占全國煤炭產(chǎn)量的70%以上，而水資源占有量不足全國總量的3.9%[3，4]。因此，只有更好的保護與利用礦井水資源，才能為我國礦區(qū)發(fā)展提供有力保障。

目前我國礦井水利用已進(jìn)入高速擴張發(fā)展期，各種新的利用處理技術(shù)、利用途徑都在不斷的涌現(xiàn)和嘗試[5-7]，取得了大量成績的同時也存在一些不足。國外發(fā)達(dá)國家礦井水利用的發(fā)展時間更長，在技術(shù)上、理念上和管理上更加先進(jìn)和成熟，因此，對國外現(xiàn)狀的研究可給我國礦井水利用的發(fā)展提供借鑒和指導(dǎo)，同時也可填補國內(nèi)缺乏對國外礦井水利用情況系統(tǒng)研究總結(jié)的空白。

1 國外礦井水主要利用方式

國外對于礦井水的利用，除了傳統(tǒng)的回用于自身的生產(chǎn)之外，利用方式還包括生活飲用水、灌溉用水、工業(yè)用水和環(huán)境用水等。近年來，對于礦井水用于蓄熱、蓄能發(fā)電以及回注的相關(guān)研究和應(yīng)用逐漸增多。

1.1 生活飲用水

很多礦區(qū)位于干旱少雨地區(qū)，水資源緊張，同時礦業(yè)開采又加劇了水資源短缺。為了營造環(huán)境友好的礦區(qū)，同時更好的履行社會責(zé)任，很多礦業(yè)公司利用礦井水為礦區(qū)居民供水。例如印度尼西亞第二大煤炭企業(yè)PT Adaro公司，將礦井水處理達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)后，通過15km長的管網(wǎng)供給礦區(qū)附近的Padang Panjang和Dahai兩個村子，使超過5500名村民從中受益[8]。另外，Adaro公司創(chuàng)新性的將礦井水處理設(shè)施交給村民自己管理與運營。運營管理人員由村民會議選出，并接受Adaro公司和相關(guān)專家的技術(shù)培訓(xùn)。

1.2 灌溉用水

世界上約有70%的水被用于農(nóng)業(yè)。利用礦井水灌溉，可以增加缺水礦區(qū)的耕種面積并提高產(chǎn)量。例如美國內(nèi)華達(dá)州的Betz-Post金礦，每天產(chǎn)生約30萬m3礦井水，其中有10%約3萬m3礦井水被用于灌溉2000hm2的農(nóng)作物[9]。此外，礦井水還經(jīng)常被用作干旱時的備用水源。有些地區(qū)直接利用未經(jīng)處理的礦井水進(jìn)行灌溉，造成了土地鹽堿化、土壤酸化和重金屬超標(biāo)等問題。因此必須監(jiān)測和控制礦井水水質(zhì)，并定期評估環(huán)境影響。

1.3 工業(yè)用水

礦井水回用于礦石洗選、場地降塵、鉆探等活動等是最常見的工業(yè)利用方式。近年來利用礦井水作為火電廠的冷卻用水的研究越來越多。例如美國西弗吉尼亞大學(xué)的國家礦山復(fù)墾中心(NMRC)，正在研究使用阿巴拉契亞盆地1萬多個地下廢棄礦井的近9.5億m3礦井水資源來為該地區(qū)的熱電廠供水[10]。

1.4 環(huán)境用水

礦井水用于環(huán)境用途開始于20世紀(jì)80年代，并逐漸發(fā)展出濕地修復(fù)功能。濕地除了能處理酸性礦井水外，還創(chuàng)造了新的生態(tài)系統(tǒng)，增加了生物多樣性。例如西班牙的As Pontes礦山，通過使用礦井水創(chuàng)建了一個新的濕地湖泊，從而美化了景觀和周圍環(huán)境，生物多樣性甚至超過開采前[11]。

水產(chǎn)養(yǎng)殖也是礦井水環(huán)境利用的一個重要途徑。例如美國馬里蘭州自然資源部和Mettiki煤炭公司研究評價了利用廢棄煤礦的礦井水進(jìn)行水產(chǎn)養(yǎng)殖的技術(shù)經(jīng)濟性，并將處理后的礦井水用于養(yǎng)殖褐鱒，虹鱒等魚類[12]。

1.5 礦井水回注

廢水回注地下的做法在美國、歐洲有很長的研究和應(yīng)用歷史，近年來在采礦業(yè)，這種做法越來越受到重視[13]。當(dāng)面臨嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)限制，特別是在環(huán)境敏感地區(qū)，礦井水無法外排處置時，回注是較為理想的可選方案，不但規(guī)避了政策風(fēng)險，還有效補充了地下水資源量。礦井水注入時無需達(dá)到很好的水質(zhì)，因為地下巖層具有天然的過濾作用，可以將注入的礦井水自然凈化。

南非的Kolomela鐵礦位于南非開普省北部，開采活動破壞了地下含水層，為了控制地下水位下降，減小對地面農(nóng)業(yè)和生態(tài)的影響，該礦利用鉆孔每月向含水層回注約36000m3礦井水，取得了很好的效果[14]。

澳大利亞Mt.Whaleback鐵礦位于澳大利亞西北角的Pilbara地區(qū)，氣候干旱，蒸發(fā)量大且降雨量極不均衡。每年抽取1千萬m3地下水供給鐵礦生產(chǎn)和附近約6000居民生活使用，其中700萬m3地下水屬于超采。為了調(diào)節(jié)降雨不均衡并補充地下水，每年將790萬m3的礦井水和地表河水注入地下含水層，支撐了當(dāng)?shù)厮Y源的可持續(xù)發(fā)展[15]。此外，美國的Betze-Post金礦，德國的Garzweiler煤礦，西班牙的Alquife鐵礦和Las Cruce銅礦等都采用了礦井水回注技術(shù)。

1.6 蓄熱

通常地溫梯度為每增加100 m深度，溫度提升約3℃。地下水具有熱能利用的潛力，采礦活動大大提高了從井下抽取地下水并利用其所含熱能的潛力。歐洲開展了大量的研究和商業(yè)活動，對廢棄礦井的礦井水低溫資源進(jìn)行開發(fā)利用。德國埃森市的Zollverein礦的礦井水水溫27℃，被用來給5000m2的建筑供熱[16，17]。目前應(yīng)用最成功的是荷蘭Heerlen市的礦井水能源項目，2008年10月啟動了礦井水區(qū)域供暖系統(tǒng)的試點，到2015年已達(dá)到為50萬m2建筑面積供能，降低了65%的CO2排放[18]。

1.7 蓄能發(fā)電

國外發(fā)達(dá)國家由于資源枯竭，遺留了大量廢棄礦井，而廢棄礦井擁有地下巷道等優(yōu)質(zhì)地下空間可供改造利用。近年來針對利用廢棄礦井地下空間，并結(jié)合廢棄礦井的礦井水資源來建設(shè)抽水蓄能發(fā)電站的研究逐年增多[19，20]。目前，以德國為代表的相關(guān)國家在這個領(lǐng)域的研究已獲得了一些成果，例如德國的杜伊斯堡-埃森(Duisburg-Essen)大學(xué)與魯爾集團(Ruhr Group)合作，將位于德國北萊茵-威斯特法倫州(Nordrhein-Westfalen)的Prosper-Haniel煤礦改建成200MW抽水蓄能電站[21，22]。該礦地下約25km的巷道被改造成用來蓄能發(fā)電的水庫，儲存的礦井水量超過100萬m3。

1.8 礦井水外排

由于國外發(fā)達(dá)國家的礦業(yè)開采規(guī)模和開采強度遠(yuǎn)小于我國，礦井水總量也相對較小，處理達(dá)標(biāo)后外排對環(huán)境造成的影響不突出，因此，礦井水達(dá)標(biāo)外排在國外是礦井水處置的重要方式。以澳大利亞新南威爾士州為例，列舉3個礦的排水情況。新南威爾士州中部的Wilpinjong露天煤礦在2016年6月至2017年7月間，共計產(chǎn)生礦井水約444.5萬m3，其中有184.7萬m3外排，外排礦井水占比41.6%[23]。新南威爾士州IIlawarra區(qū)域有12座生產(chǎn)煤礦，每年產(chǎn)煤約1300萬t，其中1座井工礦產(chǎn)生礦井水量約為3000m3/d，外排礦井水約600m3/d，外排礦井水占比20%[24]。位于新南威爾士州中西部Ulan煤礦2015年共產(chǎn)生礦井水978.5萬m3，其中有725.2萬m3外排，外排礦井水占比74.1%[25]。

2 國外礦井水利用處理技術(shù)

國外礦井水利用處理技術(shù)按照處理手段，可以分為主動處理技術(shù)和被動處理技術(shù)兩大類。主動處理是指需要持續(xù)的人工操作、維護和監(jiān)測，并使用外部能源、基礎(chǔ)設(shè)施和工程系統(tǒng)的技術(shù)。被動處理是指不需要經(jīng)常人工干預(yù)、操作或維護的過程，通常使用天然材料和介質(zhì)。

2.1 主動處理技術(shù)

主動處理技術(shù)中，最基礎(chǔ)的混凝、沉淀和普通過濾工藝本文不再詳述。近年來隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，反滲透、納濾等膜處理技術(shù)大量應(yīng)用于礦井水處理，取得了很好的效果。此外正滲透等一批新技術(shù)也在不斷的研究與改進(jìn)[26]。國外常見的礦井水主動處理技術(shù)詳見表1。

表1 國外常見礦井水主動處理技術(shù)[25，27-33]

2.2 被動處理技術(shù)

被動處理技術(shù)相對主動處理技術(shù)，具有能耗低、維護少和成本低等優(yōu)勢，尤其適應(yīng)用于廢棄礦井的礦井水處理。國外常見的礦井水被動處理技術(shù)詳見表2。

表2 國外常見礦井水被動處理技術(shù)[27-30，34-39]

3 國外礦井水利用典型案例

3.1 南非Witbank煤礦區(qū)

Witbank是南非最大的煤炭礦區(qū)，位于南非東北部。礦區(qū)內(nèi)礦井眾多，其中一些礦已經(jīng)進(jìn)入資源枯竭期。英美資源集團(Anglo American)動力煤公司在該礦區(qū)的礦井水資源量約為1.4億m3。Witbank礦區(qū)位于缺水地區(qū)，隨著人口增長，eMalahleni市用水需求預(yù)計到2030年增加到每天180萬m3。英美資源集團動力煤公司與必和必拓公司(BHP)合作于2007年建設(shè)了eMalahleni水處理廠，用來處理4個煤礦的礦井水[40]。該處理廠每天處理約3萬m3礦井水，除部分用于煤炭生產(chǎn)外，大部分輸送給eMalahleni市作為生活用水，供水量約占eMalahleni市每天用水需求的12%。到2011年底，共計處理了0.3億m3礦井水，其中0.22億m3供給eMalahleni市作為生活用水。2013年，處理廠二期擴建完成，處理能力提高到5萬m3/d[40，41]。

3.2 澳大利亞Wilpinjong露天煤礦

Wilpinjong露天煤礦位于澳大利亞新南威爾士州中部，主產(chǎn)動力煤，每年產(chǎn)量可達(dá)1600萬t。該礦礦井水處理設(shè)施于2012年6月竣工，根據(jù)新南威爾士州環(huán)境保護局頒發(fā)的環(huán)境保護許可(編號EPL 12425)，該礦被批準(zhǔn)從24號排放點(編號LDP24)排放處理后的礦井水，污染物排放控制限值見表3。

表3 Wilpinjong礦礦井水污染物排放限值

2017年1月，該礦的環(huán)境保護許可變更，將每日外排水量限值從5000m3/d提高到15000m3/d，2017年該礦共排放礦井水約185萬m3，未超出1.5萬m3/d的許可，水質(zhì)也滿足排放要求[23]。除了外排外，該礦礦井水還回用于道路降塵澆灑、洗選等。Wilpinjong礦按照環(huán)保要求編制了詳細(xì)的水資源管理計劃，包括地表水和地下水的監(jiān)測計劃等。該礦對礦井水的管理重點包括以下幾點[42]：

1)分類收集和利用擾動區(qū)的地表徑流清水。

2)控制地下水和降雨徑流進(jìn)入作業(yè)區(qū)，避免受到污染。

3)根據(jù)新南威爾士州環(huán)境與遺產(chǎn)辦公室編制的《處理污水利用環(huán)境指南》對污水進(jìn)行管理。

4)根據(jù)環(huán)境保護許可(編號EPL 12425)，排放處理達(dá)標(biāo)的礦井水。

4 國外礦井水利用特點

通過前文對國外礦井水利用方式和處理技術(shù)現(xiàn)狀的分析和總結(jié)，對比我國現(xiàn)狀，國外礦井水利用的主要特點如下：

1)回注是礦井水處置的重要方式。當(dāng)面臨法規(guī)限制，特別是在環(huán)境敏感地區(qū)，礦井水無法外排處置時，回注是較為理想的可選方案，不但規(guī)避了政策風(fēng)險，還有效補充了地下水資源量。

2)礦井水達(dá)標(biāo)外排較為普遍。由于國外發(fā)達(dá)國家的礦業(yè)開采規(guī)模和開采強度遠(yuǎn)小于我國，礦井水總量也相對較小，礦井水達(dá)標(biāo)外排對環(huán)境的影響不突出。

3)處理技術(shù)理念更加先進(jìn)。國外發(fā)達(dá)國家更提倡利用濕地法等被動處理技術(shù)，不但成本低，還能改善礦區(qū)環(huán)境。

4)重視對廢棄礦井排水的處理與利用。大部分發(fā)達(dá)國家已進(jìn)入資源枯竭期，廢棄礦井增多的同時也產(chǎn)生了酸性礦井水污染等問題，因此對相關(guān)問題的研究更為重視。

5)注重礦井水分類收集。礦井在設(shè)計初期就考慮了將雨水、受擾動的地表徑流水與疏干排水等進(jìn)行單獨收集，有效減少了需要處理的礦井水總量。