煤礦礦井水處理技術及資源化綜合利用

楊廷超

（河北省煤田地質局 水文地質隊，河北 邯鄲 056001）

0 引言

煤炭作為我國的主體能源，開采量巨大。伴隨著煤炭開采及采煤人工干預過程對地質條件變化的影響，使地下水、煤層、巖層和微生物之間相互接觸，發(fā)生一系列復雜的介質間物理、化學和生化反應，繼而產(chǎn)生極具煤炭行業(yè)特色的礦井水。

很長一段時間以來，由于未充分認識到礦井水資源的重要性，我國對礦井水資源疏于管理，礦井水往往未經(jīng)處理直接外排，不僅對地表水、地下水造成嚴重的污染，還會導致礦區(qū)周邊土壤性質發(fā)生變化，對當?shù)丨h(huán)境產(chǎn)生不利影響。同時，我國煤礦礦區(qū)水資源結構單一，大多過度依賴地表水和地下水，礦井水的肆意排放加劇了礦區(qū)的缺水現(xiàn)狀。研究礦井水的資源化，在緩解缺水、優(yōu)化礦區(qū)水資源利用結構及防控環(huán)境的污染中發(fā)揮重要作用。

1 國內外煤礦礦井水綜合利用現(xiàn)狀

國外工業(yè)發(fā)達國家的煤炭資源和水資源稟賦和我國有所不同，所采用的開采工藝與方法和我國亦有一定的差異，導致對于礦井水的處置思路也有不同。國外工業(yè)發(fā)達國家通常經(jīng)適當?shù)奶幚砗笥糜谏a(chǎn)、生活用水，剩余水資源簡單的無害化處理，達標排放至地表水體。

俄羅斯煤礦礦井水排放量大，約20×108t/a，早期礦井水隨意排放，對礦井附近的流域造成巨大污染，導致部分河流(如米烏斯河、盧干河等)中的水生動植物一度絕跡。為了緩解礦井水排放所造成環(huán)境污染，俄羅斯對礦井水處理和資源化利用方面的研究包括：①簡單混凝沉淀澄清和消毒后外排入水體；②凈化處理后作為洗煤廠和井下防塵等工作的水源水；③凈化以及淡化后作為生活用水或工業(yè)用水。

德國的萊茵褐煤礦和希臘南部的米加波羅里褐煤礦，利用潛水泵在煤礦井地下水補給邊界處強排后輸送至電廠發(fā)電[1]。日本礦井水除部分用于洗煤外，大部分經(jīng)沉淀處理去除懸浮物后排入地表水系[2]。匈牙利外多瑙河煤礦，礦井水的水質較好，達到飲用水標準，通過售賣給城市供水部門，獲得了可觀的經(jīng)濟效益[3]。

我國噸煤礦井水外排量較高，據(jù)統(tǒng)計，我國噸煤產(chǎn)水量約2.1 t，每年礦井水產(chǎn)生量接近70 億t，但礦井水整體綜合利用率較低。2010 年利用率約為60%[4]，近年來，在我國“礦井水利用專項計劃”等各項激勵政策的指導下，主要產(chǎn)煤省區(qū)及各大煤業(yè)集團逐漸走向規(guī)模化、系統(tǒng)化，礦井水利用水平迅速攀升，尤其對礦井水的深度處理及綜合利用方面愈發(fā)重視。“十三五”末即2020 年達到80%，但整體而言，我國煤礦礦井水還存在與西方發(fā)達國家90%以上的利用率還有差距，利用發(fā)展不均衡等現(xiàn)狀。目前我國礦井水資源化主要應用于煤礦區(qū)生產(chǎn)用水、生活雜用水、農田水利灌溉及其他用水（水源熱泵、地下水補充回灌水、礦泉水等）。

2 煤礦礦井水處理工藝進展

一般而言，按照環(huán)境影響，將礦井水可分為潔凈礦井水、高懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含有有害有毒元素礦井水5 類[5]。

2.1 潔凈礦井水

潔凈礦井水主要來自石炭系和奧陶系灰?guī)r水、砂巖裂隙水等，是煤炭開采中未被污染的地下水。其水質好，感觀好，pH 呈中性，無毒無害，通常經(jīng)簡單消毒處理后便可飲用。少量潔凈礦井水富鍶、含偏硅酸等一些對人身體有益元素，可以加工為礦泉水，如原北京礦務局“九龍山牌”礦泉水。

2.2 高懸浮物礦井水

煤炭開采過程中會產(chǎn)生大量的煤和巖粉的粉塵，這些粉塵進入礦井水中，造成水中含有較多的懸浮物。由于煤的密度僅為1.5 g/cm3，遠小于泥沙等顆粒物的比重（2.4～2.6 g/cm3），且懸浮物自然沉降速度受其粒度小的影響也較慢，這些因素都導致這些懸浮物處于穩(wěn)定的懸浮狀態(tài)，雖濃度低，但呈黑色導致感官較差。高懸浮物礦井水類型約占我國北方煤礦的60%，采用的工藝較為統(tǒng)一，大部分均采用澄清+過濾處理后排入地表水體，所采用工藝的原理一般為重力沉降，所采用的藥劑多為Al2（SO4）3和PAM，個別案例也有采用FeCl3和石灰。絮凝反應所形成的污泥經(jīng)脫水后成型固化。

2.3 高礦化度礦井水

高礦化度礦井水的形成是因為地下水在巖石裂縫流動過程中，會溶解巖石內的可溶性固體，導致含鹽量的升高。一般將無機鹽總含量大于1 000 mg/L，大多在3 000 mg/L 之內，少量可達4 000 mg/L，最高可達15 g/L。其成分主要含有Ca2+、Mg2+、K+、Na+、SO2-4、Cl-、HCO-3 等離子，pH多呈中性或偏堿性，硬度大，懸浮物也較高。高礦化度礦井水會對土壤產(chǎn)生鹽漬化的不良影響，因此不能用作灌溉農田的專用水。

我國高礦化度礦井水主要分布在東北、華北地區(qū)，常規(guī)處理為混凝+沉淀+過濾+脫鹽處理。主要包含離子交換、化學試劑脫鹽(CaCO3、Na2CO3、CaSO4等)、膜過濾、熱力脫鹽等。離子交換適用于處理相對較低濃度礦井水。熱力脫鹽采用蒸餾淡化法，適用于含鹽量大于4 000 mg/L 礦井水，但由于處理單位體積成本過高，對于含鹽量過低的廢水不適用。齊俊啟[6]針對峰峰集團梧桐莊礦高礦化度礦井排水，通過鉆探手段實施回灌孔回灌至奧灰含水層治理的技術方法，對礦井廢水實現(xiàn)了地面零排放。

2.4 酸性礦井水

酸性礦井水pH 值小于6，一般由硫化物氧化造成。當開采煤層含有硫時，硫在空氣和人類活動所帶進的微生物共同作用下發(fā)生氧化作用產(chǎn)生硫酸，導致呈酸性。其對環(huán)境主要產(chǎn)生的危害主要體現(xiàn)在酸性水極易溶解煤及巖石中分布的金屬，導致鐵、錳和無機鹽類離子濃度增加，使礦化度、硬度升高，還會使巖石及煤礦中的一些重金屬離子在酸性水中富集，呈現(xiàn)明顯黃色。酸性礦井水的處理工藝國內外基本一致，都是采用堿性物質進行中和，再后續(xù)處理。通常投入CaCO3、CaO 等堿性物質進行中和反應。武云志[7]采用一種礦物質吸附酸性廢水中的硫酸根離子，徐建平[8]等人采用可滲透反應墻(PRB)去除酸性礦井水中的Cu2+、SO2-4，邵武[9]采用煤矸石作為人工濕地填料處理酸性礦井廢水等，均取得較好的處理效果。

2.5 含特殊污染物礦井水

含特殊污染物礦井水主要來源于煤或巖石中銅、鐵、錳、鉛等重金屬，鈾、鐳等放射性核素以及一些氟礦物在水中的溶解。其中，含鐵、錳礦井水中的Fe2+、Mn2+為低價狀態(tài)，抽至井上在氧氣的作用下Fe2+極易氧化為高價態(tài)，導致水的鐵腥味變重，水易變渾濁。目前常用除氟包括吸附、膜分離及電凝聚等方式。翟宇等[10-12]采用改性礦石吸附礦井水中的氟離子，去除率最高可達70%。對于重金屬的去除，王建兵等[13-14]采用經(jīng)高錳酸鉀溶液改性錳砂濾料對高鐵錳礦井水進行處理，周福來[15-16]等人采用煤炭燃燒后所產(chǎn)生的粉煤灰對含有重金屬的礦井水進行處理，均取得較好的去除效果。放射性核素具有一定地域性，我國西部及西南部的礦區(qū)總α 放射性水平相對較高，里面放射性元素或裂變產(chǎn)物會對人體造成內照射，導致放射性疾病，因此礦井水資源化務必考慮放射性超標元素。含特殊污染物礦井水處理起來比較復雜，對人體及環(huán)境危害較大，目前仍需針對不同污染物類型尋求高效價廉的處理工藝。

3 礦井水綜合利用存在問題

（1）對礦井水資源的正確認識還不夠。礦井排水作為煤礦企業(yè)生產(chǎn)的附屬產(chǎn)物，得到的重視程度、正確認識還不夠。大多煤業(yè)集團重視采煤生產(chǎn)效益，輕視礦井排水附屬效益，礦井排水“不會抓、無力抓、抓不實”。甚至認為礦井水感官上“黑、臟、臭”，處理工藝復雜，利用率較低，沒有把礦井水納入“第二水資源”的用水及效益計劃。

（2）礦井水利用發(fā)展不均衡。我國礦井水利用存在較強的地域性，對于相對缺水地區(qū)，礦井水能夠得到一定的重視，利用率較高，尤其以山西、內蒙古等地礦區(qū)為代表，整體利用率可達80%以上。相對水資源條件較好的地區(qū)，如我國西南、東南部分礦區(qū)，因經(jīng)濟效益不顯著，其利用率低于全國平均水平。

（3）礦井水資源利用的方式方法缺乏國家激勵引導。由于礦井水水質、排放水量的復雜性及處理工藝的不合理性，導致很多煤業(yè)集團雖然投入了大量的工作，卻沒有取得預期的效益。針對采礦區(qū)復雜的地層及構造條件，礦井水水量、水質及復雜的變化特點，未經(jīng)過深入的研究及統(tǒng)計測試。同時缺乏對不同類型礦井水利用方式的統(tǒng)籌規(guī)劃、分析。導致投入產(chǎn)出比低于預期，同時造成了人力、物力及財力的重復投入及較大的浪費。因此，針對礦區(qū)水文地質類型劃分、礦井排水的深入研究尤顯重要。

4 結論

綜上，本文通過論述礦井水國內外研究現(xiàn)狀，具體介紹幾種不同類型的礦井水以及國內外針對不同類型礦井水的處理和資源化利用方式，并詳細分析了目前礦井水綜合利用存在的問題，并對礦井水的處理和資源化利用作如下總結。

（1）在政策方面。一是強化執(zhí)法監(jiān)督，嚴格限制新批水源，優(yōu)先選用礦井排水。二是因地制宜制定礦井水利用優(yōu)惠政策，提高中小型煤礦企業(yè)利用的積極性。對礦井水處理和利用項目，必要的時候還可以提供資金支持或稅收補貼，使企業(yè)從經(jīng)濟角度考慮自愿進行礦井水開發(fā)利用。

（2）在技術方面。根據(jù)不同回用途徑的礦井水利用標準，鼓勵技術創(chuàng)新，擴建改造現(xiàn)有的礦井水處理系統(tǒng)，加強水計量數(shù)據(jù)的應用管理與水質監(jiān)測，提高水資源利用率。對高耗水行業(yè)要最大限度的使用礦井水，代替對地下水的使用。

（3）在社會層面。拓寬融資渠道，適當引入社會資本聯(lián)合開發(fā)，延伸礦井水綜合利用下游產(chǎn)業(yè)鏈。有條件的礦區(qū)采用水源熱泵進行供暖（制冷），并積極尋求下游用戶，鼓勵廢棄礦井老窯水供暖（制冷）的綜合利用，降低水處理成本。