河北省礦井水資源化利用現狀研究與展望

王偉喬，鄭麗娟

1.河北省煤田地質局環境地質調查院；2.河北省煤田地質局第四地質隊

眾所周知，煤炭資源的開采是一個系統工程，煤炭資源在開采的進程中，必須源源不斷地抽、排地下水，這部分地下水在排放過程中充分與煤、巖層接觸，并受人類生產生活的影響，就發生了一系列由簡單到復雜的化學、物理反應，有時甚至是生物化學反應，這就是具有顯著的煤炭工業行業特征的礦井水。礦井水就組成成分而言，不僅含廢機油、潤滑油等一系列有機污染物，還含有大量懸浮物，且含量遠高于地表水中懸浮物含量，其粒度比較小、比重比較輕、沉降速度較慢、混凝效果和感官性狀也都較差。

一、礦井水資源化利用的緊迫性

《國家礦產資源“十三五”規劃》確定的全國14個煤炭生產基地之一就在河北。包括唐山的開灤煤田、邯鄲的峰峰煤田、張家口的宣下煤田等大型煤田，是河北省主要的煤炭生產區。據國家能源局統計，截止到2019年底，河北省生產煤礦共計37個，生產能力約6105萬t/a。由于地下水位埋藏淺，受采掘影響的主要含水層富水性強，因此，煤炭開采抽排地下水量很大。據相關資料顯示，河北煤礦每生產1t原煤，礦井排水量約在4m3左右，以此推算，河北省每年煤炭開采抽排地下水量約為2.44億m3左右。煤炭開采產生的大量礦井水，不僅嚴重影響了礦區及周邊生態環境，更是對寶貴水資源造成了嚴重浪費。河北省地處我國北方，是我國嚴重缺水省份之一，水資源嚴重不足。據國家水利廳《2020年全國水資源公報》顯示，2020年，全國水資源總量31605.2億m3，其中，河北水資源總量僅為146.3億m3（扣除地表水和地下水資源的重復計算量）,比多年平均值少58.43億m3，僅占全國水資源總量的0.46%，資源性缺水成為河北的基本省情水情。2020年各省級行政區水資源分布見圖1。一邊是水資源嚴重短缺，另一邊是礦井水排放浪費，因此，提高礦井水資源化利用水平，實行最嚴格的水資源管理刻不容緩、不容置喙。

圖1 2020年各省級行政區水資源分布圖

二、礦井水資源化利用發展歷程

為推動礦井水資源化綜合利用，國家發改委早在2006年底就印發了關于礦井水資源化利用的指導性文件—《礦井水利用專項規劃》，規劃提出，要逐步提高礦井水資源化利用水平，爭取到2010年，全國礦井水資源化綜合利用率能達到70%。

2013年，針對礦井水資源化利用，國家發改委又聯合國家能源局在2006年發布的《礦井水利用專項規劃》的基礎上，印發了《礦井水利用發展規劃》，規劃對全國礦井水綜合利用水平提出了新要求，到2015年，全國礦井水資源化綜合利用率要提高到75%。同年，《煤炭工業“十三五”發展規劃》出臺，提出最晚到2020年，全國礦井水資源化綜合利用率要再提高5%，達到80%。

2019年，國家市場監督管理總局聯合國家標準化管理委員會共同發布了礦井水處理及回用的技術性指導文件，如《高礦化度礦井水處理與回用技術導則》《酸性礦井水處理與回用技術導則》，以此作為礦井水資源化綜合利用的重要規范性文件，為以后全國各地礦井水綜合利用提供科學依據與技術支持。

2020年，為了保護水資源，防治水污染，國務院正式頒布了《水污染防治行動計劃》，又稱“水十條”。“水十條”對類似礦井水這樣的再生水利用加以支撐和鼓勵，要求把污染及缺水嚴重的地區作為重點，加強對再生水利用基礎設施的建設和完善。要優先把再生水運用到工農業生產、城市道路綠化、抑塵、車輛沖洗、建筑工程用水等方面，大力推進礦井水綜合利用進程。同年，為推動煤炭資源開發環評管理更加規范化，促進煤炭資源開發，使其與生態環境保護相協調，生態環境部、國家發改委、國家能源局三部門聯合印發了《關于進一步加強煤炭資源開發環境影響評價管理的通知》。該通知的發布指出了礦井水管理的新思路，礦井水的用途應優先考慮項目建設及工農業生產，鼓勵支持多種用途、多種方式綜合利用多余礦井水。礦井水在最大限度利用后，依然有剩余、的確需要向外排放的，不僅要符合相關法律法規及政策條件，其水質因子還應滿足甚至優于受納水體地表水環境質量對應值，含鹽量的范圍控制在0-1000mg/L，而且不能影響上下游相關河段的水功能需求。此次礦井水管理思路的調整，不僅有助于摸清礦井水資源家底，還可以倒逼礦井水資源利用率進一步提升，實現礦井水由無害化處理到資源化利用。

三、礦井水類型及處理方式

按照國家標準，礦井水根據水質類型可分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含有毒有害元素礦井水，共五類。河北省的礦井水類型主要為含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水和酸性礦井水三類。

（一）含懸浮物礦井水處理

含懸浮物礦井水一般是指含較多煤粒、巖、粉等懸浮物或油類有機污染物，水質為中性、礦化度低(礦化度小于1000mg/L)，未檢出或微量檢出金屬陽離子、基本上無毒無害的礦井水。

根據懸浮物的特性，含懸浮物礦井水，在處理時主要需經過混凝、沉淀、過濾等流程，常用的混凝劑有鋁鹽、鐵鹽等混凝劑。原則上含懸浮物礦井水一般都采用混凝—沉淀方式進行一次處理，進而達到井下生產用水或抑塵用水標準。如需滿足生活用水要求，則需再經預氧化、過濾、消毒等工藝進行二次處理。詳細處理流程如圖2所示。

圖2 含懸浮物礦井水處理流程圖

（二）高礦化度礦井水處理

高礦化度礦井水，是指礦井水中Ca2+、Mg2+、Na+等陽離子和CO32-、HCO3-、SO42-、Cl-等陰離子含量遠超行業標準，含鹽量在1000～4000mg/L。若將這些礦井水直接外排，很容易造成周邊土壤鹽堿化，污染水環境和土壤環境，影響農作物生長，使農業減產，影響農民增收。在我國，最初的高礦化度礦井水處理主要采用蒸發塘工藝。該工藝具有運行成本低、運營維護簡單、使用壽命長且能充分利用清潔能源太陽能等優點，但由于其占地面積大，受季節變化影響明顯，所以逐步被膜分離法、離子交換法和蒸發結晶法代替。目前，我國高礦化度礦井水的處理主要是采用膜分離法中的反滲透法(RO)和電滲析法(ED)。RO工藝一般情況下分為兩步：第一步是通過預處理來去除礦井水中的大量懸浮物，采用的技術是常規混凝—沉淀技術；第二步是脫鹽處理，通過脫鹽處理使得處理后的礦井水含鹽量達到《生活飲用水衛生標準》，其工藝經長期實踐并不斷改進已日臻成熟。ED工藝處理后的礦井水，則多用于礦區內部抑塵或消防，其處理程度相對較低，處理后的回收率僅在50%左右。高礦化度礦井水處理流程如圖3。

圖3 高礦化度礦井水處理流程圖

（三）酸性礦井水處理

酸性礦井水的PH值—般介于2至4間，主要含SO42-、Fe3+、Fe2+等。酸性礦井水如不加以處理直接外排，會腐蝕排水管道、排水設備等其它機電設備，導致周圍水體水質礦化、硬度增加，造成嚴重的環境污染。同時，煤礦企業也會因排污費、水資源損失費的繳納而付出沉重的經濟代價。目前，酸性礦井水的處理方法通常有中和法、人工濕地法和微生物法三種。中和法，即通過投加堿性化學試劑從而使礦井水中的酸根離子與堿性化學試劑發生化學反應實現中和的方式。中和法是目前為止已知的處理酸性礦井水的最常用方法。日常適合做中和劑的有石灰石、大理石、生石灰等堿性化學物質，其主要化學成分為CaCO3、CaO和Ca(OH)2。其中，尤以石灰石和生石灰的應用最為廣泛。人工濕地法由于對P、N等營養物質去除能力強，出水穩定、管理維護簡單、運行成本和技術要求低，且兼具環境美化作用，作為簡單有效處理酸性礦井水的工藝，在我國應用前景廣闊。利用微生物法處理酸性礦井水的工藝，在歐美和日本等發達國家已進入實際應用階段，且前景十分廣闊。其主要原理為利用硫酸鹽還原菌，通過異化硫酸鹽的生物還原反應將硫酸鹽還原成H2S，再利用某些微生物將H2S氧化成單質硫，再進行過濾。

四、工作方法和實施方案

（一）工作方法

1.資料收集

收集各生產礦山礦井水資源臺賬（包括資源量、可利用量、外排量等）、水文地質類型劃分報告及論文文獻等資料。

2.實地調查

（1）實地走訪礦方或當地居民，就礦井水種類、利用現狀、處理工藝、資源化技術創新等進行詢問、調查和了解記錄。（2）樣品采集。對各生產礦井地表水、生產用水及其它水資源進行樣品采集，每個礦井擬采集樣品3件。（3）化驗測試。對采集的樣品進行水質分析測試。

3.綜合分析

對調查成果以及測試數據等資料進行匯總和綜合分析，編制表格及相關圖件，建立河北省煤礦礦井水資源化Excel數據庫，并提交最終成果報告。

（二）工作部署和實施方案

本次河北省礦井水資源化利用現狀研究工作，旨在通過系統收集省內各生產煤礦礦井水相關資料、現場調查和樣品化驗測試的工作方法，詳細了解各煤礦礦井水利用現狀，建立河北省煤礦山礦井水資源化利用現狀數據庫，編制成果報告。其內容包括如下幾個方面：（1）不同煤礦山抽排礦井地下水層位、水質特征、礦井水污染類型；（2）不同煤礦山礦井水的水溫、水質狀況，污染物來源及治理現狀；（3）礦井水資源化利用現狀，如煤礦生產過程用水，包括煤炭加工和采煤等；礦區生活用水，包括生活飲用和使用；其它途徑用水，包括建筑用水、農業灌溉、矸石山滅火及其它用水等。

五、主要實物工作量

收集調查區內礦井水資源化利用相關資料10件（套）；擬調查37個礦，每個礦采集水質分析樣3件，共計111件；調查設計、綜合研究、編寫報告各1份；項目檢查驗收和績效評價；建立河北省煤礦山礦井水資源化利用現狀數據庫。

六、資源化利用現狀

礦井水資源化利用是一項社會性系統工程。近年來，河北省各煤礦在礦井水處理利用方面采取了很多措施，也取得了一些成效，礦井水處理率達90%以上。經處理后的礦井水，水質良好，濁度小于3NTU,COD濃度在30㎎/L以下，能滿足一般工業用水水質要求，能達到城市雜用水、農田灌溉用水和城市景觀水標準。目前，在河北省，礦井水經處理后主要有以下幾個方面用途：礦區生產過程用水，包括煤炭開采、加工、抑塵等方面用水；辦公區日常生活用水，包括盥洗、綠化和生態景觀用水；其它途徑用水，包括建筑工程、農業灌溉、電廠發電及其它用水?？傮w來講，利用率達80%以上。

七、存在問題及對策

（一）問題

河北省的礦井水處理及資源化利用雖已經達到一定水平，但仍存在以下問題：（1）雖然按照相關政策要求，各煤礦企業在礦井水處理及利用方面已采取了多項措施，但由于各礦山所處自然地理環境及周邊經濟發展水平不同，因而礦井水資源化利用的途徑也就不同，再加上處理成本居高不下，這些都導致了礦井水資源化利用總體水平并不高。（2）受煤炭市場產能過剩，以及國家綠色、低碳、環保新發展理念的影響，河北省內大多數煤礦現都已停產或關閉，即使是生產礦區，經濟效益也普遍下滑，這些都嚴重影響礦井水治理投入成本的增加。（3）由于大部分煤礦企業位于農村或偏遠郊區，附近幾乎沒有大型工業企業，因此，礦井水處理后除一部分自用外，剩余的基本都外排，主要用于附近農田灌溉，外售的可能性小，直接經濟效益也很低。但是，為了緩和礦企與周圍居民的關系，又必須保證這部分供水的水量和水質。（4）礦井水資源化綜合利用潛力不清。礦井水的資源化綜合利用牽涉到礦山開采企業、水務管理部門、市政供水部門、煤礦安監部門、應急管理部門、環保部門等各行各業的方方面面，這種多頭領導直接導致了礦井水利用缺乏統一的監管和檢查、行業間協調不到位及信息共享不及時等問題。此外，基礎數據信息不全、權責不明，這些都導致礦井水資源化綜合利用潛力不清。

（二）對策

（1）礦井水要在時空、數量、質量以及用途等方面實現資源的合理優化配置，用好、用足“從下到上，從工業到生態，最后再到農業”的管理策略，由近及遠、先易后難，逐步、有計劃地提高礦井水綜合利用率，從而實現區域間礦井水高水平、高層次循環利用和資源化合理配置。（2）政府要致力于建立良好的礦井水資源化利用鼓勵機制，對于礦井水資源化利用項目應給予政策優待與扶持。

八、前景展望

通過以上分析，礦井水精細化、資源化高效利用還是有廣闊的市場前景的，大量的科研成果也為礦井水資源化利用提供了技術保障，加之國家政策支持，提高礦井水資源化利用水平將大有可為。