煤礦污水處理及資源化利用研究

李艷軍，李婷，張海峰

(1.榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000；2.神華集團神東公司榆家梁煤礦，陜西 神木 719300)

0 引言

煤炭是我國最重要的一次性能源，在能源消耗中占比超過60%。煤炭資源的開采利用在推進經濟穩步增長的同時，也帶來了較多的環境問題，尤其是對地下水資源污染和浪費。隨著我國工業化轉型升級，以及可持續發展理念的提出，煤礦企業傳統生產模式已無法滿足時代發展需求，綠色環保、節能降耗成為了煤礦企業發展的新方向。越來越多的煤礦企業將先進的技術手段引進生產中，提高污水處理效果及水平，提升煤礦污水資源化利用率。資源化利用礦井污水不僅與國家提倡的可持續化發展理念相契合，而且在很大程度上有利于煤礦污水高效處理，使其應用于農業生產中，同時在處理以后符合具體標準的基礎之上，可以作為生活用水，為綠色生產提供保障。基于此，本文通過對煤礦污水處理及資源化利用進行了深層次分析，旨在為降低水資源的浪費，實現資源循環利用提供有價值的參考與借鑒。

1 煤礦污水形成原因

1.1 地質原因

我國井工煤礦占比超90%，約有97%煤炭資源依靠井工開采[1]。煤礦污水形成的各類因素中煤礦水文地質因素是其中比較關鍵的。由于我國煤層分布多聚集在西北、華北、華南、西南等一些地區。區域不同，水文地質條件差異性較大，地下巖層含水性不同，所選用的采煤工藝和方法不同，進而造成煤礦生產環節污水處理難易程度和成本不同。例如部分地區的煤礦為了減少生產成本，不考慮環境污染問題，生產中將污水直接排出地面或直接排入地表河流，導致水資源污染范圍的擴大。

1.2 煤礦生產

煤礦在生產過程中，巷道的開拓、機械設備的掘進和采煤機割煤都會破壞巖層中水體，導致臨近煤巖層水體不斷往外滲透；同時生產過程中大量機械設備截割部需要有灑水噴霧設施，不斷冷卻降溫、降塵等，使用后的水匯集形成污水；在其他煤炭運輸、破碎、轉載環節和設備部位也需要有噴霧降塵設施，另外還有很多作業工序中也需要有水，如：爆破作業、濕式鑿巖、采空區灌漿等，這些工序使用后的水最后都形成井下污水。除了井下之外，地面生活和作業如機修廠、洗選廠等也產生大量的污水。隨著煤礦機械化程度的不斷提升，水資源的破壞、污染和浪費越來越嚴重，大量的污水不但造成井下作業環境污染，還影響井下的安全生產[2]。

2 煤礦污水處理現狀及工藝流程

2.1 污水現狀

隨著人們生活水平日益提高，對環境的要求也越來越高。而煤炭開采過程不僅破壞了地下水的循環系統，甚至導致礦區及周邊地下水位下降，還污染水源，嚴重影響礦區及周邊人民的生活環境，同時造成水資源浪費。本文將西北地區某煤礦污水作為研究對象，重點針對礦井污水水量、水質等參數進行了化驗分析，具體如表1所示。

表1 污水主要類型及水質參數情況表

2.2 污水處理工藝流程

以榆林地區某煤礦為例，該煤礦井下排水量在3 000 m3/d，其中最大排水量高達5 000 m3/d。煤礦設置了相應的井下水處理車間，總占地面積為1 680 m2，并且配備了一個清水池，占地面積為900 m2。在處理污水時主要使用的是全自動凈水器。礦井水在預沉池預沉以后經一級泵提升，進入全自動凈水器前方設置的混凝反應器，并且在反應器中放置了PAC、PAM藥劑，經反應隨后進入到高效凈水器斜板沉淀區內，經過斜板沉淀區過濾以后出水。但隨著該礦生產規模擴大，開采深度加大，排水量增加，導致泵站提升能力不足，污水處理難度以及壓力越來越大，原來的排水系統和污水處理工藝難以滿足要求。經過對煤礦排水系統的改造和對煤礦污水處理工藝流程的優化，形成新的處理工藝，滿足了煤礦實際需求。污水混合以后進入到調節池內，經一級提升泵進入到混凝反應器，混凝器內投入了適量聚合氯化鋁以及聚丙烯酰胺藥劑，污水進入化學反應后進入到斜板沉淀池，沉淀池內的沉淀物會在藥物作用下完成排泥操作。除此之外，曝氣生物濾池內的化學藥液會對有害有機污染物快速處理，確保符合國家標準。一般情況下會將斜板沉淀池污泥進行壓縮，排除時這些污泥呈現泥餅狀，經過濾以后會進行再次處理。

3 煤礦污水處理常用的技術

3.1 生物法的生物除磷工藝

生物除磷統稱聚磷菌微生物，主要借助聚磷菌厭氧同化下發酵產物，確保生物除磷系統運行時聚磷菌具備較好的除污功能[3]。此技術原理是在溶解氧與硝態氮不存在的狀態下，兼性菌會逐漸把溶解性有機物轉變為揮發性脂肪酸；聚磷菌將細胞中的聚磷水解成正酸鹽，進而獲取更多的能量，將污水中易降解CODCr完全吸收，同時將其轉變為細胞內碳能源存貯物聚β-羥基丁酸或β-羥基戊酸等；如果處于好氧或者缺氧狀態下，聚磷菌電子受體是分子氧、化合態氧，將代謝內貯物質PHB、PHV等氧化，進而產生能量，并由污水中獲得磷酸鹽，能量在存貯時以高能物質ATP形式保留，有部分會轉變成聚磷，作為能量貯于胞內，將剩余污泥排放出來，以達到高效生物除磷的目的。煤礦生產過程中產生大量含磷污水，將生物除磷技術應用其中，可達到較好的除磷效果。此技術既采用了生物法，同時也涉及到了化學法，二者結合，借助厭氧將生物活性污泥中的有機酸揮發掉，轉變為聚磷菌營養物，促進活性污泥數量的增加，實現增殖目的。然后此部分活性污泥流入厭氧消化生物系統內，在污水處理池中長期保持高效除磷狀態；厭氧情況下，借助化學除磷的方法也能夠實現污泥磷物質的同步處理。在處理煤礦污水時借助此技術，一方面可實現污水中難清除金屬離子元素的快速清理，另一方面污水重金屬元素大幅度減少，實現了污水凈化目標。

3.2 循環間歇曝氣工藝

煤礦污水處理過程中，此技術使用到的主要物質是高負荷氧化溝、序批式活性污泥，其中高負荷氧化溝具備了處理效率高的優勢，而序批式活性污泥則在出水效果方面非常好，能夠在很大程度上實現煤礦污水處理質量的提升，不但使有機污染物有效去除，而且與我國一級污水排放標準相符(具體如表2所示)，能夠將水源再利用程度大幅度提升[4]。此技術應用的重點是物理學原理，借助煤礦污水蓄水池安裝先進的循環流通設施設備，確保蓄水池內的污水能夠始終處于流動狀態下。

表2 國家污水排放具體標準(日均值)

3.3 連續循環曝氣工藝

該技術簡稱為CCAS(continuous cycle aeration system)，工作原理是借助物理與化學方法實現煤礦污水的高效處理，采用的系統是連續進水式SBR曝氣系統。煤礦污水處理時會在蓄水池內安裝連續進水式曝氣設施設備、反應池，將污水轉變成凈化水，以實現排污效果。此技術中使用到設備，在安裝過程中一般情況下會將沉砂池、機械格柵等設在蓄水池內，間距保持在15 mm左右，通過此方法降解或者處理污水中的有機物、懸浮物；除此之外還會通過此技術實現全面排污、除磷、脫氮。煤礦污水處理中使用此技術，既可以實現污水煤粉、巖粉分層、高效處理，同時又采用了曝氣系統化學原理將污水有害物質清除掉。

3.4 膜生物流化床工藝

在煤礦污水處理中采用此技術可以實現深層次除污，能夠將污水中多種元素凈化，污染指標降低，可以以原來污水達標標準為依據，通過生物流化床、陶瓷膜分離系統，實現COD、NH-N、濁度等指標的大幅度降低，既能夠直接回收再利用，同時也可以作為RO脫鹽處理預處理，代替原來的砂濾、過濾、超濾等復雜繁瑣的流程。該技術主要將生物流化床作為了重要的基礎依據，借助粉末活性炭這一載體，運用膜生物反應器固液分離技術，對反應器內活性炭物理吸附、微生物降解、膜分離三大功能結合在一起，將污水中很難降解的小分子有機物、曝氣情況下流化形式活性炭粉充分傳質、混合，吸附于活性炭表面上，構成局部污染物濃縮區；粉末狀態下的活性炭成為了微生物繁殖需要的特殊界面，大量的孔隙能夠吸附很多微生物菌群以及溶解氧，高溶解氧狀態下，微生物氧化分解了活性炭表面小分子有機物，借助陶瓷膜分離系統分離了水與懸浮顆粒，在錯流過濾中達到了污水凈化的目的，并達到了中水回用標準。

3.5 混合法和混凝法

煤礦污水處理中，混合技術的運用也屬于深度處理污水方法之一，具體的工作原理是借助煤礦污水處理池，使用多種類型的混凝劑，在經過反應以后，促進污水處理效果的提升[5]。一般情況下按照規定的比例和高錳酸鉀混合使用，達到去污的作用。混凝法和混合法有著明顯的區別，其中混凝法主要是利用了混凝劑的化學功能，不同的載藥液晶和污水中大量物質產生了化學反應，對煤礦污水有機酸、凝固物進行中和，運用斜管沉淀、介質過濾以后，將污水中有害、有毒物質沉淀，待處理以后的水流至清水池以后方可再次使用。

4 煤礦污水處理以后的資源化利用

4.1 生活用水

煤礦污水中成分主要由重金屬、磷、氮等元素構成，有時候也會有少量的有毒有害物質，處理時涉及到的物質較多，而且流程復雜且繁瑣，通過反復的凈化、沉淀以后才能夠獲取到更加干凈、純凈的水資源。煤礦污水處理過程中通過選用先進合理的技術和工藝，使得處理以后的污水符合國家規定的有關要求及標準，例如排放生活用水以及農業用水等標準，可使用于煤礦及周邊環境的綠化灌溉、井下噴霧除塵、機修設備清洗等各個領域，這也就形成了煤礦污水處理以后資源化利用體系[6]。如果煤礦污水處理以后要想達到生活飲用水標準，就要對污水預調節、沉淀時要徹底，同時還要經過砂石過濾、煤泥處理、超級過濾凈化等多個步驟，待檢驗合格以后才能再次引入到生活用水管道系統內。煤礦污水處理同樣也經過了微電解、攪拌、泥渣分離、污染物去除以后，將初步操作完成，還要在過濾中將懸浮物去除，最后進行超濾凈化，進而實現整個污水處理流程完整性、有效性。通常情況下，煤礦污水經過清水池反復沉淀與凈化以后便可以用于居民非飲用水，例如沖廁等；再經過超濾凈化以后，才能夠達到人們日常生活所需飲用水水質要求。通過對污水凈化處理循環使用，部分地區水資源需求得到滿足。

4.2 礦區再生產用水

煤礦污水處理以后也能夠在生產中繼續使用，實現了生產環節循環用水。通常情況下煤礦企業污水處理系統設計、安裝的時候，都會構建有效的循環水資源使用系統，處理以后的污水直接流進提前構筑好的清水池內，借助循環水利用系統多次處理以后再一次被就地利用，減少了污水提升成本，也在很大程度上緩解水資源緊缺問題。煤礦生產和生活污水經過多次沉淀、氧化、消毒等處理以后運至清水池，運用再循環系統進一步處理后多使用于洗煤、井下作業灑水噴霧降塵等。如果污水中存在大量油脂，還需要在調節池內反復處理，在經過高濁度沉淀、混合器分離等諸多操作以后，才能在井下再次使用。經過處理以后的污水再次投入到生產中，不僅為煤礦生產用水自我循環提供了較好的方法，節省了成本，促進了資源化利用目標的達成，而且煤礦企業無需在水資源使用中再次投資，環境污染治理投入也會大幅度減少，經濟效益隨之提升。

4.3 農業生產用水

煤礦污水處理以后，也可以用于周邊區域農業生產，例如農田澆水灌溉。但是需要注意的是用于農業與生活用水有著特殊的要求，必須要根據我國生活用水水質具體規定與要求，達到農業生產和生活用水標準以后，方可使用[7]。所以煤礦污水具體的處理環節要通過反復凈化，對污水中不同類型的雜質進行一級、二級處理，直至達到農業生產用水灌溉標準為止，這樣不僅滿足了灌溉需求，而且水資源利用率提高，煤礦污水實現了資源化利用。農業生產用水與生活用水也有著較大的區別，無需將污水中全部成分完全去除，在煤礦污水中有一些微量元素是對農田土壤、農作物生長有益處的；還有污水中的氮、磷等元素可以保留下來，利用農田土壤、微生物等方式進行凈化以及處理，可以節省很多成本。煤礦污水處理以后，再次應用到農業生產用水中，一方面滿足了農業灌溉用水需求，而且一些有益于農作物成長的元素可以作為有機肥，減少了農民部分開支，也為農作物生長發育提供了充足的養料。

5 結語

隨著國家可持續發展、綠色環保理念的提出，對環境保護的重視程度越來越高，一系列的政策措施相繼出臺，這也在很大程度上對煤礦企業提出了更高的要求。如果依然采用原來的污水處理方法，顯然無法滿足現代化發展需求。所以煤礦污水處理中應該盡快轉型與升級，在設施設備以及工藝方面不斷改進與優化，減少不必要水資源的浪費，避免對環境造成更大的污染。雖然越來越多的煤礦企業開始引進新的污水處理設備、技術和工藝，但是依然有諸多層面存在問題，技術的使用不夠成熟，效果不明顯，設備的更新換代不及時，進而影響到了污水資源化利用。針對此情況，國家也在政策、技術、科研等方面大力投入，構建以技術為基礎的規模化發展體系，站在生態建設視角下，相關人員在此方面加大科研的力度，在技術、工藝方面繼續改進。同時在積極考慮煤礦井上、井下污水聯合高效低耗處理技術體系的構建，例如西部地區的煤礦可充分利用太陽能、地熱、火電廠余熱等，采用驅動低溫多效蒸發、膜蒸餾等技術，對污水進行分級處理，分質利用，實現好水高用，劣水低用的同時，促進煤礦企業經濟、環境效益雙豐收。