黃河流域煤礦礦井水綜合利用問題分析及管控建議

馬怡齋，王海燕，武亞鳳，喬肖翠，李 雪，何江濤，劉 琰

1.中國地質大學（北京）水資源與環境學院，北京 100083 2.中國環境科學研究院環境標準研究所，北京 100012

煤礦和水資源在黃河流域呈相反的分布特征，即富煤地區極度缺水[1].黃河流域的人均年徑流量僅為全國人均水平的25%，是我國水資源極度匱乏的地區[2].根據中國工程院報告，黃河流域已探明的煤炭資源保有儲量占全國的2/3.截至2022 年，黃河流域9 個省份的煤炭產量約35.9×108t，煤礦礦井涌水量約為65×108m3，接近我國南水北調西線工程一期設計調水量(80×108m3)[2].因此，加強煤礦礦井水等非常規水資源的綜合利用對于黃河流域的生態保護和高質量發展具有迫切的支撐作用.

1 黃河流域煤礦礦井水的水量水質特點

黃河流域煤炭資源和水資源分布如圖1 所示.根據中國工程院統計，目前我國噸煤開采產生的礦井水約為1.87 m3.盡管我國煤礦分布廣泛，煤礦礦井水涌水量特征有所區別，但大部分煤礦礦井水涌水量集中分布在黃河流域的缺水地區，其水量特征相似，地下水富水系數達1.52[3].受水文地質條件、煤炭開采程度和氣候因素的影響，黃河流域煤礦礦井水涌水量一般具有以下特征：①受含水層富水性、滲透性等水文地質因素影響，煤礦礦井水涌水量分布呈南多北少特征.例如，在我國的陜西省、山西省、寧夏回族自治區、內蒙古自治區等地區，部分煤礦的噸煤涌水量為0.8~0.95 m3，相比之下，中南部地區如河南省、湖南省、廣東省和廣西壯族自治區，一些煤礦的噸煤涌水量介于5.27~11.0 m3之間[4].②受煤炭開采程度、氣候的影響，在西北干旱半干旱地區，煤礦礦井水涌水量受河流和降雨地表入滲補給分配不均的影響明顯，且不同礦井掘進程度下噸煤涌水量也不同[5].例如，寧東煤田各礦區各年噸煤涌水量相差較大，最大為1.64 m3，最小為0.23 m3[6].

圖1 2022 年黃河流域各省份煤田分布、原煤產量及水資源總量分布示意Fig.1 Distribution of coal fields, raw coal production and total water resources of provinces in Yellow River Basin in 2022

采用《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)對黃河流域地下水水質進行評價，其水質以Ⅰ~Ⅳ類水為主，其中Ⅳ類水占比為59.92%，地下水中硫酸鹽、礦化度等天然組分的濃度超標率較高，特別在人類活動集中區，生活垃圾的排放導致地下水水質受到污染，硫酸根、氯離子等指標的濃度均呈升高態勢[7].此外，黃河流域還存在砷、氟、硒、碘等區域性原生地下水環境問題[8].受以上因素影響，黃河流域煤礦礦井水的水質有以下特征：①含有高濃度的礦化度，如高濃度Na+、Ca2+、 SO42-、 HCO3-等.在黃河流域，礦化度超標情況嚴重，尤其集中分布在陜西省、寧夏回族自治區、山西省等.例如，寧東煤田和山西省晉城地區煤礦礦井水的礦化度分別高于4 000 和2 000 mg/L[9]，陜西省-內蒙古自治區的部分煤礦礦井水中Na+和Ca2+平均濃度分別達2 059.4 和441.7 mg/L[10]，山西省西山礦區官地煤礦礦井水的 SO42-和 HCO3-平均濃度分別達1 643 和695 mg/L[11].②西北黃河流域煤礦礦井水一般呈堿性或弱堿性，pH 在7~9 之間，如鄂爾多斯市唐家會煤礦[12].對比我國西南地區以及美國的一些煤礦，西北黃河流域酸性煤礦礦井水較少，多數呈弱堿性，重金屬等組分超標情況少見.③含有較高濃度的氟化物，氟化物濃度大于1 mg/L 的煤礦礦井水主要分布在北方地區，該地區煤系地層中有少量的含氟礦物，同時巖漿巖中的含氟礦物溶解后進入地下水中，隨著煤炭開采較高濃度氟化物的礦井水被不斷抽出[9].在陜西省與內蒙古自治區交界處的某煤礦基地，煤礦礦井水中的氟化物濃度中值達1.5 mg/L，且礦化度較高[10].

2 煤礦礦井水綜合利用途徑分析

目前煤礦礦井水的綜合利用途徑主要包括回補用水、灌溉用水、工業用水、生活用水及生態用水等(見圖2).國內外相關研究主要關注礦井水處理和利用過程中的水資源供給、生態環境保護和經濟效益等方面的重要性，這些不僅能夠有效解決礦區水資源短缺問題，還能為企業和社會帶來顯著的經濟和環境效益[4].

圖2 煤礦礦井水主要綜合利用途徑Fig.2 The main comprehensive utilization paths of coal mine water

2.1 回補用水

煤礦礦井水回補是通過注入或地表滲透方式進入地下含水層中以維持水位、緩解地面沉降、控制壓力和增強礦井安全.國外研究中，該過程被稱為MAR(Managed Aquifer Recharge)，將煤礦開采產生的水進行處理后，通過地表水庫入滲或注入井回補到含水層中，從而實現環境效益.例如，波蘭下西里西亞煤炭盆地利用熱泵向周邊房屋提供熱能，再基于礦井的開環回注系統通過注入井將礦井水回補至含水層中，實現環境價值[13].回補的煤礦礦井水水質必須接近或優于含水層的水質，一般采用注水井和滲透結構2 種回補方法[14].國內目前開展煤礦礦井水回補研究較少，僅有梧桐莊煤礦、中關鐵礦和毛烏素沙漠腹地的煤礦有相關研究[15].

然而，在回補過程中，由于材料使用、不同水質混合和監管不當，會出現以下問題：①物理和化學堵塞.長時間使用過程中，回補水源中的有機物、生物污垢和顆粒物會導致管道堵塞[16].此外，回補水和地下水的離子強度差異，導致混合后黏土表面電荷變化，顆粒間附著力減弱，引起黏土膨脹，形成堵塞[17].②回補的水可能會導致目標含水層中水化學組分發生變化[18]，需要對水質進行密切監測和調控.

2.2 灌溉用水

煤礦礦井水經處理后用于灌溉時，可為植物提供水分和營養物質.國際礦業公司Xstrata 在澳大利亞Ulan 煤礦通過利用處理后的2.42×106m3礦井水灌溉當地牧場來提高礦井水再利用效率[19].國能集團內蒙古自治區某露天煤礦通過重構礦區水量平衡圖，在非采暖季將處理后的礦井水儲存在用于土地灌溉、復墾的蓄水池中，日蓄水量(1 630 m3)[20].但在部分地區直接利用未經處理的煤礦礦井水進行灌溉，可能會造成土地鹽漬化、土壤酸化和重金屬超標等問題.在葡萄牙S?o Pedro da Cova 廢棄煤礦，當地農民使用受到煤礦外排水污染的地表水進行農業灌溉，而其中含有高濃度的重金屬離子和致癌性的多環芳烴[21].因此，煤礦礦井水用于農業生產前，需經處理達到目標水質，并定期監測和評估其對環境的影響.

2.3 工業用水

煤礦礦井水經過適當的處理和凈化，可以在工業生產中進行“分質供水，梯級利用[15]”.國內外已有一些成功的案例，展示了煤礦礦井水資源在工業利用方面的潛力.

例如，美國弗吉尼亞大學的國家礦山復墾中心，將阿巴拉契亞盆地地下廢棄礦井的9.5×108m3礦井水資源作為該地區的熱電廠供水[22].在山西省平朔礦區，為減少淡水資源的依賴性，基于水資源最優分配，該礦將大部分處理后的煤礦礦井水回用到煤炭生產過程中，年回用水量達9.43×106m3，接近100%回用率[23].在滇東白龍山煤礦，礦井水處理站產水量為1 060 m3/h，其中約140 m3/h 回用于井下生產用水和地面生產用水.為實現節水減排的環保目標，該企業計劃將處理達標后的920 m3/h 礦井水用于電廠燃煤機組循環水，這種方式每年可減少地表水開采量5.3×106m3，年經濟效益達546×104元[24].

2.4 生活用水

在水資源匱乏的干旱少雨地區，為緩解水資源短缺問題，一些采礦公司將處理后的煤礦礦井水供應給附近的居民.例如，Masindi 使用反滲透工藝處理酸性煤礦礦井水，其水質達到南非國家標準所要求的飲用水質量標準，并且輸送給附近居民作為生活用水[25].我國內蒙古自治區某煤礦利用分質供水多級利用、多級調度的模式，結合水資源分配優化算法，將處理達標的礦井水用于廠區生活用水，日回用量接近(2 200 m3)[26].

此外，地下水還具有熱能利用的潛力，一般情況下，地溫梯度為每增加100 m 深度，溫度提升約3 ℃，因此地下煤炭開采具有從井下抽取地下水來獲取熱能的潛力.在歐洲，一些國家開展對廢棄礦井地下水的地溫資源開發利用研究.例如在德國埃森市，Zollverein 礦的地下水溫度在27 ℃左右，被用來給5 000 m2的建筑供熱[27-28].

2.5 生態用水

在天然水資源匱乏的地區，經過適當的處理，煤礦礦井水可以達到相應的地表水環境質量標準，可應用于河道生態用水、園林綠化等方面.

在寧東煤田，2018 年礦井水自用量占煤田總用水量的32.4%，其中部分礦井水經過沉淀和過濾后用于防塵、消防和道路灑水，而另一部分經過過濾、反滲透和消毒后，則用于生活和生態用水[6].神東礦區位于毛烏素沙漠，其采用煤礦地下水庫凈化技術，每年處理并供應礦區的煤礦礦井水超過1×108m3，其礦井水利用率達83%.這不僅支撐礦區339 km2的生態治理和恢復用水，還建成采空沉陷區沙棘生態修復示范基地[29].在1990-2018 年，神東礦區植被恢復后生態產品價值大幅提升，其總價值增加了6.57×108元，在同類地區處于較高水平[30].

3 國外煤礦礦井水管控要求

3.1 相關法規與管理要求

美國、澳大利亞、歐盟等國家或地區對于煤礦礦井水的監管要求制定與執行時間較長，在標準制定方面具有豐富的經驗，并建立了完善的法律和監管體系來確保煤礦礦井水的合理利用和排放符合標準.

在美國，煤礦開采活動受《清潔水法》(Clean Water Act)、《采煤廢水準則》(Coal Mining Effluent Guidelines)、《水的再利用和管理指南》(Guidelines for Water Reuse)等法律法規以及各州的監管制約.美國聯邦政府通過《清潔水法》授權美國環境保護局(US EPA)負責監管煤礦礦井水回用，并制定相應的排放標準[31].同時，各州根據國家污染物排放消除系統(National Pollutant Discharge Elimination System)的要求，在US EPA 標準的基礎上可以制定更為嚴格的排放和技術要求，以滿足各州的差異化需求[31].

歐盟環境法體系中，環境標準和污染控制以指令形式實行.在指令中規定了所要達到的環境目標，各成員國可以選擇目標指令所需要的具體手段和技術要求[32].歐盟廢水排放限制方法通常包括2 種：一是基于技術先進和經濟合理的最佳可行技術法；二是通過水環境質量標準、水體稀釋能力以及污水處理系統消減能力來計算的反演法[32].這種靈活性允許各成員國根據自身情況和需求制定更具體的污染控制措施.

3.2 煤礦礦井水排放限值

3.2.1 美國

US EPA 于1985 年10 月9 日首次頒布了采煤類排放限制和準則ELG (Effluent Limitations Guidelines)，并于2002 年1 月23 日進行了修訂.這些準則旨在規定煤礦開采活動的排放濃度限值，以控制和減少煤礦排放對水環境的影響.在這些準則中，不同地區的排放濃度限值存在一定差異，包括正在開采的礦井(見表1)和開采后地區.

表1 運行中煤礦礦井的污水排放濃度準則Table 1 Effluent discharge concentration guidelines for operating mines

此外，賓夕法尼亞州和西弗吉尼亞州基于NRWQC(National Recommended Water Quality Criteria)建立了當地的水質標準，US EPA 和各州對酸性煤礦礦井水中5 種污染物的最低濃度要求以及該限值設定的依據如表2 所示.

表2 美國環境保護局及各州對酸性煤礦礦井水中主要污染物的水質排放濃度標準Table 2 US Environmental Protection Agency and state requirements for water quality effluent concentration standards for major pollutants in acid coal mine water

3.2.2 澳大利亞

澳大利亞對煤礦礦井水再利用和排放進行了嚴格的法律法規監管，其中包括《環境保護和生物多樣性保護法》(Environmental Protection and Biodiversity Conservation Act)、《環境保護行動法》(Protection of the Environment Operations，2018 年POEO 法)等法律法規.煤礦企業在進行水資源管理時需要提交水資源管理計劃，并對礦井廢水進行監測和報告，澳大利亞各州的環境保護局負責監管煤礦企業的污水排放.

新南威爾士州某煤礦排水水質的調查中顯示，礦井水的外排導致附近河流中鹽度和pH 增加[33].當地環境保護局頒發的環境保護許可證規定了煤礦礦井水中5 種污染物的排放濃度限值(見表3)，同時不允許該煤礦將其他污染物外排至水中，但實際在外排點發現了鋇、鍶、鋰等金屬污染物濃度超標的情況.位于澳大利亞新南威爾士州中部年產1.6×107t 煤的露天煤礦，根據當地州環境保護局頒發的環境保護許可，該煤礦將處理后的礦井水合理排放，同時將礦井水用于道路降塵澆灑、洗選等用途，并編制了詳細的水資源管理計劃，包括地表水和地下水的監測[34].

表3 澳大利亞某煤礦環境保護許可證中對污染物排放濃度的限值Table 3 Discharge concentration limits for pollutants in the environmental protection license of a coal mine in Australia

4 國內煤礦礦井水管控要求及綜合利用中存在的問題

4.1 煤礦礦井水排放管控要求

目前，多數煤礦企業以《煤炭工業污染物排放標準》(GB 20426-2006)作為礦井水排放標準.GB 20426-2006 規定了包括pH、總懸浮物、COD、石油類等礦井水中污染物排放濃度的管控要求[35].同時該標準規定：①對于高礦化度采煤廢水，除滿足6 項指標要求外，還應根據實際情況深度處理和綜合利用；②在新建煤礦設計中應優先選擇礦井水作為生產水源；③建設和發展其他工業用水項目，應優先選用礦井水作為工業用水水源.《水污染防治法》(2017 年修正案)第五十八條明確提出“禁止向農田灌溉渠道排放工業廢水”.在2021 年修訂發布的《農田灌溉水質標準》(GB 5084-2021)中，在適用范圍中也明確了工業廢水除外.因此按照目前法律法規的要求，煤礦礦井水不能作為農田灌溉用水.對于高礦化度煤礦礦井水的處理與回用，我國于2019 年發布《高礦化度礦井水處理與回用技術導則》（GB/T 37758-2019），其中對高礦化度礦井水的處理技術、回用技術和監測要求提出建議[36].

內蒙古自治區、山西省、陜西省、山東省、河南省等地區對煤礦礦井水的排放提出更嚴格的規定(見表4)，內蒙古自治區近年來要求煤炭企業處理后的煤礦礦井水需滿足《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)中Ⅲ類水標準[3]；《鄂爾多斯環境保護條例》(2021 年修訂版)第三十二條提出“企事業單位和其他生產經營者向所有地表水體排放廢水，應當符合相應水體的水環境質量標準要求”；山西省實行《污水綜合排放標準》(DB14/ 1928-2019)，其中單獨規定了煤礦礦井水的COD、氨氮和總磷排放濃度限值[37]；陜西省頒布《陜西省黃河流域污水綜合排放標準》(DB61/ 224-2018)，針對除城鎮污水處理廠以外的其他行業(含煤炭行業)提出了管控要求，其中規定的COD、氟化物等相關污染物的排放濃度總體嚴于《煤炭工業污染物排放標準》(GB 20426-2006)[38].

表4 《煤炭工業污染物排放標準》(GB 20426-2006)與部分地方礦井水排放限值對比Table 4 Comparison between Emission Standard for Pollutants from Coal Industry (GB 20426-2006) and some local mine water discharge limits

4.2 存在問題

a)當前煤礦礦井水外排受缺乏納污水體、處理成本過高等因素的制約.自然資源部于2018 年發布《煤炭行業綠色礦山建設規范》(DZ/T 0315-2018)，其中提到“水資源短缺礦區，礦井水利用率要求達到100%”.此外，煤礦礦井水外排水質受到嚴格限制，《關于進一步加強煤炭資源開發環境影響評價管理的通知》(環環評[2020]63 號)提出“礦井水在充分利用后仍有剩余且確需外排的，經處理后擬外排的，除應符合相關法律法規政策外，其相關水質因子值還應滿足或優于受納水體環境功能區劃規定的地表水環境質量對應值，含鹽量不得超過1 000 mg/L，且不得影響上下游相關河段水功能需求”.黃河流域西北煤礦礦區以高礦化度礦井水為主，該類礦井水水量約占我國北方重點煤礦礦井涌水量的30%[12].但實際上由于煤礦礦井水水量大且水質復雜，將含鹽量降至1 000 mg/L 成本非常高，部分煤礦地處偏遠地區，處理達標的礦井水缺少供水需求，煤炭企業最大生產復用后仍有大量經處理后的礦井水需要外排.國家政策的限制與企業實際外排的需求形成矛盾，一方面使企業處于兩難的境地，另一方面也造成水資源的浪費.

b) 支撐煤礦礦井水多途徑綜合利用的水質標準需要優化和完善.在部分省份，煤礦礦井水向環境水體外排時，無論受納水體水質如何，外排水質必須達到GB 3838-2002 中Ⅲ類標準要求，如《山西省水污染防治2018 年行動計劃》(晉政辦發[2018]55 號)中規定“煤礦外排礦井水化學需氧量、氨氮、總磷三項主要污染物達GB 3838-2002 中Ⅲ類標準”，導致企業在設備投入和處理成本上花費過多.在鄂爾多斯高原毛烏素沙漠，某煤礦企業將礦井水進行回補補給地下水，利用風積沙層過濾大部分污染物，并利用低礦化度的淺層地下水對高礦化度礦井水進行稀釋，但對回補過程缺少有效的回補標準、技術規范和政策監管[39].針對高礦化度煤礦礦井水外排，GB 3838-2002中未明確規定含鹽量或礦化度的標準.此外，當前部分區域的煤礦礦井水中出現其他污染特征，包括表面活性劑、氨氮等，也缺乏針對性的管控要求.

c)針對不同水質的煤礦礦井水，處理技術的規范性和適用性引導不足.黃河流域煤礦礦井水中氟化物和礦化度較高，針對此類礦井水，在滿足不同利用途徑的要求時，適合采用哪些效果較好且經濟可行的處理技術，目前需要更合適的規范化引導，而企業在選擇處理工藝和處理設備時往往比較盲目，造成處理效果不佳或成本過高.針對部分區域煤礦礦井水中出現的表面活性劑、氨氮等其他污染特征，如何選擇行之有效的處理技術缺乏相應的指導.

d)鼓勵和引導煤礦礦井水綜合利用機制缺失.煤礦礦井水處理需要成本，相較于使用礦井水而言，使用河道取水和抽取地下水的成本較低，沒有政府政策的干預下，很多企業不愿意使用處理后的礦井水，造成水資源浪費.調研中還發現，在部分要求煤礦礦井水利用率達100%的地區，用于生態、生活用水等途徑的礦井水并不計入再生水利用率，導致企業在推動煤礦礦井水綜合利用方面缺乏積極性.此外，煤礦礦井水利用過程中存在環保、水利等多部門交叉管理，同部門對礦井水的認識存在差異的問題，這也給煤礦礦井水綜合利用帶來了較大阻力.

5 提高煤礦礦井水綜合利用的相關建議

近年來，隨著黃河流域生態保護和高質量發展的深入推動，煤礦礦井水綜合利用問題得到了高度重視.2022 年1 月，國家發展和改革委員會、國家能源局發布《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》(發改能源[2022]206 號)，提出要完善礦井水資源綜合利用及礦區生態治理與修復支持政策.為此，從以下幾方面提出推進黃河流域煤礦礦井水綜合利用的建議：

a)積極拓寬煤礦礦井水綜合利用途徑，提升礦井水輸配能力.針對煤礦礦井水在煤礦企業內部無法全部有效回用的客觀情況，應根據煤礦礦井水水質水量和當地水資源狀況及產業結構特點，制定科學合理的水資源管理和規劃方案，積極擴大用水需求端.建議基于實際情況，管理部門可適當合理提高煤礦礦井水外排量，促進煤礦與當地用水工業企業、園林綠化機構、生活用水供水單位等達成合作.加快建設煤礦礦井水輸送管網，科學調配水量，滿足煤礦礦井水多途徑的用水需求.

b)科學制訂基于不同利用途徑的煤礦礦井水綜合利用水質標準.目前黃河流域的煤礦礦井水在林地灌溉、生態用水、工業用水等方面有潛在的應用需求，應基于不同回用途徑的保護目標，針對煤礦礦井水水質特征，科學制訂國家、地方水質標準和技術規范，提出需要管控的項目及限值水平.對于高礦化度煤礦礦井水，評估通過建立儲水庫實現回補地下水的可行性；對于礦井水中新的污染特征，建議在充分開展經濟技術可行性評估的基礎上，因地制宜地提出管控要求.同時，針對煤礦礦井水水質受區域水文地質條件影響顯著的特點，在制訂外排水質標準時，也應充分考慮環境背景值的影響.

c)針對不同利用途徑，加強煤礦礦井水處理技術的推薦和引導.由于黃河流域煤礦礦井水普遍具有高氟、高礦化度等水質問題，處理難度較大，建議結合不同利用途徑，對適用于煤礦礦井水的處理技術進行梳理和評估，總結各種處理技術的適用范圍、經濟成本及優缺點等，在此基礎上推薦經濟可行的處理技術.同時，加強對煤礦礦井水處理過程中產生的廢鹽和危廢品的管理，確保環境安全.

d)建立多部門協作機制，共同為提高煤礦礦井水綜合利用創造適宜的政策環境.基于黃河流域水資源制約社會經濟發展的局面，建議建立多部門協作機制，共同出臺有利于促進煤礦礦井水綜合利用的政策措施，如嚴格取水許可，具備利用礦井水條件但未得到充分利用的企業，不得開采和使用其他地表水和地下水.此外，建議將煤礦礦井水綜合利用量也計入利用率，對于綜合利用率較高的煤礦企業，給予稅收優惠等，激發企業主動拓展煤礦礦井水綜合利用途徑的積極性.