高礦化度礦井水處理及分質資源化綜合利用分析

沈 婧，折 樂，蔡亞萍，丁紅英

（寧夏回族自治區生態環境工程評估中心，寧夏銀川 750001）

在礦井開發過程中，礦井水處理一直都是重中之重，為了讓礦井水得到妥善處理，實現高效率的處理和利用。區別于普通的礦井水，高礦化度礦井水處理難度更大，尤其是在生態環保政策標準不斷提高的背景下，還需要對高礦化度礦井水處理工藝展開深層次的分析。在完善處理工藝的基礎上，還需要針對分支資源化綜合利用工作展開進一步落實，以此強化經濟效益，在實現零排放的同時，有效節約水資源。

1 礦井水水質特征及處理技術

煤礦礦井水是一種含有豐富的礦物質和微量元素，具有較高的硬度、含鹽量和有機污染物的水，水質變化大，給處理帶來了一定的難度。目前國內礦井水主要采取回用、循環利用或達標排放等方式進行處理，但受資金、技術及回用成本等因素限制，礦井水在綜合利用方面尚存在諸多問題[1]。寧夏地區作為中國重要的能源基地，其煤炭資源豐富，礦井數量眾多。然而，隨著煤炭開采的深入，礦井水的問題也逐漸凸顯。

高礦化度礦井水的問題尤為突出，高礦化度礦井水是指在煤炭開采過程中，由于地下水與巖石相互作用，形成的具有高礦化度的地下水。這種水的特點是含鹽量高，主要是氯化物、硫酸鹽等，因此其礦化度也高。在寧夏地區，由于地質條件特殊，高礦化度礦井水的分布廣泛，給煤炭開采帶來了一定的影響。根據近年來對寧夏地區礦井水的調查，該地區高礦化度礦井水的分布主要集中在北部的寧東煤田和南部的六盤山煤田[2]。

寧東煤田的高礦化度礦井水分布最為集中，主要分布在靈武、橫城、鴛鴦湖等區域。而六盤山煤田的高礦化度礦井水分布相對較少，主要分布在紅崖、西華山等區域。高礦化度礦井水的形成主要是由于地下水與巖石相互作用。在煤炭開采過程中，地下水受到壓力作用，通過巖石的裂隙滲透到礦井中，與巖石發生化學反應，導致水的礦化度升高。

地下水在運移過程中，也會與圍巖中的礦物質發生溶解和沉淀作用，從而影響水的礦化度。由于高礦化度礦井水的含鹽量高，處理難度較大。目前，常用的處理方法包括物理法、化學法和生物法等。然而，這些方法在處理高礦化度礦井水時都存在一定的局限性。例如，物理法雖然可以去除水中的懸浮物和雜質，但對于降低水的礦化度效果不佳；化學法雖然可以降低水的硬度，但可能會產生新的污染；生物法則受到溫度、pH等因素的影響較大[3]。

2 高礦化度礦井水處理工藝分析

高礦化度礦井水預處理主要包括物理法、化學法和生物法等。其中，物理法主要包括沉淀法、過濾法等；化學法主要包括氧化法、還原法等；生物法則主要利用微生物降解有機物和無機物。本文介紹的是一種基于物理-化學聯合處理的高礦化度礦井水預處理工藝。該工藝主要包括預處理、主處理和后處理三個階段。

2.1 預處理工藝

常用的礦井水預處理工藝包括混凝沉淀、過濾、氧化還原及消毒等。其中，混凝沉淀主要是通過投加混凝劑（如PAM）將水中懸浮物凝聚成絮體，然后利用過濾、澄清等方法去除懸浮物及有機物，以達到凈化水質的目的。過濾主要是通過重力或機械方式截留懸浮物，并借助反滲透或超濾等技術進行深度處理；氧化還原主要是通過投加氧化劑（如NaOH）和還原劑（如CaCl2）將水中的溶解性有機物和重金屬離子氧化成難溶鹽，然后利用超濾等技術進行深度處理。消毒主要是通過投加消毒劑（如二氧化氯、次氯酸鈉等）使水中的微生物失活[4]。

2.2 混凝沉淀

混凝沉淀工藝是礦井水處理的基礎工藝，其原理是通過投加混凝劑（如PAM）使水中的懸浮物發生凝聚和絮凝作用，使懸浮物質沉降，以達到凈化水質的目的。混凝沉淀工藝常與沉淀工藝結合使用，一方面可增加去除懸浮物和膠體物質的效果，另一方面可減少沉淀池占地面積，從而降低處理成本。常用的混凝劑有聚合氯化鋁（PAC）、硫酸鋁、明礬和聚合氯化鐵（PFC）等。混凝沉淀工藝的優點是處理效果穩定、易于控制；缺點是處理水量較小或受季節影響較大，且運行過程中需定期進行化學清洗；同時，混凝沉淀工藝對礦井水水質的要求較高，尤其是對色度、懸浮物、氨氮及重金屬離子等指標有較高要求。

2.3 過濾

過濾是一種去除懸浮物（SS）的常用方法，主要用于去除水中的懸浮物，一般采用重力或機械方式截留懸浮物。過濾可以去除水中的懸浮物和膠體，但是對于礦井水中含有的有機物及重金屬離子等污染物不能有效去除。此外，隨著礦井水中有機污染物含量的增加，過濾工藝還會增加能耗和運行費用，不利于高礦化度礦井水處理系統的建設。針對高礦化度礦井水水質特點，在過濾工藝中一般采用超濾（UF）和反滲透（RO）進行深度處理。超濾技術是一種可廣泛應用于市政、工業和農業等領域的膜分離技術。超濾膜孔徑小，能截留0.1μm以上的污染物，可用于去除水中的有機物和細菌等微生物，提高水的澄清度，減輕后續處理單元中的壓力，降低膜污染。反滲透技術是利用膜截留水中的溶解鹽、膠體以及一些大分子物質（如細菌）等，達到分離、凈化水質和濃縮海水或淡水水質目的。反滲透技術應用于高礦化度礦井水處理時，一般采用多級過濾工藝，可以有效去除水中污染物并保證出水水質達標，如表1所示。

表1 過濾效果對比

2.4 氧化還原

礦井水的氧化還原工藝主要有三種：

（1）投加氧化劑（如NaOH）將水中溶解性有機物和重金屬離子氧化成難溶鹽，然后利用超濾等技術進行深度處理。

（2）投加還原劑（如CaCl2）將水中的溶解性有機物和重金屬離子還原成難溶鹽，然后利用超濾等技術進行深度處理。

（3）投加氧化劑（如NaOH）將水中的溶解性有機物和重金屬離子氧化成難溶鹽，然后利用超濾等技術進行深度處理。

配電網N-1安全性準則是配電網規劃和運行的重要準則，它規定了在配電網中主變壓器或線路發生故障時，線路或主變壓器所帶負荷可通過與之聯絡的線路進行轉供，即不對外停電。

投加NaOH或CaCl2將水中的溶解性有機物和重金屬離子氧化成難溶鹽，再利用超濾等技術進行深度處理，是礦井水預處理中常用的方法。在礦井水中投加NaOH或CaCl2不僅可以提高出水水質，還可以將水中的溶解性有機物和重金屬離子氧化成難溶鹽。

3 分質資源化綜合利用工程應用

3.1 案例概述

寧夏某礦是西北地區首個實現全礦井水全指標回用的礦井，該礦井水處理系統采用“預處理+反滲透+納濾+蒸發結晶”工藝，通過對礦區內不同礦井水進行分類分級，達到礦井水綜合利用的目的。寧夏某礦分質資源化綜合利用系統運行后，經過濃縮單元的處理后，出水水質均達到《地下水質量標準》（GB/T 14848—2017）中的Ⅱ類標準，其中總硬度、礦化度等指標達到國家規定的地表水Ⅲ類標準。系統運行后，可實現礦區內礦井水的全指標回用，進一步減少了礦井排水對生態環境的影響，有效提高了水資源利用效率，同時也提高了礦區資源環境綜合效益。該項目每年可節約新鮮水約1 900 萬m3，節約電費約320 萬元/年。另外，該項目還為礦區及周邊生態環境治理提供了寶貴的水資源保障，促進了礦區經濟和生態環境可持續發展。

3.2 應用效果

高礦化度礦井水分質資源化綜合利用工程主要包括預處理、反滲透、納濾、蒸發結晶等單元。根據目前市場情況，礦井水分質資源化綜合利用項目的直接經濟效益和間接經濟效益。直通過回用系統回用礦井水，可以減少新鮮水量的消耗和排放，節約新鮮水資源，提高礦井水利用率。不僅如此，對于寧夏地區而言，高礦化度礦井水分質資源化綜合利用可以減少新鮮水的外調壓力，降低水資源在運輸過程中的損耗。最為關鍵的是，這一工程項目和技術手段的落實，有效減少因向外輸送礦井水而產生的電費支出，提高礦井水利用效率，減少排水對環境的污染。從另一層面來看，通過回用系統降低了用水需求，減少了礦井排水對區域水資源利用效率的影響，并且通過處理后的高礦化度礦井水用于工業生產，實現循環經濟。該工藝可實現礦井水分質資源化綜合利用，主要包括：

（1）高礦化度礦井水作為礦井水循環冷卻水補充水。

（2）礦井水回用于地面綠化、沖洗車輛、冷卻設備等。

（3）礦井水通過電解生產電解液。

（4）高礦化度礦井水可用于生產工業鹽、礦鹽。

從實際應用效果來看。該工藝能夠實現礦井水分質資源化綜合利用，但目前該工藝的回用水規模較小，難以滿足該礦工業用水要求。隨著工業鹽產能的不斷增加和回用水規模的擴大，該工藝的回用水規模將會擴大，從而有利于實現礦井水質資源化綜合利用。

3.3 應用要點

高礦化度礦井水具有較高的懸浮物、濁度和COD等水質指標，且其化學需氧量和氨氮含量較低，若將其作為回用水處理后可減少回用水處理系統的運行負荷。經過進一步的凈化處理后，高礦化度礦井水可滿足回用水質要求。

3.3.1 用于循環冷卻水補充水

該礦設計總取水規模為3.0 萬m3/d，其中礦井涌水量為1.0 萬m3/d，地面海水淡化廠補水流量為0.5 萬m3/d。該礦設計年利用系數為0.53，設計年利用水量在5.0 萬m3左右。通過對比分析可知，在正常生產條件下，礦井涌水量為5.0 萬m3/d時，礦井水循環冷卻水補水資源量可以滿足設計年利用系數的要求。該礦設計年利用系數為0.53時的礦井涌水量為6.5 萬m3/d。當礦井水補水量大于5.0 萬m3/d時，礦井涌水量開始出現增加趨勢。按每年循環冷卻水量4.0萬m3計算，當礦井水補水量達到6.0 萬m3/d時，礦井涌水量將會出現飽和。因此，為了保證礦井安全生產和防止地下水污染，該礦設計年利用系數在5.0萬～6.0 萬m3/d之間較為合理。

3.3.2 用于地面綠化、沖洗車輛、冷卻設備等

該礦已投入運行的高礦化度礦井水分質資源化綜合利用工藝，出水水質能夠滿足地面綠化、沖洗車輛、冷卻設備等的要求，礦井水回用于地面綠化的水量為1.14 m3/h，回用規模為800 m3/h。其中，沖洗車輛水量為40 m3/h，回用規模為400 m3/h。據此估算可降低回用水處理系統的運行負荷為10%左右。同時可減少水處理系統運行產生的大量污泥。同時，考慮到高礦化度礦井水的特殊性，在不影響出水水質的前提下，可對回用水進行進一步處理。考慮到回用水水量較小，且回用水質較好，可以考慮在礦井水處理站旁設置一套高礦化度礦井水回用裝置，用于沖洗車輛和冷卻設備等。

3.3.3 用于生產工業鹽、礦鹽

目前，寧夏地區已有部分煤礦采用礦井水電解生產工業鹽、礦鹽，如寧夏某煤礦、某煤業公司等。從原理上講，礦井水電解生產工業鹽、礦鹽是將高礦化度礦井水進行預處理，將其pH調節到接近工業用海水的pH，然后采用直流電電解技術將水電解成氫離子和氫氧根離子，再利用電解水的剩余電流電解制取工業鹽、礦鹽。將高礦化度礦井水預處理后用于電解生產工業鹽、礦鹽，一方面可以節省生產用水，另一方面可以提高產量。在電解法制取工業鹽、礦鹽過程中，為提高電解效率，電解槽的功率一般為3.5～4.0 kW，而根據目前我國工業鹽產能的分布情況分析，寧夏地區年產工業鹽約為1 000 萬噸，若采用高礦化度礦井水進行電解生產工業鹽、礦鹽，其生產成本將會進一步降低，因此礦井水作為電解法制取工業鹽礦鹽技術在寧夏地區具有較好的發展前景。

4 結束語

綜上所述，煤礦礦井水是一種含有豐富礦物質和微量元素，具有較高硬度、含鹽量和有機污染物的水，水質變化大，給處理帶來了一定的難度。目前國內礦井水處理技術已發展較為成熟，但對高礦化度礦井水的處理技術研究還處于起步階段，目前常用的預處理技術如混凝沉淀、過濾和超濾技術均存在一定缺點。本文提出的高礦化度礦井水預處理及分質資源化綜合利用工藝可實現高礦化度礦井水的達標排放與高礦化利用相統一，為今后煤礦井下礦井水綜合利用提供了思路。