074礦井水處理方法與綜合利用

1、礦井水處理方法與綜合利用摘要：通過對徐州礦物局、安徽淮北淮南、山西、河南的幾個煤礦進行實地的調(diào)查，總結(jié) 出針對不同類型的礦井水的處理利用方法，指出對目前礦井水處理還存在的問題、為更好地利用礦井水提出了一些建議。關(guān)鍵詞：礦井水；處理方法；綜合利用礦床開采破壞了地下水原始賦存狀態(tài)并產(chǎn)生了裂隙，密切了大氣降水、地表水、地下水和 生活用水，各含水層之間的水力聯(lián)系，使各種水沿著原有的和新裂隙滲入井下采掘空間形 成礦井水。礦井水是煤炭生產(chǎn)過程中排放量最多的廢水。據(jù)1993年統(tǒng)計，我國國有重點 煤礦年排礦井水約22億m3平均噸煤涌水量約4. 0m3而且隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展礦井水的 排放量還將不斷增多。長期以來

2、，由于技術(shù)所限和認識不足，礦井水被當做水害加以預(yù)防 和治理，礦井水被白白排掉而未加以綜合利用和保護。據(jù)統(tǒng)計平均每開采1t原煤需排放 2t礦井水，不僅嚴重污染了水資源，而且造成了工業(yè)和生活用水短缺。隨著科學(xué)的發(fā)展和 人們環(huán)境保護意識的提高，對礦井水也已有了新的認識，開始將礦井水作為一種水資源加 以處理利用，即礦井水資源化。1礦井水資源化可行性分析通過實地考察可以得到，煤層開采主要充水含水層有：第四系孔隙含水層、太原組巖溶含 水層和奧陶系灰?guī)r含水層。礦井水主要來源于這些含水層滲入地下的水，是礦井水與煤巖 層接觸發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生化反應(yīng)而形成。煤礦礦井水本身的水質(zhì)主要受當?shù)厮?文、地質(zhì)、氣候和

3、地理等自然條件的影響1。當?shù)V井水流經(jīng)采煤工作面時，將帶入大量的煤粉、巖粒等懸浮物，同時由于受到井下礦工的生 產(chǎn)和生活活動的影響，礦井水中往往含有較多的細菌。對于開采高硫煤層的礦井，由于煤 層及其圍巖中硫鐵礦的氧化作用，使礦井水呈現(xiàn)酸性和高鐵性等。2礦井水利用的必要性礦區(qū)采煤抽排大量的地下水，破壞和疏干礦區(qū)和周邊地區(qū)地下水資源，使地下水水位下 降，造成礦區(qū)水資源的枯竭，引起隱伏礦區(qū)的地面下降，誘發(fā)巖溶礦區(qū)巖溶地面塌陷。大 量的礦井地下水若直接外排則會引起水質(zhì)惡化，造成水環(huán)境污染。由于這些地下水初始流 入井筒和巷道時比較清潔，如果將礦井地下水資源凈化成飲用水，不僅可以滿足生產(chǎn)和生 活用水，還可以節(jié)

4、省大量鉆探深水源井的資金，創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。目前大部分煤礦缺水很嚴重，因此有必要對礦井水加以利用。3礦井水的處理技術(shù) 目前我國按照對環(huán)境影響以及作為生活飲用水水源的可行性，習(xí)慣上將礦井水按水質(zhì)類型 特征分為潔凈礦井水、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 或放射性元素礦井水五類2、3。不同的礦井水采取不同的處理方法。3.1潔凈礦井水 多指礦區(qū)煤系地層中的奧灰水、砂巖裂隙水、第四紀沖積層水及老空積水。這種水質(zhì)中 性，低濁度，低礦化度，有毒有害元素含量很低，基本符合生活飲用水標準，可設(shè)專用輸 水管道給予利用，作生活飲用水時需進行消毒處理。太原市古交礦井在開采過程中

5、穿過第 四紀河谷沖積層，就遇到這種水，古交礦直接供全礦生產(chǎn)和生活使用。3. 2含懸浮物礦井水 這種水中含有較多煤粒、巖、粉、等懸浮物，一般呈黑色，但其總硬度和礦化度并不高。 懸浮物的主要特性是在動水中呈懸浮狀態(tài)，但在靜水中可以分離出來，輕的上浮，重的下 沉。根據(jù)懸浮物的特性，對工業(yè)用水凈化處理常用的主要方法有混凝、沉淀?；炷撬?理工藝中十分重要的環(huán)節(jié)。選用混凝劑的原則是產(chǎn)生大、重、強的磯花，凈水效果好，對 水質(zhì)沒有不良影響，價格便宜，貨源充足。常用的混凝劑為鋁鹽和鐵鹽混凝劑。混合過程 是讓藥劑迅速而均勻地分散到水中，應(yīng)在盡量短的時間內(nèi)與原水均勻混合，使水中的全部 膠體雜質(zhì)都能和藥劑發(fā)生作用

6、。原水加混凝劑后，經(jīng)過混合作用，水中膠體雜質(zhì)凝聚成較 大的磯花顆粒，在沉淀池中去除。在經(jīng)過快濾和消毒處理后也可達到飲用水標準。山西很 多煤礦的井下排水屬這類礦井水。3. 3高礦化度礦井水礦化度無機鹽總含量大于1 OOOmg/L的礦井水。主要含有S0i2-、CI-1、Ca2+、K+、Na+等離子。硬度相應(yīng)較高，水質(zhì)多數(shù)呈中性或偏堿，帶苦澀味，少數(shù)有酸性。高礦 化度礦井水不利于作物生長，會使土壤鹽漬化。用作鍋爐用水，容易結(jié)垢。作建筑用水， 會影響混凝土質(zhì)量。人們長期飲用，將引起腹瀉和消化不良，尤其對心臟和腎臟病患者影 響更嚴重。我國北方缺水礦區(qū)的礦井水往往屬于高礦度礦井水，有必要通過凈化和淡化工

7、藝處理成為飲用水和生產(chǎn)用水。當前高礦化度礦井水采用以下處理方法。3. 3.1化學(xué)方法離子交換法是化學(xué)脫鹽的主要方法，這是一種比較簡單的方法，就是利用陰陽離子交換劑 去除水中的離子，以降低水的含鹽量。3. 3. 2膜分離法反滲透和電滲析脫鹽技術(shù)均屬于膜分離技術(shù)，是我國目前苦咸水脫鹽淡化處理的主要方 法。反滲透法。反滲透法是借助于半透膜在壓力作用下進行物質(zhì)分離的方法?？捎行У厝コ裏o機鹽類、低分子有機物、病毒和細菌等，適用于含鹽量大于4000mg /L的水 的脫鹽處理。電滲析法。在直流電場作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透 過性，而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學(xué)過程。3.

8、3. 3濃縮蒸發(fā)反復(fù)處理使含鹽量高的剩余水濃縮到很小體積，然后在合適的地方存放。依靠自然蒸發(fā)， 使其避免排往下游。水蒸發(fā)后將留有鹽分結(jié)晶，可在其濃縮至200g/ L以上濃度時運走， 用做化工原料。3. 3.4稀釋排放稀釋排放是將低含鹽量的水混合在一起，達到排入水體的標準后排放。避免對下游的不利 影響。3. 3. 5消耗利用消耗利用用于對含鹽量要求不高的場所，把水消耗掉，最后蒸發(fā)到大氣中，避免了向下游排放。3. 4酸性礦井水水質(zhì)特征為pH值小于5. 5的礦井水，一般為33.5,個別小于3,總酸度 高。當開采含硫煤層時，硫受到氧化與生化作用產(chǎn)生硫酸，酸性水易溶解煤及其圍巖中的 金屬元素，故鐵、錳重

9、金屬以及無機鹽類增加，使礦化度、硬度升高。酸性水在我國南方 高硫礦區(qū)比較常見。酸性水容易腐蝕礦井設(shè)備與排水管路，并且危害工人健康。如果抽排 至地面，會影響土壤酸堿度，導(dǎo)致土壤板結(jié)和作物枯萎，而且使地表水酸度上升，間接的 影響了水生生物的生存。對環(huán)境與生態(tài)會造成重大的損害，因此必須進行治理達標后夕卜 排，其處理的方法有以下幾種。3. 4.1物理化學(xué)法仲和法)8石灰石中和法。采用石灰石作中和劑與酸性水中硫酸中和反應(yīng)，產(chǎn)生微溶硫酸鈣和易 分解的碳酸，從而降低酸度。石灰中和法。石灰的主要化學(xué)成分是CaO當用水調(diào)配成石灰乳，則形成熟石灰 Ca(OH)2,熟石灰與酸性水中的H2SO筱應(yīng)。石灰石.石灰聯(lián)合中

10、和法。該工藝第一階段選用石灰石滾筒法中和，消耗酸性礦井水中 絕大部分游離H2SO4使酸性水的pH值接近于6;然后在第二階段再投加石灰中和處理， 使水的pH值進一步提高，達到8左右，這時Fe2水解產(chǎn)生沉淀，形成絮狀物，起到混凝 作用，有利于懸浮固體去除。3. 4. 2生物化學(xué)方法(微生物法)8 該方法是目前國內(nèi)外研究比較多的處理方法，在美國、日本等國家已進行了實際應(yīng)用。其 原理是利用氧化亞鐵硫桿菌在酸性條件下將水中的Fe2+氧化成Fe3+,以實現(xiàn)酸性礦井水 的除鐵9,10。氧化亞鐵硫桿菌能從Fe2 +的氧化反應(yīng)中獲取自身生存和繁殖所需的能 量，無須加任何營養(yǎng)液。3. 4. 3濕地生態(tài)工程處理法8

11、人工濕地(Constructed Wetlands)酸性礦井水處理方法是20世紀70年代末在國外卜發(fā)展 起來的一種污水處理方法4它利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用， 通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對污水的高效凈化 12，與中和法等傳統(tǒng)的酸性礦井水的處理方法相比，人工濕地處理方法具有出水水質(zhì)穩(wěn) 定、對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)去除能力強、基建和運行費用低、技術(shù)含量低、維護管理方便、 耐沖擊負荷強、適于處理間歇排放的污水和具有美學(xué)價值等優(yōu)點13，因而在北美、歐 洲的許多國家得到了廣泛應(yīng)用14-16 。中國是一個礦產(chǎn)資源大國，礦產(chǎn)開采和利用對水資源的破壞相當嚴重，

12、酸性礦井水的處理 是眾多礦山企業(yè)面臨的主要環(huán)境和生態(tài)問題17,18 。人工濕地作為一種有效的酸性礦 井水處理方法，在中國的應(yīng)用將越來越廣泛，其作用將越來越大。隨著高分子研究的深 入，出現(xiàn)了用無機高分子、有機高分子、高分子改性陽離子、微生物等絮凝劑、陽離子交 換樹脂等材料來加強對酸性水的處理程度19。同時，也有學(xué)者在進行以廢治廢研究， 如利用粉煤灰作為中和劑21、利用煤矸石制取聚硅酸鋁作為絮凝劑22 等都取得了 明顯的效果。另外，值得一提的就是原位處理方法一一可滲透法反應(yīng)墻。該方法在1982 年由美國環(huán)保局提出來，滑鐵盧大學(xué)在1989年進一步開發(fā)，并在安大略省的保登(Borden)成功進行了現(xiàn)場

13、演示。這種方法完全可以在礦山應(yīng)用，其基本原理是：在礦山 地下水流的下游方向，定義一個被動的反應(yīng)材料的原位處理區(qū)20，針對礦山酸性水的 具體成分分析結(jié)果，采用物理化學(xué)或者生物處理的技術(shù)方法，處理流經(jīng)墻體的污染組分， 這是目前礦山酸性水處理研究的熱點問題。3. 5含有害有毒元素或放射性元素礦井水主要指含有氟、鐵、錳銅、鋅、鉛及鈾、鐳等元素的水。含氟礦井水主要來源于含氟較高的地下水區(qū)域或煤與圍巖中含有氟礦物螢石CaF2或氟磷灰石的地區(qū)。飲用高氟水，容易產(chǎn)生骨質(zhì)疏松，氟斑牙等病癥。我國北方一些煤礦礦井水含氟超過Img/L。含鐵、錳礦井水一般是在地下水還原條件下形成的，大多呈現(xiàn)Fe2Mn2的低價狀態(tài)，有

14、鐵腥味，容易變混濁，可使地表水的溶解氧降低，這類水需要經(jīng)過處 理后才能使用或外排。含重金屬礦井水主要指含有Cu Zn、Pd等元素的礦井水，這些元素濃度符合排放標準，但超過生活飲用水標準，所以不宜直接飲用。放射性元素水主要指含有超過生活飲用水標準的U、Ra等天然放射性核素及其衰變產(chǎn)物氡Rn的礦井水。對于這類礦井水首先應(yīng)去除懸浮物，然后對其中不符合目 標水質(zhì)的污染物進行處理。在實際生產(chǎn)中的礦井水大多數(shù)為復(fù)合型水。因此在設(shè)計水處理工藝時必須搞清楚水質(zhì)和水 量的實際水文地質(zhì)情況，然后考慮水處理單元的取舍和優(yōu)化組合，結(jié)合實際地質(zhì)情況進行 處理，如利用沙層對礦井污水的凈化作用及礦井水的利用 23。但礦井水

15、都或多或少的含有懸浮物，因此含懸浮物礦井水的處理工藝對于任何類 型礦井水來說都是必要的前處理步驟。4礦井水的利用概況我國煤礦礦井水的利用率還很低，平均僅為22%。雖然我國有意識的綜合利用礦井水起步 較晚，利用率只有15%左右。但就目前來說，隨著各礦水資源的緊張，許多礦區(qū)都進行了 不同程度的綜合利用工作，主要利用有工業(yè)用水、生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉。除了這些常規(guī)的利用外，要開發(fā)新的利用方式。(1)利用礦井水和電廠余熱實現(xiàn)辦公樓冷暖空調(diào)5水源熱泵技術(shù)是一項新興的節(jié)能空調(diào)技 術(shù)，可達到節(jié)約投資及運行費用，節(jié)約能耗，節(jié)約用水，減少對環(huán)境影響的效果24.(2)井下處理利用7。含懸浮物礦井水污染程度較低，易于凈

16、化處理，如果在井下采取 諸如清濁分流、水倉預(yù)沉等措施，會使礦井水的井下處理難度更低。因此建立井下礦井水 處理系統(tǒng)，改進礦井現(xiàn)有的供水系統(tǒng)，使部分礦井水在井下實現(xiàn)循環(huán)利用，在技術(shù)上完全 是可行的。建立井下礦井水處理系統(tǒng)，將礦井地面供水變?yōu)榫鹿┧晒?jié)省大量的礦井 排供水費用，對開采深度較大的礦井來說，其經(jīng)濟效益更顯著。與附近的城市綜合利用，以徐州礦區(qū)與徐州市為例6 6。徐州市將礦井水資源納入 全市水資源管理規(guī)劃，實行統(tǒng)一管理。將位于徐州市區(qū)附近涌水量大且穩(wěn)定的礦井，充分 利用地面供水主干網(wǎng)，將其礦井水直接向市區(qū)供水，重點是利用權(quán)臺、大黃山井田的礦井 水，以緩解市區(qū)用水緊張的狀況；韓橋煤礦的礦井

17、水可利用賈汪電廠改擴建的有利時機， 統(tǒng)籌安排，爭取盡早供水；將遠離市區(qū)、城區(qū)且涌水量大的礦井，可就近作為工農(nóng)業(yè)及居 民生活用水，重點是利用龐莊煤礦東城井、夾河煤礦的礦井水向九里區(qū)、城北工業(yè)區(qū)供 水。徐州礦區(qū)還組建礦井水綜合利用開發(fā)公司，按照市場規(guī)律運作，打破自來水市場獨家 壟斷的局面。擬訂可行方案，在西關(guān)地區(qū)選擇一居民區(qū)鋪設(shè)礦井水管道到居民家中，直接 供應(yīng)飲用水，爭取市政府支持，制定優(yōu)惠政策，鼓勵居民使用。徐州礦區(qū)將會按照市場公 平競爭的原則，逐步加大井水向市區(qū)供水量，適當調(diào)高價格。重點扶持礦井水的深加工， 利用新河、義安等煤礦的礦井水符合優(yōu)質(zhì)礦泉水標準的優(yōu)勢，積極尋求合作伙伴，開發(fā)系 列優(yōu)質(zhì)

18、礦泉水，作為一個新型產(chǎn)業(yè)，闖市場、創(chuàng)名牌、求發(fā)展。5存在的問題4觀念上的差距。歷來在煤炭勘探的同時把一些非煤的礦物如鐵、硒、錯等甚至白堊土 都列為有用的礦物資源，而對煤層上賦存的地下水、煤層氣(瓦斯)卻視為有害物。感情上的差距。人們認為井下排水又黑、又臭、又臟，寧肯從幾十公里以外去引泥漿 一般的黃河水，也不肯處理近在身邊的礦井水。認識上的差距。盡管礦井水長年累月不停地排放，但人們對它的認識卻很不夠。沒有深 入地研究其特有的規(guī)律，水質(zhì)、水量變化的情況，不同類型水質(zhì)差異十分懸殊的致因，也 從未系統(tǒng)地進行全面化驗分析總結(jié)。政策上的差距。國家對礦井水排放政策上沒有作為水資源開發(fā)利用，單純地進行排污 收費，甚至罰款。管理上的差距。我國各礦區(qū)技術(shù)人員大多為采礦、機電、土建、機制等專業(yè)人員，目前尚有一些環(huán)保專業(yè)人員負責(zé)環(huán)境管理，但具體到水處理站的給水排水專業(yè)技術(shù)人員就非常缺乏，幾乎沒有，負責(zé)操作的工人大部分未培訓(xùn)，一部分是井下失去 工作能力的工人轉(zhuǎn)到地面上來看泵”。從領(lǐng)導(dǎo)到技術(shù)人員到工人都不了解工藝，不利于 管理，更不能發(fā)揮主觀能