矿井水的处理技术与发展.docx

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矿井水的处理技术与发展

煤矿矿井水处理技术现状与发展

摘要：

矿井水是具有煤矿行业特点的废水，也是一种水资源。

矿井水分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和特殊污染型矿井水。

针对我国煤矿矿井水的水质特点，指出了矿井水完全可以作为一种良好的水资源用于煤矿生产、生活和其他相关领域；分析了矿井水被充分利用的可行性、矿井水的主要水质类型等，总结了矿井水处理的一般工艺，指出了矿井水处理技术的发展趋势。

关键词：

矿井水；水质特征；处理技术；发展趋势

煤矿区是自然生态环境污染与破坏严重的区域之一，当今世界所面临的五大难题中，其中的资源问题、能源问题和环境问题都与煤炭开采有着密切的联系。

煤炭开采对生态环境的破坏和环境的污染同其他行业相比有着显著的特点，它主要表现在以下方面：

（1）对土地资源的破坏和占用。

地下开采以地表塌陷和研石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主，我国95%以上的煤炭产量来自地下开采。

（2）对水资源的破坏和污染。

煤炭开采过程中，为保证安全而进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，共同破坏和污染了地下水资源。

与此同时，大量未经处理含有煤粉、岩粉和其他污染物的矿井水外排，又影响到矿区及其周边环境。

（3）对大气环境的污染。

主要来自矿井排风、煤层瓦斯抽放和煤矿研石山的自燃。

我国是世界煤炭产量和矿井数量最多的国家，矿井水的年排放量也居世界之首。

矿井水是伴随煤炭开采而进人采掘空间且必须排出的一种废水，其特点是排放量大，除酸性矿井水外，一般污染程度均较轻，经处理后是很好的再生水资源。

据粗略统计，国内矿井平均吨煤涌水量在3.5~4m3，且不同地区差异很大，东北地区在2~3m3；华北、华东和河南大部分矿区为3~5m3；南方矿区在10m3以上；西部矿区在1.6m3以下。

以此推算，近几年国内煤矿矿井水的排放在45~50亿m3/a。

大部分矿井水中含有煤粉、岩粉、细菌和其他污染物，不经处理无法直接利用。

另外，煤炭开采在破坏地下水资源同时，还加剧了缺水地区的供水紧张。

我国是世界上人均占有水资源量较低的国家之一，且水资源分布极不平衡。

从采煤地区分布来看，富煤地区往往也是贫水地区。

全国96个国有重点矿区中，缺水矿区占71%，其中严重缺水矿区占40%。

随着煤炭开采强度的加大和延伸速度的不断提高，矿区地下水位将大面积下降，使缺水矿区供水更为紧张，从而影响当地居民的正常生产和生活。

另一方面，大量地下水资源因煤系地层破坏而渗漏至矿井并被排出，这些矿井水被净化利用率不到30%，造成一边是大量矿井水白白流淌，一边是矿区严重供水短缺。

1矿井水处理及资源化的必要性

水是社会文明、经济发展和人类生存必不可少的自然资源。

我国淡水资源人均占有量只相当于世界人均的1/4，在全国600多座城市中，有400多座城市缺水。

煤矿区所在城市缺水状况更为严重。

环保部已于2015年颁发了《现代煤化工建设项目环境准入条件（试行）》。

文件中要求，“现代煤化工发展，必须要强化节水措施，减少新鲜水用量。

在具备条件的地区，倡导优先使用矿井疏干水、再生水，禁止取用地下水作为生产用水。

”矿井水利用是煤炭生产安全与可持续发展重要保证，《煤炭工业污染物排放标准》GB20426-2006规定：

新建煤矿设计中应优先选择矿井水作为生产水源，用于煤炭洗选、井下生产用水、消防用水和绿化用水等。

建设燃煤电厂、低热值燃料综合利用电厂，应优先选择矿井水作为供水水源优选方案。

2矿井水的分类及特征

2.1矿井水的分类

矿井水，从本质上讲，矿井水实际上就是矿区所采煤层及开拓巷道附近地下水，是煤矿开采过程中受污染的地下水。

为保证安全生产和良好的作业环境，开采过程中必须进行矿井排水。

矿井水按水质类型可分为5类：

洁净矿井水；含悬浮物矿井水；高矿化矿井水（又称矿井苦咸水）；酸性矿井水；含有害有毒元素矿井水。

2.2各类矿井水水质特征

（1）洁净矿井水

水质较好、pH值为中性，低矿化度，基本不含SS，各类水质指标符合《生活饮用水卫生标准》（GB5749－2006），只需稍加处理和消毒即可饮用。

（2）含悬浮物矿井水

在煤炭开采过程中，地下水与煤、岩层接触发生一系列物理、化学和生化反应后被排出，因矿井水中一般均含有煤粉、岩粉和豁土等固体颗粒，其主要成分为煤粉。

煤粉的密度一般只有1.5g/cm3，远小于地表水系中泥砂颗粒物的密度（平均密度一般为2.4~2.6g/cm3，）。

因此煤矿矿井水中的悬浮物颗粒具有密度小、沉降速度慢等特点。

由于含悬浮物矿井水中煤粉的作用，尽管有时矿井水悬浮物不算很高，可黑色却十分明显，感观性状差。

含悬浮物矿井水中悬浮物的含量为每升几十至几百毫克，少数超过100m/L。

但在井下水仓清仓时，悬浮物含量每升最高可达上万毫克。

（3）高矿化度矿井水

高矿化度矿井水中含有大量的Ca2+，Mg2+，K+，Na+，SO42-，CI-，HCO3-等离子，这些离子总量大于1000m/L，水质多数呈中性或偏碱性，带苦涩味，俗称苦咸水。

高矿化度矿井水又可分为微咸水（矿化度为100~1000m/L）、咸水（矿化度为10000~50000m/L）。

我国煤矿高矿化度矿井水含盐量一般在100~400mm/L，少数达400mm/L以上。

高矿化度矿井水主要分布在我国北方矿区、西部高原、黄淮海平原及华东沿海地区。

矿井水中矿化度高的原因是多种因素形成的，主要是：

①被采煤层中含有大量碳酸盐矿物及硫酸盐类矿物，使矿井水中Ca2+，Mg2+，SO42-，CI-，等盐类离子增加；②地区干，降水量小，蒸发量大，地下水补给不足，促使矿井水盐分浓缩；③当开采高硫煤层时，因硫化物氧化产生游离酸，再同碳酸盐矿物、碱性物质发生反应，使矿井水中Ca2+，Mg2+，SO42-等离子增加；④矿区处于沿海地带，地下咸水浸入煤田。

（4）煤矿酸性矿井水

煤矿酸性矿井水是煤矿外排水中危害较大的一种废水。

其不仅腐蚀排水设备，而且排到地面后还危害水生动植物及周围农作物的生长。

酸性矿井水主要是由黄铁矿与氧和水反应所形成的，故水中往往含有大量的铁离子成分而呈现出明显的黄色。

根据pH值，可将酸性矿井水分为强酸型（pH<3）和弱酸型（3＜pH＜6.5）。

（5）含特殊有害成分矿井水

该类矿井水中往往含有一种或几种对人体有害的成分，包括象微量放射性元素、重金属、氟、石油等，这些有害成分尽管含量不高，但由于超过了《国家生活饮用水水质标准》规定的限值，从而成为矿井水处理作生活饮用水的最大障碍。

3矿井水处理工艺现状

3.1矿井水处理技术的分类

近年来，针对不同类型矿井水，根据不同用途采取不同的处理技术，在实践中形成了很多具有推广意义的实用技术和工艺，取得了理想效果。

特别是矿井水的深度处理、含特殊污染物矿井水处理技术研究和高效混凝剂的研发，已经取得了重要进展。

从目前已有的矿井水处理技术和工艺来看，矿井水处理技术可以按地点、水质状况和技术原理进行分类：

（1）按矿井水处理地点分类

①井下处理；②地面处理。

（2）按矿并水水质类型分类

①洁净矿井水处理；②含悬浮物矿井水处理；③高矿化度矿井水处理；④酸性矿井水处理；⑤含特殊污染物矿井水处理。

（3）按技术原理分类

①重力沉淀、混凝澄清等物理方法处理；②化学沉淀、化学中和、离子交换等化学方法处理；③电渗析、反渗透、纳滤等膜分离法处理；④其他方法处理，如湿地法处理、微生物法处理等。

3.2含悬浮物矿井水的处理

煤矿矿井水中的悬浮颗粒由煤屑、岩粉和少量黏土组成，其中主要是煤屑，其处理工艺与自来水厂的给水处理基本相同。

图1矿井水悬浮物一般处理工艺流程

一般矿井水中的硬度离子普遍偏高，因此在矿井水净化处理工艺中，可以加人适当的除硬药剂去除钙、镁离子，改善出水水质，拓宽用水范围。

杭州环境保护研究所在东北某矿务局5000t/d的矿井水净化作城市生活用水工程中，采用前置投加除硬药剂，降低了出水硬度，顺利实现了与城市自来水供水管路并网，服务人口达28万人。

煤矿开采后经常出现大面积塌陷塘（区），可将塌陷塘（区）改造成氧化塘，利用自然条件下的生物处理原理处理含悬浮物矿井水。

氧化塘水面还可放养水生生物和种植水面作物，利用氧化塘提高所处理矿井水的水质，使出水水质达到渔业水域及农灌用水要求，同时增加经济效益。

图2氧化塘法处理矿井水工艺流程图

3.3高矿化度矿井水的处理

据粗略统计，我国煤矿约有40%的矿井水中的溶解性盐类大于100mg/L，超过了国家饮用水标准所规定的限值。

这类矿井水经净化处理后作为一般的工业用途是没有问题的，但在诸如锅炉补给、井下配制乳化液、居民生活饮用等，对水质要求相对较高的场合，这部分水的利用就受到了限制。

苦咸水中盐类的去除大都采用膜法，以往采用电渗析的占多数，近年来随着反渗透技术的成熟及其投资和运行成本的降低，反渗透法已后来居上，大有替代电渗析法的趋势，2种方法处理的工艺流程如图3、图4所示。

图3电渗析法工作原理图

电渗析法（ED法）是一种利用电能进行膜分离的方法。

是指在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。

ED法具有可连续出水、工艺系统简单、设备少等优点，但缺点也是明显的，如对原水的预处理要求较高；电耗较大、易结垢和膜寿命短；电渗析本体由塑料件组成，因此塑料老化成为增加电渗析维修费用的主要因素。

电渗析操作电流、电压直接受原水水质、水量影响，过程稳定性差，容易出现性能恶化且水回收率低（一般为50%左右），采用浓水循环工艺虽可使水回收率提高，但其循环方法和控垢药剂的投加目前尚缺乏成熟的经验。

图4反渗透法处理工艺流程

相比较而言，反渗透法对进水水质要求比电渗析法还要高，高矿化度矿井水进人及渗透之前，除必要的预处理外，还应做软化处理，防止由于Ca2+、Mg2+形成反渗透膜化学性结垢而造成膜堵塞。

另外还要严格控制进水pH值，以防止膜水解。

反渗透脱盐处理可以有效地去除水中无机盐类、低分子有机物、胶体、病毒和细菌等，是一种高效、低耗、无污染水处理技术，适用于全盐量大于4000mg/L上的水的脱盐处理，更适用于高矿化度矿井水的脱盐。

3.4酸性矿井水的处理

酸性矿井水的处理多采用中和法，中和剂可以是各种碱性物质，其中以苛性钠和纯碱作中和剂，用量少且污泥体积小，但因成本较高，现已不用。

目前应用最广是采用石灰石或石灰作中和剂，以石灰石作中和剂的主要有中和滚筒过滤法、升流膨胀过滤中和法，以石灰为中和剂的主要有石灰乳中和法。

石灰石中和滚筒过滤法：

酸性矿井水、调节池一中和滚筒处理机一曝气池——沉淀池、污泥浓缩脱水外排。

该方法的优点是操作简单，管理方便，处理费用低；缺点是在中和后的出水中，存在着大量的碳酸，使出水的pH值一般只能维持在4.0~4.5，难以达到排放标准。

目前解决问题的方法主要有：

对中和后的出水进行曝气处理，一是驱赶溶于水中的CO2，使pH值升高，二是使Fe2+变成Fe3+而去除。

石灰乳中和法：

由于该处理工艺简单，且易于实现全过程自动控制，目前已被企业所广泛采用，如图6所示。

图5石灰石中和滚筒过滤法处理酸性矿井水工艺流程流程

图6石灰乳中和法工艺流程

3.5特殊污染型矿井水的处理

含某些重金属、有毒有害微量元素及放射性等矿井水必须进行处理才能排放和利用。

重金属废水的处理方法可分为两大类，一类是使呈溶解状态的重金属转变为不溶的重金属沉淀物，经沉淀从废水中去除。

具体方法有中和法、硫化法、还原法、氧化法、离子交换法、活性炭吸附法、电解法和隔膜电解法等。

另一类是浓缩和分离，体方法有反渗透法、电渗析法、蒸发浓缩法等。

部分工艺流程见图7，图8，图9。

图7矿井水中去氟工艺流程图

图8接触氧化法除锰工艺流程图

图9矿井水中微量放射性物质去除工艺流程图

4矿井水处理技术的发展趋势

4.1高密度沉降技术

通过加入高密度介质，同时加混凝剂（聚合氯化铝PAC和聚丙烯酰胺PAM）和重介质微砂，使悬浮物在较短时间内形成以微砂为载体的“微絮团”，较大的絮凝体具有大的密度和半径，从而增加沉降速度，相同处理量下沉淀池体积大为减小。

高密度沉淀池集混合区、反应区、沉淀区于一体，前端混合区高密度介质的外循环不仅保证了搅拌反应池的固体浓度，提高了悬浮物的絮凝能力，使形成的絮凝体更加均匀密实。

末端采用斜板沉降，同时回收污泥中的重介质，极大提高了混凝沉淀作用和处理效果。

4.2超磁分离技术

超磁分离技术的原理是向待处理的水体中加入磁种，磁种作为絮体的凝结核使非磁性悬浮物在混凝剂和助凝剂联合作用下与磁种结合，形成带有磁性的絮凝体颗粒。

含有磁性絮凝体颗粒的水体经过超磁分离机时，超磁分离机的永磁强磁性磁盘能产生大于重力的磁力，瞬间将磁性絮凝体吸附，实现水质净化。

被磁盘分离出来的残渣经过磁种回收系统回收磁种后，重新回用到混凝系统中循环使用，剩余的污泥被输送到污泥处理系统

4.3采空区过滤技术

与高密度沉降技术和超磁分离技术不同，采空区过滤技术不需要专门的水处理设备和药剂，仅利用煤炭开采过程形成的采空区进行矿井水过滤去除悬浮物，该技术处理成本低，也不会形成二次污染。

目前大部分井工矿都采用全部垮落法处理顶板，煤层的上附岩层主要由砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩和中砂岩组成。

采空区的填充物主要是煤层顶板和少量残煤，在开采扰动和重力的作用下，填充物形成密实的高孔隙率的岩石滤体。

将含悬浮物的矿井水从采空区水平标高较高的地方送入采空区后，在重力作用下水体渗透过填充物流向低洼处，而悬浮物被截留，实现悬浮物的去除。

此外，煤层顶底板中还含有一些黏土矿物，可以吸附矿井水中的油脂，并对水中的钙镁离子进行吸附交换，降低水的硬度。

4.4膜法脱盐

脱盐方法，特别是随着各种膜技术成熟和成本降低，膜法的应用范围还在逐渐增加。

膜法脱盐主要采用反渗透膜和纳滤膜，反渗透膜用来浓缩矿井水，纳滤膜用来分离一价盐和二价盐。

矿井水经过预处理后首先经过保安过滤系统，进一步脱除水中的悬浮物，使其达到反

渗透系统的进水标准。

经过保安过滤系统的水先进入中间水池缓冲，然后进入反渗透系统进行脱盐处理。

为了保证脱盐后的回用水率，反渗透系统分为低压反渗透和高压反渗透两级，缓冲池的水先经过低压反渗透系统产生达标的回用水和一级浓盐水，回用水直接进入清水仓备用，一级浓盐水继续进入二级反渗透系统进一步脱盐浓缩，产出的浓盐水进入地下水库封存，清水进入清水仓备用。

图10矿井水膜法脱盐处理工艺流程

4.5热法脱盐

矿井水含盐量高于10000mg/L时，膜法脱盐在工程应用中极易产生膜结垢、变形等问题，缩减了膜的使用寿命，增加了水处理成本。

与膜法脱盐相比，热法脱盐在处理含盐量高于10000mg/L的矿井水时更具优势。

低温多效蒸发是目前使用较广泛的一种热法脱盐技术在海水淡化方面应用广泛。

低温多效蒸发是将几个蒸发器串联运行的蒸发操作，使蒸汽热得到多次利用，从而提高热能利用率。

蒸发器工作原理为高浓度含盐水由加热器顶部进入，经液体分布器分布后呈膜状向下流动，在管内被加热汽化，被汽化的蒸汽与液体一起由加热管下端引出，经汽－液分离得到浓缩液。

浓缩液经结晶或喷雾干燥就可以实现矿井水处理零排放。

这种处理方式特别适合有坑口电厂的煤矿使用，利用电厂的废弃蒸汽作为热源，可有效降低处理成本，实现高矿化度矿井水的高效低成本处理。

4.6废水零排放

矿井水经过去除悬浮物和脱盐浓缩后，会产生一部分高含盐量的废水。

随着环保要求日益严格，废水零排放已经在内蒙古、宁夏等煤矿主产地开始实施。

高含盐废水零排放一般通过蒸发结晶处理，实现盐的分级回收和水的回用。

蒸发结晶过程能耗较大，产生一定量的杂盐，后续处理比较困难，不适合矿井废水的处理。

高盐废水零排放技术有望采用井下封存。

井下封存主要是将高盐废水存储于密闭采空区形成的煤矿地下水库。

高盐废水存入煤矿地下水库后，还可通入低含盐矿井水进行稀释，重新处理回用。

地下水库存储高盐废水不仅经济安全，也不会造成其他污染，具有良好的经济、社会效益和推广前景。

5结语

对矿井水进行处理并加以利用，不但可防止水资源流失，避免对水环境造成污染，而且对于缓解矿区供水不足、改善矿区生态环境、最大限度地满足生产和生活用水需求具有重要意义。

由于对矿井水缺乏基础性的水化学研究，目前煤矿区对矿井水的利用仍是比较粗放和简单化的，这种现象又反过来加重了人们对矿井水的误解，从而在某种程度上制约了矿井水广泛利用。

为提高我国煤矿矿井水处理的技术水平，必须在详细分析矿井水的水化学组成和物化性质的基础上，研究合适的矿井水处理工艺和参数，以提高煤矿矿井水利用的技术水。

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