李慧玲,桂和榮，2,段中穩(wěn)

1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽淮南，232001；2.宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽宿州，234000;3.皖北煤電集團公司，安徽宿州，234000

礦井水資源化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

李慧玲1,桂和榮1，2,段中穩(wěn)3

1.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院,安徽淮南，232001；2.宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院，安徽宿州，234000;3.皖北煤電集團公司，安徽宿州，234000

在分析我國礦井水水質(zhì)特征的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前廣泛應(yīng)用的礦井水資源化技術(shù)進行了系統(tǒng)總結(jié)，涵蓋潔凈、懸浮物、高礦化度、酸性和特殊污染物5種類型。進而指出，開展礦井水水質(zhì)特征研究、井下新工藝技術(shù)應(yīng)用和礦井水處理新型藥劑的研發(fā)，以提高礦井水處理的技術(shù)水平和利用率，是未來礦井水資源化的主要發(fā)展趨勢。

礦井水；資源化技術(shù)；水處理工藝

礦井水指煤礦采掘過程中所有充入井下采掘空間的水。在我國許多煤礦礦區(qū)，大量未經(jīng)處理的礦井水與生活用水一起排入地表水體，在直接外排浪費水資源的同時，因為其中含有大量懸浮物、可溶性無機鹽類、重金屬、氟離子及低水平放射性元素等，必然對地表水體和礦區(qū)周圍環(huán)境造成嚴重污染。如高礦化度礦井水含鹽量高，排入地表后，使地層中鹽分增高，土壤鹽堿化，影響農(nóng)作物的種植；酸性礦井水排放到地表水體中，將會消耗大量的DO將F2+氧化為F3+，影響水生生物的生長和水體自凈能力，破壞生態(tài)循環(huán)，同時腐蝕設(shè)備、管路和其他機電設(shè)備，增加工業(yè)用水處理的費用[1]。此外，地下水放射性元素水平平均普遍高于地表水，對全國重點煤礦礦井水和飲用水放射性水平調(diào)查，我國將近一半的礦區(qū)礦井水放射性元素超標，含放射性元素的礦井水不僅影響正常的礦區(qū)生產(chǎn)，而且會危及到人類的生命安全。

在我國北方富煤地區(qū)，水資源分布很不均勻。調(diào)查顯示，國有重點煤礦70%缺水，40%嚴重缺水[2]，80%的礦區(qū)職員飲用水達不到生活飲用水指標,人均生活用水量小于0.6 m3/d,只有正常用水指標的一半[3]，已經(jīng)嚴重制約了礦區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和礦區(qū)職工的日常生活。然而，與此相矛盾的是，1990年全國煤礦礦井涌水量16.4億m3，2000年為17.2億m3，涌水量16.4億m3，2000年為17.2億m3，2005年約為42億m3，目前達到了60億m3，未來隨著煤炭工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，煤礦礦井的涌水量還將會持續(xù)增加。但由于技術(shù)限制與重視程度不足，礦井水利用率普遍不及發(fā)達國家。因此，充分利用礦井水資源，不僅有利于環(huán)境保護，也有利于緩解水資源匱乏的問題。

1 礦井水水質(zhì)特征

礦井水主要來源于地下水。我國礦井水的特點是：礦井水涌水量大，pH值一般呈中性，主要污染物是可溶性無機鹽和SS[4]。但在煤礦挖掘過程中，受礦區(qū)水文地質(zhì)條件、各種煤系半生礦物成分、井下開采運輸情況和環(huán)境條件等多種因素的影響，尤其是地下水與煤、巖層的長時間接觸，導(dǎo)致礦井水中懸浮物等雜質(zhì)含量增加，從而使礦井水水質(zhì)發(fā)生了一系列的變化。也正因為如此，不同地域的不同礦井水，甚至同一礦區(qū)的不同井田礦井水水質(zhì)都存在較大差異，污染物類型亦不盡相同。

我國煤礦60%的礦井水是粒徑極小的煤粉、巖粉為主的懸浮物礦井水，部分礦井水還含有可溶性的無機鹽、有機污染、少量的重金屬(Hg、Se、Pb等)以及低水平的放射性元素。此外，從酸堿度來看，大部分礦井水呈中性，酸性礦井水大都出現(xiàn)在南方高硫煤區(qū)，高礦化度礦井水大都出現(xiàn)在西部高原、華東沿海和黃淮海平原地區(qū)，北方礦區(qū)礦井水多偏中性或弱堿性，堿性水不常見。

2 礦井水資源化技術(shù)

我國自20世紀70年代開始對煤礦礦井水進行資源化利用，至今已經(jīng)近40余年[5]。一般按照礦井水不同的水質(zhì)特點，采用適宜的處理工藝，以提高礦井水的利用率。傳統(tǒng)的處理工藝為井下水倉的礦井水由提升泵排至地面，然后由礦井水排出口的調(diào)節(jié)池和各種處理構(gòu)筑物處理，經(jīng)有效處理后的礦井水，一部分應(yīng)用于井下生產(chǎn)，一部分用在井上[6]?？傮w而言，根據(jù)不同的水質(zhì)類型，目前已經(jīng)廣泛利用的礦井水資源化技術(shù)主要涵蓋以下五個方面。

2.1 潔凈礦井水

這類礦井水是指未被污染的且含懸浮物較少的地下水，一般水質(zhì)較好，其濁度、礦化度和有害元素含量很低，其余各項指標符合國家《生活飲用水標準》(GB5749-85)，基本可以滿足礦區(qū)居民生活用水的需求[7]。在井下煤礦挖掘過程中，對井下污染程度不同的礦井水要進行清濁分流。潔凈礦井水一般在礦井水源頭附近攔截匯聚，然后在井下建立專用的輸水管道引至井底，進入清水倉后經(jīng)水泵排至地表，即可利用。稍微處理后可直接作為工業(yè)用水，或經(jīng)消毒后用于礦區(qū)居民生活用水。典型代表如徐州礦區(qū)的新河礦，其太原組巖溶水水質(zhì)優(yōu)良，涌水量大且穩(wěn)定，能較好地滿足徐州市區(qū)幾十萬人口的生活飲用水要求。

2.2 懸浮物礦井水處理技術(shù)

這類礦井水礦化度小于1 000 mg/L，總硬度不高，含有少量金屬離子，多呈灰黑色。其中的污染物主要包括懸浮物(粒徑、密度小的煤粉和巖粉)和井下工作人員生產(chǎn)生活所產(chǎn)生的細菌。對這一類礦井水處理主要是去除懸浮物和細菌，首先應(yīng)對原水水質(zhì)、懸浮物含量和粒度組成特征進行分析，然后根據(jù)處理后礦井水的用途，選擇相應(yīng)的凈化工藝。

目前比較成熟的處理工藝流程是混凝、沉淀、過濾、消毒等，以有效地去除礦井水中的懸浮物和膠體(圖1)。其中混凝處理工藝是水處理的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的復(fù)合混凝劑為PAC和PAM混合藥劑，具有較高的去濁率。此外，還有微生物混凝劑，其混凝范圍廣、效率高，對工業(yè)廢水具有良好的凈化效果。煤炭科學(xué)總院杭州環(huán)境保護所已經(jīng)研制出自動投藥系統(tǒng)，在礦井水處理自動控制研究和應(yīng)用中都取得了較好的成果。該系統(tǒng)可使混凝劑的投放量隨著礦井水中懸浮物數(shù)量的波動而自動調(diào)節(jié)，提高了出水水質(zhì)，同時節(jié)約了大量的藥劑[8]。該系統(tǒng)具有較好的靈活性、可靠性、可維護性，處理后的礦井水可以作為煤礦生產(chǎn)和日雜用水。近年來，很多研究者都在進行懸浮物礦井水深度處理研究，并取得了不錯的成果。

圖1 含懸浮物礦井水處理工藝流程圖

進行深度處理時，首先要進行預(yù)處理，然后通過微濾或一種新型的納濾(NF)膜分離做下一步處理，礦井水懸浮物和菌落總數(shù)去除率都較好，可達到飲用水的衛(wèi)生標準。此外，含懸浮物的礦井水還可以采用氧化塘法處理，將塌陷區(qū)改造成氧化塘，利用氧化塘的生物自然處理原理消除礦井水的懸浮物，兩淮(淮南、淮北)地區(qū)已經(jīng)投入實際應(yīng)用，并取得良好的效果。處理后的水質(zhì)可以用于農(nóng)業(yè)灌溉用水，提高煤礦礦區(qū)的經(jīng)濟效益。

2.3 高礦化度礦井水處理技術(shù)

高礦化度礦井水(苦咸水)主要含有硫酸鹽和碳酸鹽等成分，水中溶解性固體大于1 000 mg/L的礦井水。礦井水全鹽量通常為1 000～3 000 mg/L，少量達4 000 mg/L，其中的鹽主要來自K+、Ca2+、Na+、Mg2+、Cl-等離子[9]。

目前處理高礦化度礦井水采用給水凈化的傳統(tǒng)工藝(圖2)，其關(guān)鍵工序是脫鹽，有離子交換法、蒸餾法、電滲析法和反滲透法等脫鹽工藝。其中離子交換法是脫鹽的主要化學(xué)方法，適用于含鹽量小于500 mg/L的礦井水；蒸餾法適用于含鹽量大于3 000 mg/L的礦井水，以煤矸石和低熱值煤作為原料，消耗熱能進行脫鹽淡化；電滲析和反滲透是我國處理高礦化度礦井水最常用的膜分離技術(shù)，此技術(shù)已日趨成熟。電滲析(ED)適用于含鹽量小于4 000 mg/L的礦井水，前蘇聯(lián)采用此法處理高礦化度礦井水達到91.5%[3]。反滲透(RO)法適用于含鹽量大于4 000 mg/L的礦井水，脫鹽率高，較為經(jīng)濟，可有效地去除無機鹽類、低分子有機物、病毒、細菌。但在反滲透處理過程中容易造成膜堵塞，如在反滲透前采用活性炭處理工藝、超濾技術(shù)，則能提高高礦化度礦井水處理的水質(zhì)、水量。

圖2 高礦化度礦井水其處理工藝流程圖

2.4 酸性礦井水處理技術(shù)

一般把未經(jīng)處理的pH值小于5.5的礦井水稱為酸性礦井水(AMD)[10]。由于煤中硫鐵礦石中的FeS2發(fā)生氧化，經(jīng)生物化學(xué)作用生成H2SO4，導(dǎo)致礦井水pH下降。

目前，國內(nèi)對于酸性礦井水的處理方法主要是中和法，其基本原理是利用酸堿中和反應(yīng)降低酸度，升高pH值。適合做中和劑的有CaCO3、CaO等廉價易得的物質(zhì)和煤矸石、粉煤灰等，但由于反應(yīng)不完全，生成CaSO4等難溶物質(zhì)容易造成二次污染，因而增加了礦井水處理的成本。最近幾年，常用輕燒鎂粉作中和劑的方法處理酸性礦井水，在處理礦井水過程中即使用量過多，也不會使溶液的pH超過9，因而不會對礦井水的酸堿超標產(chǎn)生較大的影響，且容易控制。礦井水中主要化學(xué)物質(zhì)MgO和H2SO4中和，不產(chǎn)生沉淀物，也不會產(chǎn)生結(jié)垢，反應(yīng)生成的MgSO4可以作為肥料加以利用。MgO與金屬離子生成的沉淀容易被沉淀、過濾和澄清，處理效果好[11]。因此，輕燒鎂粉作中和劑在處理酸性礦井水過程中效果明顯，經(jīng)濟效益顯著。

此外，國外應(yīng)用較多的是人工濕地法、微生物處理法(生物化學(xué)法)等處理酸性礦井水技術(shù)，國內(nèi)也進行了大量的研究。對酸性礦井水，首先要進行特殊預(yù)處理，然后再進行下一步的常規(guī)處理，最后進一步處理為工業(yè)用水或生活用水。微生物法處理含F(xiàn)e酸性礦井水的基本原理是利用FeO硫桿菌，在酸性條件下將二價鐵氧化為三價鐵，再用CaCO3進行中和處理[12-13]，以此達到除Fe的目的。此法的優(yōu)點是FeO硫桿菌在反應(yīng)中不需要添加任何營養(yǎng)液，可以在氧化反應(yīng)中獲取能量，且生物化學(xué)法具有很高的氧化率，生化處理反應(yīng)后的沉淀物、水可以回收利用。濕地生態(tài)工程處理法是國外發(fā)展起來的一種酸性礦井水污水處理技術(shù)[14]。美國在實際處理酸性礦井水方面取得了很好的效果，現(xiàn)已在礦區(qū)建成了400多座濕地生態(tài)處理系統(tǒng)，出水pH值介于6～9，F(xiàn)e含量不到3 mg/L。濕地生態(tài)工程處理技術(shù)是利用自然系統(tǒng)的生物、物理、化學(xué)三類方法協(xié)同作用，通過在濕地上種植特定植物、培養(yǎng)特定細菌以及施加泥炭基質(zhì)來降低金屬離子的作用，對水中的金屬離子進行過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收、微生物分解而實現(xiàn)的對污水的高效凈化機理[15]。

酸性礦井水在其他治理方法上也取得了顯著的效果，如有學(xué)者在利用煤矸石制取聚硅酸鋁作為絮凝劑、利用粉煤灰作為中和劑[16]，都取得了理想的效果。

2.5 特殊污染物礦井水處理技術(shù)

某些含重金屬、有毒有害微量元素、氟化物和放射性元素的礦井水，由于危害較大，必須進行處理達標后才能排放。這類礦井水要根據(jù)其所含污染物性質(zhì)的不同而采用不同的處理方案，同時還要根據(jù)其毒性大小、污染程度、區(qū)域水資源狀況等因素決定處理凈化程度和用途[17]。

含重金屬的廢水無論采用何種方法，重金屬均不能被分解破壞，只能改變其物理性質(zhì)、化學(xué)形態(tài)或者轉(zhuǎn)移存在位置，使溶解態(tài)的金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苡谒某恋砦铮缓髲膹U水中去除。目前，國內(nèi)外處理重金屬廢水的方法主要有硫化法、氧化還原法、吸附法、離子交換法、中和法等。有學(xué)者利用K2FeO4混凝除去礦井水中Pb、Cd、Fe、Mn等幾種常見的重金屬。實驗表明，當(dāng)K2FeO4投放質(zhì)量濃度為30 mg/L時，混凝沉淀對低濃度的礦井水金屬均能達到較好的去除效果；在pH在8～10范圍內(nèi)，K2FeO4對高濃度礦井水中這幾種重金屬的去處效率最好，處理后的礦井水中金屬含量低于國家生活飲用水標準[18]。此外新型的光催化技術(shù)對礦井水含有的少量重金屬元素和微量元素也具有一定的降解效果。

中國礦業(yè)大學(xué)和河北工程大學(xué)在新型改性濾料技術(shù)方面也進行了大量的實驗研究。他們分別用錳砂濾料(去除Fe、Mn)、石英砂(主要礦物成分SiO2)和火山巖(噴出巖)作為載體，使用K2MnO4浸泡、涂Fe2O3或MnO等改性濾料的方法制備濾料，最終研制出一種新型的高效除鐵錳改性濾料——涂錳改性火山巖[19]。改性火山巖濾料處理重金屬Fe、Mn時間快，處理效果良好，對濁度、Fe、Mn去除率基本上可以達到95%以上。

含氟礦井水處理工藝較多，簡便的方法是加入Ca(ClO)3、Al2(SO4)3、AlCl3的鋁鹽進行混凝，形成絮華，沉淀后上清液可以使用。在含氟量較小的礦區(qū)可以使用活性Al2O3吸附的方法，使處理后的氟離子達到排放標準。含放射性廢水的處理方法有離子交換法、化學(xué)沉淀法、蒸發(fā)法三種，含放射性元素的礦井水危害性較大，通常不做生活用水考慮，達標排放即可。

3 礦井水資源化技術(shù)發(fā)展趨勢

進入21世紀以來，全國煤礦區(qū)都在積極開展礦井水資源化處理及綜合利用。隨著礦區(qū)的生產(chǎn)發(fā)展以及采煤量的增加，礦井水的排放量必將隨之增大，礦井水已成為寶貴的水資源，這就要求礦區(qū)在現(xiàn)有的水處理技術(shù)上進一步完善水處理工藝。未來礦井水資源化技術(shù)的發(fā)展趨勢主要在礦井水水質(zhì)特征研究、井下新工藝技術(shù)的應(yīng)用、礦井水處理新型藥劑的研發(fā)等方面。

3.1 礦井水水質(zhì)特征研究

礦井水是煤炭行業(yè)一種特殊類型的礦井涌水，它同時兼有地下水與地表水的特征，由于國內(nèi)外地質(zhì)條件差異等因素的影響，礦井水水質(zhì)成分、類型差異較大，即使同一礦區(qū)不同井田所含污染物的類型也復(fù)雜多樣，水處理技術(shù)也不盡相同。因此，在發(fā)達國家同類水處理成熟技術(shù)借鑒，國內(nèi)技術(shù)又不過關(guān)時，需要加強對礦井水水質(zhì)特性的研究，克服傳統(tǒng)礦井水實際處理過程中所遇到的技術(shù)難題，開發(fā)合適的礦井水處理新工藝，從而提高礦井水的重復(fù)利用率和礦井水的資源化技術(shù)水平。由于礦井水的水質(zhì)特征分析工作屬于一項科研型的工作，國家需要加強宏觀調(diào)控的力度，投入一定的資金來支持水處理的研發(fā)[20]。

3.2 井下新工藝技術(shù)的應(yīng)用

目前，絕大多數(shù)礦井水采用傳統(tǒng)的地面沉淀法處理水中的懸浮物等雜質(zhì)，處理工藝存在諸多問題，如水處理設(shè)備占地面積大，投資、運行成本都比較高、處理效果不佳等，如果隨著回采工作面的擴大，水處理廠還急需改建、擴建。因此，在礦井涌水量不大的礦區(qū)可以充分合理利用井下廢舊巷道，在井下引進新的工藝技術(shù)處理礦井水，處理后的清水存儲于井下水倉，井下生產(chǎn)用水可以直接從水倉提取，余量的清水可提升至地面用于礦區(qū)洗煤車間用水。煤礦井下重要設(shè)備要自主創(chuàng)新研究，開發(fā)出新型、安全、防爆等高效性能的設(shè)備，并注重配備完善的技術(shù)操作規(guī)范，加強技術(shù)儲備，加大礦井水利用技術(shù)研發(fā)力度。這樣，不僅可以減少水泵設(shè)備的維修費用，還可以解決占地面積過大等問題，進而大大提高礦井廢水的處理效果。如安徽五溝煤礦在井下-440 m引進了“環(huán)?？萍汲壏蛛x凈化水控制系統(tǒng)”。在水處理工藝上，采用重介質(zhì)加載磁分離水處理技術(shù)，能在1～3 min內(nèi)去除水中COD、Fe、Mn和懸浮物等污染物，礦井水回用率達到了70%以上，給礦區(qū)帶來了巨大的經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益，因此國家要加大投入力度，研發(fā)新的礦井水處理工藝。井下水處理工藝的革新將是煤炭行業(yè)治理的一項新的技術(shù)革命。

3.3 礦井水處理新型藥劑的研發(fā)

礦井水中懸浮物去除的基本原理是通過加混凝劑、絮凝劑、混合藥劑生成溶度積很小的化學(xué)沉淀物，再采用自然沉淀的方法去除礦井水中的雜質(zhì)沉淀物?；炷齽┓N類有很多，如聚合氯化鋁(PAC)、Al2(SO4)3、FeCl3、AlCl3,絮凝劑如聚丙烯酰胺(PAM)。因此，針對不同的礦井水水質(zhì)，研究人員要大力研發(fā)新型的藥劑，以更好地凈化礦井水水質(zhì)。例如，已經(jīng)有學(xué)者發(fā)現(xiàn)K2FeO4可以作為一種新型水處理劑，具有良好的混凝、助凝作用，優(yōu)異的氧化除污和殺菌、除臭功效等功能，在實現(xiàn)礦井水資源化過程中也取得了較為理想的實驗研究成果。此外研究還表明，K2FeO4與改性粉煤灰聯(lián)合處理礦井水，會取得更大的環(huán)境、經(jīng)濟效益[20]。安徽省五溝煤礦礦井水使用的藥劑為磁種、PAC、PAM，懸浮物首先生成絮凝轉(zhuǎn)沉淀物，這樣，在水中預(yù)先投入的呈均勻浮態(tài)的磁種便成了沉淀物的吸附場所,懸浮物等雜質(zhì)的沉淀剛一生成就與水中懸浮的磁種結(jié)合了[21]，已取得良好的水處理效果。

4 結(jié)束語

目前，我國礦區(qū)礦井水處理資源化技術(shù)水平和處理后礦井水回用率都不高，因此，國家要重點加強礦井水資源化學(xué)術(shù)研究以及資源化技術(shù)方面的儲備，組織技術(shù)部門去開創(chuàng)新的礦區(qū)水開發(fā)模式，為提高礦井水的利用率，擴大利用規(guī)模，使礦井水在真正意義上實現(xiàn)變廢為寶。國家要加大資金投入力度研發(fā)礦井水處理新技術(shù)，努力拓寬更多的融資渠道，研究礦井水的應(yīng)用，使礦井水得到充分利用。提高礦井水處理后的回用率和水處理技術(shù)工藝水平將是未來礦井水資源化利用總的發(fā)展趨勢和方向。

礦井水資源化特別是在缺水嚴重的礦區(qū)，具有良好的經(jīng)濟、環(huán)境和社會效益。實現(xiàn)礦井水資源化，可以有效地保護礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境，減少地下水的開采量，最大限度地減少污水的排放量，使礦井水達標排放，免繳廢水排污費，維護地面水的自然平衡，為礦區(qū)增加充沛的水量，緩解礦區(qū)水資源供需矛盾。因此，對污染成分不同的礦井水水質(zhì)，應(yīng)采用不同的處理工藝，以提高礦井水的重復(fù)利用率，使煤礦企業(yè)持續(xù)發(fā)展。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.02.027

2014-09-10

李慧玲(1991-)，女，安徽合肥人，碩士研究生，主要研究方向：水處理。

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1673-2006(2015)02-0104-05