代其彬 ,雷兆武 ,田新國 ,田 莉 ,朱惠敏

(1.冀中能源峰峰集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北 邯鄲 056001;2.河北環(huán)境工程學(xué)院,河北 秦皇島 066102;3.自貢市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站,四川 自貢 643000)

礦井水產(chǎn)生于煤炭開采過程,是一種具有行業(yè)特點(diǎn)的水資源。為降低礦井水對(duì)礦區(qū)及周邊環(huán)境影響,保護(hù)煤礦生態(tài)環(huán)境,在煤炭開采過程中實(shí)施保水開采、礦井水處理達(dá)標(biāo)排放以及煤礦與周邊利用等充分的生產(chǎn)實(shí)踐。礦井水工業(yè)利用,包括用于井下用水如乳液配制、防塵與冷卻用水等;地面用水如綠化、道路降塵灑水、選煤廠用水、向周邊企業(yè)提供生產(chǎn)用水等。礦井水農(nóng)業(yè)利用包括用于農(nóng)田灌溉、農(nóng)業(yè)設(shè)施用水、水庫補(bǔ)蓄水、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及動(dòng)物飲用等。礦井水生態(tài)利用包括公園用水、景觀用水、濕地補(bǔ)水、地下補(bǔ)水等。礦井水生活利用如居民家庭用水、公共服務(wù)用水、生產(chǎn)運(yùn)營用水以及消防及其他用水等[1]。礦井水的處理與利用,對(duì)保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和緩解水資源短缺,起到了積極的作用。

2018 年我國煤礦礦井水資源總量約為68.9 億m3,但平均利用率僅為35%[2]。目前我國煤礦礦井水利用率明顯偏低,其影響因素為礦井水性質(zhì)(如礦化度、酸性等)、以達(dá)標(biāo)排放為主的處理方式、礦井水利用方向以及深度處理成本等。為滿足達(dá)標(biāo)排放的要求,國內(nèi)煤礦通常采用混凝-沉淀-過濾、預(yù)沉-磁混凝-沉淀分離(或超磁分離)等工藝處理礦井水[3],處理后出水水質(zhì)滿足《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 20426—2006)及地方排放標(biāo)準(zhǔn)要求,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行礦井水的利用。礦井水作為生活用水時(shí),需要進(jìn)行深度處理或反滲透處理[4],使得礦井水資源得以充分利用,在干旱和缺水地區(qū)具有較好的適用性。

某公司是我國主焦煤和動(dòng)力煤重要生產(chǎn)基地。煤炭品種齊全,主要有焦煤、肥煤、貧煤、瘦煤、無煙煤等煤種,主產(chǎn)品為焦精煤、肥精煤、燒結(jié)煤、噴吹煤、發(fā)電動(dòng)力和建材化工用煤等。公司所屬的羊東礦、大社礦和萬年礦位于水資源豐富地區(qū),礦井水產(chǎn)生量大,根據(jù)《煤炭采選業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》,礦井水利用率難以滿足相關(guān)指標(biāo)要求。根據(jù)公司羊東礦、大社礦和萬年礦所在子牙河流域和礦區(qū)礦井水受納河流水質(zhì)現(xiàn)狀,結(jié)合公司3 個(gè)礦區(qū)礦井水處理后出水水質(zhì)指標(biāo)情況,對(duì)標(biāo)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中Ⅳ類、Ⅲ類水質(zhì)指標(biāo)要求,依據(jù)清潔生產(chǎn)思想,探討礦井水作為河道生態(tài)補(bǔ)水的可行性,提高礦井水利用率,保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

1 某公司礦井水管理與利用現(xiàn)狀

1.1 礦區(qū)礦井水基本情況

公司所屬的羊東礦、大社礦和萬年礦產(chǎn)生的礦井水為低礦化度礦井水。公司通過在各礦區(qū)推行“封、堵、治、用”措施,從源頭削減礦井水產(chǎn)生量,對(duì)產(chǎn)生的礦井水進(jìn)行處理、利用及排放,公司3 個(gè)礦區(qū)礦井水處理利用情況如表1 所示:

表1 3 個(gè)礦區(qū)礦井水處理利用情況

根據(jù)各礦區(qū)環(huán)評(píng)要求,礦井水可作為周邊農(nóng)田灌溉用水。由于各礦區(qū)所處地理位置不同,周邊可供礦井水利用的途徑不一,公司羊東礦、大社礦、萬年礦的礦井水綜合利率分別為72.5%,20%,20.6%。

1.2 公司礦區(qū)水質(zhì)情況

公司所屬的羊東礦、大社礦、萬年礦入河礦井水水質(zhì)執(zhí)行《子牙河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB13 2796—2018)和《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 20426—2006)。3 個(gè)礦區(qū)礦井水處理出水水質(zhì)分別如表2 所示:

表2 3 個(gè)礦區(qū)礦井水處理后水質(zhì)與排放要求 mg/L

續(xù)表2 mg/L

由表2 可知,3 個(gè)礦區(qū)礦井水處理后水質(zhì)均滿足《子牙河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB13 2796—2018)和《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 20426—2006)的排放要求。

1.3 礦井水利用要求及問題

根據(jù)《煤炭采選業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》要求,井工開采煤礦,原煤生產(chǎn)水耗和礦井水利用率要求如表3 所示:

表3 井工開采礦井水利用率限定性指標(biāo)

公司礦區(qū)處理水資源豐富礦區(qū),由表3 礦井水利用率滿足≥60%及以上,根據(jù)表1 公司3 個(gè)礦區(qū)礦井水利用情況,只有羊東礦滿足該指標(biāo)要求,大社礦和萬年礦與該指標(biāo)存在較大的差距。提高礦井水利用率成為公司相關(guān)礦區(qū)需要解決的問題。

2 礦井水水質(zhì)指標(biāo)與利用分析

中國開采1 t 煤炭約產(chǎn)生2.1 t 礦井水[1],荷蘭為2 t 礦井水,英國為3 t 礦井水[5]。由原煤生產(chǎn)噸煤水耗Ⅲ級(jí)基準(zhǔn)值≤0.3 m3/t,煤炭開采過程中的生產(chǎn)用水即使全部采用礦井水,礦井水利用率僅為14.29%;對(duì)于低礦化度礦井水,回用于礦區(qū)生產(chǎn)、防塵用水20%～30%[6];2018 年全國利用礦井水中,工業(yè)用水占比 59%、生態(tài)用水占32%、民用水占4%、其他用水占比為5%[7];因此大量的礦井水需要在其他過程利用和礦區(qū)外部利用。

在《煤炭采選業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》中,礦井水綜合利用包括將礦井水用于礦區(qū)生產(chǎn)、生活、綠化、防塵,以及企業(yè)的工業(yè)補(bǔ)充用水、灌溉、養(yǎng)殖、居民生活用水等途徑。目前國外礦井水利用方式除了自身生產(chǎn)利用外,主要還包括生活飲用水、工業(yè)用水、灌溉用水、環(huán)境用水、回注地下和用于蓄熱等[5]。

決定礦井水利用途徑的主要是處理后礦井水水質(zhì)和礦井水利用途徑對(duì)水質(zhì)的要求。以滿足《子牙河流域水污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(DB13 2796—2018) 和《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 20426—2006)的排放要求為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行礦井水處理,處理后出水水質(zhì),對(duì)礦井水利用構(gòu)成了巨大的制約。根據(jù)公司大社礦、萬年礦礦區(qū)周邊礦井水利用途徑,河道生態(tài)補(bǔ)水是大社礦、萬年礦礦井水利用的重要途徑。

羊東礦、大社礦、萬年礦經(jīng)處理后的礦井水,一部分被礦區(qū)生產(chǎn)、綠化等利用,其余部分排入礦區(qū)河流。根據(jù)各礦區(qū)環(huán)境影響評(píng)價(jià)報(bào)告,各礦區(qū)河流為季節(jié)性河流,水環(huán)境目標(biāo)均執(zhí)行《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)羊東礦、大社礦、萬年礦現(xiàn)有礦井水處理后出水年均指標(biāo),與地表水Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比較,結(jié)果如表4 所示:

表4 3 個(gè)礦區(qū)礦井水年均指標(biāo)與地表水水質(zhì)比較 mg/L

續(xù)表4 mg/L

由于當(dāng)前河流水質(zhì)指標(biāo)中總氮指標(biāo)不作為河流水質(zhì)考核指標(biāo),由表4 可知,公司3 個(gè)礦區(qū)礦井水出水均滿足礦區(qū)河流地表水Ⅴ類要求。對(duì)于河流地表水Ⅳ類水質(zhì),公司3 個(gè)礦區(qū)只有BOD5指標(biāo)有3 次不達(dá)標(biāo),超標(biāo)倍數(shù)為0.042～0.392 倍。對(duì)于河流地表水Ⅲ類水質(zhì),公司3 個(gè)礦區(qū)各指標(biāo)均有不同程度的不達(dá)標(biāo),各指標(biāo)超標(biāo)倍數(shù)分別為CODCr0.05～0.075 倍、BOD50.032 5～1.09 倍、氨氮0.04 倍、總磷0.4 倍、石油類0.6～2.7 倍。公司3 個(gè)礦區(qū)外排礦井水對(duì)按地表水Ⅳ類、Ⅲ類水質(zhì)要求的河流構(gòu)成微污染。

隨著我國生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn),河流水質(zhì)要求也在逐步提升。公司3 個(gè)礦區(qū)可根據(jù)地表水Ⅳ類及以上主要水質(zhì)指標(biāo)要求,控制入河礦井水水質(zhì)指標(biāo),滿足河流地表水Ⅳ類水質(zhì)及以上要求,通過河道生態(tài)補(bǔ)水,達(dá)到提高礦井水利用率、保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的目的。

3 礦井水水質(zhì)管理對(duì)策

3.1 加強(qiáng)清潔生產(chǎn),降低礦井水中污染物濃度

公司3 個(gè)礦區(qū)煤礦含水層中的礦井水水質(zhì)較好,礦井水中的污染物主要來自于煤粉、巖粉以及煤礦開采過程中設(shè)備使用和井下作業(yè)人員產(chǎn)生的糞污等。煤粉和巖粉主要表現(xiàn)為礦井水中的CODCr和SS 指標(biāo),礦井水中的石油類污染物主要來自于設(shè)備使用,如液壓油、潤滑油、乳化油等;井下作業(yè)人員排泄的糞污影響礦井水中的CODCr、BOD5、氨氮、總磷等指標(biāo)。

在煤炭開采過程中,要加強(qiáng)清潔生產(chǎn)。杜絕使用設(shè)備過程中的液壓油、潤滑油、乳化油等的“跑、冒、滴、漏”;完全收集液壓油、潤滑油、乳化油等廢物及粘染液壓油、潤滑油、乳化油等廢物的手套;按照危險(xiǎn)廢物管理、貯存要求進(jìn)行礦區(qū)內(nèi)部管理[8-9]。

在井下固定場所和作業(yè)人員集中區(qū)域,設(shè)置固定式或移動(dòng)式糞污收集裝置,將收集的糞污提升到地面生活污水處理站進(jìn)行處理,減少井下作業(yè)人員排泄的糞污對(duì)礦井水水質(zhì)的影響,降低礦井水中CODCr、BOD5、氨氮、總磷等指標(biāo)。

3.2 優(yōu)化控制礦井水處理工藝,提高處理后出水水質(zhì)

公司3 個(gè)礦區(qū)采用的“預(yù)沉-磁混凝-沉淀分離(或超磁分離)-精密過濾”工藝,礦井水處理過程中常用聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等藥劑,該公司羊東礦、大社礦、萬年礦的PAC、PAM 藥劑消耗如表5 所示:

表5 公司3 個(gè)礦區(qū)藥劑消耗 g/m3

國內(nèi)礦井水處理過程中,藥劑用量PAC 為15～100 mg/L,PAM 為0.5～2.4 mg/L[6],公司3 個(gè)礦區(qū)聚合氯化鋁(PAC)用量低于行業(yè)平均水平,聚丙烯酰胺(PAM)消耗高于行業(yè)平均水平,因此在礦井水處理過程中,優(yōu)化聚丙烯酰胺(PAM)用量,降低礦井水處理過程引入的污染物,提高出水水質(zhì)。

根據(jù)出水指標(biāo)控制要求,更換精密過濾設(shè)備濾網(wǎng),提高過濾效果。增加預(yù)沉調(diào)節(jié)池的煤泥清理頻次,提高預(yù)沉調(diào)節(jié)池的沉降效率,降低進(jìn)入超磁分離的顆粒物濃度。加強(qiáng)處理后出水監(jiān)測,根據(jù)地表水Ⅲ類、Ⅳ類水質(zhì)要求,控制BOD5、石油類等指標(biāo)。

3.3 設(shè)置礦井水入河濕地,保障河流補(bǔ)水水質(zhì)

根據(jù)表4 對(duì)比結(jié)果,將公司3 個(gè)礦區(qū)礦井水處理后出水作為河流生態(tài)補(bǔ)水,主要控制指標(biāo)包括CODCr、BOD5、氨氮、總磷、石油類等。

人工濕地作為一種水體水質(zhì)凈化與生態(tài)修復(fù)新型水處理技術(shù),在河道治理中發(fā)揮了重要的作用[10]。蔣宇豪等[11]采用礫間接觸氧化/水平潛流人工濕地凈化微污染河道水,人工濕地對(duì)NH4+-N、TN、COD 的去除率分別為43%,28%,31%。杜剛等[12]通過考察人工潛流濕地對(duì)TP 的去除情況,TP 平均去除率為30%。左倬等[13]考察了不同季節(jié)表流濕地,經(jīng)表流濕地處理后,NH3-N、TN、CODMn平均去除率分別為23.1%,19.3%,3.6%;TP、濁度去除率分別為40.6%,50.8%。

現(xiàn)有礦井水處理工藝對(duì)部分來自于井下作業(yè)人員排泄的溶解性有機(jī)物、氨氮等指標(biāo)去除效果差,有機(jī)物、氨氮、總磷等指標(biāo)需要進(jìn)一步降低。為保障處理后礦井水河道生態(tài)補(bǔ)水水質(zhì),在礦井水入河口可設(shè)置水平潛流生態(tài)濕地,進(jìn)一步凈化N、P、有機(jī)物等,保障河道生態(tài)補(bǔ)水水質(zhì)[14-15]。通過實(shí)施礦井水河道生態(tài)補(bǔ)水,可有效改善河流水環(huán)境,保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

基于公司羊東礦、大社礦、萬年礦低礦化度礦井水性質(zhì),為滿足煤炭開采行業(yè)清潔生產(chǎn)對(duì)礦井水利用率的要求,保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,控制礦井水水質(zhì)指標(biāo)滿足河流地表水Ⅳ類水質(zhì)及以上要求,作為礦區(qū)河流生態(tài)補(bǔ)水,解決礦井水利用率低的問題。

基于現(xiàn)有礦井水管理利用現(xiàn)狀,采取加強(qiáng)清潔生產(chǎn)、設(shè)置潛流濕地等措施,提高礦井水水質(zhì),保障河流生態(tài)補(bǔ)水水質(zhì),保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)礦區(qū)綠色生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。