矿井水处理方法与综合利用
摘要：通过对徐州矿物局、安徽淮北淮南、山西、河南的几个煤矿进行实地的调查，总结出针对不同类型的矿井水的处理利用方法，指出对目前矿井水处理还存在的问题、为更好地利用矿井水提出了一些建议。
关键词：矿井水；处理方法；综合利用
矿床开采破坏了地下水原始赋存状态并产生了裂隙，密切了大气降水、地表水、地下水和生活用水，各含水层之间的水力联系，使各种水沿着原有的和新裂隙渗入井下采掘空间形成矿井水。矿井水是煤炭生产过程中排放量最多的废水。据1993年统计，我国国有重点煤矿年排矿井水约22亿m3，平均吨煤涌水量约4．0m3，而且随着煤炭工业的发展矿井水的排放量还将不断增多。长期以来，由于技术所限和认识不足，矿井水被当做水害加以预防和治理，矿井水被白白排掉而未加以综合利用和保护。据统计平均每开采1t原煤需排放2t矿井水，不仅严重污染了水资源，而且造成了工业和生活用水短缺。随着科学的发展和人们环境保护意识的提高，对矿井水也已有了新的认识，开始将矿井水作为一种水资源加以处理利用，即矿井水资源化。
1 矿井水资源化可行性分析
通过实地考察可以得到，煤层开采主要充水含水层有：第四系孔隙含水层、太原组岩溶含水层和奥陶系灰岩含水层。矿井水主要来源于这些含水层渗入地下的水，是矿井水与煤岩层接触发生一系列物理、化学和生化反应而形成。煤矿矿井水本身的水质主要受当地水文、地质、气候和地理等自然条件的影响[1]。当矿井水流经采煤工作面时，将带入大量的煤粉、岩粒等悬浮物，同时由于受到井下矿工的生产和生活活动的影响，矿井水中往往含有较多的细菌。对于开采高硫煤层的矿井，由于煤层及其围岩中硫铁矿的氧化作用，使矿井水呈现酸性和高铁性等。
2 矿井水利用的必要性
矿区采煤抽排大量的地下水，破坏和疏干矿区和周边地区地下水资源，使地下水水位下降，造成矿区水资源的枯竭，引起隐伏矿区的地面下降，诱发岩溶矿区岩溶地面塌陷。大量的矿井地下水若直接外排则会引起水质恶化，造成水环境污染。由于这些地下水初始流入井筒和巷道时比较清洁，如果将矿井地下水资源净化成饮用水，不仅可以满足生产和生活用水，还可以节省大量钻探深水源井的资金，创造较好的经济效益和环境效益。目前大部分煤矿缺水很严重，因此有必要对矿井水加以利用。
3 矿井水的处理技术
目前我国按照对环境影响以及作为生活饮用水水源的可行性，习惯上将矿井水按水质类型特征分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含有毒有害元素或放射性元素矿井水五类[2、3]。不同的矿井水采取不同的处理方法。
3．1 洁净矿井水
多指矿区煤系地层中的奥灰水、砂岩裂隙水、第四纪冲积层水及老空积水。这种水质中性，低浊度，低矿化度，有毒有害元素含量很低，基本符合生活饮用水标准，可设专用输水管道给予利用，作生活饮用水时需进行消毒处理。太原市古交矿井在开采过程中穿过第四纪河谷冲积层，就遇到这种水，古交矿直接供全矿生产和生活使用。
3．2 含悬浮物矿井水
这种水中含有较多煤粒、岩、粉、等悬浮物，一般呈黑色，但其总硬度和矿化度并不高。悬浮物的主要特性是在动水中呈悬浮状态，但在静水中可以分离出来，轻的上浮，重的下沉。根据悬浮物的特性，对工业用水净化处理常用的主要方法有混凝、沉淀。混凝是水处理工艺中十分重要的环节。选用混凝剂的原则是产生大、重、强的矾花，净水效果好，对水质没有不良影响，价格便宜，货源充足。常用的混凝剂为铝盐和铁盐混凝剂。混合过程是让药剂迅速而均匀地分散到水中，应在尽量短的时间内与原水均匀混合，使水中的全部胶体杂质都能和药剂发生作用。原水加混凝剂后，经过混合作用，水中胶体杂质凝聚成较大的矾花颗粒，在沉淀池中去除。在经过快滤和消毒处理后也可达到饮用水标准。山西很多煤矿的井下排水属这类矿井水。
3．3 高矿化度矿井水
矿化度无机盐总含量大于1 000mg／L的矿井水。主要含有S0i2-、CI-1、Ca2+ 、K+ 、Na+ 等离子。硬度相应较高，水质多数呈中性或偏碱，带苦涩味，少数有酸性。高矿化度矿井水不利于作物生长，会使土壤盐渍化。用作锅炉用水，容易结垢。作建筑用水，会影响混凝土质量。人们长期饮用，将引起腹泻和消化不良，尤其对心脏和肾脏病患者影响更严重。我国北方缺水矿区的矿井水往往属于高矿度矿井水，有必要通过净化和淡化工艺处理成为饮用水和生产用水。当前高矿化度矿井水采用以下处理方法。
3．3．1 化学方法
离子交换法是化学脱盐的主要方法，这是一种比较简单的方法，就是利用阴阳离子交换剂去除水中的离子，以降低水的含盐量。
3．3．2 膜分离法
反渗透和电渗析脱盐技术均属于膜分离技术，是我国目前苦咸水脱盐淡化处理的主要方法。
(1)反渗透法。反渗透法是借助于半透膜在压力作用下进行物质分离的方法。可有效地去除无机盐类、低分子有机物、病毒和细菌等，适用于含盐量大于4000mg／L的水的脱盐处理。
(2)电渗析法。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。
3．3．3 浓缩蒸发
反复处理使含盐量高的剩余水浓缩到很小体积，然后在合适的地方存放。依靠自然蒸发，使其避免排往下游。水蒸发后将留有盐分结晶，可在其浓缩至200g／L以上浓度时运走，用做化工原料。
3．3．4 稀释排放
稀释排放是将低含盐量的水混合在一起，达到排入水体的标准后排放。避免对下游的不利影响。
3．3．5 消耗利用
消耗利用用于对含盐量要求不高的场所，把水消耗掉，最后蒸发到大气中，避免了向下游排放。
3．4 酸性矿井水
水质特征为pH值小于5．5的矿井水，一般为3～ 3．5，个别小于3，总酸度高。当开采含硫煤层时，硫受到氧化与生化作用产生硫酸，酸性水易溶解煤及其围岩中的金属元素，故铁、锰重金属以及无机盐类增加，使矿化度、硬度升高。酸性水在我国南方高硫矿区比较常见。酸性水容易腐蚀矿井设备与排水管路，并且危害工人健康。如果抽排至地面，会影响土壤酸碱度，导致土壤板结和作物枯萎，而且使地表水酸度上升，间接的影响了水生生物的生存。对环境与生态会造成重大的损害，因此必须进行治理达标后外排，其处理的方法有以下几种。
3．4．1 物理化学法(中和法)[8]
(1)石灰石中和法。采用石灰石作中和剂与酸性水中硫酸中和反应，产生微溶硫酸钙和易分解的碳酸，从而降低酸度。
(2)石灰中和法。石灰的主要化学成分是CaO，当用水调配成石灰乳，则形成熟石灰Ca(OH)2，熟石灰与酸性水中的H2SO4反应。
(3)石灰石．石灰联合中和法。该工艺第一阶段选用石灰石滚筒法中和，消耗酸性矿井水中绝大部分游离H2SO4，使酸性水的pH值接近于6；然后在第二阶段再投加石灰中和处理，使水的pH值进一步提高，达到8左右，这时Fe2 水解产生沉淀，形成絮状物，起到混凝作用，有利于悬浮固体去除。
3．4．2 生物化学方法(微生物法)[8]
该方法是目前国内外研究比较多的处理方法，在美国、日本等国家已进行了实际应用。其原理是利用氧化亚铁硫杆菌在酸性条件下将水中的Fe2+氧化成Fe3+，以实现酸性矿井水的除铁[9,10]。氧化亚铁硫杆菌能从Fe2 +的氧化反应中获取自身生存和繁殖所需的能量，无须加任何营养液。
3．4．3 湿地生态工程处理法[8]
人工湿地(Constructed Wetlands)酸性矿井水处理方法是20世纪70年代末在国外发展起来的一种污水处理方法u ，它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化[12]，与中和法等传统的酸性矿井水的处理方法相比，人工湿地处理方法具有出水水质稳定、对N、P等营养物质去除能力强、基建和运行费用低、技术含量低、维护管理方便、耐冲击负荷强、适于处理间歇排放的污水和具有美学价值等优点[13]，因而在北美、欧洲的许多国家得到了广泛应用[14-16]。
中国是一个矿产资源大国，矿产开采和利用对水资源的破坏相当严重，酸性矿井水的处理是众多矿山企业面临的主要环境和生态问题[17,18]。人工湿地作为一种有效的酸性矿井水处理方法，在中国的应用将越来越广泛，其作用将越来越大。
随着高分子研究的深入，出现了用无机高分子、有机高分子、高分子改性阳离子、微生物等絮凝剂、阳离子交换树脂等材料来加强对酸性水的处理程度[19]。同时，也有学者在进行以废治废研究，如利用粉煤灰作为中和剂[21]、利用煤矸石制取聚硅酸铝作为絮凝剂[22]等都取得了明显的效果。另外，值得一提的就是原位处理方法——可渗透法反应墙。该方法在1982年由美国环保局提出来，滑铁卢大学在1989年进一步开发，并在安大略省的保登(Borden)成功进行了现场演示。这种方法完全可以在矿山应用，其基本原理是：在矿山地下水流的下游方向，定义一个被动的反应材料的原位处理区[20]，针对矿山酸性水的具体成分分析结果，采用物理化学或者生物处理的技术方法，处理流经墙体的污染组分，这是目前矿山酸性水处理研究的热点问题。
3．5 含有害有毒元素或放射性元素矿井水
主要指含有氟、铁、锰铜、锌、铅及铀、镭等元素的水。含氟矿井水主要来源于含氟较高的地下水区域或煤与围岩中含有氟矿物萤石CaF2或氟磷灰石的地区。饮用高氟水，容易产生骨质疏松，氟斑牙等病症。我国北方一些煤矿矿井水含氟超过lmg／L。含铁、锰矿井水一般是在地下水还原条件下形成的，大多呈现Fe2 Mn2 的低价状态，有铁腥味，容易变混浊，可使地表水的溶解氧降低，这类水需要经过处理后才能使用或外排。含重金属矿井水主要指含有Cu、Zn、Pd等元素的矿井水，这些元素浓度符合排放标准，但超过生活饮用水标准，所以不宜直接饮用。放射性元素水主要指含有超过生活饮用水标准的U、Ra等天然放射性核素及其衰变产物氡Rn的矿井水。对于这类矿井水首先应去除悬浮物，然后对其中不符合目标水质的污染物进行处理。
在实际生产中的矿井水大多数为复合型水。因此在设计水处理工艺时必须搞清楚水质和水量的实际水文地质情况，然后考虑水处理单元的取舍和优化组合，结合实际地质情况进行处理，如利用沙层对矿井污水的净化作用及矿井水的利用[23]。但矿井水都或多或少的含有悬浮物，因此含悬浮物矿井水的处理工艺对于任何类型矿井水来说都是必要的前处理步骤。
4 矿井水的利用概况
我国煤矿矿井水的利用率还很低，平均仅为22％。虽然我国有意识的综合利用矿井水起步较晚，利用率只有15％左右。但就目前来说，随着各矿水资源的紧张，许多矿区都进行了不同程度的综合利用工作，主要利用有工业用水、生活用水、农业灌溉。
除了这些常规的利用外，要开发新的利用方式。
(1)利用矿井水和电厂余热实现办公楼冷暖空调 5水源热泵技术是一项新兴的节能空调技术，可达到节约投资及运行费用，节约能耗，节约用水，减少对环境影响的效果[24]。
(2)井下处理利用[7]。含悬浮物矿井水污染程度较低，易于净化处理，如果在井下采取诸如清浊分流、水仓预沉等措施，会使矿井水的井下处理难度更低。因此建立井下矿井水处理系统，改进矿井现有的供水系统，使部分矿井水在井下实现循环利用，在技术上完全是可行的。建立井下矿井水处理系统，将矿井地面供水变为井下供水，可节省大量的矿井排供水费用，对开采深度较大的矿井来说，其经济效益更显著。
(3)与附近的城市综合利用，以徐州矿区与徐州市为例[6] 6。徐州市将矿井水资源纳入全市水资源管理规划，实行统一管理。将位于徐州市区附近涌水量大且稳定的矿井，充分利用地面供水主干网，将其矿井水直接向市区供水，重点是利用权台、大黄山井田的矿井水，以缓解市区用水紧张的状况；韩桥煤矿的矿井水可利用贾汪电厂改扩建的有利时机，统筹安排，争取尽早供水；将远离市区、城区且涌水量大的矿井，可就近作为工农业及居民生活用水，重点是利用庞庄煤矿东城井、夹河煤矿的矿井水向九里区、城北工业区供水。徐州矿区还组建矿井水综合利用开发公司，按照市场规律运作，打破自来水市场独家垄断的局面。拟订可行方案，在西关地区选择一居民区铺设矿井水管道到居民家中，直接供应饮用水，争取市政府支持，制定优惠政策，鼓励居民使用。徐州矿区将会按照市场公平竞争的原则，逐步加大井水向市区供水量，适当调高价格。重点扶持矿井水的深加工，利用新河、义安等煤矿的矿井水符合优质矿泉水标准的优势，积极寻求合作伙伴，开发系列优质矿泉水，作为一个新型产业，闯市场、创名牌、求发展。
5 存在的问题[4]
(1)观念上的差距。历来在煤炭勘探的同时把一些非煤的矿物如铁、硒、锗等甚至白垩土都列为有用的矿物资源，而对煤层上赋存的地下水、煤层气(瓦斯)却视为有害物。
(2)感情上的差距。人们认为井下排水又黑、又臭、又脏，宁肯从几十公里以外去引泥浆一般的黄河水，也不肯处理近在身边的矿井水。
(3)认识上的差距。尽管矿井水长年累月不停地排放，但人们对它的认识却很不够。没有深入地研究其特有的规律，水质、水量变化的情况，不同类型水质差异十分悬殊的致因，也从未系统地进行全面化验分析总结。
(4)政策上的差距。国家对矿井水排放政策上没有作为水资源开发利用，单纯地进行排污收费，甚至罚款。
(5)管理上的差距。我国各矿区技术人员大多为采矿、机电、土建、机制等专业人员，目前尚有一些环保专业人员负责环境管理，但具体到水处理站的给水排水专业技术人员就非常缺乏，几乎没有，负责操作的工人大部分未培训，一部分是井下失去工作能力的工人转到地面上来“看泵”。从领导到技术人员到工人都不了解工艺，不利于管理，更不能发挥主观能动性，积极地处理运行中发生的问题。
6 对策和措施
①完善政策法规，向矿井水回收利用工程倾斜；②在煤田地质勘探过中，除煤炭作为能源进行储量计算外，同时必需将赋存在煤田地层内的地下水也作为资源进行储量的勘探和计算；③在矿区矿井的规划、可研、初设及施工图各阶段，必须把井下排水作为水资源来开发利用；④加大矿井水科研试验的力度。要集中资金和人力，对矿井水作全面系统的调研、分析，对各类型的矿井水进行分类并做长期的观测试验，包括年际变化以及日际变化，找到其变化的规律；⑤加大宣传力度，转变人们的观念，对矿井水的回收利用；⑥强化运行管理，提高工人素质；⑦规范市场，公平竞争；⑧加强技术交流，引进先进技术。
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