王 東 升

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 煤化工分院，北京 100013;2. 煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013;3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤礦生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生一定量的礦井水，礦井水主要來自于含煤地層的頂部巖層、含水層及裂隙滲入的地表水以及煤礦生產(chǎn)廢水。受到地下水文地質(zhì)、巖層類型、礦床地質(zhì)構(gòu)造、煤礦開采生產(chǎn)活動等因素的綜合影響，煤礦礦井水水質(zhì)與地表水水質(zhì)明顯差異，前者在某種程度上屬于生產(chǎn)廢水[1]。礦井水的主要來源包括以下3個部分:① 地下水，主要來自奧陶紀灰?guī)r水、煤系薄煤層灰?guī)r水、砂巖裂隙水、溶洞水、采空區(qū)水、第四紀沖積層水等，礦井涌水量取決于當?shù)貧夂驐l件、地理環(huán)境、地層構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造及開采方法、開采深度和開采范圍等；② 生產(chǎn)廢水，采礦過程中用于液壓支架、機電設(shè)備、灑水降塵、清洗等產(chǎn)生的少量的廢水；③ 通過巖層裂痕滲入的地表水。因而根據(jù)礦井水的水質(zhì)不同，一般分為潔凈的礦井水、高礦化度的礦井水、酸性礦井水、含懸浮物的礦井水和含特殊污染物的礦井水[2]。

我國煤炭資源和水資源分布區(qū)域均不均勻，煤炭資源分布總體呈西多東少、北多南少的趨勢，而水資源分布呈東多西少、南多北少的趨勢。新疆、內(nèi)蒙、山西、陜西、寧夏等地的煤炭資源占我國總儲量的80%左右，而水資源僅占20%。煤礦生產(chǎn)過程中需要消耗一定量的水，導致煤炭主產(chǎn)區(qū)的水資源需求緊張。礦井水作為煤炭生產(chǎn)的附屬產(chǎn)物，每年產(chǎn)量在60億m3以上。據(jù)統(tǒng)計，我國每開采1 t煤產(chǎn)生的礦井水量約為2t，2018年我國煤礦礦井水資源總量約68.9億m3[3]，約占2018年我國工業(yè)用水總量的5.5%。

我國的水資源嚴重匱乏，礦井水直接排放不僅浪費水資源，還會對地表水和地面環(huán)境造成污染[4]，因而近年來我國大力推進礦井水綜合利用。習近平總書記提出“節(jié)水優(yōu)先”的新時期治水思路，國家先后出臺了一系列政策措施，如2015年國務院印發(fā)了《水污染防治行動計劃》，2016年國家能源局印發(fā)了《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等，明確提出大力發(fā)展非常規(guī)水資源利用，推進礦井水綜合利用，以提高礦井水的利用效率和利用水平，其中規(guī)劃中要求到2020年礦井水的利用率須達到80%。將礦井水進行資源化利用，即通過一定的技術(shù)手段進行凈化處理，處理后的水用于礦區(qū)生產(chǎn)、生活及其他用途，不僅能夠緩解我國礦區(qū)生產(chǎn)用水及生活用水緊缺的問題，且可節(jié)省地下水資源，有利于煤炭產(chǎn)業(yè)和礦區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

1 礦井水處理技術(shù)應用現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外礦井水應用現(xiàn)狀

西方發(fā)達國家如美國、英國、德國、俄羅斯等對礦井水的處理技術(shù)和利用研究較早，處理效果顯著，礦井水綜合利用率均達90%以上。國外礦井水處理技術(shù)除了常規(guī)的混凝、沉淀和過濾等工藝以外，還采用了反滲透、納濾等先進的膜處理技術(shù)以及人工濕地、可滲透反應墻、缺氧石灰溝等低成本、低能耗的被動處理技術(shù)[5]。礦井水主要應用方向主要包括工業(yè)用水、生活飲用水、農(nóng)田灌溉、環(huán)境用水、礦井水回注、達標外排以及蓄熱和蓄能發(fā)電等方式[6]。國外對于礦井水處理的理念較為先進，把礦井水處理利用作為環(huán)境保護工作的重點，重視礦井水回注技術(shù)，提倡利用濕地法等被動處理技術(shù)，不僅成本低，還能改善礦區(qū)環(huán)境，且認為礦井水排放愈多，水資源愈充足盈利愈多，經(jīng)濟效益愈大[7-8]。

國內(nèi)煤礦礦井水的處理利用有所滯后。近年來，隨著國內(nèi)水資源需求緊缺問題的日益加劇，國家對礦井水資源綜合利用的重視，相關(guān)研究機構(gòu)和科研人員在學習借鑒國外先進礦井水綜合利用理念和先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國煤礦礦井水的特點，開展了礦井水利用技術(shù)的研發(fā)和應用工作。李福勤等[9]介紹了煤礦礦井水井下復用的方向、水質(zhì)要求、新技術(shù)以及工程問題。何緒文等[10]對礦井水水質(zhì)進行分析，介紹礦井水處理新技術(shù)、總結(jié)井下處理就地復用關(guān)鍵技術(shù)并探討了礦井水處理的新模式。周如祿等[11]對煤礦井下采空區(qū)采用曝氣氧化池和壓力式氣水相互沖洗濾池結(jié)合工藝，將處理后礦井水作為防塵灑水和設(shè)備冷卻用水就地復用，已取得良好的效果，具有流程簡單、自動化程度高、處理成本低、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。

目前，據(jù)相關(guān)機構(gòu)統(tǒng)計，我國煤礦礦井水的利用效率在75%以上，礦井水主要用于以下3個方面:① 礦區(qū)及周邊生產(chǎn)用水，主要包括井下消防、降塵，地面洗煤廠用水、工業(yè)鍋爐用水等，富余的礦井水還可供應臨近的電廠、煤化工及工業(yè)業(yè)園區(qū)使用；② 生活飲用與雜用水，凈化處理達到生活飲用水與城市雜用水標準要求后，供應礦區(qū)及周邊居民使用；③ 農(nóng)林灌溉用水，主要用于礦區(qū)綠化、周邊農(nóng)田灌溉等。

1.2 礦井水處理技術(shù)

不同類型礦井水具有不同的物理化學性質(zhì)。在處理礦井水時，需根據(jù)不同類型礦井水的特性采取使用相對應的處理技術(shù)。

1.2.1潔凈礦井水

潔凈礦井水水質(zhì)較好，pH值為中性，礦化度低，懸浮物含量比較低。潔凈礦井水可直接使用，或經(jīng)消毒處理后使用。由于其含有多種微量元素，也可開發(fā)為礦泉水，可滿足礦區(qū)生活用水及生態(tài)用水，因而具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1.2.2含懸浮物的礦井水

礦井水中的懸浮物主是煤炭開采過程中產(chǎn)生的巖粉、煤粒以及其他細顆粒物質(zhì)，我國大部分煤礦井水中均含有懸浮物。礦井水中懸浮物的主要特性是在動水中呈懸浮狀態(tài)，凈化處理時主要去除懸浮顆粒和有機膠質(zhì)體。常采用混凝沉淀法進行處理，其中混凝過程是礦井水處理工藝中十分重要的環(huán)節(jié)，通常添加一定量的鋁鹽和鐵鹽混凝劑[2]，使其能快速均勻地分散到水中，與礦井水中懸浮物發(fā)生吸附作用，凝聚成較大顆粒并沉降，通過沉淀去除。

含懸浮物礦井水處理工藝還包括超磁分離法和高效旋流法。超磁分離法是通過向礦井水中添加磁種介質(zhì)與微磁絮凝藥劑，通過絮凝吸附和磁力作用將水中懸浮物與磁種介質(zhì)相互凝結(jié)并成為具備磁性的較大絮團，然后利用超磁分離設(shè)備將絮團快速分離。高效旋流法是通過旋流器高速旋轉(zhuǎn)、礦井水中的懸浮物在離心力和重力的作用下實現(xiàn)分離的方法。

國內(nèi)部分煤礦(如神東礦區(qū))還采用地下采空區(qū)蓄水凈化的方式有效去除礦井水中的懸浮物，實現(xiàn)了低投入、低凈化成本的礦井水資源利用，凈化后的礦井水主要用于生產(chǎn)用水。

一般的含懸浮物礦井水經(jīng)過初步混凝沉淀處理后即可作為生產(chǎn)用水，如井下防塵、消防用水以及選煤廠補水等，或直接排放再進行凈化處理后可用作其他用途。

1.2.3高礦化度礦井水

高礦化度礦井水凈化處理的主要目標為脫除水中的無機鹽(脫鹽),目前常用的處理方法包括蒸發(fā)法、離子交換法、膜分離法等方法。膜分離法主要包括電滲析(ED)法和反滲透(RO)法2種，此為目前高礦化度礦井水凈化處理主流的工藝方法。① ED法是在外加直流電場力的作用下利用離子交換膜對溶液中離子選擇透過性作用，從而使無機鹽與水發(fā)生分離。近年來，使用ED法處理礦井水時存在凈化程度低、水回收率低、能耗高等問題；② RO法是借助于半透膜、在壓力作用下進行物質(zhì)分離的方法。RO法的凈化效果比較好，其優(yōu)點是脫鹽效果好、凈化水的回收率高；缺點是操作壓力高，對進水水質(zhì)要求高，后續(xù)需要對濃鹽水進行處置。

早期部分煤礦采用蒸發(fā)塘技術(shù)對礦井水進行蒸發(fā)脫鹽處理，該技術(shù)投資較低，處理成本也比較低。由于蒸發(fā)塘占地面積大、蒸發(fā)效果受季節(jié)性影響大和易發(fā)生滲透污染地下水等問題，現(xiàn)在使用該技術(shù)的企業(yè)較少。

高礦化度礦井水主要的處理流程包括預調(diào)沉淀、滲透濃縮和蒸發(fā)結(jié)晶等，經(jīng)滲透膜處理后的水可直接回用，膜濃水需再進行蒸發(fā)結(jié)晶富集無機鹽。

1.2.4酸性礦井水

酸性礦井水是指pH值小于5.5的礦井水，是硫化礦系(如煤礦、多金屬硫化礦)在開采、運輸、選礦及廢石排放和尾礦儲存等生產(chǎn)過程中的硫化礦物經(jīng)氧化、分解并與水化合形成H2SO4而產(chǎn)生的酸性水。酸性礦井水在我國南方高硫礦區(qū)比較常見。

酸性礦井水處理的主要目標是降低水中的酸類物質(zhì)的含量。處理方法主要包括中和法、微生物法、人工濕地法和粉煤灰吸附法，目前最常采用中和法。中和法是以石灰石或石灰等堿性物質(zhì)作為中和劑，在礦井水中發(fā)生中和反應來提高礦井水的pH值。酸性礦井水主要的處理流程包括中和、沉淀、過濾等。

1.2.5含特殊污染物礦井水

含特殊污染物礦井水主要指含氟、含鐵、錳等元素的礦井水。含氟礦井水主要分布在煤層與頂板巖層中含有螢石(CaF2)或氟磷灰石的地區(qū)或地下水含氟較高的區(qū)域。含鐵、錳礦井水主要是煤炭開采過程中含鐵、含錳的地下水滲透混入所造成，礦井水有鐵腥味且易變混濁，可使地表水的溶解氧降低[12]。

含氟礦井水處理的主要目標為去除水中的氟離子。處理方法主要包括吸附過濾法、絮凝沉淀法、膜分離技術(shù)和離子交換法。絮凝沉淀法常用的藥劑包括石灰乳、漂白粉、氯化鋁、硫酸鋁等、鋁酸鹽等[13]。膜分離法常用的方法包括反滲透和電滲析等。目前，膜分離法處理效果較好，在企業(yè)中應用較多。

含鐵礦井水的常規(guī)處理方法有空氣自然氧化法、氯氧化法和接觸氧化法；對于含錳礦井水的常規(guī)處理方法主要有KMnO4氧化法、氯連續(xù)再生接觸過濾除錳法、空氣接觸氧化法、堿化除錳法和生物氧化除錳法。

綜上所述，經(jīng)過多年的礦井水處理技術(shù)、設(shè)備及材料的研發(fā)應用，反滲透技術(shù)、膜處理技術(shù)、納濾等先進的處理技術(shù)在煤礦企業(yè)均已得到應用，科研人員也正在對先進高效的處理技術(shù)進行研發(fā)。我國礦井水處理技術(shù)與國外先進技術(shù)相比已相差不大。但礦井水綜合利用率還略低于西方發(fā)達國家，主要由于對礦井水處理的理念不同，國外重視礦井水資源化利用對環(huán)境保護帶來的效益，而國內(nèi)煤礦企業(yè)還是為了滿足政策要求而進行礦井水處理，再加上其他方面的原因，因而國內(nèi)對礦井水處理的積極性不高；另一方面我國煤礦數(shù)量眾多，產(chǎn)能較小或經(jīng)濟效益不佳的煤礦對于礦井水資源化利用的重視程度不夠。

2 礦井水處理技術(shù)應用前景

隨著國家對煤礦礦井水資源利用的重視，礦井水處理技術(shù)、處理設(shè)備和材料取得明顯進步，礦井水利用率逐步提高，但在礦井水處理自動化程度、礦井水處理效率和處理成本、以及礦井相關(guān)標準等方面存在不足之處。

(1)針對煤礦礦井水的綜合利用和礦井水資源交易，建議出臺相關(guān)政策給予支持，并通過財政補貼、稅收優(yōu)惠等方式扶持礦井水資源綜合利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以提高煤礦企業(yè)進行礦井水處理的積極性。

(2)應加快礦井水處理技術(shù)研發(fā)及應用。近幾年，經(jīng)過國外先進技術(shù)引進和國內(nèi)技術(shù)研發(fā)應用，礦井水處理技術(shù)已較為成熟，但礦井水設(shè)備的處理效果和自動化程度不高，造成礦井水處理效率較低、人工成本較高，再加上部分處理技術(shù)使用的藥劑和材料價格較高，導致礦井水處理費用較高，企業(yè)對于礦井水處理利用的積極性不高。科研院所和設(shè)備生產(chǎn)廠家應注重新型高效礦井水處理設(shè)備以及自動控制系統(tǒng)的研發(fā)與應用，開發(fā)廉價耐用的處理藥劑并提高材料的耐久度以提高礦井水處理效率、減少工人勞動強度、提高工作效率、綜合降低礦井水處理成本[14-15]。

(3)結(jié)合用水需求結(jié)構(gòu)，建立合理的礦井水利用模式。不同用途對礦井水的水質(zhì)要求不同，如井下消防、降塵對水質(zhì)要求比較低，而工業(yè)鍋爐用水、生活用水對水質(zhì)要求相對嚴格。不同處理場所礦井水的輸送消耗不同，用于井下防塵、消防和灌漿的礦井水在井下預處理后可直接使用，能夠減少井下用水泵送至地面的輸送消耗，剩余的礦井水再由泵送至地面進行凈化處理。因而在礦井水處理系統(tǒng)規(guī)劃時，應根據(jù)礦井水原水水質(zhì)和涌水量以及礦井水不同用途的需水量和水質(zhì)要求，并兼顧經(jīng)濟性選擇適宜的礦井水處理工藝，進行統(tǒng)一規(guī)劃及綜合處理。在保障滿足不用用途水質(zhì)需求的前提下，避免過度投資、過度凈化，對多用途礦井水資源實現(xiàn)梯級利用，以降低礦井水處理成本，為企業(yè)帶來更多的經(jīng)濟效益。

(4)健全礦井水標準體系。目前，我國已發(fā)布部分礦井水綜合利用的標準，但礦井水處理技術(shù)的選擇和礦井水處理能效方面的標準相對欠缺。下一步應建立健全礦井水利用和監(jiān)督管理標準體系，包括礦井水利用的技術(shù)標準、生產(chǎn)管理標準、藥劑選擇和出水水質(zhì)的質(zhì)量檢查監(jiān)督標準以及礦井水處理能效計算方法標準等，以保障礦井水的綜合利用規(guī)范有序，實現(xiàn)礦井水處理產(chǎn)業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展。

3 結(jié) 語

煤炭依然在我國一次能源結(jié)構(gòu)中占用較大的比重，未來一段時間內(nèi)仍會保持每年35億t以上的產(chǎn)量，而礦井水作為煤礦開采的副產(chǎn)物，每年的涌水量在60億m3以上。作為非常規(guī)水資源的煤礦礦井水實現(xiàn)綜合利用，既可緩解煤礦生產(chǎn)供水不足的局面，又能避免直接排放造成的水資源浪費和環(huán)境污染，對于促進我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

經(jīng)過多年的技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)應用，煤礦礦井水的處理技術(shù)日趨成熟，礦井水綜合利用率逐漸提高。針對煤礦礦井水的綜合利用和礦井水交易，應出臺相關(guān)政策給予支持和激勵，建議通過稅收優(yōu)惠、財政補貼等方式以提高煤炭企業(yè)進行礦井水處理的積極性，從而綜合提高礦井水的利用率。今后應加快礦井水處理技術(shù)研發(fā)及應用，提高自動化控制水平，結(jié)合用水需求結(jié)構(gòu)建立合理的礦井水利用模式，健全礦井水標準體系。