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第 42 卷第 3 期能 源 与 环 保 Vol. 42 No. 3 2020 年3 月 China Energy and Environmental ProtectionM ar. 2020 收稿日期 2019 － 11 － 29； 责任编辑 陈鑫源 DOI 10. 19389 ／ j. cnki. 1003 － 0506. 2020. 03. 022 基金项目 国家重点研发计划资助项目（ 2017YFF0206703） 作者简介 曹庆一（ 1994） ， 男， 河南驻马店人， 博士研究生， 主要从事水资源保护和环境重金属污染方面的研究。 通讯作者 杨 柳（ 1978） ， 女， 辽宁铁岭人， 教授， 博士生导师， 主要从事水资源管理与水污染控制等研究。 引用格式 曹庆一， 任文颖， 陈思瑶， 等. 煤矿矿井水处理技术与利用现状［ J］ . 能源与环保， 2020， 42（ 3） 100- 104. Cao Qingyi， Ren Wenying， Chen Siyao， et al. Coal mine water treatment technology and utilization status［ J］ . China Energy and Environmental Protection， 2020， 42（ 3） 100- 104. 煤矿矿井水处理技术与利用现状 曹庆一， 任文颖， 陈思瑶， 杨 柳 （ 中国矿业大学（ 北京）地球科学与测绘工程学院， 北京 100083） 摘要 我国 节水型社会建设“ 十三五” 规划 中明确提出大力发展非常规水资源利用， 将矿井水纳入 国家水资源统一配置， 且 煤炭工业发展“ 十三五” 规划 提出， 计划到 2020 年矿井水综合利用率达到 80％以上。煤矿矿井水作为矿井水的主体， 约占总矿井水量的97％， 对地区水资源供应结构调整有突 出意义。通过论述国内外煤矿矿井水利用现状， 系统总结不同矿井水类型的处理技术与工艺流程， 提 出现阶段矿井水利用存在的问题和建议， 对煤矿生产企业矿井水处理技术的选择及矿井水综合利用 产业发展决策具有参考价值。 关键词 煤矿； 矿井水； 处理技术； 矿井水利用 中图分类号 TD74 文献标志码 A 文章编号 1003 － 0506（ 2020） 03 － 0100 － 05 Coal mine water treatment technology and utilization status Cao Qingyi， Ren Wenying， Chen Siyao， Yang Liu （ College ofGeoscience and Surveying Engineering， China University ofM ining and Technology， Beij ing 100083， China） Abstract Vigorously developing unconventional water resources utilization has been clearly proposed by China′ s ＂ 13th Five- Year Plan for Water- saving Society Construction＂ ， which incorporates mine water into the unified allocation of national water resources. The ＂ 13th Five- Year Plan for Coal Industry Development＂is expected to achieve a comprehensive utilization rate of 80％ of mine water by 2020 year. As the main body of mine water， coal mine water accounts for 97％ of the total mine water volume， which has a prominent signifi- cance for regional water supply structure adjustment. This paper discussed the current status of coal mine water utilization at home and abroad， systematically summarized the treatment technology and process flow of different mine water types， and proposed the problems and suggestions in the current stage of mine water utilization. It can be used as a reference for coal mine production enterprises to choose mine water treatment technology and the development and decision- making of mine water comprehensive utilization industry. Keywords coal mine； mine water； treatment technology； utilization of mine water 0 引言 水资源可持续利用是我国经济社会发展极为重 要的战略问题， 目前由于水资源的日益缺乏且空间 分布极不均匀， 局部地区污染加重等问题， 已严重影 响到我国经济社会的可持续发展［ 1］。我国煤炭开 采量巨大， 年产量超 36 亿 t， 约占世界煤炭总产量的 46％［ 2］。由于我国煤炭开采方式以井工开采为主， 且含煤地层一般在地下含水层之下， 因此煤炭开采 过程中会排出大量矿井水［ 3］。据统计， 2016 年我国 煤矿井下排放水量达 45 亿 m3， 约占全国矿井出水 量的 97％， 其利用率仅为 43. 8％， 远低于发达国家 80％左右的水平。矿井水处理再利用不仅可以有效 缓解矿区水资源短缺问题， 提高水资源循环利用效 率， 还能改善环境质量、 避免环境恶化， 这对于推进 煤矿企业的清洁生产和节能减排、 促进我国经济持 续健康发展均具有重要意义。因此， 大力发展矿井 水非常规水资源利用， 提高矿井水利用率水平是十 分必要的。 近年来， 我国许多环保工作者投身于矿井水处 001 万方数据 2020 年第 3 期曹庆一， 等 煤矿矿井水处理技术与利用现状 第 42 卷 理方面的研究， 并取得了良好的成效。何绪文等［ 4］ 通过对煤矿矿井水资源化综合利用体系进行研究， 系统总结了分质供水梯级利用、 井下处理就地复用、 高品质按需供水以及零排放 4 种不同矿井水资源化 利用模式。李福勤等［ 5- 6］针对高矿化度矿井水零排 放分段处理工艺中存在的问题进行了分析研究， 并 阐述了矿井水井下处理新技术的特点及工程应用情 况。毛维东等［ 7］对矿井水零排放工艺系统中的净 化处理、 深度处理、 浓缩处理及蒸发结晶处理单元进 行了技术研究， 并介绍了工程应用。周如禄［ 8］介绍 了一套适合矿井水净化处理工艺的自动化监控系 统， 能够实现自动加药、 自动排泥、 工艺过程监控和 远程网络监控等功能， 并取得了很好的应用效果。 为更好地发挥前人研究成果的指导作用， 本文 针对国内外煤矿矿井水利用现状， 系统梳理了不同 类型矿井水（ 酸性矿井水、 含悬浮物矿井水、 高矿化 度矿井水、 含有毒有害元素矿井水和洁净矿井水） 的处理技术， 在此基础上提出了矿井水利用过程中 存在的问题和建议， 以期对我国矿井水处理利用及 产业发展决策制定发挥较好的参考作用。 1 国内外煤矿矿井水利用现状 在国外， 煤炭开采过程中所产生的矿井水是一 些发达国家环保工作的重点， 被视为一种伴生资源， 并得到了很好的开发与利用。据统计， 美国早在 20 世纪矿井水的利用率就已达到 81％， 俄罗斯顿巴斯 煤矿的矿井水综合利用率更是高达 90％［ 9］。多数 国家对矿井水进行适当处理后， 一部分用于煤矿生 产用水和矿区生活用水等， 一部分达到排放标准后 排入地表水系。就美国而言， 其境内煤矿矿井水多 为酸性， 主要采用碱性物质中和技术处理后排入地 表水； 而对于高硫酸盐问题， 多采用硫酸盐还原菌处 理法。另外， 美国利用人工湿地处理矿井水的方法， 因其土地资源优势取得了良好推广， 该方法投资成 本较少、 易于管理， 现已建成人工湿地处理系统超过 400 座［ 10］， 而且这种方法也在许多欧洲国家得到了 很好的应用。英国煤矿年排水量约 36 亿 m3， 其中 42％用于工业用水， 58％排放到地表水系。日本除 部分矿井水用于洗煤外， 大部分矿井水都是经沉淀 处理后去除悬浮物后排入到地表水系。匈牙利部分 煤矿把矿井水直接卖给城市供水部门， 用于当地人 们的生活饮用水， 以获得可观的经济效益。 与国外相比， 我国对煤矿矿井水处理与回用研 究起步相对较晚， 综合利用率偏低。据统计， 2004 年我国煤矿矿井水排放量 38 亿 m3， 约占全国工业 废水排放总量的 15％以上， 而综合利用率不足 20％。近年来， 随着国民环保意识的加强及水资源 可持续利用政策的实施， 我国煤矿矿井水处理技术 得到了迅猛发展， 矿井水综合利用水平明显提升。 目前， 我国煤矿矿井水主要用于以下几个方面 ①矿 区工业生产用水， 将矿井水资源用于煤矿内部生产 使用， 包括井下生产、 喷雾降尘、 地面选煤厂及锅炉 房等生产方面， 同时还有少量用于煤矿周边的电厂、 煤化工及其他工业园区等； ②生活饮用与杂用水， 主 要是通过深度处理达到相应标准后， 用于矿区及周 边居民日常生活用水； ③生态灌溉利用水， 主要用于 矿区沉陷区回灌、 矸石场复垦绿化、 小区绿化等方 面； ④其他用水， 如有些矿区利用矿井水源热泵技 术， 将其用于供暖、 供热和供冷等方面。 2 煤矿矿井水处理技术 根据水质类型， 煤矿矿井水通常划分为酸性矿 井水、 含悬浮物矿井水、 高矿化度矿井水、 含有毒有 害元素矿井水和洁净矿井水 5 类［ 11］。 2. 1 酸性矿井水 酸性矿井水是指 pH 值小于 5. 5 的矿井水。不 同地区的酸性矿井水的物理和化学性质有较大差 异， 但 pH 值一般在 3. 0 ～ 5. 5。酸性矿井水的成因 是由于硫化物（ 主要是黄铁矿） 氧化引起， 通常 Fe2 ＋、 SO2 － 4 浓度较高， 且呈现明显的黄色。酸性矿 井水具有较强的环境危害性， 其在演化过程中不仅 会溶蚀围岩， 使得水体中的 Ca2 ＋、 M g2 ＋含量增加， 硬 度增大， 而且会导致煤和围岩中所含的 As、 M n、 Cu、 Zn、 Pb、 Ni、 Co、 Cd 等重金属在水体中富集， 给环境造 成较大的生态风险。 目前， 中和法是使用最广泛的酸性矿井水处理 方法［ 12- 14］， 即向酸性矿井水中加入碱性试剂， 通过 中和反应生成氢氧化物沉淀或者碳酸盐沉淀， 从而 平衡水体酸碱度、 降低金属离子浓度。按处理技术 来分， 中和法可分为石灰乳中和法、 滚筒式中和法、 曝气流化床中和法、 升流膨胀过滤中和法、 高浓度泥 浆法、 硫化石灰中和法等。中和药剂可选用石灰、 消石灰、 飞灰、 石灰石、 高炉渣、 白云石、 碳酸钠、 氢氧 化钠等， 一般多采用石灰或石灰石。该方法的优点 是处理设备简单， 处理费用低， 管理方便。缺点是设 备噪声大， 产生大量中和污泥， 存在二次处理处置问 101 万方数据 2020 年第 3 期 能 源 与 环 保第 42 卷 题。 此外， 酸性矿井水处理方法还有 硫酸盐还原菌 处理方法（ SRB 处理方法） 、 人工湿地法等。其中， SRB 处理法是利用硫酸盐还原菌将硫酸盐还原成硫 化氢， 并进一步与重金属反应生成溶解度较低的金 属硫化物， 从而达到增高 pH 值、 去除重金属离子的 目的。该方法具有成本低、 适用性强等优点， 但会有 H2S 扩散的风险［ 15］。人工湿地法［ 16- 17］是利用土壤 基质、 植物和微生物的复合生态系统， 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 对水体的自然净化。该方法具有投资少、 运营成本 低、 易于管理的优点， 但水体净化速度较慢， 停留时 间一般为 5 ～ 10 d， 且需要占用大量土地。 2. 2 含悬浮物矿井水 煤矿开采过程中， 煤粉和岩粉被带入地下水中 （ 主要是煤粉） ， 矿井水悬浮物含量增高， 感官性变 差， 且一般由于悬浮物粒度较小， 自然沉降速度较 慢。含悬浮物矿井水中悬浮物含量每升为几十到几 百毫克， 少数超过 1 000 mg／ L［ 18］， 但其他理化指标 基本符合生活饮用水标准。 含悬浮物矿井水通常采用“ 预沉调节混凝 沉淀过滤消毒” 组合处理工艺。其中混凝是水 处理过程中最重要的环节， 选择混凝剂的原则是产 生大、 重、 强的矾花， 对水质无不良影响， 常用的混凝 剂为铝盐和铁盐混凝剂［ 19］。不同矿井水中悬浮物 的浓度不同， 加入混凝剂的数量也不相同， 加入过量 或者过少， 均会影响矿井水处理净化效果。根据矿 井水的用途不同， 含悬浮物矿井水处理有时也可以 简化， 比如悬浮物矿井水用作景观环境用水时， 对悬 浮物浓度的要求不是十分严格， 可经过“ 混凝沉 淀” 或“ 澄清过滤” 处理工艺后用于景观灌溉。 此外， 磁絮凝技术是用于去除水中悬浮物的新 兴技术。此技术通过人为地向水中投加磁种， 在与 混凝剂、 絮凝剂的同时作用下， 水中的悬浮物在磁种 表面凝聚并形成密度较大、 沉降速度较高的磁絮体， 以达到去除水中悬浮物的目的［ 20］。 2. 3 高矿化度矿井水 高矿化度矿井水是指无机盐含量大于 1 000 mg／ L 的矿井水［ 21］。该类矿井水中的 K ＋、 Na＋、 Ca2 ＋、 M g2 ＋、 SO2 － 4 、 HCO － 3 含量较高， 水体硬度大， 水 质苦涩， 多数高矿化度矿井水呈中性或偏碱性， 少数 呈酸性。造成矿井水高矿化度的原因有很多， 例如 大量的碳酸盐和硫酸盐矿物在水中溶解， 干旱地区 蒸发量大使得矿井水盐分浓缩， 沿海地区地下海水 入侵等。高矿化度矿井水会导致土壤盐渍化， 因此 也不能用于农田灌溉， 用作建筑用水时， 也会影响混 凝土质量。 处理高矿化度矿井水的关键技术是除盐， 目前 最为主流的处理方法是反渗透法［ 21- 22］。该方法是 一种以压力差为推动力， 从溶液中分离出溶剂的膜 分离操作， 其渗透方向和自然渗透的方向相反， 故称 反渗透。具体处理流程 调节（ 预沉） 混凝沉淀 过滤活性炭吸附或超滤反渗透脱盐消毒。为 防止膜处理单元膜降解和膜污堵， 对进水中的悬浮 固体、 尖锐颗粒、 微溶盐类、 微生物、 氧化剂、 有机物、 油类等污染物必须进行预处理去除。此法的优点是 运行成本低， 水的纯度及回收率较高， 并能有效去除 水中的病毒和细菌； 缺点是操作压力高， 对进水水质 具有较高要求， 且浓水若得不到适当处理， 将会造成 二次污染。 此外， 电渗析法也被应用于高矿化度矿井水处 理， 但该方法运行能耗大、 水净化纯度较低， 且不能 去除水中的有机物和细菌， 因此该方法正逐渐被反 渗透方法所取代。 2. 4 含有毒有害元素矿井水 含有毒有害元素矿井水是指含有氟、 铁、 锰、 铜、 锌、 铅及铀、 镭等元素的水。含氟矿井水主要来源于 含氟量较高的地下水区域， 长期饮用高氟水， 会导致 氟骨病、 氟斑牙等中毒现象。含铁、 锰矿井水一般以 Fe2 ＋、 M n2 ＋为主， 表明水体处于还原环境， 溶氧含量 低。Cu、 Zn、 Pd 等重金属元素以及铀、 镭等放射性元 素， 主要来源于煤和岩石［ 23］。 去除矿井水中的氟， 一般采用混凝沉淀法、 吸附 过滤法、 离子交换法、 膜分离法处理技术。混凝沉淀 法常用的药剂包括漂白粉、 石灰乳、 铝盐（ 硫酸铝、 氯化铝等） 、 铝酸钠等［ 24］。吸附过滤法常用的过滤 介质包括活性氧化铝、 活性炭、 氢氧化铝、 磷酸三钙 等。膜分离法常用的方法包括电渗析、 反渗透等。 去除矿井水中的高铁锰， 一般采用“ 调节（ 预 沉） 氧化混凝沉淀除铁滤池、 除锰滤池或同 时除铁锰滤池消毒” 处理技术。氧化方法包括空 气氧化法、 化学氧化法（ 高锰酸钾、 氯气等） 、 接触氧 化法等。除锰滤池常用的滤料包括天然锰砂、 石英 砂、 无烟煤等。 去除矿井水中的重金属， 可采用化学沉淀法、 离 子交换法、 活性炭吸附法、 反渗透法、 电渗析法、 蒸发 201 万方数据 2020 年第 3 期曹庆一， 等 煤矿矿井水处理技术与利用现状 第 42 卷 浓缩法等处理技术［ 25］。 去除矿井水中的放射性元素， 可采用反渗透、 电 渗析、 离子交换法、 石灰软化、 活性材料吸附法等。 2. 5 洁净矿井水 洁净矿井水是指还没有被污染的矿井水。此类 矿井水水质较好， pH 值为中性， 低浊度， 低矿化度， 有毒有害元素都很低， 基本符合生活饮用水标准。 主要来源于奥陶纪石灰岩水、 岩矿裂隙水等［ 26］。 由于洁净矿井水水质良好， 一般只需要进行消 毒处理即可回用。若洁净矿井水用于工业、 农业等 用途时， 可直接利用。 3 矿井水处理利用过程中存在的问题及建议 3. 1 存在的问题 （ 1） 社会层面。矿井水利用缺乏规范的利用途 径导向和相关标准的支撑。随着煤矿企业产业链延 伸， 矿井水利用市场需求不断扩大， 以“ 节水” 为核 心的水价机制决定了矿井水价值不断提高， 诸多煤 炭生产企业利用矿井水的规模逐渐增加。但“ 统一 处理后再利用” 的水处理方式不符合“ 分级处理、 分 质利用” 的用水原则， 造成了水处理成本增加和资 源浪费。这是由于不同的水回用途径（ 如回用于工 业用水、 生活用水、 景观环境用水、 杂用水等） 对出 水水质的要求不同， 相应的水处理流程也不相同。 目前我国尚缺乏统一的国家或行业标准对矿井水利 用中的回用途径、 处理技术选择、 回用水水质要求等 方面的指导， 不利于实现矿井水的安全、 高效和经济 利用。 （ 2） 技术层面。矿井水处理利用技术和设备自 动化程度仍有待改进。通过我国矿山企业和相关科 研院所的多年研究， 目前煤矿矿井水的处理净化技 术已较为成熟， 但矿井水处理技术及设备的自动化 运行程度不高， 许多环节都需要人工进行操作， 存在 着较大的管理风险， 仍需要进一步研究和完善。 2011 年， 某研究院曾开发一套矿井水净化处理自动 化监控系统， 能够实现自动加药、 自动排泥、 工艺过 程监控和远程网络监控等功能， 使得水处理成本降 低， 管理水平和工作效率大大提高。该技术可对煤 矿矿井水处理自动化运行起到良好的示范作用。 （ 3） 企业层面。资金投入成本过高限制了中小 型煤炭生产企业对矿井水的回收利用。建设矿井水 利用工程设施需要投入大量的资金， 中小型煤炭生 产企业资金短缺， 严重制约着矿井水综合利用工程 的建设。小规模的矿井水利用工程使得综合成本过 高， 企业无法获得相应的经济效益， 使得企业的积极 性不高， 整体的社会环境和经济效益相对较差。 3. 2 建议 （ 1） 未来我国应逐步建立起完善的矿井水利用 法律法规和监督管理体系， 制定针对不同水回用途 径的矿井水利用标准， 使得地区水资源结构进一步 优化， 矿井水利用规范有序。 （ 2） 完善政策措施， 通过税收优惠、 财政补贴等 方式适当扶持中小型煤炭生产企业在矿井水开发利 用中的产业发展。同时要拓宽融资渠道， 促进企业 合作联合开发、 共同利用矿井水。从政策层面积极 促进矿井水利用产业发展和社会效益最大化。 （ 3） 企业应因地制宜地选择合适的矿井水处理 技术和利用方向， 加强技术创新， 提高技术装备水 平， 降低处理成本， 促进矿井水综合利用的经济、 环 保发展。 参考文献（ References） ［ 1］ 李加林， 田鹏， 史小丽， 等. 水资源管理研究进展［ J］ . 浙江大学 学报（ 理学版） ， 2019， 46（ 2） 248- 260. 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