矿井水层级利用方法探讨.pdf

第3 2 卷第5 期 2 0 1 2 年1 0 月 矿冶 工 程 M ⅡⅡN GA N DM [ E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 2 №5 0 c t o b e r2 0 1 2 矿井水层级利用方法探讨① 任一鑫1 ，孙正萍1 ，王兴存2 1 ．山东科技大学，山东青岛2 6 6 5 9 0 ；2 ．临沂矿业集团公司田庄煤矿，山东临沂2 7 6 0 1 7 摘要对矿井水的种类、水质进行了分析，结合矿井水及其携带的能量特点，设计规划了矿井水层级开发利用的方案，为合理开 发利用矿井水资源提供了理论依据与方法。 关键词矿井水；层级利用；能源；生态利用 中图分类号F 4 0 7 文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 5 一0 1 1 9 0 5 D i s c u s s i o no nH i e r a r c h vU t i l i z a t i o no fM i n eW a t e r R E NY i ．x i n l ，S U NZ h e n g p i n 9 1 ，W A N GX i n g ．c u n 2 1 ．．S 危。n 如愕眈觇珊毋Q 厂S c i e n c en 凡d 死c 忽肿2 0 盯，Q i 赠如o2 6 6 5 9 0 ，| s 矗。蒯。愕，C 危i №；2 ．死口融“口增C 0 0 f 觚M 矿 三流施n i 昭G r 0 印c o 唧。可，三忉矗2 7 6 0 1 7 ，S 伽幽增，吼；凡o A b s t r a c t B a s e do nt h ea n a l y s i so fm i n ew a t e rt y p e sa n dw a t e rq u a l i t yc o m b i n e dw i t hi t sc h 锄c t e r i s t i c sa n di t sc a r r i e d e n e r g y ，ap r o 铲a mo fh i e r a r c h yu t i i i z a t i o n m i n ew a t e rw a sp r o p D s e da n dd e s i g n e d ，p r o V i d i n gat h e o r e t i c a lb a s i sf o r r a t i o n a ld e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fm i n ew a t e rr e s o u r c e s ． K e yw o r d s m i n ew a t e r ；h i e r a r c h yu t i l i z a t i o n ；e n e r g y ；e c o l o g i c a lu t i l i z a t i o n 我国的“水”存在两大主要问题一是水资源短 缺，二是水污染严重。从量上来看，我国水资源总量不 算少，淡水资源总量占全球水资源的6 ％，居世界第四 位，但人均水资源占有量仅为世界平均水平的1 ／4 。 从分布来看，水资源时空分布很不均衡，水土资源分布 不相匹配，大量淡水资源集中在南方，北方淡水资源只 有南方水资源的1 ／4 。就煤炭行业而言，我国7 0 ％的 矿区缺水，其中又有4 0 ％严重缺水，不少矿区生活用 水都十分紧缺。矿区缺水的同时矿井水大量直接排 放，这种排放既造成水资源浪费，又对环境构成危害。 如何将矿井水资源化，在建设“两型”社会的今天具有 非常重要的现实意义。为此，本文试图利用生态学、系 统学等原理构建矿井水层级开发利用体系，为矿井水 综合利用探讨新的途径。 1 矿井水分析 为确保矿井的安全生产和矿工的人身安全，在矿 井开拓、采掘过程中需要及时将渗入、滴人、淋入、流入 和涌入井巷或工作面的水排到地面，排出的这部分水 统称为矿井水。 1 ．1 矿井水分类 煤矿矿井水的主要成分是悬浮物和可溶性无机 物，随矿并分布地区的不同其水质有较大差异，主要受 地质条件、煤层特性、采煤工艺的影响。矿井水中的主 要污染物为采煤过程中煤粉和岩粉渗入水中形成的悬 浮物，矿井水的颜色呈黑色，按照矿井水化学性质主要 分成5 大类。 1 洁净矿井水。由于其基本符合生活饮用水标 准，可设专用输水管道进行利用，作生活饮用水时需进 行消毒处理，对含多种微量元素的可开发为矿泉水。 2 含悬浮物矿井水。其水量约占我国北方部分 重点国有煤矿矿井涌水量的6 0 ％。水质呈中性，含有 煤粉、岩粉和黏土等，尤其是其中所含煤粉粒径大小相 差悬殊。远远小于地表水系中泥沙颗粒物。 3 高矿化度矿井水，是矿化度无机盐总含量大于 l0 0 0m g ／L 的矿井水。水中含有S 0 。2 。、C l 一、C a 2 、 K 、N a 等离子，水质多数呈中性或偏碱性，带苦涩 味，故又称“苦咸水”。根据无机盐含量的不同又可分 为微咸水、盐水。 4 酸性矿井水。是p H 值小于5 ．5 的矿井水，其 ①收稿日期2 0 1 2 舭- 1 1 基金项目教育部人文社科项目 1 2 Y J ∞9 0 1 0 8 作者简介任一鑫 1 9 6 2 一 ，男，山东莱西人，教授，博士，博导，主要研究循环经济、能源管理、生态经济等，以矿区循环经济、能源管理。 万方数据 第3 2 卷 矿化度、硬度都较高。当开采含硫高的煤层时，硫化物 在氧化与升华作用下产生硫酸，使水呈酸性。该类水 在我国南方高硫矿区比较常见，易腐蚀矿井设备与排 水管路，并且危害工人健康。 5 含特殊污染物矿井水，指含氟、铁、锰、铜、锌、 铅及铀、镭等元素的水。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。 1 ．2 矿井水特性 矿井水的特性取决于成煤的地质环境和煤系地层 矿物化学成分，其中井田水文地质条件及充水因素对 矿井水的水质、水量有决定性的影响。矿井水的特性 主要有以下几点①矿化度较高。矿井水矿化度在 l0 0 0m ∥L 以上的占5 0 ％左右，主要含有硫酸盐、重 碳酸盐类。总硬度在2 5 德国度以上的地区分布较广， 总硬度中永久硬度比重远大于暂时硬度。②部分矿 井水呈酸性。酸性矿井水分布在一定地区，p H 值一般 在3 ．1 ～4 ．2 之间，而且常常随着开采深度的加大，p H 值逐渐变小，同时含铁量也逐渐增加。③c o D 含量较 低。矿井水化学耗氧量c O D 高于地下水，一般在1 0 m ∥L 以上，主要是由于煤粉所致，其次是开采过程中 人员和机械造成的污染所致。④矿井水不仅是重要 的水资源，而且还携带大量的能量，矿井水是地源热能 的传递媒介，也是势能、动能的携带介质，这是矿井水 利用中需要开发的新资源⋯。 1 ．3 矿井水现状 全国煤矿矿井水排放量约为4 2 亿立方米，约占整 个采矿业 有色冶金、黄金、化工等矿山 排水量的 8 0 ％，而利用率大约为2 6 ％。矿井水的污染程度较其 它工业废水轻，有机污染物很少，一般不含有毒物质， 适合作回用水水源。我国矿井水虽然水质较好，但利 用率不高。全国范围内，只有少数几个集团公司的矿 井水处理工艺比较成熟，一般采用混凝、沉淀、过滤、消 毒工艺进行处理。这些矿区对矿井水进行综合利用后 其利用率明显提高，但处理成本也较高，且都未能达到 饮用水标准，这主要是由于所用药剂、投加药量不合 理，处理设施落后，处理工艺不合理以及科学化管理水 平低所致。 有些矿区虽然在选煤厂洗煤水闭路循环、“零排 放”和“一水多用”等方面做了大量工作，但总体水资 源重复利用率不高。我国矿区的水资源除部分矿井水 在井下实行清污分流、清水利用外，大部分矿井水没有 处理利用。新建矿区各矿均建有矿井水处理厂，但原 设计的矿井水处理工艺只能满足达标排放水质，不能 满足其它用水水质要求，而且没有进一步处理利用水 资源的设施，造成大部分矿井水处理后直接排放，2 0 0 9 年我国矿井水利用率还不到3 0 ％。 矿井排水量受矿区水文地质条件的影响较大，各 地相差悬殊。现有大约50 0 0 多台主排水设备，年耗 电3 0 亿千瓦时，有的煤矿吨煤排水费高达5 元，另需 缴纳水资源费、排污费。未经处理的矿井水外排，势必 污染地表水系、农田，除影响农作物和水生动、植物生 长外，还对人类用水质量构成威胁。 2 矿井水利用领域分析 矿井水利用领域主要分为矿井水能量利用和矿井 水回收利用两方面内容。 2 ．1 矿井水能量利用领域 我国煤矿在开采过程中，井下采空区以及采煤区 工作面排出的矿井水水温基本达到1 9 ℃左右，部分达 到3 0 ℃左右，最高达到5 0 ℃左右，一年四季相对稳 定，是一种稳定和利用价值高的热源，但是目前情况大 部分矿井水的热能随着矿井水的排放而流失，或者处 理过程中没有考虑到能量的提取，造成热源浪费。 根据矿井水恒温的特性，冬季通过水源热泵空调 机组将矿井水中的部分热量提取出来，再通过水源热 泵空调机组的热量转换，将热能传递给矿井进风流中 末端空调设备，可实现冬季为井口供暖。夏季利用末 端送风设备吸收矿井进风流的热量，通过水源热泵空 调机组将吸收的热量传递到矿井水中，从而降低进风 的温度，为井下工作面提供凉风。矿井水在井下处理 后，更重要的途径是通过排水系统排到地面，利用水源 热泵提取热量，应用于工业生产、职工浴池、办公楼、职 工公寓、家属区冬天采暖、夏天制冷、恒温养殖种植等 方面。 2 ．2 矿并水回收利用领域 对于矿井水本身的利用又可以分为井下和地面利 用两部分，具体见图1 。 1 井下防尘。在人部分的矿区，现在用于井下防 尘的水资源主要是矿井水资源。矿井水经调节池沉淀 降低悬浮物后即可直接供井下防尘使用。通过老塘自 净的矿井水可做井下工业用水。 2 地面利用。地面利用主要根据水质、水处理难 度、用水领域对水的要求等进行水的配置利用，具体如 下①矿井水经过生态处理系统处理后可应用于地面 景观。②矿井水资源经过生态处理系统处理后达到 万方数据 第5 期任一鑫等矿井水层级利用方法探讨 矿井水 洗 煤 厂 矿区生括lI 其他用途 到甲雕| | | | 到目目目国引H 图目目斟斟睦 矸 石 灭 火 和 防 止 自 燃 养殖与种植的要求，用于水生养殖与种植、陆生养殖。 ③矿井水资源经过生态处理系统处理后用于陆生种 植与绿化，这部分占到总绿化用水的8 0 ％以上。④地 面洒尘。用于地面洒尘的水资源由两部分组成一部 分是矿井水资源经过处理后用于地面洒尘，这部分占 8 0 ％以上；另一部分是由矿井水资源经过处理用于生 活用水后产生的生活污水再经过处理后用于地面洒 尘。⑤洗煤厂用水 洗煤水回用与制备水煤浆 。洗 煤厂所用的水资源主要是矿井水资源，矿井水资源经 过处理后用于洗煤厂，然后洗煤厂的水再进行循环利 用，一部分洗煤水经过处理后回用，一部分洗煤水可用 于制备水煤浆。⑥生活用水。矿区居民生活用水主 要由两部分组成一部分是矿并水资源经过深度处理 后作为生活用水，另一部分是地下水经过处理后作为 生活用水。⑦其它领域。主要是电厂、煤化工厂、造 纸厂等使用旧3 。 3 矿井水层级利用体系构建 矿井水层级利用的目的就是根据矿井水特性及各 利用领域的特点，设计从地下到地面，从能量到水资源 的层级开发利用系统，使矿井水资源不仅得到合理开 发利用，而且使其携带的能量也得到充分开发与利 用‘3 | 。 矿井水水质不同，用途不同，处理工艺不同；矿井 水使用后水质污染程度不同，处理工艺不同；水质不同 导致其用途不同。矿井水是地源热能的传递媒介，在 矿井水生态化利用体系中，应该采用水源热泵技术提 取矿井水中所携带的能量，将其应用于相关领域，达到 节能的目的。基于此种思路建立矿井水利用系统集成 与层级利用图，如图2 所示。 丽丽H 查堡鳌 鬻慷瓣 老塘自净处理Il 直接利用 一能源利用 。r 阿蕊 。‘1 一 工白 翥同晤 _ 矿井水利用 ‘广 圃 ，．．．．．L 王上广主 勰阵 加工处理 工 种植产品 孺 一 从系统集成角度分析，矿井水生态化利用，第一层 面系统集成由水处理系统、能源利用系统、水利用系 统、固废资源利用系统等四部分组成。第二层面再由 相关系统组成，如老塘自净处理、井下处理、地源热能、 固废物质开发利用等。第三层面是由相关技术、工艺 等系统组成，这样就构建了一个完善的矿井水生态利 用体系‘4o 。虽然不同矿井其具体上有所区别，尤其是 利用领域有区别，但其基本原理都是相同的。矿井水 层级利用应遵循的原则是依据水质与用途分配、先重 点后一般、先井下后井上、先工业后生活、农业与景观 结合、循环利用为基础的原则。 3 ．1 老塘水地下利用 老塘水由于受人类活动影响较小，除含有盐等成 分外，悬浮物较少。一般情况下稍微进行处理就可以 利用。利用老塘水仓对水进行简单沉淀处理，处理后 的水主要供深水防尘、井下降温等用，此处理过程不用 设备，不需加药，既省钱又节能；利用落差重力原理，开 发利用矿井水携带的势能和动能，不需安水泵等设施， 节能效果明显。 3 ．2 矿井水并下处理 矿井水的井下处理主要是改变一般工艺流程中的 水仓结构，使之具有反应及沉淀的功能，矿井水在此停 留，与加入的混凝剂混合反应，对矿井水进行混凝、沉 淀、消毒等常规工艺处理，使清水溢流外排，其基本处 理原理与地面处理原理是相同的，只是地下处理后的 沉淀物可以直接在井下处理利用，这样不但能够减少 筐一洒尘绿化 薹匡 万方数据 矿冶工程第3 2 卷 排水量，而且可以减少地面对沉淀物处理工作。还有 的处理方法是在井下水仓前加污水处理系统，将原地 面处理的井下水仓变成井下处理后的清水储水仓。 3 ．3 矿井水热能地面利用 煤矿的矿井水井下处理后，通过排水系统排到地 面，利用水源热泵提取的热量，可以应用于以下4 个 方面 1 工业用途。主要应用于井口防冻、工作服烘 干、煤泥烘干、工业发酵、蔬菜及食品加工等，也能够用 于高温工作环境降温。 2 职工浴池。煤矿职工浴池可以采用更换热水 的方式保证洗浴水温，职工洗浴用水量考虑满足洗浴 高峰时为原则，因此设置一个较大的保温加热水箱，利 用现有的保温蓄水箱来保证洗浴高峰用水。 3 工厂供暖。办公楼、职工公寓楼及其它建筑 物、生产车间冬天供暖、夏天制冷的能量来源于水源热 泵。利用矿井水作为冷热源，进行能量转换，在夏季 时，热回收机组在为矿办公楼和公寓楼提供空调制冷 的同时，零成本制取洗浴热水；冬天，直接通过水源热 泵提取热量为办公楼和职工宿舍供暖。 4 养殖、种植恒温使用。。利用矿井水携带的热量 通过换热器直接或通过水源热泵间接为恒温大棚提供 恒温，发展养殖或种植业。 3 ．4 矿井水地面初级处理与利用 3 ．4 ．1 矿井水生态处理过程在井下处理阶段经过 相关沉淀絮凝工序后，原矿井水中含有的悬浮物已经 沉淀下来，通过水泵提升到地面，提取热能后，一部分 矿井水直接应用到生产和生活领域，另一部分则进入 地面生态处理的水生植物净化区，接受进一步的净化。 1 水生植物净化区。在水生植物净化区分段种 植对矿井水起不同净化作用的水生植物，利用水生植 物能够大量吸收营养物质或降解转化有毒有害物质为 无毒物质的性质，在废水中种植大量耐污染净化较强 的水生植物，使其通过自身的生命活动将水中的污染 物质分解转化或富集到体内，然后除去，同时通过水生 植物光合作用放出氧气，增加水中溶解氧含量，从而改 善水质，减轻或消除水污染”J 。例如芦苇和大米草对 水中悬浮物、氯化物、有机氮、硫酸盐具有一定的净化 能力；风眼莲、浮萍、金鱼藻、黑藻等有吸收水中重金属 的作用。待净化的矿井水进入水生植物净化区被水生 植物去除有害物质后进人水生动物净化区。 2 水生动物净化区。水生动物净化区放养用于 净化水质的水生动物，经过井下处理、水生植物净化区 出来的水还存在浮游藻类、有机碎屑、游离细菌等物 质，通过水生动物净化区则可有效去除，在该区主要投 放滤食性贝类、滤食性鱼类、螺蛳等底栖动物。经过水 生动物净化的矿井水进入人工假山、人工湖，地面绿化 等地面用水区。 3 人工景点调节区。该区与水生种植、水生养殖 等在一起，开挖有人工湖、建设小桥、亭台楼阁、曲径长 廊、假山等景点，处理后的矿井水进入该领域，不仅为 水生养殖种植提供水源，也可作为水的调节区，水多时 注入景点，缺水时从该区提取。 3 ．4 ．2 矿井水的地面初级利用经过生态净化的矿 井水能够达到某些领域的利用，如灌溉、绿化、洒尘、冲 厕等，也能够达到洗煤厂用水的标准，或达到水生养殖 与种植的用水标准，因此经过简单生态净化处理的矿 井水可以直接用于这些领域。 3 ．5 矿井水深度处理利用 针对矿井水中重度污染的因子，单纯的初级处理 是无法脱除干净的。经过井下初级处理、地面生态处 理的矿井水仍可能会出现无机盐类、金属和有毒物质 超标，达不到用水标准，因此，应针对性地进行一些深 度处理。 矿区原有的净化出水 即深度处理的原水 其水 质具有碱度高、含盐量高的特点，无法直接作为电厂发 电用水和生活用水，也无法直接用反渗透技术。由于 大量硫酸根和钙、镁离子的存在，使反渗透装置 R 0 浓水侧的c a s 0 。浓度积远远超出反渗透系统设计导 则中C a S O 。≤2 3 0 的规定，极易生成C a S O 。结垢。经 过技术经济比较，采用预处理和一级反渗透工艺来深 度处理矿井水，使之成为电厂用水和生活用水，是最为 经济和切实可行的，具体流程见图3 。 净化处理出水 阻垢剂、还原剂、 浓水外排 图3 深度处理基本工艺 用水 净化处理出水 即本深度处理工程的原水 经管 万方数据 第5 期任一鑫等矿井水层级利用方法探讨 道流入净化水池，由提升泵输送进入自清洗过滤器，利 用滤网直接拦截水中较大颗粒的杂质，去除水体悬浮 物、颗粒物，降低浊度，净化水质，减少系统污垢、菌藻、 锈蚀等的产生，同时自动对滤芯进行清洗排污处理。 过滤后的出水经超滤装置净化后进入超滤水池，超滤 装置是一种先进的膜分离设备，污水中含有的各种小 的微粒、胶体、细菌等可从高压侧透过滤膜到达低压侧 而得到有效去除。超滤水池中的水通过超滤水泵及高 压泵提升送人R 0 反渗透装置进一步处理。经过深度 处理的矿井水应用于对水质要求高的领域，是矿井水 最高层次的应用，主要应用于电厂、生活用水、轻工业 用水等工业或生活领域。 3 ．6 矿井水循环利用 对洗煤厂的水、电厂冷却水等必须实行闭环循环； 生活污水经过处理产生的中水应用到洒尘、绿化、冲厕 等对水质要求不高的领域，实现水资源的循环利用。 其它能够循环利用的水资源原则上应该实现循环利 用∞J 。 4 结论 面对我国尤其是北方矿区严重缺水的局面，完善 矿区水资源综合利用体系已势在必行，研究矿井水层 级利用是该体系的基本构成之一。针对许多矿区矿井 水利用率低，即使有些矿区矿井水利用率较高，但处理 成本高和未能达到饮用水标准的特点，结合我国矿区 矿井水水质、水量以及用户对水质、水量的要求，研究 设计了矿井水层级利用方案，确定了最佳工艺流程，实 现了“优质水优用，低质水低用”。对矿井水进行层级 利用的研究可以使矿区减少对地下水的取用，变废为 宝，最大限度地提高矿井水的利用效率和效益，减少矿 井水外排带来的污染，同时，对矿井水携带的势能、动 能、热能等能源进行开发与利用可为矿区节能提供新 的思路，为矿区带来经济效益，实现经济、环境和社会 的和谐统一。 参考文献 [ 1 ] 高亮．我国煤矿矿井水处理技术现状及其发展趋势[ J ] ．煤炭 科学技术，2 0 0 7 9 1 5 ． [ 2 ]任一鑫，王新华，于喜展．煤炭与其它矿物共生、伴生矿区循环经 济体系建立的探讨[ J ] ．煤炭学报，2 0 0 4 5 6 3 4 6 4 0 ． [ 3 ]蒋金泉，李英德，任一鑫．基于M F A 的矿区资源微观优化配置模 式[ J ] ．中国矿业，2 0 0 8 3 1 6 4 1 6 7 ． [ 4 ]张咏梅，任一鑫，张士强．煤炭矿区生态系统设计与实践[ J ] ．矿 冶工程，2 0 1 0 3 1 1 4 一1 1 9 ． [ 5 ]任一鑫，钟举．矿区水资源集成利用途径设计[ J ] ．矿冶工程， 2 0 1 1 3 1 2 2 1 2 6 ． [ 6 ] 任一鑫，郭庆春，张翼．循环经济学[ M ] ．北京九州出版社， 2 0 】1 云南冶金2 0 1 3 年征订启事 云南冶金1 9 7 2 年创刊，双月刊，中国科技核心期刊。国内外公开发行，由云南冶金集团股份有限 公司主管，昆明冶金研究院、云南省金属学会主办。主要刊登矿冶工程技术与应用研究领域的学术论文 与综述，报道矿冶工程研究与应用的发展动向、新技术、新工艺、新方法、新装备和新成果。主要栏目有 采矿、选矿、冶炼 偏有色 、金属材料与加工、检测技术等。读者对象为从事矿冶生产、科研、教学的工 程技术人员、院校师生及技术管理人员。 云南冶金为大1 6 K ，国际刊号I s s N l 0 0 6 一0 3 0 8 ；国内刊号c N 5 3 1 0 5 7 ／T F ，双月2 5 日出版，每期 定价1 0 元，全年6 0 元，国外全年定价2 4 美元。 订款可从银行信汇，开户行中国工商银行昆明市正义支行，账号2 5 0 2 0 1 2 0 0 9 0 2 4 9 0 9 8 9 6 ；户名昆 明冶金研究院；订款也可寄6 5 0 0 3 l 昆明市圆通北路8 6 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