矿区水资源集成利用途径设计.pdf

第3 l 卷第3 期 2 0 1 1 年0 6 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G ；Ⅱ咂E R I N G V 0 1 ．3 l 卜b 3 J u n e2 0 l l 矿区水资源集成利用途径设计① 任一鑫，钟举 山东科技大学，山东青岛2 6 6 5 1 0 摘要在对矿区水资源情况进行分析的基础上，结合矿区实际情况，利用系统、集成等原理设计了矿区水资源处理、水资源利用、 水资源携带能量利用等集成系统，规划了水资源的具体利用领域，为科学合理开发利用矿区水资源开创了一条可行之路，也为矿区 节能减排工作开展寻求了新的道路。 关键词矿区水资源；矿井水；集成体系；节能减排 中图分类号F 2 7 2文献标识码A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 1 0 3 - 0 1 2 2 一0 5 D e s i g no fW a t e rR e s o u r c e sI n t e g r a t i o na n dU t i l i z a t i o ni nM i n i n gA r e a R E NY i x i n ，Z H O N GJ u S h a n d o n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，Q i n g d a o2 6 6 5 1 0 ，S h a n g d o n g ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ew a t e rr e s o u r c e ss i t u a t i o ni nt h em i n i n ga r e aa n dt h ec o n s i d e r a t i o no ft h ea c t u a l c o n d i t i o no ft h em i n i n ga r e a ，a ni n t e g r a t e ds y s t e m sw a sd e s i g n e df o rt h et r e a t m e n ta n du t i l i z a t i o no ft h ew a t e rr e s o u r c e s a n dt h eu t i l i z a t i o no fw a t e r - c a r r i e de n e r g y ．T h e na r e a so fs p e c i f i cu s eo ft h ew a t e rr e s o u r c e sw a sm a r k e do u tb ym a k i n g u s eo fs y s t e ma n di n t e g r a t i o np r i n c i p l e s ．I tc r e a t e saf e a s i b l ew a yf o re x p l o i t i n ga n du t i l i z i n gw a t e rr e s o u r c e so fam i n i n g a r e as c i e n t i f i c a l l ya n dr e a s o n a b l ya n df i n d san e wr o a df o re n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o nf o ram i n i n ga r e a ． K e yw o r d s w a t e rr e s o u r c e si nm i n i n ga r e a ；m i n ew a t e r ；i n t e g r a t i o ns y s t e m ；e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n 水既是地球上一切生命赖以生存、人类生活和生 产活动中不可缺少的重要物质，又是不可替代的重要 自然资源。近几年，随着工业迅速发展，城市人口逐渐 增加，人民生活水平逐渐提高以及近期世界经济的高 速发展，各种用水量亦随之增长。一方面水资源供给 紧张，另一方面在矿区又存在水资源浪费的现象。矿 区水资源种类繁多，水质各不相同，处理的难度也不相 同，所以应该结合矿区生产、生活的特点对水资源实行 综合管理，科学分配水资源，使矿区水资源的利用达到 最佳状态，为此，本文对矿区水资源集成开发利用问题 进行探讨。 1 矿区水资源开发利用现状 煤矿矿井水是重要的水资源，据统计我国煤炭生 产过程中每年排出约2 0 ～3 0 亿立方米矿井水，其中北 方地区约占6 0 ％，并且随着煤炭开采深度的增加而逐 年增加。多数矿区对自身水资源的利用不到位，尤其 是矿井水的直接排放不仅浪费了宝贵的水资源，而且 还会对环境造成污染。造成上述现象的根源就是我国 矿区水资源的开发利用中存在以下几个问题⋯ 1 矿区水资源的开发利用无章可循。矿产开发、 矿区保护没有统一的规划和管理办法，涉及水资源的 开发利用没有统一的审批管理，造成水资源的开发利 用随意性大，只利用不保护，只用不管。 2 矿区水资源利用率低。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，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；不能满足其他用水水质要求，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 ％。 3 对于水资源的管理制度不健全。大多数矿区 对水资源管理还没有引起足够的重视，管理制度、组织 机构不健全，管理人员不到位，业务素质不高，管理粗 放，管理基础薄弱。用水不计量，统计报表不完善，上 下管理渠道不畅通，计划用水与定额管理难以推行。 ①收稿日期2 0 1 1 4 1 - 0 5 基金项目山东省教育厅项目煤炭行业静脉产业成本分析与优化 J 0 9 W J l 3 作者简介任一鑫 1 9 6 2 一 ，男，山东莱西人，教授，博士，主要从事矿区循环经济、能源管理、生态经济研究。 万方数据 第3 期任一鑫等矿区水资源集成利用途径设计 4 缺乏对水资源的节约意识。我国发展成熟的 矿区用水矛盾还不突出，但是大多数矿区的用水是自 取自用，而且取水成本中的电费和水资源费没有单独 核算，水费成本还没引起相关单位的重视。 5 对矿区水资源认识不足。传统上只把水当做 资源开发利用，而没有认识到矿区水资源也携带大量 能量，是热能、动能、势能的携带介质。 为了保证我国矿区供水安全，保障矿区社会、经济 的可持续发展，提高企业经济效益，做好水资源管理， 提高水资源利用率已迫在眉睫。 2 矿区水资源基本情况分析 2 ．1 我国矿区水资源基本情况 我国地下水资源紧缺，煤矿区普遍缺水，据统计， 全国8 6 个重点煤矿区中有7 1 ％缺水，4 0 ％属于严重 缺水，而矿区又需大量用水，这使得矿区周围地下水供 需失衡，水位大幅度下降。矿区没有把水作为一种资 源加以综合开发利用和进行有效保护，毫无节制的排 水大大增加了吨煤成本，而且还导致一系列环境问题， 有时还造成地下突水甚至淹井事故。 2 ．2 矿区水资源种类及特性分析 矿区水资源的种类主要包括地下水、地表水、工业 废水、生活污水和中水。 1 地下水。地下水是雨水经过土壤及地层的渗 透流动而形成的水，在其漫长的流程和广泛的接触中， 溶入较多的盐类。另一方面，地下水由于地层的层层 过滤，悬浮物很少，水质清澈而透明，浊度较低。 2 地表水。地表水是指雨雪、江河、湖泊以及海 洋的水。它们的特点与它们的形成过程密切相关。地 表水中除海洋含盐量极高以外，其它地表水的含盐量 都很低，与地下水相比，硬度也较低，但是地表水中污 染物质含量很高。 3 工业废水。工业废水包括生产废水和生产污 水，是指工业生产过程中产生的废水和废液，其中含有 随水流失的工业生产用料、中间产物、副产品以及生产 过程中产生的污染物。 工业废水的特点是水质和水量因生产工艺和生产 方式的不同而差别很大。除间接冷却水外，都含有多 种同原材料有关的物质，而且在废水中的存在形态往 往各不相同，如氟在玻璃工业废水和电镀废水中一般 呈氟化氢 H F 或氟离子 F 一 形态，而在磷肥厂废水 中是以四氟化硅 s i F 4 形态存在，这些特点增加了废 水净化的难度。 矿井水是在矿井开拓、采掘过程中；渗入、滴人、淋 入、流人和涌入井巷或采掘工作面的任何水源，各种水 源与煤、岩层接触，发生一系列物理、化学和生化反应， 产生的矿井水是煤炭生产过程中排放量最多的废水。 矿井水水质随矿井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 水中形成较高的悬浮物，使水的颜色呈黑色。通常排 至地面的矿井水中悬浮物s s 为7 0 4 0 0m g ／L ，这是 由于矿井水在井下水仓中有一定的沉淀作用，否则排 出的矿井水中S S 含量还要高。矿井水水质平均指标 如表l 所示。 表1 矿井水水质指标 项目水质指标 C O D c r B O D 5 S S 1 5 0 m g ／L 2 0 m g ／L 通常为3 0 0 - 5 0 0m g ／L 最大达10 0 0m g ／L 矿井水的其它水质特性主要有以下几点矿化度 较高，矿井水矿化度在10 0 0m g ／L 以上的占5 0 ％左 右，主要含有硫酸盐、重碳酸盐类；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；C O D 含量较低，化学耗氧量 C O D 高于地下水，一般在1 0m g ／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。 从矿井水资源化的角度，根据其物理化学性质，一 般可将矿井水划分为4 种类型，即洁净矿井水、含悬浮 物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水。 洁净矿井水主要分布在我国的东北、华北等地， 此类矿井水水质好，p H 值为中性，不含有毒、有害离子 或者其含量低于生活饮用水标准值 ，低浊度，有的 还含有多种有益微量元素。 含悬浮物矿井水含一般悬浮物的矿井水，一般水 质为中性，矿化度小于l0 0 0m g ／L ，金属离子微量或未 检出，或基本上不含有毒有害离子，悬浮物的主要成分 是粒径极为细小的煤粉和岩尘。此类水分布较广，全 国大多数矿井排水均属此类型。 高矿化度矿井水一般应指微咸水 矿化度1 ～3 g ／L 和咸水 矿化度3 1 0g ／L ，甚至盐水 矿化度 1 0 ～3 0g ／L ，S O 。2 。4 0 0 ～l3 0 0m g ／L 。高矿化度是地 下水与煤系地层中碳酸类及硫酸盐类岩层接触，该类 矿物溶解于水的结果使矿井水中C a “、M 9 2 、C O 。2 。、 H C O ，一、S O 。2 一离子增多。高矿化度矿井水一般呈中 性，因含盐高，硬度相应也高，带苦涩味，俗称苦咸水。 万方数据 矿冶工程第3 1 卷 酸性矿井水是指p H 值小于6 ．0 的矿井水，其生 成的主要原因是由于采煤活动将原来的还原环境变为 氧化环境，与煤共生、伴生的硫铁矿发生氧化，形成硫 酸，p H 值下降，水呈酸性。 4 生活污水。矿区生活污水是指矿区中企业、居 民在日常生活中产生的废水，包括厕所粪尿，洗衣、洗 澡水以及厨房、商业、医院和游乐场所的排水等。 生活污水中合有大量有机物，也常含有病原菌、病 毒和寄生虫卵，无机盐类的氯化物、硫酸盐、磷酸盐、碳 酸氢盐和钠、钾、钙、镁等。总的特点是含氮、含硫和含 磷高，在厌氧细菌作用下，易生恶臭物质。生活污水水 质平均指标见表2 。 表2 生活污水水质指标 项目 C O D 。 B O D 5 S S 氨氮 p H 值 水质指标 1 5 0m g ／L 2 0 0m g ／L 2 0 0m g ／L 1 5m g ／L 6 ．5 8 ．O 5 中水。中水虽不能饮用，但它能用于一些水质 要求不高的场合，将人们在生活和生产中用过的优质 杂排水 不含粪便和厨房排水 、杂排水 不含粪便污 水 、工业废水以及生活污水经集流再生处理后回用， 充当地面清洁、浇花、洗车、空调冷却、冲洗便器、消防 等不与人体直接接触的杂用水。 3 水资源集成原理及目的 3 ．1 水资源集成原理 资源集成就是为了使生产获得更好的有效性和效 率，提高资源的共享度，降低成本，将可用的资源与信 息依据机构运行的机理汇聚起来，使各种资源之问紧 密联系，相互适应，彼此促进与共同发展。将整个矿区 水资源看成一个有机体系，首先根据水质不同设计水 处理系统，然后根据用途分配水资源，最后根据使用后 水的情况，设计再处理与利用系统。总之，水资源集成 利用就是利用系统原理、层级利用原理、生态原理将不 同水质的水资源整合在一起，将不同用水领域整合在 一起，构成一个水资源处理与利用的综合体系，从而形 成一个集处理、利用、循环利用、层级利用为一体的有 机用水整体。。 矿区水资源集成利用所遵循的原理就是把整个处 理水、使用水的体系作为一个有机的系统来对待，合理 分配各用水单元的水量和水质，以使整个系统内水的 循环利用率达到最大，废水排放量最小。 3 ．2 水资源集成目的 矿区水资源集成利用的目的是将矿区各种水资源 整合在一起，构成水资源的综合利用体系，使不同的水 应用到不同的领域，做到物尽其用。 矿区水的种类多种多样，存在总量也很大，但是利 用率却很低下，因此，就需要各矿区企业根据各种水资 源的水源不同、水质不同以及用途不同，对各种水资源 进行集成分析，使之达到循环利用、重复利用的目的。 为此，构建矿区水资源综合利用体系如图1 所示。 ；多余水资源； 图1 水资源综合利用体系 4 矿区水资源集成体系 4 ．1 水资源循环利用集成体系 对水资源循环利用的目的就是尽量减少地下、地 表水的利用量，提高水的利用程度，尽量减少水利用和 处理过程中的能耗量，减少污废水外排量。 各种水资源水质不同，使用后的水质污染程度不 同，处理工艺也会不同，水质不同又会导致其用途也不 相同。水资源的处理方式与工艺不同，其利用渠道也 不同。不同处理工艺单独构成一个相对独立的水处理 系统，要做到不同的水采取不同处理方式，实现水资源 综合利用，就必须将不同处理工艺、处理方法有机结合 在一起构成一个较为完善的水处理系统。用水领域不 同对水质要求也不同，要使各种不同水质的水资源得 到科学合理利用，就要利用系统集成的理论将各种水 系统有机结合在一起，形成完善的水资源利用系统。 耗能领域不同，耗能种类不同，耗能方式不同，耗 能的机理不同，要使能源得到合理开发与利用，就必须 以能源结构优化原理作指导，根据不同能源的特性及 用途进行能源结构集成与优化，为能源的合理利用奠 定基础。矿区水资源中携带大量的热能、动能、势能， 因根据这些能源的特点加以开发利用，达到节能的 目的‘3 | 。 水资源利用过程中要相对产生相关资源 包括废 万方数据 第3 期任一鑫等矿区水资源集成利用途径设计 弃物 ，资源属性不同，开发利用方式也不同，要做到 无害化处理利用，就必须利用子系统集成理论构建固 废物质开发利用体系。综合上述分析，建立水资源系 统集成图，见图2 。 羽谨 一一 西宁确鬯壁 赢蟮 图2 系统集成图 4 ．2 集成系统分析 从系统集成角度分析，水资源的集成利用体系主 要包括水资源开发系统、水处理系统、水利用系统集 成、能源利用系统。 4 ．2 ．1 水资源开发集成对我国矿区水资源来讲，可 待开发的水源的种类多种多样，首先就是要利用好丰 富的矿井水资源，除矿井水外，还有煤炭行业的其他工 业废水、矿区生活污水以及塌陷区地表积水和地下水 等。开发出的水资源可以分为无污染、轻度污染和重 度污染3 种污染程度，根据污染程度的不同，它们都可 以经过不同的处理后分类利用，回用于生产和生活。 矿区水资源的开发集成见图3 。 水 资 源 的 开 发 直接利用 初步处理 高级处理 图3 矿区水资源开发集成 4 ．2 ．2 水资源处理集成 1 地下水资源处理。地下水中溶解了大量的矿 物质，混杂了一些无机物和有机物，开采后稍加处理就 可以作为生活用水。 2 矿井水资源处理。矿井水资源分为老塘水与 采区、掘进面及巷道渗水或涌出水。老塘水除含有盐 等成分外，悬浮物较少，一般情况下通过自净处理就可 以使用。工作面和掘进面的渗水含有少量有机物并且 悬浮物含量较高，需要按照要求进行井下处理后才能 进行使用。 3 电厂废水资源处理。热电厂废水中主要含悬 浮物，可以将废水经澄清和过滤处理后直接用于本系 统循环使用。 4 洗煤厂水。洗煤水含有大量的煤泥和泥砂，最 大限度地从煤泥水中分离出固体悬浮物，可以获得符 合要求的分选介质循环水，在有条件的情况下，也 可以制作水煤浆。 5 生活污水资源处理。生活污水所含污染物的 成分比较复杂，目前主要采用三级处理一级处理，格 栅、沉砂池、调节池和预处理池；二级处理，生态桶和沉 淀池；三级处理，过滤和消毒装置。 6 陆生养殖污水。陆生养殖污水主要是指养殖 过程中产生的污水，其中含有动物的粪便，将这些水输 送到沼气池。矿区水资源处理集成方式如图4 所示。 地下水 矿井水 电厂废水 洗煤水 生括污水 养殖污水 r 水 资 源 的 处 理 生活用水 生产用水 循环使用 制造沼气 图4 矿区水资源处理集成 4 ．2 ．3 水资源本身用途集成根据水自身的特点及 处理后的情况，结合用水领域特点，矿区水资源集成利 用领域如下 1 矿井水利用。净化后的矿井水可用来井下防 尘、井下降温等。用过之后的水和采面、掘进面的渗水 一部分用于洗煤厂、景观区、陆生养殖等。而另一部分 用于浴池、洗衣、饮用等，也可以作为资源外销给其它 用水单位。被利用的水一部分是直接耗费掉的，但多 数废水、污水经过处理后应该循环使用。 2 工业废水利用。电厂废水处理后用于种植业、 养殖业、治沙造林种草、人工植被建设等，做到一水多 用，就地消化，减少向河流排放量，实现废水利用资源 化，植被建设生态化。洗煤厂废水处理后闭环利用，其 万方数据 矿冶工程第3 1 卷 它废水尽量做到处理后综合利用。 3 生活污水利用。矿区生活污水经过处理后水 质达到“中水回用”水质要求，可以用作矿井生产用 水、洗煤用水、绿化用水及其他杂用水 如冲厕所、洗 车、道路喷洒等 。可以用于地面道路、煤场、工厂、矸 石排放口等洒水降尘、刷车、绿化、喷泉、厕所用水。极 大地节约了水资源，同时也降低了污水的排放。这样 在改善周边环境的同时实现生活污水的资源化利用。 4 养殖废水利用。养殖厂的污水中主要含有动 物的粪便，将这些污水可以用来制造沼气。 5 地下水和塌陷区水利用。深度处理做生活用 水或其它对水质要求比较高的领域的用水，也可做调 节用水。由于淡水资源比较宝贵，应该尽量节约使用。 4 ．2 ．4 水资源携带的能量的集成利用水资源能量 一部分是势能，二是动能，三是热能HJ 。能量的开发 与利用要根据具体情况进行，具体集成利用分析如下 1 势能开发利用。水资源携带的势能开发利用。 势能主要由高差形成，矿区水资源中携带势能较多的 是处于不同落差水平的矿井水，其次是地面由于各种 原因形成的落差。这部分能源在井下是将高水平的矿 井水自净后无泵直接用于低水平防尘及其它工业用 途，地面用于绿化、冲洗等领域。 2 动能开发利用。动能是由于机械运行或高差形 成。水资源中携带的动能主要用于相关领域的冲洗。 3 热能开发利用。矿区水资源携带热能主要包 括矿井水携带热能、电厂冷却水携带的热能及其它水 携带的热能。矿井水携带热能主要利用地源热泵技术 用于井下降温、井口防冻、职工洗浴、冬天采暖、夏天制 冷、烘干、发酵等领域，矿井水携带的热能也能够直接 用于养殖、种植等领域。电厂冷却水或其它水源携带 的热能主要利用溴化锂技术用于冬天采暖、夏天制冷， 当然也能够用于烘干等其它工业用途。 5 结论 从经济效益方面分析，进行水资源的集成化化利 用，能够节约处理费、节省水资源开采使用费、节能能 源，节省排污费，能够为企业带来良好的效益。 从生态效益上来讲，污废水回收复用不仅从根本 上解决了污废水排放对环境造成的污染问题，而且可 以减少地下水的开采量，保持地下水和地表水的自然 平衡，有效地缓解地下水位下降的幅度，对防止水源枯 竭，维持地下水的良性循环，改善生态环境，搞好全社 会的环境保护工作有积极作用。 从社会效益的角度上看，水资源循环利用有效地 解决了一系列社会问题实现了企业污水达标排放，减 少了污染纠纷，为企业正常生产活动营造安定和谐的 社会环境；有效地缓解淡水资源紧张的问题，解决了生 产与生活争水及工农业争水的矛盾；企业由资源型生 产转为循环经济综合利用型生产，居民生活和工作环 境得到显著改善和提高。总之，建立水资源集成利用 系统是一项利国、利民、利企的工程，具有较高的推广 应用价值。 参考文献- [ 1 ]任一鑫，房建国．新汶矿区循环经济发展模式[ M ] ．天津天津科 技出版社，2 0 0 9 ． [ 2 ] 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