我国煤矿矿井水处理技术现状及其发展趋势.pdf

第卷第期煤炭科学 技 术年 月 ⋯⋯⋯黑 糕 ⋯麟 ⋯洲 ⋯渊 渊⋯⋯⋯撇⋯⋯⋯⋯ 我国煤矿矿井水处理技术现状及其发展趋势 高亮 煤炭科学研究总院 杭州环境保护研究所 , 浙江杭州 川 摘要在充分分析我国矿井水利用现状的基础上指出 了矿井水完全可 以作为一种 良好 的水资源 用于煤矿生产 、 生活和其他相关领域分析了矿井水被 充分利用的可行性 、 矿井水 的主要水质类型 等 , 总结了矿井水处理的一般工艺 , 指 出了矿井水处理技术的发展趋势 。 关键词矿井水处理技术发展趋势 中图分类号文献标志码文章编号 一一一 刀召沪‘ 二俪 , ‘ 、 人“ 。 刀之 , ’ 。, , 。 ,, 四。, , , 、 群 煤矿区是自然生态环境污染与破坏严重 的区域 之一 , 当今世界所面临的五大难题中 , 其中的资源 问题 、 能源 问题和环境问题都与煤炭开采有着密切 的联 系 。 煤炭开采对生态环境的破坏和环境的污染 同其他行业相比有着显著的特点 , 它主要表现在以 下方面 对土地资源的破坏和占用 。 地下 开采以 地表塌陷和研石 山压占为主 , 而露天开采则以直接 挖损和外排土场压占为主 , 我国以上的煤炭 产量来 自地下开采 。 对水资源 的破坏和 污染 。 煤炭开采过程 中 , 为保证安全而进行 的人 为疏干排水和采动形成 的导水裂隙对煤系含水层 的自然疏干 , 共同破坏和 污染了地下水资源 。 与此同时 , 大量未经处理含有 煤粉 、 岩粉和其他污染物的矿井水外排 , 又影响到 矿区及其周边环境 。 对大气环境的污染 。 主要来 自矿 井排风 、 煤层瓦斯抽放和煤矿研石山的自燃 。 我国是世界煤炭 产量和矿井数量最多的国家 , 矿井水的年排放量也居世界之首 。 矿井水是伴随煤 炭开采而进人采掘空间且必须排 出的一种废水 , 其 特点是排放量大 , 除酸性矿井水外 , 一般污染程度 均较轻 , 经处理后是很好的再生水资源 。 据粗略统 计 , 国内矿井平均吨煤涌水量在 一 时 , 且不 同地区差异很大 , 东北地区在 一, 华北 、 华 东和河南大部分矿区为 一 耐南方矿区在 , 以上西部矿区在 , 以下 。 以此推算 , 近 几年国内煤矿矿井水的排放量在 一 亿 。 大部分矿井水中含有煤粉 、 岩粉 、 细菌和其他污染 物 , 不经处理无法直接利用 。 另外 , 煤炭开采在破坏地下水资源同时 , 还加 剧了缺水地区的供水紧张 。 我 国是世界上人均占有 水资源量较低的国家之一 , 且水资源分布极不平 衡 。 从采煤地区分布来看 , 富煤地区往往也是贫水 地区 。 全国个国有重点矿区中 , 缺 水矿区占 , 其中严重 缺水矿区占 。 随着煤炭开采 强度的加大和延伸速度的不断提高 , 矿区地下水位 将大面积下降 , 使缺水矿区供水更为紧张 , 从而影 响当地居 民的正常生产和生活 。 另一方面 , 大量地 下水资源 因煤系地层破坏而渗漏 至矿井并被排出 , 这些矿井水被净化利用率不到 , 造成一边是 大量矿井水白白流淌 , 一边是矿区严重供水短缺 。 第卷第期煤炭科学技术年月 矿井水被充分利用的可行性 目前煤矿矿井水的利用率较低有多种原因 由于多数矿区工业经济不发达 , 仍有较 多的浅层地下水可供煤矿所用 , 使他们没有用水紧 张的紧迫感 。 尽管国家提高了抽取浅层地 下水的水资 源费价格 , 各地视情况不同一般为 一 元 , 但由于当地水利部 门执法力度不 强 , 实际收取 的水资源费要低得多 , 因而大幅度降低了煤矿抽取 地下水的成本 。 因为不与安全和生产直接相关 , 许多煤 矿对矿井水处理不重视 , 当然也有一些是设计上的 原 因 , 矿井水处理效果不好 , 使一些领导认为矿井 水不能复用 。 由于直接参与了井下的生产活动 , 职工 对矿井水处理后作饮用水一直心存疑虑 。 随着煤矿区工农业生产的发展和人们生活水平 的提高 , 特别是煤矿配套选煤厂 、 电厂和煤炭深加 工项目的大量投产 , 矿区的用水量将会大幅度增 加 。 即使是现在的一些富水矿区 , 将来也会逐渐成 为缺水矿区 。 另外 , 矿井水利用途径 十分广泛 , 主 要可用作以下 几个方面①井下工业用水②煤 炭加工③矿区生活用水④其他用途用水 , 如 图所示 。 矿井水利用 原则应为先井下 , 后井上 , 先工业后 生 活 , 最后 是农业 。 从煤矿水的用途来 看 , 真正作生活饮用水的不到图 , 绝大 部分是工业和生活杂用水 。 矿井水回用途径 矿矿区生活活活采煤煤煤煤炭加工工 生生生生生生生 堕堕堕 输输输空空空辅辅辅机机机 建建建 研研 活活活活活活活活活送送送气气气助助助修修修筑筑筑石石 用用用用饮饮饮饮饮机机机调调调 工工工厂厂厂厂厂 「 匕匕 水水水水用用用用用保保保 卫卫卫 厂 站站 养养养养养养养养养养养养养养养养养养养 冲冲冲冲喷喷喷喷喷喷井井井输输输转转转温温温瓦瓦 洗洗洗洗洒洒洒泉泉泉卜卜卜送送送载载载度度度斯斯 卫卫卫卫道道道 皇 水水水机机机 占占占 调调调抽抽 生生生生路路路 巧灭灭灭 幕幕幕洒洒洒洒洒洒 卫卫卫 放放 用用用用用用观观观观观水水水水水水器器器器 水水水水水水水水水水水水水水水水水 图矿井水处理 后的具体用途 因此 , 煤矿完全可以通过分质供水来充分利用 净化后 的矿井水 。 将矿 井水处理利 用并取代地下 水 , 可以减少地下水的超量开采 , 实现矿井水资源 化利用 , 促进矿区可持续发展 。 矿井水的主要水质类型 煤矿矿井水依据其中有害物质的主要种类可大 致分为以下种水质类型 含悬浮物矿井水 。 在煤炭开采过程中 , 地下水与煤 、 岩层接触发生一系列物理 、 化学和生 化反应后被排出 , 因此矿井水中一般均含有煤粉 、 岩粉和豁土等固体颗粒 , 其主要成分为煤粉 。 煤粉 的密度一般只有岁耐 , 远小于地表水系中泥 砂颗 粒物的密 度平 均密度 一 般 为 一 岁 , 。 因此煤矿矿井水中的悬浮物颗粒具有密 度小 、 沉降速度慢等特点 。 由于含悬浮物矿井水中煤粉的作用 , 尽管有时 矿井水悬浮物不算很高 , 可黑色却十分明显 , 感观 性状差 。 含悬浮物矿井水中悬浮物的含量为每升几 十至几百毫克 , 少数超过岁 。 但在井下水 仓清仓时 , 悬浮物含量每升最高可达上万毫克 。 高 矿化 度矿井 水中 含 有 大量的 , , ‘,‘,‘,一, 一, 等离子 , 这 些离子总量大于岁 , 水质多数呈中性或偏 碱性 , 带苦涩味 , 俗称苦咸水 。 高矿化度矿井水又 可分为微咸水矿化度为 一 岁 、 咸水矿化度为 一 岁 。 我国煤矿 高矿化度矿井水含盐量一般在 一 酬 , 少数达扩以上 。 高矿化度矿井水主要分 布在我国北方矿区 、 西部高原 、 黄淮海平原及华东 沿海地区 。 矿井水中矿化度高的原 因是多种因素形成的 , 主要是①被采煤层中含有大量碳酸盐矿物及硫 酸盐类矿 物 , 使矿井水 中 , , ,十 , , 一 等盐类离子增加②地区干旱 , 降水量小 , 蒸 发量大 , 地下水补给不足 , 促使矿井水盐分浓缩 ③当开采高硫煤层时 , 因硫化物氧化产生游离酸 , 再同碳酸盐矿物 、 碱性物质发生反应 , 使矿井水中 ,十 , ,十 , 代 一 等离子增加④矿区处于沿海 地带 , 地下咸水浸入煤田 。 煤矿 酸性矿井水是煤矿外排水 中危害较 大的一种废水 。 其不仅腐蚀排水设备 , 而且排到地 面后还危害水生动植物及周围农作物的生长 。 酸性 矿井水主要是由黄铁矿与氧和水反应所形成的 , 故 水中往往含有大量的铁离子成分而呈现出明显的黄 色 。 根据值 , 可将酸性矿井水分为强酸型 第卷第期煤炭科学技 术年月 和弱酸型 毛蕊 。 含特殊有 害成分矿井水 。 该类矿井水 中 往往含有一种或几种对人体有害的成分 , 包括象微 量放射性元素 、 重金属 、 氟 、 石油等 , 这些有害成 分尽管含量不高 , 但由于超过 了国家生活饮用 水水质标准规定 的限值 , 从而成为矿井水处理 作生活饮用水的最大障碍 。 矿井水处理的一般工艺 矿井水中悬浮物的去除 煤矿矿井水中的悬浮颗粒由煤屑 、 岩粉和少量 私土组成 , 其中主要是煤屑 , 其处理工艺与 自来水 厂的给水处理基本相同图 。 浓水循环 供给 极水步 放 一原水池一原水泵一精密过滤器一清水池一清 水泵一电渗析设备一淡水池一淡水泵一气压供水 罐一浓水池一浓水泵 图电渗析淡化工艺流程 浓水池 供水 供水 原水池提升泵 过滤器清水池高压泵反渗透 淡水池 生产用水 预预预 加药药 提提提清清清供供 沉沉沉升升升水水水水水 调调调调调调泵泵泵池池池泵泵 节节节节节节节节节 池池池池池池池池池 图矿井水净化处理工艺流程 一般矿井水中的硬度离子普遍偏高 , 因此在矿 井水净化处理工艺中 , 可以加人适当的除硬药剂去 除钙 、 镁离子 , 以改善出水水质 , 拓宽用水范围 。 杭州环境保护研究所在东北某矿务局 口 的 矿井水净化作城市生活用水工程中 , 采用前置投加 除硬药剂 , 降低了出水硬度 , 顺利实现了与城市 自 来水供水管路并网 , 服务人口达万人 。 高矿化度矿井水苦咸水中溶解性盐类的 去除 据粗略统计 , 我国煤矿约有的矿井水 中 的溶解性盐类大于群 , 超过了国家饮用水 标准所规定的限值 。 这类矿井水经净化处理后作为 一般的工业用 途是没有问题的 , 但在诸如锅炉 补 给 、 井下配制乳化液 、 居民生活饮用等 , 对水质要 求相对较高的场合 , 这部分水的利用就受到了限 制 。 苦咸水 中盐类的去除大都采用膜法 , 以往采用 电渗析的占多数 , 近年来随着反渗透技术的成熟及 其投资和运行成本的降低 , 反渗透法已后来居上 , 大有替代电渗析法 的趋势 , 种方法处理的工艺流 程如图 、 图所示 。 酸性矿井水 的处理方法 酸性矿井水的处理多采用 中和法 , 中和剂可以 是各种碱性物质 , 其 中以苛性钠和纯碱作中和剂 , 图反渗透淡化工艺流程 用量少且污 泥体积小 , 但因成本较高 , 现已不用 。 目前应用最广是采用石灰石或石灰作中和剂 , 以石 灰石作中和剂的主要有中和滚筒过滤法 、 升流膨胀 过滤中和法 , 以石灰为中和剂的主要有石灰乳中和 法 。 石灰石中和滚筒过滤法酸性矿井水、调节池 一中和滚筒处理机一沉渣池、反应池、斜管沉淀池 。外排 。 该方法的优点是操作简单 , 管理方便 , 处 理费用低缺点是在中和后的出水中 , 存在着大量 的碳酸 , 使出水的值一般只能维 持在 , 难以达到排放标准 。 目前解决问题的方法主 要有对中和后 的出水进行曝气处理 , 一是驱赶溶 于水中的 , 使值升高 , 二是使 , 变成 而去除 。 石灰石升流膨胀过滤中和法酸性矿井水一调 节池一中和滤罐一沉砂池一曝气池、斜管沉淀池一 外排 。 该方法采用细小滤料 , 酸性水 自下而上通过 滤料 , 中和后产生硫酸钙被水及时带走 , 处理后 的 值可达 以上 。 石灰乳 中和法由于该处理工艺简单 , 且易于 实现全过程 自动控制 , 目前已被 企业 所广泛采用 , 其处理工艺流程如 图所示 。 塑塑塑塑 提提提提提升升升升升升升升升升升升升升升升升升升升升升升升升 过过 含含铁酸性性性性性性性泵泵泵中和和和曝气 、 混凝凝凝滤滤 仃仃井水水水 ,位 位位位位 沉淀池池池沉淀池池池池池 清清清清计计计计计计计计计计计计计计计螺螺螺压压 水水水水量量量问用或或或污泥泥泥杆杆杆滤滤 池池池池井井井排放放放浓缩池池池泵泵泵扫 图石灰乳中和法工艺流程 第卷第期煤炭科学技术年 月 特殊有害成分的去除方法 矿井水中微量放射性物质的去除工艺 工 药剂专用吸附剂 矿井水。调节池一提升泵一水力循环澄清池一 无阀滤池一清水池一加压 泵一用户 去除矿井水中硬度物质的软化工艺 丰药剂专用软化剂 矿井水一调节池、提升泵一水力循环澄清池一 无阀滤池一清水池一加压泵一用户 矿井水中氟离子的去除工艺 矿井水。调节池、提升泵活性氧化铝罐一清 水池一加压泵、用户 矿井水处理技术的发展趋势 矿区生产的发展 和人们生活水平的提高 , 必然 导致需水量的不断增加 , 特别是随着我国的重点产 煤区逐渐向西北部干旱和半干旱地区转移 , 矿区供 水紧张的矛盾将会日益突出 。 近年来 , 在国家产业 政策和宏观调控措施指导下 , 大部分煤矿已改变原 来将矿井水简单处理后直接排放的做法 , 而是将矿 井水处理后作为宝贵的水资源加以充分利用 , 这势 必对现有的水处理工艺技术提出更高的要求 。 因 此 , 在没有发达 国家同类技术得以借鉴的情况下 , 开展矿井水处理水质特性及其处理技术的攻关研究 是非常必要的 。 根据国内煤矿矿井水处理的实际需 求及所碰到的技术难题 , 目前应该集中解决以下技 术问题 。 矿井水的水质特征分析 矿井水是一种地下水 , 但它又 区别于普通的地 下水 。 由于长期赋存于地下 , 大量矿物质溶入其 中同时 , 受井下开采活动的影响 , 油类等有机物 质也进人到水体中 , 使得矿井水的水质成分变得较 为复杂 。 因此 , 从水化学角度研究与分析矿井水中 悬浮性的 、 溶解性的和处于胶体状态的各种物质的 组成 , 从而科学地确定矿井水的最佳处理路线 。 尽 管来自不同煤矿的矿井水水质不完全相 同 , 但通过 矿井水的水质特征分析 , 可以找出不同类别矿井水 中共性的成分 , 从而为矿井水的净化和资源化利用 提供科学依据 。 矿井水的水质特征分析是一项基础 性的科研工作 , 必须由国家投人经费来完成 。 净化处理新工艺 、 新技术的研究 目前矿井水中悬浮去除的净化方法都是参照城 市 自来水厂的工艺而来的 , 只是采用的设计参数有 所不同 , 其最大的缺点是占地 面积大 、 施工周期 长 , 工程投资也 比较大 , 因此研究具有高处理效率 的水处理装置和药剂仍然有一定的空间 。 水处理新工艺的开发 。 矿井水 中的悬浮 颗粒主要由煤泥组成 , 目前大都采用沉淀的方法来 加以去除 。 但煤矿在生产过程中不可避免地会将乳 化油和废机油混人到矿井水中 , 这些有机物由于密 度比水小 , 不可能通过沉淀的方式来除去 , 给矿井 水的净化带来了困难 。 为了解决这个问题 , 必须考 虑在净化工艺中考虑到油类物质的去除工序 。 目前 较常用的有加药上浮或吸附方式 , 但其实质性的处 理效果如何目前仍无定论 , 必须通过试验或工程实 践加以判别种方法各自的处理效率和优缺点 。 根据现有水处理构筑物体积庞大的缺点 , 开发 一种全新的高效水处理净化装置也很有必要 , 特别 是适合井下使用 的矿井水净化设备 , 把小水量的矿 井水在井下就加以净化 , 直接用于配制乳化液 、 井 下防尘等 , 这类设备目前用户的需求量比较大 , 市 场前景 良好 。 高效水处理净化药剂的研 发 。 目前最传 统的混凝净化药剂均为铝盐 、 铁盐及其聚合物 , 尽 管近年来不断有新净化药剂的报道 , 但综合技术效 果与经济因素 , 上述种药剂的市场主导地位在今 后相当长的时间内将无法撼动 。 但助凝剂的情况就 大不一样 , 市场上不断有新的药剂出现 , 而且往往 是不同的水源就有不同的助凝药剂 。 因此 , 针对矿 井水的水质特点 , 开展适合矿井水助凝药剂的研究 仍存在相当大的空间 。 如以前研究人员根据矿井水 中煤泥较多的特点 , 提出用高分子絮凝剂与铝盐类 无机混凝剂配合投加 , 不但提高了矿井水的净化处 理效果 , 而且使后者的投 加量减少了乃 一 , 大幅降低了水处理成本 。 水中硬度物质的去除 。 水 中的硬度物质 即钙 、 镁成分一旦过高 , 即会引起与之接触的 输送管路和设备的结垢 。 煤矿矿井水由于常年处于 地下 , 水的流动性差 , 大量矿物质溶入其中 , 故一 般矿井水的硬度离子均比较高 。 石灰法去除水中的硬度成分是目前工业上应用 最 多的方法之一 , 其主要优点是处理成本低 。 缺点 是工艺条件控制要求严 , 一旦投加过量或不足 , 会 导致硬度成分除不尽或再度升高另一个缺点是化 石灰时操作工人的劳动强度很大 。 近几年随着工业 自动化程度的提高 , 使化石灰和药剂投加的控制均 第卷第期煤炭科学技 术年 月 可 以实现自动化操作 。 在实际工作中发现 , 投加石灰不仅可以去除水 中的硬度成分 , 而且可以使微量放射性物质通过与 碳酸钙形成共沉淀而去除 , 从而 为水中放射性物质 的消除开辟了一条新的途径 。 矿井水 中所含有的特殊有害成分 , 必须 在认真分析其化学组成与化学性质的基础上 , 研究 采用简单而经济的去除方法 , 以消除矿井水作为生 活用水的最终障碍 , 使其在煤矿区能够真正实现充 分利用 。 结语 参考文献 由于国家宏观政策的缺位和受传统观念 的影响 , 水在大部分煤矿区一直作为为廉价的资源 而被滥用 和浪费 , 这与我国 目前所面临的水资源严 重短缺的现状是极其矛盾的 , 必须通过制定严格的 法规和广泛 的宣传来改变这种局面 。 由于对矿井水缺乏基础性的水化学研究 , 目前煤矿区对矿井水的利用仍是比较粗放和简单化 的 , 这种现象又反过来加重了人们对矿井水的误 解 , 从而在某种程度上制约了矿井水广泛利用 。 为提高我国煤矿矿井水处理的技术水平 , 必须在详细分析矿井水的水化学组成和物化性质的 基础上 , 研究合适的矿井水处理工艺和参数 , 以提 高煤矿矿井水利用的技术水平 。 周如禄 , 高亮 , 陈明智煤矿含悬浮物矿井水净化处理 技术探讨「煤矿环境保护 , 胡文容煤矿矿井水处理技术「了上海同济大学出版 社 , 袁存忠 , 陈锦如水资源与矿井水处理利用〔合肥工 业大学学报 , 增 董秉直 , 曹达文 , 范瑾初膜技术应用于净水处 理 的研究 和现状给水排水 , ,﹁ ,一 广 一一一广 刁, ,、 尸 产一一匕 作者简介高亮 一 , 男 , 浙江萧山人 , 现为煤炭科 学研究总院杭州环境保护研究所所长 , 从事煤矿矿井水资源化 、 工 业废水处理印染 、 造纸 、 化工 、 电镀 、 环境影响评价等方面的 科研及工程实践工作 。 收稿日期 一一 责任编辑朱拴成 小洲 洲洲 月洲洲洲, 洲 洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲洲卜 煤炭科学研究总院杭州环境保护研究所简介 煤炭科学研究总院杭州环境保护研究所位于美 丽 的杭州西子湖畔 。 杭州所始建于年月 , 于年在杭州市萧山区重 建 , 其前身是浙 江省 煤炭研究所 。 杭 州所年归属煤炭科学研究总 院 , 是原煤炭部所属 的环保专业研究所 , 研究重点 是煤矿矿井水净化 与资源化 。 年按国务 院科 技体制改革相关文件 , 随煤炭科学研究总院整体转 制 。 现属 国务院国资委管理的中央直属科技企业 。 目前已有 职工人 , 其 中为科技人员 。 科 技人 员所学专业涉及环境保护 、 土木工程 、 环境监 测 、 给排水 、 自动控制 、 机械 、 电气 、 分析化 学 等 。 杭州所注册资本万元 , 总资产余 万元 。 杭州所设有水处理工 程部服务煤矿 、 环境 工程一部 、 环境工程二部重点面向工 业废 水 、 废气的处理环境影响评价 中心一部 、 二部 、 三 部等主要业务科室 。 还设有科技 中心 , 负责技术创 新工作 。 另建有由所控股的杭州德尔福涂料有限公 司 , 生产环保型建筑涂料 。 杭州所拥有建设部颁 发的环境工程专项设 计甲级证 书废水和环境工程专项设计乙级证 书废气 , 国家环保总局颁发的环境影响评 价证书 乙级 , 国家发改委颁发 的工程 咨询 证书 乙级 , 环境污染治 理工程总 承 包资质 水 、 气等有关资质证书 。 可以开展煤矿矿并水 净化与资源化 、 矿区生活废水处理 、 工业污水的治 理回用和工业废气的治理 、 环境影 响评价等业 务 。 同时也可进行矿区循环经济咨询 、 水资源利用规划 等咨询业务 。 建所以来 , 先后承担了国家及省部级科研项目 余项 。 主要有矿井水净化及资源化成套技术 与装备的开发 、 煤矿 矿 井水除盐除氟作饮用水研 究 、 矿区生活污水处理及回用技术研究 、 煤矿火药 厂废水处理研究 、 矿 井水处理 自动控制设备 的研究等 。 科研成果中获省部级科技进步奖项 , 下转第页