[科普中国]-煤矿矿井水处理技术

介绍

煤矿矿井水是指在采煤过程中，所有渗入井下采掘空间的水，矿井水的排放是煤炭工业具有行业特点的污染源之一，量大面广，我国煤炭开发每年矿井的涌水量为20多亿立方米，其特性取决于成煤的地质环境和煤系地层的矿物化学成分。矿井水流经采煤工作面和巷道时，因受人为活动影响，煤岩粉和一些有机物进入水中，我国矿井水中普遍含有以煤岩粉为主的悬浮物，以及可溶的无机盐类，有机污染物较少，一般不含有毒物质。因此，对矿井水进行净化处理利用，将产生巨大大经济效益和社会效益。煤矿矿井水处理方法根据水质的不同而定。

不同矿井水及处理方法对不同水质类型矿井水采取的处理方法和处理深度为：

(1) 洁净矿井水。可设专用输水管道引出给予利用，作生活饮用水时需进行消毒处理。

(2)一般矿井水。采用沉淀法在井下或地面去除悬浮物。一种是利用井下水仓处理，将水仓隔成若干段，矿井水进入水仓前投加絮凝剂，经水仓各段沉淀与溢流，最后达到排放标准。另一种是在地面构筑沉淀池，矿井水排放沉淀池中沉淀后排放。这类水供生活和生产使用时，一般采用常规净化处理工艺 。

矿井水处理量较小时，也有采用组合式净水器，它是将混凝、沉淀、过滤等工艺集为一体的设备，具有一次投资省、占地面积小、操作方便的特点。

(3)高矿化度矿井水。常用的处理方法主要有蒸馏法、电渗析法和反渗透法等。中国多采用电渗析法，电渗析器必须进行严格的前处理，进入电渗析器的水浊度控制在3°以下，并确保Fe、Mn、Cl等符合规定要求。电渗析法耗电较多，处理费用较高。

(4)酸性矿井水。采用中和法，以石灰或石灰石作为中和剂，通常有直接投加石灰法、石灰石中和滚筒法和开流式变滤速膨胀中和法3种工艺流程。直接投加石灰法： 将石灰配制成石灰乳，投入反应沟流入反应池，对水中的Fe2+要进行曝气氧化，中和生成物Ca-SO4和Fe (OH)3在沉淀池中沉淀后去除。

石灰石中和滚筒法：将石灰石置于滚筒内，由于滚筒的旋转，石灰石相互撞击摩擦，破坏其表面生成的难溶性CaSO4膜，扩大酸性水与石灰石的接触面，使中和反应继续进行下去，生成的CO2以及水中原有的Fe要在曝气池曝气，促使CO2从水中逸出，使Fe离子氧化成Fe3+离子，后者水解后生成沉淀除去。

升流式变滤速膨胀中和法： 用细粒石灰石或白云石装入圆锥体形的中和塔，水流自下而上通过滤料，滤速下部快上部慢，中和反应得以充分进行，出水含有CO2经曝气装置吹脱后pH值升高，Fe2+离子也被氧化为Fe3离子去除。美国近年来研究酸性矿井水的人工湿地处理系统。湿地系统的介质粘土、矿渣、砾石、土壤对酸性水中溶解性Fe、悬浮物和pH值都有明显的处理效果，在建造湿地时，最好选择耐受性能好的植被品种，有香蒲、灯心草、宽叶香蒲等。一般湿地对酸性矿井水中Fe去除率可达80%以上，并且具有稳定持久的去除能力，对调节pH值或去除悬浮物和Mn也有一定的效果。

(5)含有毒有害元素或放射性元素矿井水。首先去除悬浮物，然后对其中不符合目标水质的污染物进行处理。对含氟水，可用活性氧化铝吸附除去氟，也可在用电渗析法除盐的同时除氟。含铁、锰水，通常采用曝气充氧、锰砂过滤法去除。对含重金属和放射性元素水，可采用混凝、沉淀、吸附、离子交换和膜技术等处理方法。

实际矿井水大多为复合型水，在设计水处理工艺时必须搞清楚水质和水量，然后考虑水处理单元操作的取舍和优化组合，而矿井水或多或少含悬浮物，因而含悬浮物水的处理工艺对于任何类型矿井水都是适用的前处理步骤。

矿井水处理技术现状我国将矿井水作为水资源开发利用已经有近40年的历史，含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水和酸性矿井水的处理工艺基本成熟。含悬浮物矿井水的处理工艺流程一般为：悬浮物矿井水→水量调节池→提升泵→沉淀池（或澄清池） →过滤→消毒→回用[3]。高矿化度矿井水的预处理工艺同常规矿井水相同，在后续工序中增加了除盐工序，现阶段我国常用的除盐工艺为反渗透技术。酸性矿井水的处理主要是采用石灰或氢氧化钠加药进行中和。矿井水处理后要进行充分消毒，目前主要是采用二氧化氯或隔膜电解食盐产生氯气等混合气体的消毒方式。

悬浮物矿井水处理技术1、水质特点
含悬浮物矿井水中的主要悬浮物为煤粉颗粒，还包含一部分岩粉和黏土等，颜色为黑色，含量变化较大，从几十mg/L至数千mg/L不等。由于煤粉粒径偏小，大小相差悬殊，在投加混凝剂后形成的矾花结构比较松散，混凝沉降性能差，沉降速度较慢。同时，煤粉颗粒在水中还受到布朗运动的影响，令悬浮物矿井水不但有悬浮物的特性，还有一些胶体的性质。

2、 处理方法和原理
目前对悬浮物矿井水的处理技术已经比较成熟，只要采取常规的混凝、沉淀、过滤的工艺，出水即可达到工业用水的标准。混凝是通过向废水中投加混凝剂，使其中的胶粒物质发生凝聚和絮凝，形成较大颗粒或絮凝体，进而将水中悬浮颗粒从水中分离出来以净化废水。混凝剂可分为无机盐类和高分子物质2大类。影响混凝效果的因素有：水温、pH值、浊度、硬度及混凝剂的投放量等。矿井水在经过混凝反应后通过沉淀池去除大颗粒的悬浮物，实现固液分离。按池内水流方向沉淀池可分为平流式、竖流式和辐流式三种。经沉淀后的矿井水通过设置粒料层进行过滤，滤料一般选用无烟煤和石英砂，常用的过滤设施为快滤池和重力式无阀滤池，经过滤的矿井水可达到工业用水标准。处理后的矿井水如果要作为生活用水使用的话，则在混凝、沉淀、过滤处理后，需要增加吸附工序来去除水中的有机污染。

高矿化度矿井水处理技术1、水质特点
地下水与煤系地层中碳酸盐类岩层及硫酸岩层长期直接接触，从而导致该类矿物溶解于水，使矿井水中含有大量的ca2+，Mg2+，K+，Na+，SO42-，Cl-，HCO3-等离子，形成高矿化度矿井水。该类矿井水的含盐量一般在1000-4000mg/L，最高为一万多mg/L。因含盐量大，带苦涩味，一般高矿化度矿井水也称苦咸水。高矿化度矿井水主要分布在我国北方矿区、西部高原，以及黄淮海平原和华东沿海地区。
2、 处理方法和原理
目前国内处理高矿化度矿井水的主要方法有药剂法、离子交换法和膜处理法。现阶段较常用的处理方法是膜处理法，其中主要包括电渗析法和反渗透法。目前我国主要采用反渗透法来对高矿化度矿井水进行处理，电渗析法基本淘汰不再使用。反渗透法的原理是通过施加一个大于渗透压的压力，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂分开的分离方法，其脱盐率高达95%以上。为了减小污染对膜系统的影响，就必须在膜工序前增加前处理工艺。前处理工艺一般采用机械过滤器、活性炭过滤器、保安过滤器的三级过滤工艺，也可使用超滤膜来代替三级过滤进行前处理。为了解决膜结垢的问题，则需要在矿井水进入膜系统前投加阻垢剂。阻垢剂的选择和投加数量的确定，应根据高矿化度矿井水的水质，通过进行阻垢剂试验来确定。1

矿井水资源化将矿井水作为一种水资源加以处理利用，即为矿井水资源化。中国有70%煤矿水资源紧缺，其中有40%煤矿严重缺水，北方煤矿尤为突出，已成为影响煤矿职工生活和制约煤炭生产发展的关键因素。中国矿井水排放量每年约有22亿m，矿井水资源化是解决矿井水污染环境与煤矿供水严重短缺这一对矛盾的最佳出路。矿井水资源化的程度要因地制宜，取决于当地煤矿对水资源的具体需求以及技术经济的可行性。主要考虑的因素有：矿井水水量和水质类型;对目标水质和水量的需求; 水处理工程投资和生产成本;各种处理方案的对比与优选等。矿井水资源化除供煤矿作为生产用水外，还应统筹考虑区域水资源的供水条件，尽可能供给邻近工矿企业或作为农业灌溉用水。2