煤炭矿井水处理利用技术进展

崔玉川，杨云龙，谢锋
太原理工大学，太原　030024

　　摘要：针对矿井水特点，对现代煤炭矿井水处理利用技术中的悬浮物处理、高矿化度矿井水处理和酸性矿井水的处理技术，进行了简要介绍。
　　关键词：煤矿；矿井；水处理；悬浮物
　　中图分类号： X752
　　文献标识码： A
　　文章编号： 1009－2455(2000)-02－0001－03

Technical Development in The Treatment and Utilization of Coal Mine Water
CUI YU-chuan YANG Yun-long? XIE Feng

　　Abstract： A brief introduction is made to the treatment technology for suspended matters highly-mineralized mine water and acidic mine water in the treatment and utilization of modern coal mine water in AccorDAnce with the characteristics of the mine water．
　　Key words:?coal mine;?mine;?water treatment;?suspended matter

　　矿井水的处理工艺技术，决定于矿井水的性质和处理后的用途。从水质成份上看，矿井水既具有地下水及地面水的特点，又具有天然水体原水与污废水的性质。因此，对其处理方法，可按城市给水净化工艺、工业给水纯化工艺以及废水处理工艺进行。根据目前掌握的水处理技术对不同类型的矿井水进行处理，都可达到不同使用目的的水质标准和要求。主要的问题是经济上是否合理可行。因此，研究更有效、更经济、更适用的矿井水处理回用方法，仍是非常实际和重要的水处理技术课题。

1　对悬浮物的处理

　　构成矿井水悬浮物的主要成份是粒径极为细小的煤粉和岩尘。因此，靠自然沉淀去除是困难的，必须借助混凝剂，采用混凝沉淀的处理方法以实现对悬浮物的去除。目前，对于矿化度不高而悬浮物含量较高的矿井水的处理，有较成熟可行的经验，一般采用混凝、沉淀（或浮升）以及过滤、消毒等工序处理后，其出水水质即能达到生产使用和生活饮用标准的要求。
　　所用混凝剂一般为硫酸铝和聚合氯化铝。采用聚合氯化铝铁，对矿井水进行处理实验结果表明，这种无机高分子混凝剂对矿井水的水温及pH的变化适应性很强，其去浊率比硫酸铝有明显优势。而对于聚丙烯酰胺这类有机高分子剂，由于其价格昂贵和毒性，在矿井水作生活饮用水源处理中较少采用。
　　在处理回用工艺技术的研究与应用方面，前苏联起步较早，全苏煤矿环保研究院研制了用压力气浮法净化矿井水，采用净化水部分循环工作方式，循环水在压力箱中剩余压力作用下充满空气，较好地形成轻浮选剂。前苏联采煤建井和劳动组织研究所研究的电絮凝法，是以直流电通过金属电极处理矿井水，在电化学、电物理综合作用下，使矿井水杂质颗粒、水和微气泡形成松散团粒，凝聚后漂浮在水面上，形成一层泡沫后用刮板排除。此法可使杂质团粒的沉淀速度提高数倍，并对排除乳化于水中的石油产物和其污物有效。
　　我国煤矿矿井废水处理与回用研究起步较晚，且处理率较低。近几年，中国统配煤矿总公司所属各矿对矿井水的处理，尤其是深度处理方面的工作才逐步展开，环保工作者积极研究矿井水处理和合理利用的有效方法，兖州矿务局南屯煤矿采用混凝剂和助凝剂复合配方，使废水中悬浮物在普通煤泥沉淀池中沉淀，处理后可达排放标准，且能满足工业用水要求。平顶山矿务局七矿把低矿化度的矿井水处理到饮用水标准，建成了一座日处理能力3万T的净化厂，其工艺采用混凝、沉淀、过滤、消毒，不仅减少了对环境的污染，而且取得了明显的经济效益。徐州矿务局重点研究了混凝剂的配方及用量，采用在井下处理的方案，在水沟处(距水仓入口处5 m)投加碱式氯化铝或聚硫酸铁，并在水沟内设置若干阻流栅条，或在水沟底部铺设一些大卵石，使水与药剂均匀混合，在水仓入口处斜坡段投加聚丙烯酰胺，可使悬浮物含量由1 040 mg/L降至400 mg/L，用作矿区的工业用水。鲍店煤矿用化学沉淀法，利用中央水仓处理矿井水也取得了良好的效果。另外，北京门头沟煤矿、山西潞安五阳煤矿、四川威远煤矿等也都是采用给水处理的传统净化工艺，使处理后的井下水作为矿区饮用和使用水。

2　高矿化度矿井水的处理

　　高矿化度矿井水是指含盐量大于1000 mg/L的矿井水，我国煤矿高矿化度矿井水的含盐量一般在1000～3000 mg/L之间，少量矿井达4000 mg/L以上。因这类矿井水的含盐成份主要是源于Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、SO₄^2-、HCO₃^-、Cl^-等离子，其硬度往往较高，既不适用于生活饮用，更不适宜作锅炉用水。
　　对高矿化度矿井水的处理工艺，除采用给水净化传统工艺去除悬浮物和消毒外，其关键工序就是脱盐。降低矿井水含盐量的方法，主要有以下几种。
2.1　化学法
　　离子交换法是化学脱盐的主要方法，即利用阴阳离子交换剂去除水中的离子，以降低水的含盐量。此法用在进水含盐量小于500 mg/L时比较经济，可用作高矿化度水经膜分离法处理后的进一步除盐工序。
2.2　热力法
　　使用高温(蒸馏)和低温(冷冻)的处理过程均属热力法淡化。蒸馏法是对含盐水进行热力脱盐淡化处理的有效方法。此法以消耗热能为代价，一般适用于含盐量超过3000 mg/L矿井水的处理。前苏联煤炭环保研究院曾试验研究出一种供矿井水淡化处理的蒸馏装置，用于含盐量超过5 g/L的矿井水处理，其出水可供煤矿生活和生产用，淡水成本为50戈比/m³。捷尔诺夫斯克矿井建成的绝热式蒸发器，可将矿化度为7800～9000 mg/L含盐量降至25～200 mg/L。波兰杰别尼斯卡矿井建成一套生产能力为100m³/h的绝热蒸发式淡化装置，可将原料水含盐量从100 g/L降至100 mg/L。蒸馏法的主要问题是需防止热交换表面结垢。
2.3　膜分离法
　　电渗析和反渗透技术均属于膜分离技术，是我国目前苦咸水脱盐淡化处理的两种主要方法。尤其是前者在我国煤矿系统已有不少应用实例和经验。
　　电渗析是在外加直流电场的作用下，利用离子交换膜对溶液中离子的选择透过性，使溶质和溶剂分离的一种物理化学过程。含盐原水经过电渗析器后，便可得到淡化水和浓缩液(浓水)。一般淡化水量为总进水量的50％～70％。当进水含盐量小于4000 mg/L时用此法较为经济。
　　前苏联1991年已在顿涅茨等煤矿应用电渗析法淡化矿井水，取得很好的效果。我国大同矿务局同家梁矿从1974年开始利用电渗析法处理矿井水，积累了较丰富的经验。甘肃阿干煤矿矿井水含盐量为1000～2000 mg/L，于1987年建成一座日产水量1200 m³的矿井水淡化处理站，其工艺流程为：矿井水→井口预沉池→加药混合→水力循环澄清池→重力式无阀滤池→调节池→压力式过滤器→电渗析器→紫外线消毒器→生活用水。该水处理站共投资63万元，1992年的吨水成本为0.30元。徐州张集煤矿于1988年采用电渗析技术作为脱盐工艺，投资65万元?电渗析器本体及辅助设备占52.95％?建立了一座日产淡水1500 m³的高矿化度矿井水淡化处理站，该矿井水含盐量1600 mg/L左右，总脱盐率为70％。该矿采用了部分浓水循环的工艺，水回收率为60％～70％。
　　电渗析除盐法的优点是：不需再生，可连续出水；工艺系统简单，设备少；与离子交换法串联使用可制取纯水等。此法的主要问题是：水回收率低(一般为50％左右)，采用浓水循环工艺虽可使水回收率提高，但其循环方法及控垢药剂的投加，目前尚少成熟经验；易发生极化结垢。另外，必须对其进水进行深度预处理，并使铁化合物含量不超过100 μg/L。
　　反渗透法是借助于半透膜在压力(一般为30～70 KG/cm2)作用下进行物质分离的方法。它可有效地去除无机盐类、低分子有机物、病毒和细菌等。适用于含盐量大于4000 mg/L的水的脱盐处理较经济。此法与电渗析法相比，其优点是：产品水回收率高，脱盐率和水的纯度高，投资费用低，无污染等。缺点是：操作压力高，能耗大，设备较复杂，对进水水质要求高等。反渗透脱盐技术，目前在国内仍处于深入研究和试用阶段。
　　总之，高矿化度废水的处理方法还不是很成熟，各种方法都有一些缺点，且处理成本较高。因此，研究高矿化度废水处理的新方法，并降低处理成本，是水处理技术的一个重要课题。

3　酸性矿井水的处理

　　我国的煤矿酸性水主要分布在南方，又因酸性矿井水水质比较复杂，若将其处理成生活用水，吨水成本很高，所以目前酸性水一般经处理达标后即予以排放。对酸性矿井水的处理，主要有以下几种方法。
3.1　中和法
　　中和法是目前煤矿酸性水常采用的处理方法，适合作中和剂的有石灰石、大理石、白云石、石灰等碱性物质。选择何种中和剂取决于中和剂的反应性、适用性、价格及运输是否方便等因素。其中尤以石灰石及石灰中和剂应用的最为广泛。另外，前苏联曾利用冶金厂高炉渣作中和剂，价格便宜，生产费用低，劳动条件得到改善。
　　石灰石中和法的处理装置有三种型式，即中和滚筒法、升流膨胀过滤法及曝气流化床处理方法。
　　石灰石中和滚筒法是指利用石灰石为中和剂，酸性水在滚筒中被石灰石所中和的处理方法。其出水再经沉淀可外排。山东省的淄博西河煤矿就是采用这种处理方法；石灰石升流膨胀过滤中和法是以细小石灰石颗粒(D≤3 mm)为滤料，酸性水自滤池底部进入滤池，使滤料膨胀，从而使中和反应沿着流线方向连续不断地进行的一种处理方法。其出水再经沉淀后即可外排。此法目前较多使用；石灰石曝气流化床处理方法是我国开发研究的一种新工艺。酸性水进入流化床，与床中石灰石填料产生中和反应，生成的H₂CO₃在来自空压机空气的曝气作用下，迅速分解成CO²和H₂O，使酸性水得到中和处理。其出水再经沉淀后即可排放。曝气的目的除了溶氧和散除CO²外，还可避免包固现象(中和反应产物CaSO₄和Fe(OH)₃包在石灰石颗粒表面)。
　　石灰中和法是目前煤矿酸性水普遍采用的中和处理方法。例如福建省永定矿务局瓦窑坪煤矿就是这种方法。它将氧化钙含量为67％～81％的石灰制成含活性氧化铝5％～10％的石灰乳，加入中和氧化池中，同时进行充分机械搅拌，然后经沉淀、过滤后，出水可达到排放标准。
3.2　生物化学处理法
　　生物化学处理法处理含铁酸性水是目前国内外研究比较活跃的处理方法。在美国、日本等国已进行了实际应用。其原理是：利用氧化亚铁硫杆菌，在酸性条件下将水中Fe2＋氧化成Fe3＋，然后再用石灰石进行中和处理，以实现酸性矿井水的中和及除铁。此法的优点是：对二价铁具有很高的氧化率；二价铁氧化细菌无需外界添加营养液；处理后的沉淀物可综合利用；利用生物转盘工艺是可靠的，日本于1976年已建成两座这种处理站。其缺点是：反应器体积大，投资高；煤炭矿井水成份复杂，常含有一些不利的重金属(如Pb、Zn等)，对微生物具有抑制作用。
3.3　湿地生态工程处理法
　　此法是近年来迅速发展起来的一种污水处理技术，具有投资省、运行费低、易于管理等突出的优点，引起人们的极大兴趣。美国一些煤矿一直在尝试用人工湿地处理酸性矿井水。从70年代开始，美国科学家在湿地上建造人工浅池沼，在其底部铺上碎石灰石，其上填入混合肥料或其他一些有利于根系生长的有机质，在混合肥料上种植香蒲(一种植物)。酸性矿井水流经人工湿地后，pH值可上升，并可去除50％以上的污染物(如铁可降低80％左右)。但此法处理效果并非很理想，有些酸性矿井还需要进行其他化学处理。
　　总之，世界上不少国家在矿井废水的处理和利用方面，进行了广泛的研究和实践，已取得了许多成果，积累了不少经验。但由于煤炭矿井废水成份的复杂性和地域的特点等因素。所以，现有的处理与回用工艺技术还不够完善和成熟。因此，针对不同的水质情况和回用的具体要求，开发研究工艺简单、技术可靠、管理方便、经济合理的新工艺、新设备和新药剂，仍是矿井废水处理和利用的重要课题。

参考文献：
　?[1]?崔玉川等．煤炭矿井水处理回用工艺技术[Ｊ]．太原工业大学学报，1992.3．
　?[2]?B·A·高尔什可夫[苏]著，胡益之等译．煤炭工业企业废水的净化及利用[M]．太原：山西科学教育出版社，1987.3．
　?[3]?胡主容．煤矿矿井水处理技术[M]．上海同济大学出版社，1996.9．
　?[4]?白添中．煤炭加工的污染与防治[M]．太原：山西科学教育出版社，1989.3．

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作者简介： 崔玉川（1935－），男，教授，系全国给水排水学会给水委员会委员、工业给水排水委员会委员。