阜新煤矿矿井涌水的资源化

肖利萍， 于 洋， 周金娣
(辽宁工程技术大学土木建筑工程学院，辽宁 阜新123000)

　　摘 要： 北方矿区严重缺水，许多矿区需要开辟新水源，矿井涌水资源化是解决矿区水问题的最佳选择。针对阜新煤矿矿井涌水的特点，进行了矿井涌水资源化 的技术、经济可行性研究，并根据“优质水优用，低质水杂用”的原则，推荐了最优方案，确定了最佳工艺流程。
　　关键词： 矿井涌水； 资源化； 可行性
　　中图分类号：X703.1
　　文献标识码：C
　　文章编号： 1000-4602(2002)01-0085-03

　　我国水资源的分布极不均衡，淮河以北的广大地区水资源仅占全国的19%，而煤炭资源却占全国总量的75%，形成了北方地区的富煤贫水格局。煤矿用水极为紧张，有些矿区每日供水不足4h，严重制约了矿山生产和影响煤炭职工的日常生活；另一方面，全国煤矿每年外排矿井涌水约22×10⁸m³，利用率却不到20%，预计2005年矿井涌水外排总量将达到23.5×108m3，综合利用率为23%。矿井涌水污染程度轻，处理成本低，是一笔宝贵的水资源，再利用的同时还能节省排污费及抽用地下水的水资源费，经济及社会效益显著。
　　预计到2005年，阜新市需水量将达50×10⁴m³/d，而供水能力仅为35×104m³/d，缺水为15×10⁴m³/d。阜新市矿区总涌水量为8×10⁴m/d左右，远期涌水量为14×10⁴m³/d。当降水量在400～500 mm/a以上时，矿井涌水量基本上是稳定的，可以成为一个长期而稳定的新水源。
阜新矿区矿井涌水受地质环境影响，一般属碳酸钙镁型，pH值为7.0～8.25，偏碱性。经水质分析化验表明，矿井水的水质较好，在36项指标中，大部分满足生活饮 用水标准，只有几项超标(见表1)，而且基本上都属于低量超标。

表1 矿井涌水超标项目 项目 总硬度(mg/L) 浊度(NTU) 总溶解性固体(mg/L) 硫酸盐(mg/L ) 总铁(mg/L) 锰(mg/L) 氟化物(mg/L) 细菌总数(个/mL) 大肠菌群(个/mL) 矿井水 740.1 100 1364 270.0 0.753 0.2 1.9 550 160 饮用水标准 450 3 1000 250.0 0.3 0.1 1.0 100 3

2 处理方法和设施

　　根据该矿井涌水的特性，为了达到饮用水标准，除了采用常规工艺外，还需要考虑增加预处理和深度处理单元。
　　① 曝气氧化
　　由于Fe、Mn少量超标，去除Fe、Mn可利用自然充氧曝气氧化法，采用阶梯式跌水可节省曝气能耗。

　　4Fe(HCO₃)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃↓+8CO₂↑
　　2Mn(HCO₃)₂+O₂→2MnO₂↓+4CO₂↑+2H₂O

　　生成的Fe(OH)₃、MnO₂在调节池中预沉，同时一部分比重较大的悬浮物也在调节池中沉淀，降低了浊度，减轻了后续处理构筑物的负荷。调节池采用普通平流沉淀池即可。
　　然后加石灰—苏打使硬水软化，并同时去除了氟化物。如：

　　　　Ca(HCO₃)₂+Ca(OH)₂→2CaCO₃↓+2H₂O
　　　　CaSO₄+Na₂CO₃→CaCO₃↓+2Na++SO₄^2-
　　　　2HF+Ca(OH)₂→CaF₂↓+2H₂O

　　镁盐的沉析与钙盐反应同时进行，产生共沉淀效果。
　　② 混凝沉淀
　　利用混凝剂去除浊度、色度、硫酸盐等。选择合适的混凝剂，不仅能保证出水水质，而且还能有效地降低矿井水的处理成本。可通过混凝试验来确定最佳药剂及其最佳投加量，试验结果见表2。

表2 混凝试验结果 混凝剂种类 原水浊度(NTU) 水温(℃) 混凝剂单耗(mg/L) 沉淀上清液浊度(NTU) 聚合氯化铝(PAC) 100 20 10 8.0 聚合硫酸铁(PFS) 100 20 20 12 聚丙烯酰胺(PAM) 100 20 0.2 15.5 PAC+PAM 100 20 5+0.2 3.5 PFS+PAM1 100 20 10+0.2 5.8 注： 单位质量价格比为PAC∶PFS∶PAM=1∶3∶5.6

　　 结果表明，采用无机混凝剂PAC和有机高分子絮凝剂PAM配合投加，混凝效果非常显著。工艺中采用泵前投加PAC，水泵混合，泵后投加PAM，管式混合。可考虑采用混凝自动控制技术，既保证出水水质又防止药剂浪费。反应设施对出水水质影响很大，应选用新型、先进、实用的正弦流网格反应池，其特点是构造简单、施工方便，造价和药耗比普通反应池分别低1/4 及1/3。
　　沉淀池采用高效率斜板斜管沉淀池，可增加出水量和提高水质。近几年来斜板沉淀有了新的发展，开发出效率更高的同向流斜板、迷宫式斜板、人字形短斜板等新型沉淀池，由于迷宫斜板沉淀池效率高，停留时间短，占地面积小，出水浊度小，投资少，从而在水处理中的应用越来越广泛，因此采用迷宫斜板沉淀池。
　　矿井涌水经混凝沉淀后，浊度、色度、氟化物、硬度大大降低。另外Fe、Mn、SO₄^2-、矿化度也得到部分去除。可以满足洗煤用水、冷却水、农业灌溉和市政绿化、市政杂用、消防等用水要求。
　　③ 过滤
　　过滤可进一步去除水中的细小煤粒、岩粒以及呈胶体状的物质，降低色度、硬度、矿化度，去除部分细菌、病毒等。本工艺选用重力式无阀滤池作为过滤设施。
　　④ 消毒
　　滤后水中还含有细菌、病毒，需进行消毒，采用氯消毒法。加氯点设在清水池入口。消毒后，除了矿化度，其他各项指标均达到了饮用水卫生标准，可作为对水质要求较高的矿区生产用水、生活杂用水。
　　⑤ 除盐
　　为了满足生活饮用水水质要求，需对消毒后水进行除盐，采用电渗析法除盐。利用微机自控系统控制，以节省用电、减轻劳动强度、避免极化结垢、保证出水水质和提高工效。

3 矿井涌水资源化流程优化

　　根据“优质水优用，低质水杂用”的原则对各种处理方法、设施进行组合，确定了最佳工艺流程(如图1)。

　　该工艺流程技术上先进、科学，经济上合理、可行，运行管理简化、方便、适用，并具有以下特点：
　　① 实现了生活用水的分质供水，既保障了居民饮用水质量，又节省了资金和能耗。
　　因生活用水中的40%用于盥洗，45%用于洗衣、洗澡，而饮用水不足10%，因此只对生活饮用水进行深化处理是科学合理的。
　　② 电渗析器设置在办公楼、居民区，比设置于水厂省却了长距离输水管，同时比设置于家庭节省了设备投资。

4 经济效益分析

　　以阜新五龙矿区为例，该矿区矿井涌水量为2.0×10⁴m³/d，按优化工艺流程进行分质分级出水，则主要技术经济指标见表3。 表3 矿井涌水净化工程技术经济指标分析 项 目 目标水质 用水量计划(m³/d) 成本(元/m³) 投资(万元/m³) 总投资(万元) 原供水成本(元/m³) 直接经济效益(万元/a) 电费 折旧费 维修费 药剂费 人工费 合计 预沉—混凝—沉淀工艺 工业用水 8000 0.180 0.018 0.029 0.016 0.030 0.273 0.026 520 0.65(抽取地下水) 110.08 增设过滤、消毒工艺 部分生产用水 5850 0.244 0.031 0.049 0.018 0.047 0.389 0.045-0.026= 0.019 228 0.65(抽取地下水) 55.73 生活杂用水 4950 0.244 0.031 0.049 0.018 0.047 0.389 0.045-0.026 =0.019 　 1.6(自来水) 218.80 增设电渗析工艺 饮用水 1200 0.482 0.082 0.131 0.018 0.092 0.805 0.12-0.045=0.075 90 1.6(自来水) 34.82 室内增设优质水管道工程 　 　 　 　 　 　 　 　 　 120 　 　 免交排污费 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 36.5 合计 　 　 　 　 　 　 　 　 　 958 　 455.93 注： 电价为0.60元/(kW·h)，PAC计2 500元/t，PAM计1 7 000 元/t，消毒剂液氯计660元/t，折旧、维修费分别取投资的2.5%、4%，排污费为0.05元/m³。

　　据表3分析，工程总投资估算为958万元，直接经济效益为455.93万元/a，投资回收期仅为2 .10 a。按此推算，对于阜新整个矿区近期涌水量为8×10⁴m³，则直接经济效益估计为1824万元/a,远期涌水量为14×10⁴m³,则直接经济效益估计为3192万元/a，可创造明显的经济效益。同时矿井涌水资源化可节约自来水898×10⁴m³/a、地下水资源2022×10⁴m³/a，远期可节约自来水1571×10⁴m³/a、地下水资源3539×10 ⁴m³/a，既可缓解矿区严重缺水状况，又能创造明显的经济、环境效益。

5 结论

　　① 面对北方矿区严重缺水、开辟新水源已势在必行的现状，指出矿井涌水资源化是解决矿区水问题的发展方向。
　　② 根据矿区矿井涌水的水质特性、涌水量情况，从技术上论证了阜新矿区实现矿井涌水资源化是完全可行的。
　　③ 选择先进、合理、经济、实用、可靠的处理方法和处理设施，推荐了矿井涌水资源化的最优方案和最佳工艺流程，并实现了“优质水优用，低质水杂用”。
　　④ 通过经济效益分析，证实了矿井涌水资源化的可行性，并可创造明显的经济、环境及社会效益。

参考文献：

　　［1］ 胡文容.煤矿矿井水及废水处理利用技术［M］.北京：煤炭工业出版社，199 8.
　　［2］ 杨信荣，张明星.论我国煤矿矿井水的资源化［J］.煤矿环境保护，1993，7 (1)：2-4.

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　　收稿日期：2001-08-16