礦井水的綜合利用技術

1、礦井水的綜合利用技術0 前言本文針對我國各種礦開采過程中，需要排放大量的礦井水，而且我國礦區(qū)嚴重缺水，礦井水綜合利用率低以及處理成本高，礦區(qū)環(huán)境惡化等的現狀進行研究。就目前國內外礦井水的綜合處理技術現狀進行了分析總結。目前，全國每年礦井排水量約22億噸，其中中性水約占7080，硬度符合飲用水要求的占4050，這是一個相當可觀的水資源，但長期以來，由于技術所限和認識不足，礦井水只被當作水害加以預防和治理，很少考慮到礦井水的有利一面，礦井水被白白排掉而未加以綜合利用和保護，目前礦井水的利用率，平均只有22，其中北方國有煤礦每年礦井水排放量達14億噸，利用率還不足201。毫無節(jié)制的排水不僅大大浪費水

2、資源、增加了礦產成本，而且還導致地面塌陷、地下水資源流失，水質惡化等環(huán)境問題。地面水源受到廣泛污染，處理成本日益提高，而礦井水來源于地下水，礦井水污染程度輕，處理容易，成本低，是一筆寶貴的水資源。礦井水資源化，不但可減少廢水排放量，免交排污費，而且節(jié)省大量自來水，節(jié)約水資源費和提升電費，為礦區(qū)創(chuàng)造明顯的經濟效益；礦井水資源化開辟了新水源，減少了淡水資源開采量；實現“優(yōu)質水優(yōu)用，差質水差用”的原則，減輕或避免長距離輸水問題；解決礦區(qū)嚴重缺水狀況，解決職工吃水難，用水難的問題，緩減城市供水壓力也使水資源的利用更加經濟合理；礦井水資源化將會減除礦井水對地表水系的污染，堵住污染源，保護美化礦區(qū)環(huán)境，保

3、護地表水資源。實現經濟效益、環(huán)境效益和社會效益的統(tǒng)一。1 礦井水的來源性質、水質特征與分類1.1 什么是礦井水礦井水是一種特殊的水資源，是指由于采礦活動造成區(qū)域水文地質系統(tǒng)與水文地質單元隔水構造的破壞，從而改變了地上水及地表水徑流方向和途徑，最終在采礦場所聚集的水體。通俗地說，凡是在礦井開拓、采掘過程中，滲入、滴入、淋入、流入、涌入和潰入井巷或工作面的任何水源水，統(tǒng)稱為礦井水2。水源有大氣降水、地表水、地上水和老采空區(qū)積水。由于改善礦井作業(yè)環(huán)境、保證生產安全的需要，礦井水往往被抽排到地表。礦井水的利用主要是針對這部分提出的。同時，我們也把洗礦和選礦過程中所產生的大量廢水作為礦井水。1.2 礦井

4、水的分類受地質年代、地質構造、煤系伴生礦物成分、環(huán)境條件等因素的影響，礦井水大致分為五類型：潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含特殊污染物礦井水。其中，潔凈礦井水即未被污染水質較好的地下水，可直接用于工農業(yè)生產及生活用水。其余4類型的礦井水，雖然均遭到了不同程度的污染，但經過相關工藝的處理后，可用于工農業(yè)生產。1.3 礦井水的水質特征從礦井水的物理,化學及細菌學性質上看,礦井水常具有以下幾方面的水質特征2：1)礦化度(含鹽量)高。我國礦井水的含鹽量一般多在l 000mgL以上，其鹽類成份主要是硫酸鹽、重碳酸鹽，氯化物等。而且含鹽量將隨開采深度的加大而增加。2)硬度大。其總

5、硬度一般多在30個德國度以上，屬極硬水范疇。一般情況下，總硬度與礦化度成正比；硬度中永久硬度所占比重遠大于暫時硬度；高礦化度占50%，部分為酸性水。其pH值在47之間。4)水渾濁、色度明顯。懸浮物含量一般多在500mg/L以下，多為煤塵和巖塵，以及膠態(tài)氫氧化鐵，使水呈灰黑色。對酸性礦井水，多為黑色和黃褐色。5)含有一定的石油產品。其來源是綜合機械化的液壓系統(tǒng)，機器和機械的潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。另外，當巖層中含油頁巖時，其對礦井水的污染則另作別論。6)化學需氧量(COD)高于地下水。一般地下水的COD為25mgL,礦井水為1012 mgL，甚至更高。主要是由于粉塵所致，其次在于井下人員便溺以及水中

6、落入各種動植物殘骸所造成。7)常含有多種微量元素。例如，蘇聯(lián)頓巴斯的一些礦井水含有約30種的化學元素。1.4 礦井水水中污染物分類水中的污染物概括起來分為四類：無機無毒物、無機有毒物、有機物無毒物、和有機毒物3。無機無毒物主要是酸堿及一般的無機鹽和氮磷等植物營養(yǎng)物質。無機有毒物質主要是指各類重金屬（汞、鉻、鉛、鎘）和氰、氟化物等。有機無毒物主要是指水體中比較容易分解的有機化合物，如碳水化合物、脂肪、蛋白質等。有機有毒物主要指酚苯，多環(huán)芳烴和各種人工合成的具有積累性的穩(wěn)定的化合物，如多氯聯(lián)苯農藥等。除上述四類污染物外，還有常見的惡臭、細菌、熱污染等污染物質和污染因素。1.4.1 有機污染物有機污

7、染物是指生活污水和廢水中所含的碳水化合物、蛋白質、脂肪、木質素等有機化合物。礦山廢水池和尾礦池職工的植物的腐爛，可使廢水中的有機成分含量很高。礦山選場、煉爐廠以及分析化驗室排放的非有種含有酚、甲酚、萘酚等有機物，他們對水生物極為有害。1.4.2 油類污染物油類污染物是礦山廢水中較為普遍的污染物。水面油膜的存在，不僅給人以討厭的感覺，而且當油膜厚度在10-4cm以上時，它會阻礙水面的復氧過程，阻礙水分蒸發(fā)和大氣與水體間的物質交換，改變水面的發(fā)射率和進入水面日光輻射，這種情況對局部區(qū)域氣候可能造成影響，而主要造成影響魚類和其他水生物的生長繁殖。1.4.3 酸堿污染酸堿污染是礦井水污染中較普遍的現象

8、，像美國水體中的酸70%來之礦山排水，尤其是煤礦排水中含酸最多。在礦井酸性廢水中，一般含有金屬和廢金屬離子，其資和量與礦物成分、含量、礦床埋藏條件、涌水條件、采礦方法、氣候變化等因素有關。酸性廢水排入水體后，使水體pH值發(fā)生變化，消滅或抑制細菌及微生物的生長，妨礙水體的自凈；還可腐蝕船舶和水體構筑物；若天然水體長期受酸堿污染，使水體逐漸酸化或堿化，從而產生生態(tài)影響。酸、堿污染不僅改變水體的pH值，而且還可大大增加水中一般無機鹽和水的硬度。酸、堿與水體中的礦物相互作用產生某些鹽類，水中無機鹽的存在能增加水的滲透壓，對淡水生物和植物生長有不良影響。1.4.4 氰化物礦井含氰化物廢水的主要工藝有：浮

9、選鉛鋅石礦時每處理一噸礦排出4.55m3水，其中含氰化物2050g，平均濃度約48mg/L；在用氰化法提金時，所排放的廢水也含有氰化物；電鍍水中氰化物的含量為16mg/L。此外，高爐和焦爐冶金生產中，煤中的碳與氨或甲烷與氨化物化合生成氰化物，一般在其洗滌水中氰化物的含量高達31mg/L。氰化物雖是劇毒污染物，但在水體中較易降解，其降解途徑如下：氰化物與水中二氧化碳作用生成氰化氫，揮發(fā)而出，這個降解過程可去除氰化物總量的90%。如下式：CN-+CO2=HCN+HCO3-水中游離氧使氰化物氧化生成NH4+和CO22-離子，逸出水體，這個過程只占凈化總量的10%，如下式：CN-+O2=2CNO- C

10、NO-+2H2O= NH4+ CO22-氰化物劇毒，一般人只要誤服0.1g左右的氰化鉀或者氰化鈉就會死亡，敏感的人甚至會服用0.06g就致死。當水體的CN-含量達0.30.5mg/L時便可使魚類死亡。1.4.5 重金屬污染在廢水污染中，重金屬是指原子序數在21以上83以下范圍內的金屬，礦井水中主要有：汞、鉻、鎘、鋅、銅、鉛、鎳、鈷、錳、釩、鉬、鉍等，特別是前幾種危害更大。如汞進入人體后被轉化為甲基汞，在腦組織內積累，破壞神經功能，無法用藥物治療，嚴重時能造成全身癱瘓甚至死亡。鎘中毒時引起全身疼痛腰關節(jié)受損、骨節(jié)變形，有時還會引起心血管病。重金屬毒物中毒有以下特點：1）不能被微生物降解，只能在各

11、種形態(tài)間相互轉化、分散，如無極汞能在微生物作用下，轉化為毒性更大的甲基汞。2）重金屬的毒性以離子態(tài)存在時最嚴重，金屬離子在水中容易被帶負電荷的膠體吸附，吸附離子的膠體可隨水流遷移，但大多數會迅速沉降，因此重金屬一般都富集在排污口下游一定范圍內的底泥中。3）能被生物富集于體內，即危害生物，又通過食物鏈危害人體。如淡水魚能將汞富集1000倍、鎘300倍、鉻200倍等。4）重金屬進入人體后，能夠和生理高分子物質，如蛋白質和酶發(fā)生作用而使這些勝利高分子物質失去活性，也可能在人體的某些器官積累，造成慢性毒害，其危害，有時需幾十年才能體現出來。被重金屬污染的礦井排水隨灌渠進入農田時，除流失一部分外，另一部

12、分被植物吸收，剩余的大部分在泥土中積聚，當達到一定數量時，農作物就會出現病害。土壤中含銅達20mg/kg時，小麥就會枯死，達到200mg/kg時，水稻會枯死。此外，重金屬污染了水還會時土壤鹽堿化。1.4.6 氟化物天然水體中氟的含量變化為每升零點幾至十幾毫克，地下水特別是深層地下熱水中，氟的含量可達每升十幾毫克。飲用水氟的含量過高或過低均不利于人體健康。螢石礦的廢水中含有氟化物，因為這種廢水通常都是硬水，其中氟形成鈣或鎂沉淀下來，故不表現出很大的毒性，而軟水中的氟毒性卻很大。1.4.7 可溶性鹽類當水與礦物、巖石接觸時，會有多種鹽類溶解于水中，如，氯化物、硝酸鹽、磷酸鹽等。低濃度的硝酸鹽和磷酸

13、鹽是藻類營養(yǎng)物，可促進藻類大量生長，從而使水失去氧；硝酸鹽類、磷酸鹽類濃度高的水，對魚類有毒害作用。淡水中含氟的鹽類不超過100mg/L，超過次值就成為鹽水。碳酸氫鹽、硫酸鹽、氯化鈣、氯化鎂等會使水變?yōu)橛菜?。除此外，礦山廢水中污染物還有放射性污染、熱污染、水的濁度污染以及固體懸浮物和顏色變化等污染形式。2 礦井水的危害2.1 國內外研究現狀礦產開采對環(huán)境影響現狀，隨著礦井水排放而引起的礦區(qū)環(huán)境問題日益突出，不良效應也日益明顯，礦區(qū)環(huán)境污染嚴重，影響人們的健康和自然生態(tài)的平衡。目前國內外在研究礦產開采活動中，由于礦產開采活動廢水排放所引起的環(huán)境問題研究正在深入開展中。如2008年，王巖、梁冰、張

14、興華、胡曉吉對酸性礦井水在土壤-水環(huán)境中運移規(guī)律的研究，以溶質運移理論為基礎,分析了酸性礦井水在含水層中運移的規(guī)律,通過室內土柱實驗模擬了酸性礦井水對地下水污染的動態(tài)過程，并結合實際觀測數據進行對比分析。結果表明:污染面積隨時間；推移不斷擴大，且縱向擴散顯著；不同組分由于各自特征的巨大差異，污染程度也有很大差別。其研究對預測預報酸性礦井水遷移歸宿、評價環(huán)境質量、資源化利用以及環(huán)境污染的治理與控制等具有重要的理論意義和現實意義4。近年來，礦產開采產生的礦井水引起的環(huán)境問題已經成為一個熱點研究課題，較為活躍的領域，與國外有關方面相比有很大差距，隨著礦業(yè)開發(fā)的迅速發(fā)展，這就需要政府增大科研資金投入，

15、盡快組織科技力量對礦區(qū)環(huán)境礦井水的污染進行攻關，吸收國外的先進經驗，迅速提高我國對礦區(qū)環(huán)境危害研究與治理水平。2.2 礦井水的影響2.2.1 對周邊地表水及地下水的影響1）對周圍地表水的影響我國河川徑流量減少的影響因素很多，如近年來降水量的減少，地表及地下水的過量開采，但礦產資源的大規(guī)模開采是主要因素之一。目前常常是礦產開采以前，位于礦區(qū)周圍的溪溝保持常年有水，自大規(guī)模開采后，大部分原常年有水河段，現己變成季節(jié)性河段，僅在其中下游接納大量礦坑水后才恢復常年水流。這反映出礦產開采后，礦產資源層頂板以上含水層的破壞和疏干情況，采空區(qū)由于生產排水，無法形成有效的儲水空間，使得地下水調儲空間減少，導致

16、了天然基流大量轉化為礦坑水迅速排出，使得流域地下水調儲作用減弱，流域水資源時空分布更加不均衡5。礦產開采對地表水資源的破壞集中表現在兩個方面：首先是流域水文下墊面的破壞。隨著礦井的不斷開拓延伸，采空區(qū)不斷擴大，勢必導致大面積土地塌陷，地面裂縫、裂隙潛水位下降以致疏干、飽氣帶厚度加大，陸面蒸發(fā)減少，水土保持條件破壞，水土流失加重等。其次是河川基流大幅度減少。由于礦產開采和礦坑排水，河川基流將達幅度減少，河道的稀釋自凈能力也將大幅度減少，環(huán)境功能下降，再加上污廢水的大量排入，河流的水環(huán)境質量有變差的趨勢。如酸性礦井水污染地表水體，破壞生態(tài)環(huán)境含硫酸鹽酸性廢水不經處理直接排入地表水體污染。環(huán)境將使受

17、納水體酸化，降低pH值，危害水生生物，并產生潛在的腐蝕性；這類酸性廢水也會破壞土壤結構，減少農作物產量。由于酸性礦井水的pH值較低，通常pH<5.0，導致魚類、藻類、浮游生物等絕大多數水生生物死亡，既減少了水生生物的數量，也限制了生物的多樣性。酸性礦井水中含有大量重金屬，而重金屬能夠在生物食物鏈內富集，大大增加酸性礦井水的毒理性指標，從而威脅到下游地區(qū)的飲用水供給和灌溉系統(tǒng)7。2）礦井水引起地下水位下降在含礦產資源的地層，特別是礦產層圍巖中通常有一定量的礦床充水，采礦時這些地下水和某些地表水可持續(xù)流入采礦井巷，形成礦床涌水，因此改變了地下含水層的補給、徑流、排泄方式，而深部開采為了維持采

18、礦的正常進行，采礦工作面的橫向和縱向的發(fā)展必須將工作面周圍的水或潛在的水排出.這樣導致礦井排水量逐年加大，地下水位急劇下降，相應地所形成的地下水降落漏斗范圍和幅度也越來越大，地下水的流場也發(fā)生了明顯的變化。礦開采區(qū)含水層水位變化主要是由礦產資源開采引起的。地下開采破壞了原有的力學平衡，使得上覆巖層產生移動變形和斷裂破壞。當導水裂隙帶波及到上覆含水層時，含水層中的水就會沿采動裂隙流向采空區(qū)，造成巖土體中水位下降。3）污染地下水系統(tǒng)如硫酸鹽廢水潛伏周期長，雖然有自然的稀釋作用，即在短時間內不會有明顯的負面作用，但是一旦大面積形成污染，則其治理難度很大。這是因為硫酸鹽在水體中的性質很不穩(wěn)定，不易像一

19、些有機廢水可以比較容易依靠自然的作用而逐漸地消除污染。硫酸鹽廢水污染作用會很容易積累，即使自然界中存在某些生物降解作用確實可以轉化硫酸鹽，但是自然作用相對可能形成的大面積的污染是微不足道的，酸性水大量排放到地表，并且泄入河流、湖泊或潛水中，造成水體污染。由于酸性礦井水在井下與圍巖裂隙水存在著一定的水力聯(lián)系，因此有可能在未排放前，直接污染地下水。另外，受酸性礦井水污染的地表水，如果直接補給淺層地下水，將導致地下水不同程度的污染，主要表現在鐵離子和硫酸根離子超標，且地下水污染的治理尤為困難6。2.2.2對生態(tài)環(huán)境的影響井水對生態(tài)環(huán)境的影響，以高礦化礦井水為例。礦區(qū)開發(fā)后，大量的高礦化度礦井水外排對

20、周圍環(huán)境產生一定的影響，主要表現為礦區(qū)原本潛水位高，高礦化度礦井水排放河溝中，將有礦井水水滲漏，致使沿河兩側淺層地下水位抬高，且含鹽量增加7。當地下水位接近地表時蒸發(fā)量增大，大量鹽分逐漸貯留于地表，積累富集，使土壤鹽漬化加重。對于來就受干旱、風沙氣候和土壤鹽堿化影響的地區(qū)，而且地下水位較高時。高礦化度礦井水的大量排放使淺層地下水位相對上升，使附近土壤水分及可溶性鹽類含量增高，加劇了土壤鹽堿化，對農作物和林木種植帶來一定影響。一方面由于土壤水分含量高，濕度大，易于產生大的華塊，形成粘閉現象，對農業(yè)生產極為不利；另一方面土壤中鹽分的增多，既影響了耕地的物理性質，又影響了上壤養(yǎng)分對農作物生長的有效性

21、，造成減產；且某些鹽類的離子過量時，會直接對農作物產生毒害作用。由于土壤的理化以及生物性質惡化，通常難以得到改良利用，嚴重影響土地的永續(xù)利用8。2.2.3 對周邊居民生活及健康影響礦產資源的大規(guī)模開發(fā)，對水文地質環(huán)境與自然生態(tài)狀況已產生了嚴重的影響，并造成了一系列不良后果，使本來就已經十分緊張的區(qū)域水資源供需矛盾更加尖銳，對區(qū)域可持續(xù)發(fā)展亦產生了深刻而廣泛的影響。1）山區(qū)礦區(qū)的地下采礦引起的導水裂隙帶高度及疏干影響高度可達煤層采高45100倍(一般為20倍)，疏干影響范圍要比采空區(qū)實際面積大得多，即影響范圍可達數公里以外，淺層裂隙地下水一般來說是山區(qū)農村人畜吃水的主要水源，礦井排水疏干了裂隙水

22、，同時在礦產開采過程中出現了大量的地面裂縫，井下涌水量明顯增大，地表泉眼及小溪流量逐漸衰減，使得山區(qū)裂隙小泉水漏失，造成許多新的人畜吃水困難的村莊。2)惡化井下施工環(huán)境，危害人體健康如酸性礦井水在向深部排泄過程中，可能發(fā)生脫硫酸作用，生成的硫化氫毒性很強，其含量達萬分之一時，就能聞到難聞的氣味;達萬分之二時，人的睛、喉頭就會受到嚴重刺激;達千分之一時，就會導致死亡。由此可知，酸性水的形成，極有可能造成對并下工人身體健康的損害。3 礦井水綜合利用技術3.1 國內外礦井水利用技術現狀目前，我國在利用技術上，一般都能做到因地制宜。例如，當礦井水排水時間不均衡時，設置調節(jié)；當原水懸浮物含量高時，增加預

23、沉池；水中粗顆粒物多時，設沉砂池；水的pH值較低時，要增加中和設備；有的煤礦還采用澄清池代替混合、反應和沉淀池，作為回用水。但是我國礦井水的利用率還很低，有意識的礦井水綜合利用技術起步較晚，根據不同具體情況，我國礦井水的綜合利用技術現狀也不同。全國范圍內，只有田陳煤礦、平頂山礦務局、充州礦務局、大同礦務局、鮑店煤礦、古漢山礦等的礦井水處理工藝比較成熟，一般都采用混凝、沉淀、過濾、消毒工藝，礦井水利用率比較高，但處理成本都較高。國外把處理礦井水作為環(huán)境保護工作的重點，認為礦井水是一種伴生資源而不是負擔，礦井水涌出愈大，盈利愈多，經濟效益也就愈大。所以礦井水處理技術發(fā)展比較完善。許多國家對礦井水進

24、行適當處理后，一部分達到排放標準，排入到地表水系。另一部分水量回用于選礦廠工業(yè)給水和礦井生產。日本礦井水除部分用于洗礦外，大部分礦井水經沉淀處理去除懸浮物后排入地表水系。對礦井水處理采用的技術一般有：固液分離技術；中和法；氧化處理；還原法；離子交換法等。如：英國礦井水綜合利用技術主要解決以下三大問題：是對含懸浮物的礦井水進行沉降處理；是對礦井水中鐵化合物的去除；是礦井水中溶解鹽的去除，采用化學試劑中和處理以及反滲透、凍結法進行脫鹽處理。俄羅斯對礦井水的處理技術及其利用的研究起步較早、成果顯著，居世界領先地位。俄羅斯煤礦環(huán)保研究院研制了用氣浮法凈化礦井水，采用凈化水部分循環(huán)工作方式，循環(huán)水在壓力

25、箱中剩余壓力作用下充滿空氣，較好地形成輕浮選劑。俄羅斯采煤建井和勞動組織所研究的電絮凝法，是以直流電通過金屬電極處理礦井水，在電化學、電物理綜合作用下，使礦井水雜質顆粒、水和微氣泡形成松散團粒，凝聚后漂浮在水面上，形成一層泡沫后用刮板排除。此法可使雜質團粒的沉淀速度提高數倍，并對排除乳化于水中的石油產物和其污染物有效5。20世紀80年代前后，美國和一些歐洲國家先后開展了采用人工濕地處理礦井水的實驗研究取得了一些可喜的成果，目前己逐步應用于生產，并收到了良好的效果。此法具有投資省、運行費低、易于管理等突出的優(yōu)點，引起了人們的極大興趣?？傊澜缟喜簧賴以诘V井水的利用技術方面，進行了廣泛的研究和

26、實踐，己取得了許多成果，積累了不少經驗。但由于礦井水成份的復雜性和地域的特點等因素，現有的處理與回用工藝技術還不夠完善和成熟。針對不同的水質情況和回用的具體要求，應采用不同的工藝技術。3.2 礦井水利用技術分類礦井水水質由于受礦區(qū)水文地質條件、井下開采運輸、圍巖與煤質等多種因素影響，其處理工藝選著可根據以下幾類：一般懸浮物礦井水、高礦化度礦井水酸性礦井水和潔凈礦井水等9，另外，礦井水在流經采礦工作面、巷道以及采空區(qū)時，受到人類活動的影響，巖粉，煤粉和其它有機物進入水體，使水質復雜。因此，礦井水的資源化應根據不同的礦井水類型，采用不同的處理工藝。 3.2.1含一般懸浮物的礦井水利用技術含一般懸浮

27、物的礦井水，一般水質為中性，礦化度小于l000mgL，金 離子微量或未檢出，或基本上不含有毒有害離子，懸浮物的主要成分是粒徑極為細小的煤粉和巖塵6。因此，靠自然沉淀去除是困難的，必須借助混凝劑，采用混凝沉淀的處理方法以實現對懸浮物的去除。目前，對于礦化度不高而懸浮物含量較高的礦井水的處理，有較成熟可行的經驗，一般采用混凝，沉淀 (或浮升)以及過濾，消毒等工序處理后，其出水水質即能達到生產使用和生活飲用標準的要求。對于潔凈礦井水的處理，此類礦井水水質好，一般采用清污分流方式，即利用各自單設的排水系統(tǒng)，將潔凈礦井水和已被污染的礦井水分而排之。潔凈礦井水經簡單處理后作為某些工業(yè)用水，或經消毒處理后供

28、生活飲用。有的礦井水含有多種微量元素，可開發(fā)為礦泉水。采取清污分流法，設備投資少，運行成本低，并可減少礦井污水處理量及外排量。對此類礦井水要在其源頭處妥善截流，單獨布置排水管路，避免與其他礦井水混排。3.2.2含懸浮物礦井水的利用技術1)常規(guī)處理。采用混凝、沉淀、過濾、消毒的工藝進行處理。圖1給出在含懸浮物礦井水處理中常用的基本工藝流程。其關鍵是自動投藥系統(tǒng)的開發(fā)應用和選擇合適的混凝劑，以節(jié)省藥劑，簡化工藝，提高出水水質，實現礦井水資源化。夏暢斌等考慮利用煤矸石制成一種PSA高效混凝劑來處理礦井水；徐海宏等選用無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁(PAc)、聚合硫酸鐵(PFs)與有機高分子絮凝劑聚丙烯酰

29、胺(PAM)復配使用來處理礦井水。圖1 含懸浮物礦井水處理基本工藝流程Figure 1 suspended solids containing the basic process of mine water treatment2)井下水倉混凝沉淀處理。井下水倉混凝沉淀處理是使礦井水在井下水倉停留較長時間(大于30分鐘)，在距離水倉前50m左右的排水溝中投藥，并在溝中鋪設大塊矸石，人為制造水力湍流，使混凝劑充分混合反應；在水倉設置多層擋板，清水溢流后從集水井外排；實行井下主副水倉定期交替清泥，從而取得了更好的處理。3)氧化塘凈化礦井水。將礦區(qū)塌陷坑改造成氧化塘，利用自然條件下的微生物處理原理凈化

30、礦井水(如圖2)。氧化塘水面還可放養(yǎng)各種水生生物及種植水面作物，利用生物塘提高礦井水的水質，使出水水質達到漁業(yè)水域及農灌用水的要求，同時也增加了經濟效益。圖2 氧化塘凈化礦井水工藝流程Figure 2 oxidation pond mine water purification process3.2.3 酸性礦井水的利用技術目前，對酸性礦井水的處理方法很多，一般多采用石灰石或者石灰為中和劑進行處理。中和后的水一般可以直接排放或者作為生活工業(yè)用水，若含有其他成分則進一步處理已達到回用目的。1)石灰石中和法。以石灰石為中和劑的處理工藝有滾筒中和法、升流過濾式中和兩種。見圖3所示滾筒中和法處理酸性礦

31、井水的工藝流程。該方法是目前煤礦經常采用的酸性礦井水處理工藝。見圖4所示為升流過濾為中和處理單元的處理工藝流程圖3 石灰石滾筒中和曝氣混凝沉淀聯(lián)合處理工藝流程Figure 3 limestone rollers and - aeration - a joint deal with coagulation and sedimentation process圖4 升流過濾中和處理單元處理工藝流程Figure 4 liters flow filtration and processing unit to deal with process2)石灰中和法。在礦井水處理中采用來源方便、價格便宜的石灰作為

32、中和劑。使用時需先將石灰(CaO)調制成石灰乳后形成熟石灰(Ca(OH)2)，其具體工藝流程見流程圖5所示。圖5 石灰石中和法處理工藝流程Fig.5 limestone and treatment process3)石灰石一石灰聯(lián)合中和法。該法是將石灰石中和法與石灰中和法經優(yōu)化組合而形成一種處理工藝，因而兼具前兩種工藝的優(yōu)點，其工藝流程見圖6所示。廢水先流經石灰石滾筒，以中和水中大部分的游離酸，然后再用石灰或石灰乳中和，使水的pH值進一步提高，一般控制在8.0左右。在此條件下Fe離子水解并產生沉淀，形成的絮狀物可以起到混凝作用，有利于懸浮固體的去除。圖6 石灰石石灰聯(lián)合中和法處理工藝流程Fig

33、.6 limestone - lime joint and treatment process4)石灰乳中和法。石灰乳法是將生石灰加水配制成5左右的石灰乳后，加入中和池內進行中和反應。優(yōu)點是設備簡單，管理方便，對水量、水質的適應性強。但在處理水量大時因石灰的用量大，運轉費用較高。5)生物化學中和法。生物化學中和法是利用氧化亞鐵硫桿菌在酸性條件下將Fe2+轉化成Fe3+，然后用石灰石進行中和，可同時實現對酸性礦井水的除鐵以及中和處理。具體工藝流程如圖7所示。圖7 生物化學聯(lián)合處理工藝流程Fig.7 biological - to deal with chemical process6)粉煤灰中和

34、法。粉煤灰不僅含有堿性氧化物，而且具有一定的吸附特性。該處理方法尚處于試驗階段，但粉煤灰的來源廣泛，取材容易，價格低廉，用它處理酸性礦井水，無疑又開辟了一條以廢治廢、充滿希望的環(huán)保之路。3.2.4 高礦化度礦井水的利用技術高礦化度礦井水除采用傳統(tǒng)工藝去除懸浮物和消毒外，其關鍵工序就是脫鹽。經過適當的技術，脫鹽后的水可以作為生活飲用水。1)高礦化度礦井水的預處理方法。采用一般的處理方法將其所含的懸浮物去除后排入水體，依靠水體的稀釋作用降低鹽類物質的濃度。若需要作為水資源利用，則需做進一步的深度處理脫鹽。2)深度處理的技術方法。膜分離法：電滲析和反滲透技術均屬于膜分離技術，是目前苦咸水脫鹽淡化處理

35、的兩種主要方法10。電滲析是在外加直流電場的作用下，利用離子交換膜對溶液中離子的選擇透過性，使溶質和溶劑分離的一種物理化學過程。含鹽原水經過電滲析器后，便可得到淡化水和濃縮液(濃水)。一般淡化水量為總進水量的5070 。當進水含鹽量小于4000mgL時用此法較為經濟。電滲析除鹽法的優(yōu)點是：不需再生，可連續(xù)出水；工藝系統(tǒng)簡單，設備少；與離子交換法串聯(lián)使用可制取純水等。此法的主要問題是：水回收率低(一般為50 左右)，采用濃水循環(huán)工藝雖可使水回收率提高，但其循環(huán)方法及控垢藥劑的投加，目前尚少成熟經驗；易發(fā)生極化結垢。另外，必須對其進水進行深度預處理，并使鐵化合物含量不超過100µgL。反

36、滲透法是借助于半透膜在壓力(一般為30 70kgcm )作用下進行物質分離的方法。它可有效地去除無機鹽類、低分子有機物、病毒和細菌等。適用于含鹽量大于4000mgL的水，脫鹽處理較經濟。此法與電滲析法相比，其優(yōu)點是：產品回收率高，脫鹽率和水的純度高，投資費用低，無污染等。缺點是：操作壓力高，能耗大，設備較復雜，對進水水質要求高等。反滲透脫鹽技術，目前在國內仍處于深入研究和試用階段。隨著科技的進步，反滲透法將在高礦化度礦井水處理中具有更加廣闊的發(fā)展前景。圖8為高礦化度礦井水深度處理基本工藝流程。圖8 高礦化度礦井水深度處理基本工藝流程Figure 8 highly mineralized min

37、e water depth to deal with the basic process離子交換法是化學脫鹽的主要方法，即利用陰陽離子交換劑去除水中的離子，以降低水的含鹽量。此法用在進水含鹽量小于500mgL時比較經濟，可用作高礦化度水經膜分離法處理后的進一步除鹽工序。3)熱力法：使用高溫(蒸餾)和低溫(冷凍)的處理過程均屬熱力法淡化10。蒸餾法是對含鹽水進行熱力脫鹽淡化處理的有效方法。采用多效多級蒸發(fā)的方法制取淡水并進行鹽類濃縮。此法以消耗熱能為代價， 一般適用于含鹽量超過3000mgL礦井水的處理。該方法所制取的淡水可直接利用。主要問題是防止熱交換表面結垢。為了降低成本，蒸餾法可考慮用煤矸

38、石作為廉價燃料。因煤矸石中含有一定數量的固定炭和揮發(fā)分，一般燒熱量在1030，發(fā)熱量可達4.1912.6MJg。前蘇聯(lián)煤炭環(huán)保研究院曾試驗研究出一種供礦井水淡化處理的蒸餾裝置，用于含鹽量超過5 mgL的礦井水處理，其出水可供煤礦生活和生產用。捷爾諾夫斯克礦井建成的絕熱式蒸發(fā)器，可將礦化度為7 8009000mgL含鹽量降至25200mgL。此外，國外已有采用電磁法、冰凍法淡化處理礦井水的報道，國內在這方面則還處于研究、試驗階段。3.2.5 含特殊污染物的礦井水利用技術目前這類礦井水發(fā)現量還不多，此類礦井水根據所含污染物的不同，分別有與其相對應的處理方法。含有毒、有害元素或放射性元素礦井水的處理

39、，首先去除懸浮物，然后對其中不符合標準水質的污染物進行處理。對含氟水，主要方法有混凝法、吸附法、離子交換法、電凝聚法和膜法等。含油礦井水可采用氣浮法處理。含鐵、錳等重金屬離子的礦井水，通常采用混凝、沉淀、吸附、離子交換和膜技術等處理方法。此類礦井水出后一般直接排放或者作為工業(yè)用水。3.2.6 其他處理方法1)人工濕地法。人工濕地酸性礦井水處理方法是20世紀70年代末在國外發(fā)展起來的一種污水處理方法，它利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學和生物的三重協(xié)同作用，通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水的高效凈化。人工濕地處理方法具有出水水質穩(wěn)定、對N、P等營養(yǎng)物質去除能力強、基建

40、和運行費用低、技術含量低、維護管理方便、耐沖擊負荷強、適于處理間歇排放的污水和具有美學價值等優(yōu)點。該工藝具有運行可靠，易于管理，投資省，無需處理污泥等高效低耗的優(yōu)點，是很有發(fā)展前途的污水處理新工藝。但人工濕地處理系統(tǒng)也有占地面積大，寒冷地區(qū)冬季的處理效果差等缺點。2)微絮凝納濾組合工藝。聶錦旭等人對微絮凝納濾組合工藝處理礦井水進行了試驗研究。該工藝通過優(yōu)化絮凝劑種類與曬藥條件，使水中的有機物與懸浮物質形成微絮凝過濾的前提條件，然后經過強化過濾的工藝單元處理后，通過納濾進一步去除水中濁度、細菌、有機物與含鹽量。納濾膜(膜材料為聚酰胺)是一種介于超濾和反滲透之間的分離膜。該工藝尚處在試驗階段。3.

41、3 礦井水綜合利用技術的發(fā)展趨勢為了最有效地實現礦井水的綜合利用，根據礦井水的類型和含污染物的成份、工藝流程的特性、凈化指標要求，選擇技術上可性、經濟上合理、運行簡單、穩(wěn)定的綜合利用技術工藝流程，經過初級處理單元可以達到農田灌溉、景觀用水、工業(yè)用水等；經過深度處理單元基本上消除了有害物資，可以基本上實現引用水標準、漁業(yè)用水、工業(yè)用水，若不可以則經過高級單元進行處理，完全可以達到生活飲用水的要求。3.3.1 礦井水處理的初級單元1）中和單元對于顯酸性的礦井水，這是必不可少的一個單元，酸性礦井水可用任何堿性物質來中和，選用何種堿性物質，取決價格、反應性、適用性、運輸方便、產生的泥狀沉積物性及所要求

42、的凈水質量。最常用的堿性物質是石灰或熟石灰，石灰對含三價鐵的礦井水處理效果最好。2）沉降單元在礦井水處理過程中，懸浮固體的去除一般是靠重力沉降來實現的，這些單元被稱為沉降(淀)池。這是一種最經濟實用的方法。沉降效果取決于池深，水在池內停留時間和溢流率等因素。一般矩形沉降池的設計計算最簡單。但最普遍采用的是輻射形沉降池，這種池管理費低，工程造價低，沉降污泥可靠重力排出。一般沉降池也可排除漂浮物質，多設有浮渣去除機械。在沉降池方面，較新發(fā)展的是斜管斜板沉降池。其基本原則就是大大增加池表面面積，因而提高去除效率。為增強沉降效果，目前常采用添加沉降劑的方法。石灰和石灰石是常用的沉降劑。3)氧化單元氧化

43、進行的方式有空氣氧化、化學氧化、電解氧化三種?？諝庋趸饕瞧貧夂统溲?化學氧化利用氧化劑(如高錳酸鉀)氧化水中污染物；電解氧化是指在任何氧化一還原劑作用下(不一定含氧)發(fā)生的氧化作用。礦井水凈化中主要用到的是自然曝氣充氧過程。該單元的主要功能是將廢水中有機物質氧化，達到氧化的終端產物CO：和H：，這對于降低(COD)是十分有效的。在礦井水處理中另一個有利方面是將Fe2+氧化成Fe3+，通過沉淀，從而除掉礦井水中的鐵。4)化學凝聚單元礦井水中一般含有很多膠狀物質，沉淀所需時間長、效果差、常采用化學凝聚法處理。添加有機絮凝劑或無機棍凝劑，消除膠體所帶電荷，使之凝聚變成絮狀物，迅速沉淀以達到廢水凈

44、化的目的。常用的有機聚合電解質絮凝劑聚丙烯酞胺(中)，聚丙烯酸(陰)，聚乙烯亞胺(陽；常用的無機混凝劑有鋁鹽、三價鐵鹽和鎂鹽。目前在礦井水處理中聚合堿式氯化鋁使用效果最顯著，凝聚速度快、用量少、形成的礬花大、成本低。鎂鹽在石灰處理工藝中，有不可替代的優(yōu)勢目前絮凝和混凝的理論和工藝發(fā)展很完善，為了增強凝聚效果，常常將助凝劑與其一起投入所處理的礦井水中。助凝劑為某種不溶于水的粒狀物質，它們的投入能形成較大絮體的內核，加速凝聚和沉降作用，投加助凝劑將加大污泥量5)過濾單元只有在礦井水過濾前投加混(絮)凝劑，才能獲得清澈的濾后水。在澄清池內投加混凝劑，能降低澄清池出水濁度、過濾系統(tǒng)的固體負荷，化學混凝

45、后，過濾可獲得100%的去除率。若不加混凝劑，濾池截除懸浮固體的效率僅為50一80%濾前投加混凝劑的作用是十分突出的。雖然投加混凝劑增加了成本，加大了污泥量，但縮短了過濾周期，提高了凈化效果，所以混凝劑還是為礦井水處理系統(tǒng)所歡迎的。目前常用的濾池有重力無閥濾池，移動床濾池、微孔篩濾機、壓力式深床顆粒濾池、重力式深床顆粒濾池，后二種是高速過濾系統(tǒng)。過濾單元的設計和選型最重要的參數是過濾周期。它和進水懸浮固體濃度，濾池的水力負荷、濾料的種類和尺寸密切相關。6)消毒單元由于礦井水受到人類生產生活活動的污染而含有大量細菌，在處理工藝中，必須加以消毒滅菌。一般在過濾后加氯消毒。前面述及的六個單元，為礦井

46、水處理工藝的初級單元?？梢愿鶕V井水的成份，凈化要求而優(yōu)化組合，形成礦井水的初級凈化處理工藝流程。對于比較清潔的礦井水，經過初級凈化處理，便可以達到資源化利用的目的。7)輔助單元在礦井水凈化處理工藝中，各單元均產生大量的污泥，對這些污泥必須妥善處理。一般采用板框式壓濾機、自動清料間歇式壓濾機、連續(xù)旋轉壓濾機等機具進行固液分離處理。處理后的污泥，根據其成份特性，或做水泥原料、或做肥料、或做煤泥燃料、或填埋處理。3.3.2 礦井水深度處理單元針對礦井水中重度污染的因子，單純的初級處理單元的組合，是無法脫除干凈的。經初級處理后的礦井水仍可有一些無機鹽類、金屬和有毒物質超標，達不到生活飲用水標準、工業(yè)

47、用水及農田灌溉，因此，應有針對性地增加一些深度處理單元，以解決這一問題。1)高硬度去除單元對于高硬度的礦井水，可采用石灰或石灰蘇達灰軟化法。在不需要徹底去除硬度的場合，該方法可將硬度降低到80100mg/L，遠低于生活飲用水標準。本方法的運行費用比電滲析法和離子交換樹脂法便宜得多。碳酸鹽硬度: Ca(HCO3)2+Ca(OH)2=CaCO3 +H2O處理過程中，石灰總是投過量，再通以二氧化碳，可獲得穩(wěn)定的處理效果。此處理單元應設在沉淀，凝聚之前。2)除鐵單元初級處理后的鐵、錳超標，與初級工藝的曝氣不充分法存在困難時，可利用高錳酸鉀處理池，去除鐵、錳。鐵、錳的氧化速度隨著水溫升高，攪拌強度增加而

48、加快，反應發(fā)生后，錳鹽就沉析出來，形成磯花沉淀并能網捕其他膠體物質。該方法還能漂白水，去除水中臭味，并能去除90%的酚，是一種經濟高效的深度處理單元。3)脫硫單元電滲析脫硫是一種成熟的技術，其他如離子交換法，反滲透法等均可作為有效的硫酸鹽脫除單元。但其造價高，運行費用大、維護復雜、限制了它們使用和推廣。生物法脫硫，對環(huán)境條件要求苛刻，難以實現。目前比較理想的方法用6210凈水劑脫硫。該凈水劑是以鋁鈣渣為主要原料研制成功的。在溫室時，反應30分鐘以上，SO42-去除率可達90%以上。6210在去SO42-除時，也能去除Ca， Mg等離子。 6210為固體粉末，投加后沉降性能好:兼?zhèn)浠炷突瘜W作用

49、兩種性能，是一種性能優(yōu)良的凈水劑。4)脫氟單元去除礦井水中氟的主要方法有石灰沉淀法、活化鋁吸附法等。在水中投加石灰后就形成氟化鈣沉淀。在高硬度去除的同時，一起被去除。由于CaF2溶解度為7.8mg/L，成為本方法的限制因素。雖然可用投加鎂鹽的方法解決，但效果并不理想。近年發(fā)展起來的一種方法是活化鋁吸附法。用活化鋁(鋁的氧化物)去粘合鋁和氟化物，使其成為一種絡合物，能成功地降低氟化物濃度到1 mg/L的幅度?；罨X吸附氟化物的能力在1.6kg/m3左右。對一些最常碰到的重度污染因子，可用上述深度處理單元。對不常見的污染因子，此處不做過多的介紹，可以查閱其他專著。3.3.3 礦井水處理的高級單元在

50、礦井水資源化過程中，經過初級處理和深度處理，仍達不到飲用水標準，當然可以采取更高一級的處理單元來處理礦井水，主要有： 1)電滲析單元； 2)反滲透單元； 3)離子交換單元； 4)蒸餾法單元； 5)生物脫稍單元；7)濕地處理單元。這些工藝，技術先進，脫除效率高，可成為礦井水終極處理方法。但一般來講這些高級處理單元往往是工程造價高、運行費用高，維護維修復雜且費用高。尤其是當操作管理不當時，會使處理后達標的礦井水變得昂貴，一般不是十分缺水的地區(qū)，不做這樣的工藝設計。3.4 礦井水綜合利用技術利具體應用山東省七五煤礦許樓礦11主要污染物為懸浮物、有機物等。特點是：有機物含量較低，一般BOD濃度為501

51、20mgL。含有較大量的煤泥水成份和洗滌劑成份。根據山東省環(huán)保局對南四湖和南水北調工程水質保護的要求，生活污水處理后水質要求達到中水回用水水質要求，生活污水經處理后，不得排入地面水系，全部作為生產用水回用，實現零排放。許樓礦井生活污水處理工藝采用了國內先進、可靠的厭氧水解、生物接觸氧化法工藝。3.4.l 設計指標 設計處理水量：2400m3d；處理后水質達到污水綜合排放標準(GB89781996)新擴改一級標準(城鎮(zhèn)二級污水處理廠出水水質要求)和山東省環(huán)保局對南水湖水質的要求。即：BOD520 mgL；CODcr<60 mgL；SS70mgL；NH3一N15mgL；動植物油10 mgL；

52、pH值69。出水水質達中水水質要求，作為生產回用水。3.4.2 工藝選擇根據山東七五煤礦許樓礦井生活污水水質特點和山東省環(huán)保局對南四湖排水水質要求及中水回用要求，并考慮污水處理效果少受原水水質和水溫等的影響，本設計生活污水生化處理采用厭氧水解除磷脫氮和好氧生物接觸氧化法與混凝沉淀相配套的處理工藝，以確保處理后的水質達到中水水質要求。1)工藝流程生活污水由集水溝匯集后，經機械格柵去除表面飄浮物后入調節(jié)池，池內兼氧曝氣，經水量水質調節(jié)后，入厭氧池，池內掛膜攪拌，污泥回流；經厭氧除磷脫氮后，由潛污泵提升至生物接觸氧化池，池內掛膜，池底鼓氧，經生物膜上微生物菌群氧化降解處理后，有機物氧化、降解，上清水自流入反應池，入口處加入PAC絮凝劑，出水入二沉池，經沉淀澄