煤礦礦井水水處理與水利用

匯報：王新富2018年04月19日

煤礦礦井水水處理

與水利用礦井水水質(zhì)特征1水處理技術發(fā)展3礦井水資源利用4匯報提綱礦井水水處理2工程實例分析5研究背景

我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，也是世界上少數(shù)幾個以煤炭為主要能源的國家之一(胡筱敏等，2000)。2008～2009年，我國的原煤產(chǎn)量已達29億t。隨著國民經(jīng)濟高速發(fā)展，對煤炭的需求量還將進一步增長。

在我國一次能源消費構成中，煤炭約占70%左右，而且預計這種局面在今后相當長時間亦不會有根本性的改變。目前，全國約75%的工業(yè)燃料和動力、70%以上的發(fā)電能源、80%左右的民用商品能源以及近60%的化工原料均依靠煤炭。研究背景

礦井水，是指在煤礦采掘過程中所有充入井下采掘空間的水，是煤礦開采過程中受污染的地下水。為保證安全生產(chǎn)和良好的作業(yè)環(huán)境，開采過程中必須進行礦井排水。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國平均噸煤涌水量2～4m3，全國每年外排礦井水30億m3左右，約占全國地下水開采量的5%，為我國城市年生活用水量的40%(徐智敏.2007)。由于自然地理和地下水水文地質(zhì)條件的不同，我國各地礦井排水量差異較大。中國煤炭工業(yè)協(xié)會和中國礦業(yè)大學(北京)水污染控制工程研究所對我國22個省、市、自治區(qū)136個煤礦的調(diào)查統(tǒng)計，結果表明，全國平均每采1t煤即排放礦井水2.1m3(統(tǒng)計基準年為2005年)。2005年全國煤炭產(chǎn)量約為20億t、礦井水排放量約為42億田3(何緒文等，2008)。研究背景水是社會文明、經(jīng)濟發(fā)展和人類生存必不可少的自然資源。我國淡水資源人均占有量只相當于世界人均的1/4，在全國600多座城市中，有400多座城市缺水。煤礦區(qū)所在城市缺水狀況更為嚴重。礦井水處理及資源化的必要性據(jù)統(tǒng)計，我國煤礦平均噸煤排放水量為2.0~2.5噸。2005年全國煤炭礦井水排放量約為42億m3。礦井水利用量約為11億m3，全國礦井水利用率約為26.2%，近幾年有所提高。國家層面：國家對礦井水的綜合利用高度重視

環(huán)保部已于2015年頒發(fā)了《現(xiàn)代煤化工建設項目環(huán)境準入條件(試行)》。文件中要求，“現(xiàn)代煤化工發(fā)展，必須要強化節(jié)水措施，減少新鮮水用量。在具備條件的地區(qū)，倡導優(yōu)先使用礦井疏干水、再生水，禁止取用地下水作為生產(chǎn)用水。”行業(yè)層面：礦井水利用是煤炭生產(chǎn)安全與可持續(xù)發(fā)展重要保證《煤炭工業(yè)污染物排放標準》GB20426-2006規(guī)定：新建煤礦設計中應優(yōu)先選擇礦井水作為生產(chǎn)水源，用于煤炭洗選、井下生產(chǎn)用水、消防用水和綠化用水等。建設燃煤電廠、低熱值燃料綜合利用電廠，應優(yōu)先選擇礦井水作為供水水源優(yōu)選方案。礦井水來源及污染源大氣降水01地表水02含水層水03斷層水04采空區(qū)水05來源污染源Ⅰ井下糞便污染Ⅱ煤、巖塵污染Ⅲ廢坑木腐爛污染Ⅳ廢機油、廢酸液污染Ⅴ乳化炸藥污染Ⅵ井下灑水和防火灌漿水污染礦井水污染機理物理作用

礦井水的污染機理是很復雜的，通常情況下是由物理、化學、和生物化學綜合作用的結果。指污染物進入礦井水中只改變其物理性狀而不改變其化學性質(zhì)，不參與生物作用過程。煤礦床的礦物組分通常含有一定的硫化物或硫酸鹽，在空氣和水作用下常發(fā)生氧化、水解和溶濾作用而形成酸性水?；瘜W作用礦井水概念潔凈礦井水酸性礦井水主要礦井水類型分類含懸浮物礦井水高礦化礦井水

從本質(zhì)上講，礦井水實際上就是礦區(qū)所采煤層及開拓巷道附近地下水。按水質(zhì)類型分為5

類。含有害有毒元素礦井水礦井水的分類及特征①水質(zhì)較好、pH值為中性，低礦化度，基本不含SS。②各類水質(zhì)指標符合《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB5749－2006），只需稍加處理和消毒即可飲用

礦井水的分類及特征礦井水的分類及特征礦井水處理及資源化技術

近年來，針對不同類型礦井水，根據(jù)不同用途采取不同的處理技術，在實踐中形成了很多具有推廣意義的實用技術和工藝，取得了理想效果。特別是礦井水的深度處理、含特殊污染物礦井水處理技術研究和高效混凝劑的研發(fā)，已經(jīng)取得了重要進展。

從目前已有的礦井水處理技術和工藝來看，礦井水處理技術可以按地點、水質(zhì)狀況和技術原理進行分類。礦井水處理及資源化技術

①井下處理；②地面處理。按礦井水處理地點分類按礦并水水質(zhì)類型分類按技術原理分類①潔凈礦井水處理；②含懸浮物礦井水處理；③高礦化度礦井水處理；④酸性礦井水處理；⑤含特殊污染物礦井水處理。①重力沉淀、混凝澄清等物理方法處理；②化學沉淀、化學中和、離子交換等化學方法處理；③電滲析、反滲透、納濾等膜分離法處理；④其他方法處理，如濕地法處理、微生物法處理等。礦井水處理及資源化技術含懸浮物礦井水的處理

128個礦礦井水的SS含量統(tǒng)計表混凝劑:聚合氯化鋁(PAC)、聚合氯化鐵(PFC)、硫酸鋁等助凝劑：聚丙烯酰胺(PAM)含懸浮物礦井水的處理反應池：機械反應、網(wǎng)格反應、折板反應

沉淀池：平流式、豎流式、幅流式、斜管沉淀池

澄清池：機械加速澄清池、水力循環(huán)澄清池過濾池：普通快濾池、重力式無閥濾池

濾料：無煙煤、石英砂、錳砂、陶粒、瓷砂。

消毒劑：二氧化氯、次氯酸鈉、液氯、紫外線、臭氧。含懸浮物礦井水的處理含懸浮物礦井水的處理含懸浮物礦井水的處理無閥重力濾池含懸浮物礦井水的處理含懸浮物礦井水的處理

煤礦開采后經(jīng)常出現(xiàn)大面積塌陷塘(區(qū))，可將塌陷塘(區(qū))改造成氧化塘，利用自然條件下的生物處理原理處理含懸浮物礦井水。氧化塘水面還可放養(yǎng)水生生物和種植水面作物，利用氧化塘提高所處理礦井水的水質(zhì)，使出水水質(zhì)達到漁業(yè)水域及農(nóng)灌用水要求，同時增加經(jīng)濟效益。含懸浮物礦井水的處理

從處理工藝本身看，目前全國各地煤礦很多均使用一體化凈水器處理含懸浮物礦井水。該工藝集混凝、沉淀、過濾于一體，采用鋼制結構，具有結構緊湊、占地面積小、建設周期短、投資省、易于室內(nèi)布置、便于冬季保暖和平時維護的特點。高礦化度礦井水資源化技術關鍵技術是除鹽，主要方法有：蒸餾：傳統(tǒng)蒸餾、多級閃蒸、多效蒸餾離子交換：陽床、陰床、混床、雙層床電滲析：發(fā)展為電去離子（EDI）反滲透（reverseosmosis，RO）：主流技術高礦化度礦井水資源化技術

電滲析法(ED法)是一種利用電能進行膜分離的方法。是指在直流電場作用下，利用陰、陽離子交換膜對溶液中陰、陽離子的選擇透過性，而使溶液中的溶質(zhì)與水分離的一種物理化學過程。高礦化度礦井水資源化技術

ED法具有可連續(xù)出水、工藝系統(tǒng)簡單、設備少等優(yōu)點，但缺點也是明顯的，如對原水的預處理要求較高；電耗較大、易結垢和膜壽命短；電滲析本體由塑料件組成，因此塑料老化成為增加電滲析維修費用的主要因素。電滲析操作電流、電壓直接受原水水質(zhì)、水量影響，過程穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)性能惡化且水回收率低(一般為5O%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)方法和控垢藥劑的投加目前尚缺乏成熟的經(jīng)驗。反滲透概念高礦化度礦井水資源化技術純水和鹽水被理想半透膜隔開，半透膜只允許水分子通過，此時純水側的水會自發(fā)地通過半透膜流入鹽水一側，這種現(xiàn)象稱為滲透，若在鹽水側施加壓力，那么水的自發(fā)流動將受到抑制而減慢，當施加在膜鹽水側的壓力大于滲透壓力時，水的流向就會逆轉(zhuǎn)，此時，鹽水中的水將流入純水側，這種現(xiàn)象就是水的反滲透（RO）處理的基本原理。

相比較而言，反滲透法對進水水質(zhì)要求比電滲析法還要高，高礦化度礦井水進人及滲透之前，除必要的預處理外，還應做軟化處理，防止由于Ca2+、Mg2+形成反滲透膜化學性結垢而造成膜堵塞。

另外還要嚴格控制進水pH值，以防止膜水解。反滲透脫鹽處理可以有效地去除水中無機鹽類、低分子有機物、膠體、病毒和細菌等，是一種高效、低耗、無污染水處理技術，適用于全鹽量大于4000mg/L上的水的脫鹽處理，更適用于高礦化度礦井水的脫鹽，其一般工藝如圖所示。高礦化度礦井水資源化技術高礦化度礦井水資源化技術高礦化度礦井水資源化技術酸性礦井水資源化技術酸性礦井水處理的方法主要有：中和法、微生物法、人工濕地法、粉煤灰吸附法等等。中和法的作用機理：向酸性礦井廢水中投加堿性中和劑,利用中和反應增加廢水的pH值，使廢水中的金屬離子形成溶解度小的氫氧化物或碳酸鹽沉淀而凈化污水。常用的中和劑有：石灰(CaO)、碳酸鈣、高爐渣、白云石、Na2CO3、NaOH等。酸性礦井水資源化技術酸性礦井水資源化技術

通常情況下，酸性礦井水全鹽量均比較高。吳東升(2008)以汾西礦業(yè)集團公司某礦的高鹽、高鐵酸性礦井水為研究對象，通過”中和—曝氣—反滲透"連用技術，為高鹽、高鐵酸性礦井水污染治理和回收再利用探索了一條經(jīng)濟可行之路。礦井水的排放量為1800t/d，為間隙性排水，礦井水pH值為2.63。根據(jù)礦井水水質(zhì)、水量和水處理要求，結合礦區(qū)實際情況，采用的水處理工藝如圖所示。酸性礦井水資源化技術生物化學處理法利用氧化鐵硫桿菌，酸性條件下將2價Fe升成3價，在石灰石中和處理。濕地生態(tài)工程利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理的、化學的、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而實現(xiàn)對污水的高效凈化。酸性礦井水資源化技術PRB法02漏斗通道系統(tǒng)01連續(xù)墻系統(tǒng)03GeoSiphon/GeoFlow單元

可滲透反應墻(PRB法)：是一種原位去除污染地下水中污染組分的新方法。原理是在礦山地下水流的下游方向，定義一個被動的反應材料的原位處理區(qū)。酸性礦井水資源化技術?使呈溶解狀態(tài)的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗艿闹亟饘俪恋砦铮?jīng)沉淀從廢水中去除。具體方法有中和法、硫化法、還原法、氧化法、離子交換法、活性炭吸附法、電解法和隔膜電解法等。?濃縮和分離具體方法有反滲透法、電滲析法、蒸發(fā)濃縮法等含特殊污染物礦井水

含某些重金屬、有毒有害微量元素及放射性等礦井水必須進行處理才能排放和利用。重金屬廢水的處理方法可分為兩大類!!!含特殊污染物礦井水部分工藝流程井下水處理工作原理：礦井水經(jīng)過井下水倉收集，進入調(diào)節(jié)池均勻水質(zhì)、水量，再進入化學預沉池，同時投加混/絮凝劑，完成混凝、沉淀、澄清后，上清液進入自動過濾器，過濾后進入清水池，再由井下供水管網(wǎng)輸送給各供水單元。中小型污水處理機Page40特點：

：環(huán)保、無廢棄物排出占地面積小，傳統(tǒng)方式的1/10投資少，傳統(tǒng)方式的1/5模式化設計，可根據(jù)需要并列使用擴大處理能力。井下水處理中小型污水處理機工作原理：

污水進入水箱進行水量和水質(zhì)的調(diào)節(jié)，再進入高性能水處理機，經(jīng)過攪拌、沉淀后，清水進入環(huán)保型水箱，供用戶使用。Page41礦井水處理技術的發(fā)展微濾和納濾膜技術礦井水處理技術的發(fā)展微濾和納濾膜技術

聶錦旭等研究了微混凝過濾—納濾膜處理礦井水，實驗采用了美國Trisep公司生產(chǎn)的T580—4040納濾膜，通過強化微混凝和納濾膜過濾，取得了較好的水處理效果。礦井水處理技術的發(fā)展光氧化和光催化技術

經(jīng)過光化學氧化后，礦井水中有機物大分子破裂，有利于活性炭吸附處理，從而使礦井水中有機物去除率達95%以上。礦井水處理技術的發(fā)展高密度沉降技術

通過加入高密度介質(zhì)，同時加藥，使礦井水中的懸浮物形成大絮凝體，較大的絮凝體具有大的密度和半徑，從而增加沉降速度，相同處理量下沉淀池體積大為減小。礦井水處理技術的發(fā)展高超磁分離技術

含有磁性絮凝體顆粒的水體經(jīng)過超磁分離機時，超磁分離機的永磁強磁性磁盤能產(chǎn)生大于重力的磁力，瞬間將磁性絮凝體吸附，實現(xiàn)水質(zhì)凈化。礦井水處理技術的發(fā)展采空區(qū)過濾技術

與高密度沉降技術和超磁分離技術不同，采空區(qū)過濾技術不需要專門的水處理設備和藥劑，僅利用煤炭開采過程形成的采空區(qū)進行礦井水過濾去除懸浮物，該技術處理成本低，也不會形成二次污染。目前大部分井工礦都采用全部垮落法處理頂板，煤層的上附巖層主要由砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細砂巖和中砂巖組成。采空區(qū)的填充物主要是煤層頂板和少量殘煤，在開采擾動和重力的作用下，填充物形成密實的高孔隙率的巖石濾體。

將含懸浮物的礦井水從采空區(qū)水平標高較高的地方送入采空區(qū)后，在重力作用下水體滲透過填充物流向低洼處，而懸浮物被截留，實現(xiàn)懸浮物的去除。此外，煤層頂?shù)装逯羞€含有一些黏土礦物，可以吸附礦井水中的油脂，并對水中的鈣鎂離子進行吸附交換，降低水的硬度。礦井水處理技術的發(fā)展曝氣－絮凝沉淀－V型濾池工藝礦井水資源利用

將處理后的礦井水進行活用，最大限度的提高水資源利用率，體現(xiàn)現(xiàn)代礦山的綠色環(huán)保、高效節(jié)能的特點，使礦區(qū)環(huán)境實現(xiàn)“潔、凈、美”。供工業(yè)用水主要是用于提供礦山的生產(chǎn)用水（井下灑水、消防用水、洗煤廠生產(chǎn)用水、煤廠控塵用水等），這樣做在提高水資源利用率的基礎上又具有較大的經(jīng)濟利益。礦井水熱能利用

利用處理后的礦井水的低溫熱能，用于建筑供暖、井筒防凍、洗浴熱水等、減少或取消燃煤鍋爐，達到節(jié)能減排的目標。礦區(qū)景觀水利用對于富余的礦井水用于礦山的綠化用水、景觀用水等，努力建設綠色礦山、生態(tài)礦山，實現(xiàn)經(jīng)濟與環(huán)境的和諧發(fā)展。山東某礦礦井水處理工程

該礦是一座大型的現(xiàn)代