煤礦廢水治理技術(shù)研究

許莉 郝迪

摘要：煤礦礦井水是煤礦行業(yè)廢水，具有水量大的特點(diǎn)，如不妥善處理，不僅會造成水資源浪費(fèi)，同時(shí)也會對周邊水體和土壤造成嚴(yán)重威脅。煤礦礦井水按其所含有的污染物成分可分為5類：潔凈煤礦水、礦化度高的煤礦水、酸性的煤礦水、含懸浮物的煤礦水和帶有特殊污染物煤礦水。本文簡要介紹針對煤礦礦井水處理的常規(guī)技術(shù)，為煤礦企業(yè)治理煤礦礦井水提供一定參考。

關(guān)鍵詞：水處理技術(shù);煤礦廢水;煤礦

開發(fā)利用煤炭的過程中，容易造成當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的破壞，尤其是開采過程產(chǎn)生的廢水，據(jù)文獻(xiàn)資料，井下每噸煤炭會產(chǎn)生排放2噸煤礦廢水，主要為煤礦開采的各種作業(yè)中，地下水同煤層、巖石層發(fā)生接觸，其水質(zhì)成因取決地殼中的礦物物理化學(xué)成分[1-2]，不經(jīng)處理直接排放，不僅因其水量大會造成資源的浪費(fèi)，也會對周邊自然水體和土壤造成了嚴(yán)重威脅，煤礦廢水pH較低則會導(dǎo)致流經(jīng)的土壤呈酸性，接觸的巖石中金屬物質(zhì)溶解帶來重金屬超標(biāo);煤礦廢水中鐵、錳將會消耗水中氧氣，導(dǎo)致水生動(dòng)物和水生植物死亡，影響生態(tài)平衡，煤礦廢水中的重金屬離子又會經(jīng)富集作用，對環(huán)境和人類造成影響[3]。因此，開采煤礦的同時(shí)，必須同步處理煤礦廢水。

1煤礦礦井水概述

煤礦礦井水主要來源于地下水，其產(chǎn)生是由于開采煤礦過程中地下水與煤、巖層之間發(fā)生接觸，在物理、化學(xué)、生化反應(yīng)共同作用下形成的。煤礦水的水質(zhì)特性由形成煤的地質(zhì)環(huán)境和煤系地層礦物化學(xué)成分共同作用，而礦區(qū)的水文地質(zhì)條件及充水因素對煤礦水的水質(zhì)起著決定性的影響。

煤礦礦井水按其所含有的污染物成分可分為潔凈的煤礦水、礦化度高的煤礦水、酸性的煤礦水、含懸浮物的煤礦水和帶有特殊污染物煤礦水五類情況。潔凈的煤礦水是指的該煤礦的地下水沒有被污染，并且還含有多種微量元素，水質(zhì)基本滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB5749-2006）要求，可用于開發(fā)為礦泉水。對這類煤礦水采用地下水的簡單處理（如篩網(wǎng)隔濾或消毒），處理后直接作為生活用水供周邊居民使用[2]。

礦化度高的煤礦水也稱為含鹽煤礦水，它的水質(zhì)指標(biāo)中含鹽量達(dá)到上千毫克每升。這類煤礦水的pH多偏堿性或中性，水中鈣、鎂離子、碳酸氫根和碳酸根離子、硫酸根離子含量較高，硬度大，礦化度大多為1000-4000mg/L，有時(shí)甚至高達(dá)上萬毫克每升。因礦化度高的煤礦水含有大量中性鹽，帶苦澀味道，因此也稱苦咸水，無法直接飲用，通常采用蒸餾法、電滲析法、反滲透等方法進(jìn)行處理。我國煤礦礦化度高的煤礦水主要分布在中國西部高原、黃淮平原及華東沿海地區(qū)[4]，長期飲用該類水容易導(dǎo)致人體的胃、腸功能紊亂，使免疫力下降。

含懸浮物的煤礦水。水質(zhì)pH一般呈中性，礦化度含量低于1000mg/L，未檢測出金屬離子、金屬離子微量，基本上不含有毒有害離子。該類煤礦水中SS含量波動(dòng)較大，從幾十毫克升到數(shù)千毫克升。該類煤礦水中懸浮物主要來源為煤粉微粒，與地表水中SS的平均密度相比，該類煤礦水中SS平均密度僅為其一半[5]。

酸性煤礦水是指水質(zhì)pH值小于6的煤礦水，通常情況下，其pH在2-4。中國南方較為常見[2]。該類煤礦水中含有大量的鐵離子、錳離子、亞鐵離子和硫酸根離子，由于其呈酸性，通常還伴隨帶有一定的金屬離子，酸性煤礦水主要成因是煤礦地層富含菱鐵礦和黃鐵礦，礦石長期浸泡在水中，使得氧、水、硫鐵礦充分接觸作用，當(dāng)pH小于7時(shí)，亞鐵離子繼續(xù)被氧化為鐵離子，當(dāng)pH大于3.5時(shí)，鐵離子又將水解產(chǎn)生氫氧化鐵，增加了酸性廢水的酸度。因此該類水的礦化度和硬度也因酸性的原因而增高[5-6]。

含特殊污染物煤礦水指的是該類煤礦水中含有含微量元素或放射性元素等有毒有害污染物。帶有放射性物質(zhì)的煤礦水、氟含量較高的煤礦水等，還有因地區(qū)地質(zhì)條件導(dǎo)致煤礦水中重金屬離子超標(biāo)[7]。

2礦井水治理技術(shù)

鑒于煤礦廢水其成分和危害的不同，我國對于煤礦廢水開展治理歷經(jīng)上世紀(jì)80年代的活性污泥法，到90年代的生物接觸氧化法，再到后面各專家學(xué)者對其特點(diǎn)進(jìn)行研究，目前人們對于煤礦廢水的治理技術(shù)主要有混凝沉淀法、酸堿中和法、人工濕地法、化學(xué)氧化法、蒸餾法、膜分離技術(shù)等[8]。同時(shí)伴隨著其他行業(yè)的新技術(shù)的推廣，也有移植到煤礦廢水治理上，比如超磁分離技術(shù)。

2.1混凝沉淀法

混凝是水處理工藝中混合和絮凝過程的一個(gè)統(tǒng)稱。混合指的是使得混凝劑充分而均勻地?cái)U(kuò)散到水體的過程，絮凝指的是投加混凝劑并充分混合后的原水。在水力的作用下使微絮粒間碰撞并逐漸形成更大顆粒即為混凝?；炷恋碜鳛槌Ｒ姷乃|(zhì)凈化方法，不論是在給水領(lǐng)域還是污水處理中應(yīng)用都較為廣泛?；炷恋硗ㄟ^吸附、沉淀、絮凝、混凝成絮體而沉降，達(dá)到污染物與水分離凈化的目的。解毅[9]通過對山西某煤礦進(jìn)行處理，該廢水COD、SS、pH、鐵、錳為污染因子。采用的工藝：初沉+混凝沉淀+過濾+深度處理。采用常見的PAC做混凝劑、PAM做助凝劑。處理后可達(dá)到《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB20426-2006）標(biāo)準(zhǔn)?？捎糜诘V井職工洗浴、地表植被澆灌以及景觀用水需要，達(dá)到了循環(huán)利用的目的。

2.2酸堿中和法

煤礦廢水pH呈酸性的水質(zhì)，主要原理為酸堿中和反應(yīng)，酸和堿相互交換成分生成鹽和水的反應(yīng)，即反應(yīng)式（酸+堿→鹽+水）。實(shí)質(zhì)是H+（氫離子）和OH-（氫氧根離子）結(jié)合生成水的反應(yīng)。通常加入堿性物質(zhì)進(jìn)行中和來達(dá)到調(diào)節(jié)pH的目的。常用的堿性物質(zhì)包括采用石灰或石灰石、碳酸鈣、氫氧化鈣、苛性鈉等。中和法技術(shù)成熟，操作簡便、處理費(fèi)用低，處理效果好，同時(shí)產(chǎn)生的沉淀物氫氧化鐵和硫酸鈣不溶于水可進(jìn)行回收利用。該方法會產(chǎn)生大量污泥，操作不當(dāng)容易引發(fā)二次污染。汾西礦業(yè)集團(tuán)下屬公司煤礦廢水[10]為典型高鹽、高酸性廢水，pH為2.63，該廢水處理以純堿作為中和藥劑，調(diào)節(jié)其pH，從而有利于Fe2+的氧化。

2.3人工濕地法

上世紀(jì)70年代，西方國家采用植物吸收凈化處理酸性礦井廢水[11]，去除的主要機(jī)理為金屬離子的水解和氧化;厭氧菌對硫酸鹽的還原;植物和土壤有機(jī)質(zhì)對金屬離子的吸附作用，同時(shí)人工濕地還能去除水中氮和磷，人工濕地法具有運(yùn)行成本低、對維護(hù)人員要求低、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)主要是濕地占地地面積較大、植物在低溫環(huán)境下處理效果較差。

2.4化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法通過氧化還原作用能較為徹底去除廢水中有機(jī)物。將大分子、難降解的有機(jī)物通過氧化作用，降解成低毒性或無毒的小分子物質(zhì)?；瘜W(xué)氧化法有臭氧氧化法、光化學(xué)催化氧化、芬頓氧化、電催化氧化、電化學(xué)氧化等技術(shù)。許明福[12]等在處理興隆莊煤礦廢水采用化學(xué)氧化法。結(jié)果表明，化學(xué)氧化法對廢水中有機(jī)污染物去除效果好，出水穩(wěn)定，運(yùn)行簡單，化學(xué)氧化法對于廢水中氨氮和磷的含量也有去除效果。

2.5蒸餾法

蒸餾法消耗熱能，達(dá)到脫鹽淡化目的。目前常用的蒸餾法分為蒸發(fā)塘，其充分利用太陽能對濃液進(jìn)行蒸發(fā)，較適用于北方干旱少雨區(qū)域，蒸發(fā)塘占地面積較廣;機(jī)械式蒸汽再壓縮蒸發(fā)器，是物料通過加熱的能量與外部蒸汽的熱能多次交換，使物料中水分受熱蒸發(fā)，將溶解態(tài)的鹽分轉(zhuǎn)化為固態(tài)的晶體鹽析出的工藝，其優(yōu)點(diǎn)為能耗比多效蒸發(fā)器降低，運(yùn)行費(fèi)用省;將二級能效進(jìn)行串聯(lián)組組成了多效蒸發(fā)，利用串聯(lián)起的二次蒸汽作為下一級能效加熱蒸汽蒸發(fā)源。多效蒸發(fā)比二級能效，其各能效的加熱蒸汽溫度、操作壓力、溶液沸點(diǎn)均會依次降低[13]。

2.6膜分離技術(shù)

膜分離技術(shù)是多學(xué)科較差的一種水處理技術(shù)。一般常用于污水的深度處理。膜分離技術(shù)依據(jù)分離介質(zhì)為選擇性透過膜，在膜一側(cè)施推力，使原料側(cè)組分選擇性透過膜，從而達(dá)到分離或提純的目的。膜分離根據(jù)工藝分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）、滲析、電滲析（ED）。反滲透技術(shù)采用在膜的原水一側(cè)施加壓力，壓力比溶液滲透壓力更大。透過液主要為水、極小分子、離子化溶質(zhì)，半透膜僅允許水透過，其他物質(zhì)被膜截留不能通過，最終被截留在膜表面?？扇コ蠸S、有機(jī)物、微生物、鹽分等[14]。反滲透技術(shù)具有占地面積小，自動(dòng)化程度高，耗能少等特點(diǎn)。

2.7超磁分離技術(shù)

超磁分離技術(shù)最早起源于環(huán)能德美公司，將此技術(shù)用于冶金行業(yè)的廢水處理，對廢水中重金屬的去除[15]。應(yīng)用，近年來，也在化工行業(yè)、煉油行業(yè)等領(lǐng)域取得了一定推廣。超磁分離技術(shù)向待處理的煤礦水中加入磁種，并在助凝劑的配合下，加速懸浮物的絮體凝結(jié)，因?yàn)榇欧N的緣故，該絮體有一定磁性，可被超磁分離機(jī)進(jìn)行定向吸附。因?yàn)槌欧蛛x時(shí)間較短，同時(shí)設(shè)備占地面積小，極大提高了處理水的速度。此外，超磁分離技術(shù)不但能去除重金屬、SS、油類，在病原菌、藻類等去除上也有著一定效果[16]。

3發(fā)展趨勢和展望

深度氧化技術(shù)、光催化技術(shù)、膜分離技術(shù)、微生物技術(shù)、超磁分離技術(shù)等新技術(shù)的研究及跨領(lǐng)域技術(shù)的推廣，都為煤礦廢水處理提供了新研究方向。而新材料更新、研發(fā)，又為新技術(shù)的推廣帶來了更多可能，這些技術(shù)的應(yīng)用推廣為煤礦企業(yè)在節(jié)能環(huán)保上提供了可操作性和可復(fù)制性。

在上述介紹的技術(shù)中，較為成熟可行的方法有混凝沉淀法、酸堿中和法、膜分離技術(shù)。將煤礦廢水處理后應(yīng)用于生產(chǎn)、綠化，既可降低污染排放又能節(jié)約水資源，為企業(yè)降低運(yùn)行成本。聚焦2030年碳達(dá)峰目標(biāo)，煤礦行業(yè)的水處理提高與回用，對其自身取水、用水、排水環(huán)節(jié)上均實(shí)現(xiàn)資源利用率的提高，有效降低了水中污染物，切實(shí)符合當(dāng)前國家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和中期遠(yuǎn)期碳中和碳達(dá)峰目標(biāo)。

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作者簡介：許莉（1981-），女，河北保定人，高級工程師，本科，研究方向：煤礦礦山環(huán)境污染治理。