摘要：通過對徐州礦物局、安徽淮北淮南、山西、河南的幾個煤礦進行實地的調(diào)查，總結(jié)出針對不同類型的礦井水的處理利用方法，指出對目前礦井水處理還存在的問題、為更好地利用礦井水提出了一些建議。
關(guān)鍵詞：礦井水；處理方法；綜合利用
礦床開采破壞了地下水原始賦存狀態(tài)并產(chǎn)生了裂隙，密切了大氣降水、地表水、地下水和生活用水，各含水層之間的水力聯(lián)系，使各種水沿著原有的和新裂隙滲入井下采掘空間形成礦井水。礦井水是煤炭生產(chǎn)過程中排放量最多的廢水。據(jù)1993年統(tǒng)計，我國國有重點煤礦年排礦井水約22億m3，平均噸煤涌水量約4．0m3，而且隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展礦井水的排放量還將不斷增多。長期以來，由于技術(shù)所限和認識不足，礦井水被當做水害加以預(yù)防和治理，礦井水被白白排掉而未加以綜合利用和保護。據(jù)統(tǒng)計平均每開采1t原煤需排放2t礦井水，不僅嚴重污染了水資源，而且造成了工業(yè)和生活用水短缺。隨著科學(xué)的發(fā)展和人們環(huán)境保護意識的提高，對礦井水也已有了新的認識，開始將礦井水作為一種水資源加以處理利用，即礦井水資源化。
1 礦井水資源化可行性分析
通過實地考察可以得到，煤層開采主要充水含水層有：第四系孔隙含水層、太原組巖溶含水層和奧陶系灰?guī)r含水層。礦井水主要來源于這些含水層滲入地下的水，是礦井水與煤巖層接觸發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生化反應(yīng)而形成。煤礦礦井水本身的水質(zhì)主要受當?shù)厮�、地質(zhì)、氣候和地理等自然條件的影響[1]。當?shù)V井水流經(jīng)采煤工作面時，將帶入大量的煤粉、巖粒等懸浮物，同時由于受到井下礦工的生產(chǎn)和生活活動的影響，礦井水中往往含有較多的細菌。對于開采高硫煤層的礦井，由于煤層及其圍巖中硫鐵礦的氧化作用，使礦井水呈現(xiàn)酸性和高鐵性等。
2 礦井水利用的必要性
礦區(qū)采煤抽排大量的地下水，破壞和疏干礦區(qū)和周邊地區(qū)地下水資源，使地下水水位下降，造成礦區(qū)水資源的枯竭，引起隱伏礦區(qū)的地面下降，誘發(fā)巖溶礦區(qū)巖溶地面塌陷。大量的礦井地下水若直接外排則會引起水質(zhì)惡化，造成水環(huán)境污染。由于這些地下水初始流入井筒和巷道時比較清潔，如果將礦井地下水資源凈化成飲用水，不僅可以滿足生產(chǎn)和生活用水，還可以節(jié)省大量鉆探深水源井的資金，創(chuàng)造較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。目前大部分煤礦缺水很嚴重，因此有必要對礦井水加以利用。
3 礦井水的處理技術(shù)
目前我國按照對環(huán)境影響以及作為生活飲用水水源的可行性，習慣上將礦井水按水質(zhì)類型特征分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水、酸性礦井水和含有毒有害元素或放射性元素礦井水五類[2、3]。不同的礦井水采取不同的處理方法。
3．1 潔凈礦井水
多指礦區(qū)煤系地層中的奧灰水、砂巖裂隙水、第四紀沖積層水及老空積水。這種水質(zhì)中性，低濁度，低礦化度，有毒有害元素含量很低，基本符合生活飲用水標準，可設(shè)專用輸水管道給予利用，作生活飲用水時需進行消毒處理。太原市古交礦井在開采過程中穿過第四紀河谷沖積層，就遇到這種水，古交礦直接供全礦生產(chǎn)和生活使用。
3．2 含懸浮物礦井水
這種水中含有較多煤粒、巖、粉、等懸浮物，一般呈黑色，但其總硬度和礦化度并不高。懸浮物的主要特性是在動水中呈懸浮狀態(tài)，但在靜水中可以分離出來，輕的上浮，重的下沉。根據(jù)懸浮物的特性，對工業(yè)用水凈化處理常用的主要方法有混凝、沉淀�；炷撬幚砉に囍惺种匾沫h(huán)節(jié)。選用混凝劑的原則是產(chǎn)生大、重、強的礬花，凈水效果好，對水質(zhì)沒有不良影響，價格便宜，貨源充足。常用的混凝劑為鋁鹽和鐵鹽混凝劑�；旌线^程是讓藥劑迅速而均勻地分散到水中，應(yīng)在盡量短的時間內(nèi)與原水均勻混合，使水中的全部膠體雜質(zhì)都能和藥劑發(fā)生作用。原水加混凝劑后，經(jīng)過混合作用，水中膠體雜質(zhì)凝聚成較大的礬花顆粒，在沉淀池中去除。在經(jīng)過快濾和消毒處理后也可達到飲用水標準。山西很多煤礦的井下排水屬這類礦井水。
3．3 高礦化度礦井水
礦化度無機鹽總含量大于1 000mg／L的礦井水。主要含有S0i2-、CI-1、Ca2+ 、K+ 、Na+ 等離子。硬度相應(yīng)較高，水質(zhì)多數(shù)呈中性或偏堿，帶苦澀味，少數(shù)有酸性。高礦化度礦井水不利于作物生長，會使土壤鹽漬化。用作鍋爐用水，容易結(jié)垢。作建筑用水，會影響混凝土質(zhì)量。人們長期飲用，將引起腹瀉和消化不良，尤其對心臟和腎臟病患者影響更嚴重。我國北方缺水礦區(qū)的礦井水往往屬于高礦度礦井水，有必要通過凈化和淡化工藝處理成為飲用水和生產(chǎn)用水。當前高礦化度礦井水采用以下處理方法。
3．3．1 化學(xué)方法
離子交換法是化學(xué)脫鹽的主要方法，這是一種比較簡單的方法，就是利用陰陽離子交換劑去除水中的離子，以降低水的含鹽量。
3．3．2 膜分離法
反滲透和電滲析脫鹽技術(shù)均屬于膜分離技術(shù)，是我國目前苦咸水脫鹽淡化處理的主要方法。
(1)反滲透法。反滲透法是借助于半透膜在壓力作用下進行物質(zhì)分離的方法�？捎行У厝コ裏o機鹽類、低分子有機物、病毒和細菌等，適用于含鹽量大于4000mg／L的水的脫鹽處理。
(2)電滲析法。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(xué)過程。
3．3．3 濃縮蒸發(fā)
反復(fù)處理使含鹽量高的剩余水濃縮到很小體積，然后在合適的地方存放。依靠自然蒸發(fā)，使其避免排往下游。水蒸發(fā)后將留有鹽分結(jié)晶，可在其濃縮至200g／L以上濃度時運走，用做化工原料。
3．3．4 稀釋排放
稀釋排放是將低含鹽量的水混合在一起，達到排入水體的標準后排放。避免對下游的不利影響。
3．3．5 消耗利用
消耗利用用于對含鹽量要求不高的場所，把水消耗掉，最后蒸發(fā)到大氣中，避免了向下游排放。
3．4 酸性礦井水
水質(zhì)特征為pH值小于5．5的礦井水，一般為3～ 3．5，個別小于3，總酸度高。當開采含硫煤層時，硫受到氧化與生化作用產(chǎn)生硫酸，酸性水易溶解煤及其圍巖中的金屬元素，故鐵、錳重金屬以及無機鹽類增加，使礦化度、硬度升高。酸性水在我國南方高硫礦區(qū)比較常見。酸性水容易腐蝕礦井設(shè)備與排水管路，并且危害工人健康。如果抽排至地面，會影響土壤酸堿度，導(dǎo)致土壤板結(jié)和作物枯萎，而且使地表水酸度上升，間接的影響了水生生物的生存。對環(huán)境與生態(tài)會造成重大的損害，因此必須進行治理達標后外排，其處理的方法有以下幾種。
3．4．1 物理化學(xué)法(中和法)[8]
(1)石灰石中和法。采用石灰石作中和劑與酸性水中硫酸中和反應(yīng)，產(chǎn)生微溶硫酸鈣和易分解的碳酸，從而降低酸度。
(2)石灰中和法。石灰的主要化學(xué)成分是CaO，當用水調(diào)配成石灰乳，則形成熟石灰Ca(OH)2，熟石灰與酸性水中的H2SO4反應(yīng)。
(3)石灰石．石灰聯(lián)合中和法。該工藝第一階段選用石灰石滾筒法中和，消耗酸性礦井水中絕大部分游離H2SO4，使酸性水的pH值接近于6；然后在第二階段再投加石灰中和處理，使水的pH值進一步提高，達到8左右，這時Fe2 水解產(chǎn)生沉淀，形成絮狀物，起到混凝作用，有利于懸浮固體去除。
3．4．2 生物化學(xué)方法(微生物法)[8]
該方法是目前國內(nèi)外研究比較多的處理方法，在美國、日本等國家已進行了實際應(yīng)用。其原理是利用氧化亞鐵硫桿菌在酸性條件下將水中的Fe2+氧化成Fe3+，以實現(xiàn)酸性礦井水的除鐵[9,10]。氧化亞鐵硫桿菌能從Fe2 +的氧化反應(yīng)中獲取自身生存和繁殖所需的能量，無須加任何營養(yǎng)液。
3．4．3 濕地生態(tài)工程處理法[8]
人工濕地(Constructed Wetlands)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u ，它利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)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(xiàn)對污水的高效凈化[12]，與中和法等傳統(tǒng)的酸性礦井水的處理方法相比，人工濕地處理方法具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、對N、P等營養(yǎng)物質(zhì)去除能力強、基建和運行費用低、技術(shù)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(xué)價值等優(yōu)點[13]，因而在北美、歐洲的許多國家得到了廣泛應(yīng)用[14-16]。
中國是一個礦產(chǎn)資源大國，礦產(chǎn)開采和利用對水資源的破壞相當嚴重，酸性礦井水的處理是眾多礦山企業(yè)面臨的主要環(huán)境和生態(tài)問題[17,18]。人工濕地作為一種有效的酸性礦井水處理方法，在中國的應(yīng)用將越來越廣泛，其作用將越來越大。
隨著高分子研究的深入，出現(xiàn)了用無機高分子、有機高分子、高分子改性陽離子、微生物等絮凝劑、陽離子交換樹脂等材料來加強對酸性水的處理程度[19]。同時，也有學(xué)者在進行以廢治廢研究，如利用粉煤灰作為中和劑[21]、利用煤矸石制取聚硅酸鋁作為絮凝劑[22]等都取得了明顯的效果。另外，值得一提的就是原位處理方法——可滲透法反應(yīng)墻。該方法在1982年由美國環(huán)保局提出來，滑鐵盧大學(xué)在1989年進一步開發(fā)，并在安大略省的保登(Borden)成功進行了現(xiàn)場演示。這種方法完全可以在礦山應(yīng)用，其基本原理是：在礦山地下水流的下游方向，定義一個被動的反應(yīng)材料的原位處理區(qū)[20]，針對礦山酸性水的具體成分分析結(jié)果，采用物理化學(xué)或者生物處理的技術(shù)方法，處理流經(jīng)墻體的污染組分，這是目前礦山酸性水處理研究的熱點問題。
3．5 含有害有毒元素或放射性元素礦井水
主要指含有氟、鐵、錳銅、鋅、鉛及鈾、鐳等元素的水。含氟礦井水主要來源于含氟較高的地下水區(qū)域或煤與圍巖中含有氟礦物螢石CaF2或氟磷灰石的地區(qū)。飲用高氟水，容易產(chǎn)生骨質(zhì)疏松，氟斑牙等病癥。我國北方一些煤礦礦井水含氟超過lmg／L。含鐵、錳礦井水一般是在地下水還原條件下形成的，大多呈現(xiàn)Fe2 Mn2 的低價狀態(tài)，有鐵腥味，容易變混濁，可使地表水的溶解氧降低，這類水需要經(jīng)過處理后才能使用或外排。含重金屬礦井水主要指含有Cu、Zn、Pd等元素的礦井水，這些元素濃度符合排放標準，但超過生活飲用水標準，所以不宜直接飲用。放射性元素水主要指含有超過生活飲用水標準的U、Ra等天然放射性核素及其衰變產(chǎn)物氡Rn的礦井水。對于這類礦井水首先應(yīng)去除懸浮物，然后對其中不符合目標水質(zhì)的污染物進行處理。
在實際生產(chǎn)中的礦井水大多數(shù)為復(fù)合型水。因此在設(shè)計水處理工藝時必須搞清楚水質(zhì)和水量的實際水文地質(zhì)情況，然后考慮水處理單元的取舍和優(yōu)化組合，結(jié)合實際地質(zhì)情況進行處理，如利用沙層對礦井污水的凈化作用及礦井水的利用[23]。但礦井水都或多或少的含有懸浮物，因此含懸浮物礦井水的處理工藝對于任何類型礦井水來說都是必要的前處理步驟。
4 礦井水的利用概況
我國煤礦礦井水的利用率還很低，平均僅為22％。雖然我國有意識的綜合利用礦井水起步較晚，利用率只有15％左右。但就目前來說，隨著各礦水資源的緊張，許多礦區(qū)都進行了不同程度的綜合利用工作，主要利用有工業(yè)用水、生活用水、農(nóng)業(yè)灌溉。
除了這些常規(guī)的利用外，要開發(fā)新的利用方式。
(1)利用礦井水和電廠余熱實現(xiàn)辦公樓冷暖空調(diào) 5水源熱泵技術(shù)是一項新興的節(jié)能空調(diào)技術(shù)，可達到節(jié)約投資及運行費用，節(jié)約能耗，節(jié)約用水，減少對環(huán)境影響的效果[24]。
(2)井下處理利用[7]。含懸浮物礦井水污染程度較低，易于凈化處理，如果在井下采取諸如清濁分流、水倉預(yù)沉等措施，會使礦井水的井下處理難度更低。因此建立井下礦井水處理系統(tǒng)，改進礦井現(xiàn)有的供水系統(tǒng)，使部分礦井水在井下實現(xiàn)循環(huán)利用，在技術(shù)上完全是可行的。建立井下礦井水處理系統(tǒng)，將礦井地面供水變?yōu)榫鹿┧�，可�?jié)省大量的礦井排供水費用，對開采深度較大的礦井來說，其經(jīng)濟效益更顯著。
(3)與附近的城市綜合利用，以徐州礦區(qū)與徐州市為例[6] 6。徐州市將礦井水資源納入全市水資源管理規(guī)劃，實行統(tǒng)一管理。將位于徐州市區(qū)附近涌水量大且穩(wěn)定的礦井，充分利用地面供水主干網(wǎng)，將其礦井水直接向市區(qū)供水，重點是利用權(quán)臺、大黃山井田的礦井水，以緩解市區(qū)用水緊張的狀況；韓橋煤礦的礦井水可利用賈汪電廠改擴建的有利時機，統(tǒng)籌安排，爭取盡早供水；將遠離市區(qū)、城區(qū)且涌水量大的礦井，可就近作為工農(nóng)業(yè)及居民生活用水，重點是利用龐莊煤礦東城井、夾河煤礦的礦井水向九里區(qū)、城北工業(yè)區(qū)供水。徐州礦區(qū)還組建礦井水綜合利用開發(fā)公司，按照市場規(guī)律運作，打破自來水市場獨家壟斷的局面。擬訂可行方案，在西關(guān)地區(qū)選擇一居民區(qū)鋪設(shè)礦井水管道到居民家中，直接供應(yīng)飲用水，爭取市政府支持，制定優(yōu)惠政策，鼓勵居民使用。徐州礦區(qū)將會按照市場公平競爭的原則，逐步加大井水向市區(qū)供水量，適當調(diào)高價格。重點扶持礦井水的深加工，利用新河、義安等煤礦的礦井水符合優(yōu)質(zhì)礦泉水標準的優(yōu)勢，積極尋求合作伙伴，開發(fā)系列優(yōu)質(zhì)礦泉水，作為一個新型產(chǎn)業(yè)，闖市場、創(chuàng)名牌、求發(fā)展。
5 存在的問題[4]
(1)觀念上的差距。歷來在煤炭勘探的同時把一些非煤的礦物如鐵、硒、鍺等甚至白堊土都列為有用的礦物資源，而對煤層上賦存的地下水、煤層氣(瓦斯)卻視為有害物。
(2)感情上的差距。人們認為井下排水又黑、又臭、又臟，寧肯從幾十公里以外去引泥漿一般的黃河水，也不肯處理近在身邊的礦井水。
(3)認識上的差距。盡管礦井水長年累月不停地排放，但人們對它的認識卻很不夠。沒有深入地研究其特有的規(guī)律，水質(zhì)、水量變化的情況，不同類型水質(zhì)差異十分懸殊的致因，也從未系統(tǒng)地進行全面化驗分析總結(jié)。
(4)政策上的差距。國家對礦井水排放政策上沒有作為水資源開發(fā)利用，單純地進行排污收費，甚至罰款。
(5)管理上的差距。我國各礦區(qū)技術(shù)人員大多為采礦、機電、土建、機制等專業(yè)人員，目前尚有一些環(huán)保專業(yè)人員負責環(huán)境管理，但具體到水處理站的給水排水專業(yè)技術(shù)人員就非常缺乏，幾乎沒有，負責操作的工人大部分未培訓(xùn)，一部分是井下失去工作能力的工人轉(zhuǎn)到地面上來“看泵”。從領(lǐng)導(dǎo)到技術(shù)人員到工人都不了解工藝，不利于管理，更不能發(fā)揮主觀能動性，積極地處理運行中發(fā)生的問題。
6 對策和措施
①完善政策法規(guī)，向礦井水回收利用工程傾斜；②在煤田地質(zhì)勘探過中，除煤炭作為能源進行儲量計算外，同時必需將賦存在煤田地層內(nèi)的地下水也作為資源進行儲量的勘探和計算；③在礦區(qū)礦井的規(guī)劃、可研、初設(shè)及施工圖各階段，必須把井下排水作為水資源來開發(fā)利用；④加大礦井水科研試驗的力度。要集中資金和人力，對礦井水作全面系統(tǒng)的調(diào)研、分析，對各類型的礦井水進行分類并做長期的觀測試驗，包括年際變化以及日際變化，找到其變化的規(guī)律；⑤加大宣傳力度，轉(zhuǎn)變?nèi)藗兊挠^念，對礦井水的回收利用；⑥強化運行管理，提高工人素質(zhì)；⑦規(guī)范市場，公平競爭；⑧加強技術(shù)交流，引進先進技術(shù)。來源：谷騰水網(wǎng) 作者: 黃國軍，董守華，李東會
