井上下联合处理矿井水中污染物效果研究_杨建.pdf

第 44 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 44 No.2 2016 年 4 月 COAL GEOLOGY EXPLORATION Apr. 2016 收稿日期 2015-10-05 基金项目 国家自然科学基金项目（41302214）；中煤科工集团有限公司科技创新基金项目（2014MS003）；中煤科工集团西安研究院面上项目 （2015XAYMS18） Foundation itemNational Natural Science Foundation of China（41302214）；Science and Technology Innovation Fund of CCTEG（2014MS003）； General Program of Xi′an Research Institute of CCTEG（2015XAYMS18） 作者简介 杨建（1979），男，江苏盐城人，博士后，副研究员，从事矿井水资源化研究. Emailyangjian 引用格式 杨建. 井上下联合处理矿井水中污染物效果研究［J］. 煤田地质与勘探，2016，44（2）55-58. YANG Jian. Effect of pollutant treatment of mine water in mine and on the surface［J］. Coal Geology Exploration，2016，44（2）55-58. 文章编号 1001-1986（2016）02-0055-04 井上下联合处理矿井水中污染物效果研究 杨 建 （中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077） 摘要 为了去除矿井水中多种污染物，建立了“采空区常规处理深度处理”的井上下联合处理工 艺组合。结果表明受煤矿顶板含水层水岩作用，矿井水中 Cl-、SO42-和 Fe 离子出现了超标现象， 有的甚至达到Ⅴ类地下水标准；溶解性有机质含量较低，以大分子和芳香族化合物为主。采空区 主要利用其顶板岩石破碎充填物吸附过滤矿井水中悬浮物， 对 Fe 离子和有机质也有一定的处理效 果，Fe 离子去除率约 20％，TOC 和 UV254的平均去除率分别为 67.45％和 65.40％。常规处理工艺 对 F-的去除率为 11.90％～35.21％，铁锰离子则完全被去除；由于前端好氧沉淀池，硝酸盐和有机 质含量略有升高，其中增加的有机质主要为溶解性微生物代谢产物。深度处理工艺对常规离子、 硝酸盐、氟离子、有机质等有较好的去除效果，去除率均在 95％以上。总体上，在采空区和常规 处理工艺去除悬浮物和部分污染物的基础上，再利用深度处理工艺完成绝大部分污染物的去除， 是一套比较有效的矿井水处理工艺组合。 关 键 词污染物；井上下联合；水处理工艺；矿井水；去除 中图分类号P641.5；X523 文献标识码A DOI 10.3969/j.issn.1001-1986.2016.02.011 Effect of pollutant treatment of mine water in mine and on the surface YANG Jian Xian Research Institute， China Coal Technology and Engineering Group Corp， Xian 710077， China） Abstract In order to remove pollutants from underground mine water， a united water treatment process in mine and on the surface was established. The process included mine goaf treatment， conventional treatment and ad- vanced treatment. The treatment results showed that some inds （e.g.， Cl-， SO42- and Fe） of mine water exceeded the Quality Standard for Groundwater （GB/T 14848-93）， and Cl- and SO42- in some water samples was of fifth class. The concentration of dissolved organic matter （DOM） was low， and organic matters of large molecules and aromatic compounds were predominant. In goaf， Fillings of broken roof rocks were mainly used to to adsorb and remove suspended matter， and iron and organic matter also was removed partly. The removal rates of Fe， TOC and UV254 were 20％， 67.45％ and 65.40％ respectively. The removal rate of F- was 11.90％～35.21％ with conventional treatment process， while the ferrous and manganese ions were completely removed. In the front aerobic precipita- tion pond the content of nitrate and organic matter increased slightly， the increased organic matter was mainly soluble microbial product. The advanced treatment process had were good removal efficiency for conventional ions， nitrate， fluoride and organic matter with removal rate of above 95％. As a whole， based on the removal of sus- pended matter and some pollutants by mine goaf and conventional treatment processes， the advanced treatment process could remove most pollutants. The processes consisting of mine goaf treatment， conventional treatment process and advanced treatment process were an effective combination of treatment technologies for mine water. Key words pollutants； united treatment in mine and on thesurface； water treatment process； mine water； removal 我国煤炭以地下开采为主，为了确保井下安全 生产，必须排出大量矿井水［1-2］。矿井水具有排放量 大、 持续时间长的特点， 且开采过程中受到环境 pH 值、氧化还原环境、温度等因素的影响，水和煤层 ChaoXing 56 煤田地质与勘探 第 44 卷 发生一系列的地球化学水-岩/水-煤相互作用，导致 煤层中的一些有毒有害微量元素或一些有机物质会 融入到水中，最终危害到动植物和人类的健康与安 全［3］。矿井水所含污染物成分不同，可分为洁净 矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性 矿井水和含特殊污染物矿井水， 其中含大量重金属、 有机化合物、石油等有害物质的生产废水以及矿山 酸性废水所造成的水污染和水资源环境破坏，在我 国当前水资源严重匮乏的形势下显得尤为突出［4］。 目前对矿井水的处理与利用通常是将矿井水提 升至地面进行处理，该处理方式需较大场地，而且 基建费用和运行成本较大［5-6］。近些年还发展了矿井 水井下处理与复用工艺［7-8］，以实现井下用水井下处 理，但是又存在井下空间有限、深度处理系统在井 下建设运行难度大等问题。为了更好地处理和利用 矿井水，在蒙陕接壤区某矿建立了井上下联合处理 工艺系统， 首先利用井下采空区对矿井水进行沉淀、 过滤等处理，再提升至地面，经“混凝沉淀消毒”常 规处理和“超滤纳滤反渗透”深度处理，以满足矿井 水多种用途对不同水质的要求。在井上下联合处理 矿井水过程中，通过研究不同工艺段污染物的去除 效果，重点是重金属、氟离子、有机物、无机盐等， 为矿井水的安全可持续利用提供技术保障。 1 工艺和方法 1.1 矿井水处理工艺组合 基于矿井水回收利用过程中对水质要求的不同， 本矿井的矿井水处理工艺组合主要由 3 部分串联组 成（图 1）。①井下采空区，收集井下生产生活过程中 形成的矿井水，利用采空区进行“沉淀过滤”处理， 该工艺出水用于井下消防、 洒水等； ②常规处理工艺， 采用“混凝沉淀过滤”工艺处理井下采空区出水和 矿区生活污水， 该工艺出水用于矿区绿化、 洗煤厂用 水等；③深度处理工艺，采用膜工艺（由盘式过滤器、 超滤、纳滤和反渗透串联组成）深度处理常规工艺出 水，该工艺出水主要作为生活用水和煤制油用水。 图 1 井上下联合处理工艺流程图 Fig.1 Technological flowchart of united treatment of mine water in mine and on the surface 1.2 样品采集和分析方法 根据本煤矿矿井水产生及其处理工艺流程，采 样点主要分为 4 部分工作面回采和巷道掘进过程 中形成的矿井水、采空区出水、常规处理工艺出水、 深度处理出水。具体采样位置见表 1。水样采集后， 立即将水样容器瓶盖紧、密封，贴好标签（包括取样 点位、采样日期和时间、监测项目、采样人等）。 表 1 水样类型和取样点位置 Table 1 Types of water samples and sampling location 样品号 水样类型 取样位置 B1 矿井水 主运巷延伸段 B2 矿井水 工作面 B3 矿井水 3盘区尾巷 B4 采空区出水 3盘区 B5 采空区出水 301辅巷 B6 采空区出水 污水厂进水口 B7 采空区出水 二号泵房 B8 常规处理出水 澄清池 B9 常规处理出水 多介质滤池 B10 深度处理出水 RO 出水口 水样检测指标包括 pH、常规阴阳离子（Cl-、 SO42-、F-、NO3-、Ca2、K、Mg2、Na）、重金 属（Cd、Cr、Cu、Fe、Mn）和有机物（TOC、UV254）。 常规阴阳离子利用 ICS1500 高效型离子色谱仪 （美国戴安公司）检测；重金属采用 AFFS-2202 原 子荧光光度计检测； TOC 的检测设备为 multi N/C 2100 专家型总有机碳/总氮分析仪（德国耶拿）， 水 样经 0.45 μm 滤膜过滤后，取滤出液检测；UV254 的检测采用 Evolution 60 紫外可见光度计（德国 Thermo Fisher Scientific）；pH 的检测采用标准电 极法。 2 结果与讨论 通过对矿井水和各处理工艺段出水的水质分析 发现，井下产生的矿井水中 pH 为 7.73～8.49，属于 弱碱性水；经采空区处理，出水中 pH 下降至 7.48～8.19；后续常规处理和深度处理则使矿井水中 pH 继续降低，分别达到 7.90 和 7.13。 2.1 常规离子 研究区矿井水主要来自侏罗系煤层顶板含水 ChaoXing 第 2 期 杨建 井上下联合处理矿井水中污染物效果研究 57 层。水中主要阳离子是 Na，其浓度为 578.30～ 1 194.00 mg/L；主要阴离子是 Cl-和 SO42-，Cl-浓度 为221.94～568.36 mg/L ， SO42-浓 度 为57.873～ 392.140 mg/L。部分水样已经属于 GB/T 14848 1993地下水质量标准Ⅴ类水质，总体上矿井水 以 ClNa 型水和 ClSO4Na 型水为主。该地区属 于西北干旱区，水分蒸发强烈，盐分不断积累于浅 部地层，而所采煤层埋深较浅，浅部集聚的盐分易 溶滤进入煤层顶板含水层，并随地下水从工作面和 巷道流出。矿井水进入采空区后，由于采空区内充 填物是顶板破碎岩石，主要对矿井水中悬浮物等较 好地去除，对常规离子没有明显作用，采空区出水 中 Na、 Cl-和 SO42-等离子浓度没有显著变化。 同理， 常规处理出水中离子浓度也变化不大；深度处理则 对常规离子有较好的去除效果，去除率在 98.49％以 上，最终出水中 Cl-、SO42-、Ca2、K、Mg2、Na 的浓度分别为 14.31 mg/L、1.97 mg/L、0.73 mg/L、 0.00 mg/L、0.17 mg/L、14.60 mg/L。 近年来对存在于矿物中的氮及其对环境和全球 氮循环的影响日益重视［9］，我国中等变质程度以上 煤，其夹矸中含有大量铵伊利石［10］，这种矿物会淋 滤释放氮污染物。本地区矿井水中 NO3-浓度较低 （0.20～2.89 mg/L），经过采空区和常规处理工艺处理 后，其浓度分别为 0.00～1.64 mg/L 和 4.98 mg/L。常 规处理工艺前端的好氧沉淀池是 NO3-浓度略有升 高的主要原因； 深度处理后， 可去除 95.43％硝酸盐， 使最终出水中 NO3-浓度达到 0.45 mg/L（图 2）。然而 值得关注的是，矿井水中 F-浓度为 2.95～4.01 mg/L， 属于地下水Ⅴ类水质，长期饮用会出现氟骨症。经 采空区和常规处理后，对 F-的去除率为 11.90％～ 35.21％；深度处理可以使 F-浓度降至 0.077 mg/L， 达到了 GB57492006 生活饮用水卫生标准 的要 求（图 2） 。 图 2 矿井水处理过程中硝酸盐和氟化物浓度变化 Fig.2 The concentration of NO3- and F- from effluent 2.2 重金属 矿井水中 Cd、Cr、Cu 均低于检出限，Fe 和 Mn 的浓度分别为 0.00～0.59 mg/L 和 0.00～ 0.10 mg/L， 其 中部分矿井水中 Fe 离子浓度达到了地下水Ⅳ类水标 准；采空区中充填的顶板砂岩能够接触催化去除铁。 图 3 说明采空区出水中 Fe 浓度降至 0.00～0.08 mg/L； Mn 浓度则存在一定的波动（即 0.00～0.17 mg/L）， 表明 采空区对 Mn 的去除效果不明显。 常规处理中混凝沉 淀工艺可有效去除水中铁锰［11］，其出水中 Fe 和 Mn 均未检出；后续深度处理出水中也未检出。 图 3 矿井水处理过程中铁和锰浓度变化 Fig.3 The concentration of Fe and Mn from effluent 2.3 有机物 溶解性有机质随地表水或降雨入渗进入煤层顶 板含水层过程中，由于氧化还原环境的改变，导致 大部分有机质被消耗［12］。 本研究区矿井水中 TOC 含 量和 UV254值较低，分别为 1.61～2.99 mg/L 和 0.04～ 0.12 cm-1。UV254与 TOC 存在较好的一致性，说明 矿井水中腐殖质类大分子有机物以及含 CC 双键 和 CO 双键的芳香族化合物比例较高。 由于井下生 产过程中石油类污染物混入了矿井水中，去除水中 有机物也是矿井水处理的重点。图 4 表明，采空区 对矿井水中污染物具有较好的去除效果，出水中 TOC为0.554～0.830 mg/L、 UV254为0.01～0.028 cm-1， 平均去除率分别达到 67.45％和 65.40％。常规处理 出 水 中 DOM 浓 度 略 有 升 高 ， TOC 为 1.028～ 1.041 mg/L，这主要是由于氧化沉淀池中微生物新 陈代谢的结果，实际上 UV254值未出现升高（UV254 0.026～0.027 cm-1）。常规处理出水经膜过滤后，腐殖 质类大分子有机物以及含 CC 双键和 CO 双键的 芳香族化合物被完全去除（UV2540.0 cm-1），总的 DOM 浓度也大大降低，TOC 去除率达到 94.85％。 3 结 论 a. 受研究区煤矿顶板含水层水岩作用，矿井水 ChaoXing 58 煤田地质与勘探 第 44 卷 图 4 矿井水处理过程中 TOC 和 UV254变化规律 Fig.4 The concentration of TOC and UV254 from effluent 中 Cl-、SO42-和 Fe 离子出现了超标现象，有的甚至 达到Ⅴ类水标准； 矿井水中溶解性有机质含量较低， 以大分子和芳香族化合物为主。 b. 采空区主要利用其顶板岩石破碎充填物吸 附过滤矿井水中悬浮物， 对 Fe 离子和有机质也有一 定的处理效果， Fe 离子去除率约 20％， TOC 和 UV254 的平均去除率分别为 67.45％和 65.40％。 c. 常规处理工艺对 F-的去除率为 11.90％～ 35.21％，铁锰离子则完全被去除；由于前端好氧沉 淀池，导致硝酸盐和有机质含量略有升高，其中增 加的有机质主要为溶解性微生物代谢产物。 d. 深度处理工艺对常规离子、硝酸盐、氟离子、 有机质等有较好的去除效果，去除率在 95％以上，最 终出水中各项污染物指标均满足Ⅰ类 GB/T 14848 1993地下水质量标准和 GB57492006生活饮 用水卫生标准 。 参考文献 ［1］ 谢和平，王金华，申宝宏，等. 煤炭开采新理念科学开采 与科学产能［J］. 煤炭学报，2012，37（7）1069-1079. 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