华东地区矿井水的水质特征与资源化技术.pdf

第3 3 卷第2 期 2 0 0 4 年3 月 中国矿业大学学报 J o u r n a to fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 3N o ．2 M a r ．2 0 0 4 文章编号i 0 0 01 9 6 4 2 0 0 4 0 2 0 1 9 3 0 4 华东地区矿井水的水质特征与资源化技术 冯启言，王华，李向东，郝莉莉 中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要针对我国煤矿区水资源短缺、矿井水利用率较低等问题，分析了华东地区主要煤矿区矿井 水的充水来源和水质特征，根据水质将矿井水划分为4 种类型，即洁净矿井水、高悬浮物矿井水、 高矿化度矿井水和酸性矿井水，并探讨了不同类型矿井水的水资源化技术．认为实现矿井水的资 源化可使矿区水环境系统免遭破坏，缓解矿井排水与水资源保护之间的矛盾，从根本上解决矿井 水对环境的污染，改善矿区生态环境． 关键词矿井水；水质特征；资源化技术；华东地区 中图分类号T D7 4 ；P3 4 2文献标识码A C h a r a c t e r i s t i c sa n dU t i l i z a t i o no fM i n eW a t e ri nE a s tC h i n a F E N GQ i y a n ，W A N GH u a ，L IX i a n g d o n g ，H A OL il i S c h o o lo fE n v i r o n m e n t a lS c i e n c ea n dS p a t m lI n f o r m a t i c s ，C U M T ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I nv i e wo fw a t e rs h o r t a g ea n dl o wu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo fw a s t ew a t e ri nm i n i n ga r e a s ， w a t e rr e s o u r c ea n dw a t e rq u a h t yo fc o a lm i n e si ne a s t e r nC h i n aa r ea n a l y z e d ．F o u rc l a s s e so fm i n i n g w a t e ra r ed i v i d e da sc l e a rm i n ew a t e r ，h i g h S Sm i n ew a t e r ，h i g hT D Sm i n ew a t e r ，a n da c i d i cm i n e w a t e r ．T e c h n i q u e sf o rt r e a t i n gd i f f e r e n tk i n d so fm i n ew a t e ra r ed i s c u s s e d ．T h ea u t h o r sh o l d t h a t t om a k et h ew a s t em i n ew a t e ra nu t i l i z a b l ew a t e rr e s o u r c ec a np r e v e n tt h ew a t e re n v i r o n m e n t s y s t e mi nm i n i n ga r e af r o mb e i n gd e s t r u c t e d ，a b a t et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nd r a i n a g ea n dw a t e r r e s o u r c ep r o t e c t i o n ，s o l v er a d i c a l l yt h ep r o b l e mo fp o l l u t i o no fm i n i n gw a t e r ，a n di m p r o v et h e b i o l o g i c a le n v i r o n m e n ti nm i n i n ga r e a s ． K e yw o r d s m i n ew a t e r ；c h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rq u a l i t y ；u t i l i z a t i o n ；E a s tC h i n a 水是社会文明、经济发展和人类生存必不可少 的自然资源，但我国淡水资源人均占有量只相当于 世界人均的1 ／4 ，居世界第i 0 0 位，是1 3 个贫水国 家之一．在全国6 0 0 多座城市中，已有3 0 0 多座城 市缺水，而煤矿区所在城市缺水状况更为严重．全 国8 6 个国有重点煤矿区中有7 1 ％缺水，4 0 ％属于 严重缺水“] ，尤其在北方，人均生活用水量不足 0 ．6m 3 ／d ，只有正常用水指标的1 ／2 c z l ．此外，淡水 资源与煤炭资源分布的不均匀性，形成了富煤地区 也是贫水地区的格局，加大了水资源供需矛盾． 目前，全国每年矿井排水量约2 2 亿t [ 1 ] ，其中 中性水约占7 0 ％～8 0 ％，硬度符合饮用水要求的 占4 0 ％～5 0 ％，这是一个相当可观的水资源[ “，但 长期以来，由于技术所限和认识不足，矿井水只被 当作水害加以预防和治理，很少考虑到矿井水的有 利一面，矿井水被白白排掉而未加以综合利用和保 护，目前矿井水的利用率，平均只有2 2 ％，其中北 方国有煤矿每年矿井水排放量达1 4 亿t ，利用率还 不足2 0 ％[ 2 3 ．毫无节制的排水不仅大大浪费水资 源、增加了吨煤成本，而且还导致地面塌陷、地下水 资源流失、水质恶化等环境问题． 此外，部分矿井水为高悬浮物、高矿化 度酸性水，有的甚至含有放射性元素等有毒有害污 染物，据对全国9 0 个重点矿务局2 5 4 个矿井水和 收辅日期t2 0 0 3 一1 0 2 5 作者筒介冯启盲 1 9 6 4 一 ，男，山东省五莲县人，中国矿业大学教授，博士生导师，工学博士，从事环境水文地质学、水污染控制与水资 探保护等方面的研究． 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 1 5 4 个深井水水样的总a ，总口天然放射性水平监 测结果发现，有近5 0 ％矿区饮用水总a 放射性指 标超标，有的甚至超标数十倍之多口] ．这些未经处 理直接外排的矿井水既污染环境，影响景观，破坏 生态平衡，又危害人类的身体健康．因此，矿井水资 源化是解决煤矿缺水和环境污染问题的最佳选择， 可以达到环境、经济和社会三个效益的统一． 1华东地区矿井水的来源与水质特征 华东主要煤矿区均为石炭～二叠纪煤田，其中 二叠纪煤层厚度大，开采过程中矿井水主要来自顶 底板砂岩，部分来自薄层灰岩，如兖州煤田、新汶煤 田、徐州煤田等；开采石炭纪薄煤层时，矿井水主要 来自薄层灰岩和奥陶纪灰岩，如淄博煤田、肥城煤 田及开采薄煤层的矿井，其中，石炭纪灰岩和奥陶 纪灰岩岩溶水丰富，矿井涌水量大，甚至造成淹井 事故，如在1 9 9 7 年2 月1 8 日徐州矿务集团张集煤 矿西翼一3 0 0m 水平，发生底板奥灰水特大淹井灾 害，最大涌水量2 40 9 8m 3 ／h ．2 0 0 0 年徐州矿务集 团矿井涌水量约7 1 0 0 万t ，自用量约20 0 0 万t ，矿 周围农村用量约5 0 0 万t ，外排46 0 0 万t 以上，矿 井水大量外排，污染了环境，而可直接饮用的太原 组灰岩水水资源叉被白白的浪费．随着煤炭开采深 度和强度的增大，矿井排水量越来越高，如在2 0 0 2 年，兖州矿区9 对矿井原煤产量达40 8 1 ．2 8 万t ， 矿井排水量为19 7 1 ．8 5 万t ；肥城矿区产原煤达 6 8 3 万t ，矿井排水量为24 8 8 万t ；大屯矿区产原 煤达6 7 0 万t ，矿井排水量为7 9 1 万t ；额汶矿区原 煤产量达13 2 0 万t ，矿井排水量为42 8 2 ．6 7 万t ； 淮南矿区原煤产量达23 3 5 ．7 万t ，矿井排水量为2 9 4 0 万t ．因此，煤矿区的排水量是十分巨大的． 由于矿井水的来源不同，其水质也有很大的差 别．一般来讲，煤矿开采所诱发出的地下水，其原水 水质都较好．但由于在煤炭开采中，地下水与煤、岩 层接触，发生一系列的物理、化学和生化反应，再加 上人为的影响，使得矿井水水质发生很大的变化． 根据水质特点可将华东地区矿井水划分为四种类 型，即含悬浮物的矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿 井水以及洁净矿井水．如徐州矿务集团的张小楼矿 井水中悬浮物14 6 0m g ／L ，浊度10 2 0 ，悬浮物为 煤粉，水质量黑色，属于典型的含悬浮物矿井水，而 该集团新河矿、卧牛山矿、义安矿的矿井水水质优 良，属于洁净水，可直接利用；兖州矿区济宁二号井 的矿井水含盐量达31 3 3m g ／L ，超出我国大部分 地区的苦咸水含盐量范围，为高矿化度的矿井水 淄博矿区7 个渗井的水质进行分析结果表明，p H 小于6 的有两个，而且最小的9 H 只有3 ．0 [ ‘] ，其原 因主要与淄博矿区煤炭中硫铁矿含量较大有关；另 外，淮南矿区的潘三矿矿井水由于受人为排泄、废 坑木的腐烂等的影响，矿井水中细菌指数和大肠杆 菌指数均严重超标，细菌总数达9 80 0 0 个／k g ，大 肠杆菌数为2 3 0 个／k g 口] ，华东主要煤矿区的矿井 水特征见表1 ． 表1华东地区部分煤矿区矿井水水质特征 T a b l e1 C h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rq u a l i t yi n M i n ea r e a so fE a s tC h i n a 矿区水质特征 充水来源为石擞纪灰岩、砂岩、奥陶纪灰岩．p H 值的变 涨抽化范围大 3 ．o o ～7 ．8 9 ，硫酸根、硬度、T D S 均较高，氯 舯离子浓度较低．可落性S i O 含量较高，铁离子 F e 什， F 一，F e 抖 h 3 含量与p H 值呈负相关[ ” 水质相对较好，与生活饮用水卫生标准比较，常规化学 组分、悬浮物、浑浊度、硫酸盐，总硬度轻微超标．其中硫 莱芜酸盐超标0 ．2 ～0 ．9 2 倍．总硬度超标0 ．0 3 ～0 ．2 9 倍．氟 化物含量较高，C O D 及“三氨’略有超标．重金属厦5 项 毒物无检出或含量较低，细菌学指标普遍严重超标[ ” 3 煤层充水来源为煤系砂岩、侏罗纪砂岩．1 6 、1 7 煤充水 来源为石炭纪砂岩、灰岩矿井水以H C O 。- - C a 、H C O 。一 兖州 C a M a 型为主；汞、砷、铬、镉等有害有毒物质的含量均不 超标．矿井水中主要舍较多的煤粉、岩粉等，S s 、C O D 超 标 充水来源为煤系砂岩、侏罗纪砂岩．矿井水水质以H C O 。 新波一C a 、H C 0 3 一C a M g 型为主，主要古煤粉、岩粉等，部分 煤矿矿井水矿化度高[ ，] 充水来源为煤系砂岩水、太原组岩溶水、第四系孔隙水、 奥陶系岩溶水．矿井水可分为三类I 类为洁净水，水质 标准基本符合生活饮用水的卫生标准1 日类为含有悬浮 橡州物的矿井水，除悬浮物超标外，其他指标基本符台要求， - 类为高矿化度，高硬度的矿井水，溶解性总固体量、总 硬度和硫酸根等均超标．I 、I 类矿井水占全矿区总涌水 量的5 5 ％左右 充水来源为煤系砂岩水，岩溶水．矿井水以无机煤粉、岩 谁击 尘污染为主．并受到一定程度的有机腐烂坑木及很少量 ⋯ 机油、焦油污染，基本上属于无机无毒、污染不太重的生 产废水‘8 ] 充水来源为煤系砂岩水、太原组岩溶水、第四系孔隙水、 壮J p臭陶系岩溶水．矿井水中的主要污染物为煤粉和岩粉的 制。悬浮物，以及可溶性的无机盐类，有机污染物极少，不古 有毒物质Ⅲ 2 矿井水资源化技术 矿井水水质由于受矿区水文地质条件、井下开 采运输、围岩与煤质等多种因素影响，大体可分为 含一般悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井 水和洁净矿井水等几类，另外，矿井水在流经采煤 工作面、巷道以及采空区时，受到人类活动的影响， 岩粉、煤粉和其它有机物进入水体，使水质复杂．因 此，矿井水的资源化应根据不同的矿井水类型，采 用不同的处理工艺． 2 ．1 含一般悬浮物的矿井水 含一般悬浮物的矿井水，一般水质为中性，矿 万方数据 第2 期冯启言等华东地区矿井水的水质特征与资源化技术 化度小于10 0 0m g ／L 。金属离子微量或未检出，或 基本上不含有毒有害离子，对这一类矿井水只需盔 过一定的净化和消毒处理后即可作为生活用水和 生产用水．兖州矿区杨村煤矿矿井水，其溶解性总 固体、硫酸盐、氯化物、总硬度等均符合国家生活 饮用水卫生标准 G B 5 7 4 9 8 5 的要求，属于典型 的含悬浮物矿井水．根据含悬浮物矿井水的水质特 点，结合矿井水的回用要求，杨村矿采用如下净化 工艺 图1 ‘1 0 ] ． 医而可翮 苎产荆裂珲犁．．f 厦冲冼水 矿井叫鼍搿} 吲篙船忙垂辋 燃抛‘消毒l4 讳防 剖燮陋副盟I 猢巢 供掌水 图1 杨村煤矿矿井水处理工艺流程 F i g ．1T r e a t m e n tp r o c e s so fm i n ew a t e ri nY a n g c u nm i n e 采用混凝、沉淀、过滤及杀菌水处理工艺，是目 前煤矿处理矿井水中悬浮物比较成熟的净化处理 工艺，能有效的去除矿井水的悬浮物和胶体，由于 该系统对水力循环澄清池和重力式无阀滤池采用 高差布置，可降低工程投资和水处理运行费用，同 时采用P L C 自动控制，可确保处理效果．该处理系 统目前在杨村矿运行正常，出水水质稳定，各项指 标均能符合国家生活饮用水卫生标准．将矿井水处 理后作为生活饮用水，不仅可节约水源井取水费 用，同时可以免交水资源费和排污费，每年的经济 效益约2 0 0 万元，并且减少了矿井水的外排，改善 了矿区周围的环境，具有明显的环境、经济和社会 效益． 除此以外，淮南、淮北矿区采用氧化塘技术来 处理含悬浮物的矿井水，该技术除可以去除悬浮物 外，还对C O D ，B O D 的去除有较好的效果． 2 ．2 高矿化度矿井水 煤炭行业所指的高矿化度水，一般指微咸水 矿化度l ～3g ／L 和咸水 矿化度3 ～1 0g ／L ，甚 至盐水 矿化度1 0 ～3 0g ／L ，s O 一在4 0 0 13 0 0 m g ／L ．在华东地区，徐州矿区韩桥矿、大黄山矿、张 集矿、张双楼矿和兖州矿区的济宁二号井的矿井水 均属于高矿化度矿井水． 高矿化度矿井水处理工艺除包括混凝、沉淀等 工序外，其关键工序是脱盐，无论采用什么方法脱 盐，其设备投资、运行费用都比较高，这也是高矿化 度矿井水处理中遇到的最大问题．目前，处理高矿 化度矿井水主要有蒸馏法、电渗析法和反渗透法． 蒸馏法成本高，仅适用于含盐量很高的矿井水．反 渗透法虽然具有很多优点，但由于一次性投资较 大，在目前的煤矿经济条件下，还不可能推广应用． 电渗析技术是目前处理高矿化度矿井水较为成熟 也较为经济的一种方法，前苏联采用此法处理高矿 化度矿井水达9 1 ．5 ％”] ． 目前，由于反渗透脱盐技术在我国还处于试用 阶段，所以对煤矿高矿化度矿井水处理几乎全用电 渗析技术，电渗析脱盐技术的常用工艺流程如图2 所示，该工艺分为两个部分，第一部分是预处理，主 要去除矿井水中的悬浮物，采用常规的混凝沉淀技 术；第二部分是脱盐技术，使处理后含盐量符合我 国生活饮用水要求． 黼堰哥匦M 匦陋嘘 用广叫塑查垫H 皇苎堑I 梢零刑 图2 高矿化度矿井水的处理工艺流程 F i g2 T r e a t m e n tp r o c e s so fh i g h T D Sm i n ew a t e r 电渗析技术处理高矿化度矿井水，虽然处理成 本上偏高一点，但在严重缺水地区经济上是可行 的．例如，龙口矿区北皂矿自将高矿化度的矿井水 处理利用后，每年可少缴水资源费1 3 ．5 万元，少缴 排污费2 ．7 万元，节省抽水费5 ．8 5 万元，节省自来 水费1 9 ．3 5 万元[ 1 “，因此，矿井水资源化具有较好 的经济效益． 2 ．3 酸性矿井水 一般把p H 值小于6 的矿井水称为酸性矿井 水，主要原因是由于采煤活动将原来的还原环境变 为氧化环境，与煤共生伴生的硫铁矿发生氧化，形 成硫酸，p H 值下降，水呈酸性．酸性矿井水的形成 除和煤的存在状态、含硫量有关外，还和矿井的涌 水量、密闭状态、空气流通状况以及微生物的种类 和数量等有密切的关系[ 1 2 - i 3 ] ． 酸性矿井水具有很大的危害性，它能腐蚀管 道、水泵、钢轨等矿井设备和混凝土结构．夕h 排后破 坏土壤的团粒结构，使土壤板结，农作物枯黄；当 p H 4 时，会危害鱼类甚至死亡；长期接触酸性水 可使手脚破裂，眼睛疼痒，危害人类健康．随着酸度 升高，矿井水中某些重金属离子由不溶性化合物变 为可溶性离子状态，毒性增大} 煤矿的酸性矿井水 中通常含有F e 2 离子，氧化时消耗水中的溶解氧， 降低水的自净能力． 对于酸性矿井水的处理，目前常用的处理工艺 有石灰乳中和法、滚筒式中和机和变速升流式膨胀 万方数据 中国矿业大学学报第3 3 卷 中和滤池．此三种工艺可基本上满足各类酸性矿井 水的处理要求，另外，人工湿地处理、微生物处理和 利用粉煤灰处理等也有研究和应用o3 。“] ．如淄博矿 区西河煤矿井下矿井水处理站采用中和处理工艺， 其设计处理能力为20 0 0m 3 ／d ，工艺流程见图3 J ． 该矿的井下排水p H 值只有2 ．8 ～3 ．1 ，酸性很强， 经处理后p H 值6 ．2 ～6 ．5 ．该工程总投资8 0 万元， 吨水投资4 0 0 元，吨水电耗0 ．2 8 度，生产成本0 ． 3 3 元／t ，但该处理工艺就地取材，将废弃的石灰 渣、电石渣等用于中和酸性矿井水，达到了以废治 废，变废为宝，节约能源的目的．井下排水经处理后 可供煤矿冲洗厕所、冲洗汽车和绿化用水，节约了 清洁水，保护了水资源． 井 图3 西河煤矿酸性水处理工艺流程图 F i g ．3 T r e a t m e n tp r o c e a ．so fa c i d m i n ew a t e ri nX i h em i n e 2 ．4 洁净矿井水 除了上述三种矿井水外，还有一些矿井水属洁 净水，基本符合国家生活饮用水的水质标准，对这 类矿井水可在井下建立专用管道和清水仓，消毒后 直接供应居民作为生活用水．如徐州矿区的新河矿 位于徐州市区西郊7k m ，其太原组岩溶水水质优 良，涌水量大而稳定，该矿在1 9 9 8 年6 月建成井 下、井上供水管网，每年可供地下水10 9 5 万t 以 上，日平均供水3 万t ，能满足徐州市区3 5 万人的 生活饮用要求．另外，有些矿井水因含有一些有益 于人体健康的微量元素，可作为矿泉水开发利用， 如兖州矿区鲍店煤矿，开采3 煤层时来自三灰的地 下水，水量丰富，水质优良，且微量元素s r 的含量 超过了国家饮用天然矿泉水的水质标准，该矿将其 作为矿泉水进行了开发，获得了较大的经济效益． 3 结论 矿井水的资源化具有良好的环境效益、经济效 益和社会效益．实现矿井水的资源化，可大大减轻 由于矿区地下水资源的过度开采而造成的矿区水 环境系统的破坏，有效地缓解矿井排水与水资源保 护之间的矛盾．同时，对矿井水进行净化处理，最大 程度的综合利用，可以减少对周围环境的污染，从 根本上解决矿井水对环境的污染，改善矿区生态环 境．达标排放的矿井水一方面可用于农业灌溉，减 轻农民的负担；另一方面矿井水作为生产和居民生 活水源，可减少对水资源开发的投入，煤炭企业可 免缴排污费和水资源损失费，经济效益巨大． 参考文献 [ 1 ] 孙洪星，童有德，邹人和．煤矿区水资源的保护及污 染防治[ J ] ．中国煤炭，2 0 0 0 ，2 6 3 9 - 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