煤矿矿井水处理技术现状与展望

煤炭作为我国的基础能源，在国民经济中占有重要地位。煤矿开采过程中产生和排放的大量矿井水是重要的非常规水资源。

根据相关统计，我国吨煤开采产生1.87 m³矿井水，每年产生煤矿矿井水约6.88×10⁹ m³。受污染的矿井水大量渗入和排放造成矿区周围环境污染以及水资源严重浪费。目前，我国煤矿矿井水利用率明显偏低，平均利用率不足50%。

我国煤炭资源分布不均衡，北方地区“富煤贫水”，大多数煤矿矿区存在缺水问题，水资源缺口与水资源保有量之间的矛盾尤为突出，已经一定程度阻碍了矿区及周边居民的正常生活以及煤矿的可持续发展。

加强矿井水的处理利用不仅可以有效缓解矿区水资源短缺问题，提高水资源循环利用效率，还能改善环境质量，避免环境恶化，对推进煤矿企业清洁生产和节能减排、促进我国经济持续健康发展具有重要意义。

近年来，为提高矿井水资源利用率，国家相继发布了一系列政策措施，特别是2024年2月26日，国家发展改革委等八部门联合印发《关于加强矿井水保护和利用的指导意见》（发改环资［2024］226号），对系统推进矿井水源头保护、分类处理与高效利用具有重要指导意义。

笔者就矿井水来源、水质特点、处理技术和发展趋势进行总结分析，以期为我国矿井水处理实现可持续发展提供技术支撑。

1.1 矿井水来源

煤矿是富存在地下沉积岩层中的重要矿产资源，含煤层、含水层和隔水层共生。

煤矿矿井水主要来源于顶板含水层、砂岩裂隙、溶洞及采空区等的地下水，以及含煤地层的顶部岩层、含水层和裂隙渗入的地表水，还有采矿时使用液压支架、设备冷却、洒水降尘等产生的少量生产废水。矿井水的来源如图1所示。

图1 矿井水的来源

1.2 矿井水水质特点

矿井水水质主要取决于地下水原生水质，并受巷道煤粉、岩粉及开采活动排出的油脂、乳化液、废弃物及人类排泄物等多种因素影响，从而使不同矿井水在水质上存在明显差别。按矿井水水质通常分为含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水及含特殊污染物矿井水。各类矿井水水质特点见表1。

表1 各类矿井水水质特点

根据煤炭生产特点，矿井水首先在井下水仓储存，一般在夜间用电低谷排水，白天用电高峰不排水。为此，矿井水在同一日内水质、水量变化较大，这也是矿井水的主要特征之一。

2.1 含悬浮物矿井水处理技术

我国含悬浮物矿井水的处理技术比较成熟，通常采用混凝沉淀（澄清）+过滤工艺处理，典型工艺流程见图2。

图2 含悬浮物矿井水处理典型工艺流程

除传统混凝沉淀（澄清）技术外，含悬浮物矿井水的处理技术还有重介混凝沉淀技术、超磁分离技术、高效旋流技术和采空区沉淀过滤技术，其中采空区沉淀过滤技术受水文地质诸多条件限制，不具普遍性。

现有处理技术普遍存在占地面积大、流程长、加药量大、运维复杂和出水水质不稳定等问题，笔者课题组开展技术创新，提出了一种以聚瓷膜为核心的矿井水短流程高效处理技术，该技术无需加药，替代传统混凝沉淀过滤，出水悬浮物小于1 mg/L。

为解决大淑村矿高悬浮物矿井水混凝剂投加量大、混凝沉淀效果差等问题，采用二次混凝沉淀工艺，浊度去除率达99%以上，PAC投加量较常规混凝减少25%。

采用管道微絮凝-超滤工艺处理常规矿井水性能良好，PAC投加6 mg/L时，出水浊度均在0.07 NTU以下。

根据现场调研结果，井下水仓和地面调节池的预沉作用对后续工艺的稳定高效运行非常重要，今后应着力提高预沉能力，合理选择后续工艺，优化工艺参数。

2.2 高矿化度矿井水处理技术

高矿化度矿井水处理按照工艺顺序主要分为预处理、深度处理、浓缩处理和蒸发结晶4个工艺段，典型工艺流程见图3。

图3 高矿化度矿井水处理典型工艺流程

2.2.1 预处理工艺

高矿化度矿井水预处理的目的是去除悬浮物和硬度，避免后续脱盐过程发生结垢污堵。悬浮物去除技术同2.1小节，除硬技术有化学药剂法（常用药剂包括碳酸钠、碳酸氢钠、石灰等）、离子交换法、晶种法及阻垢剂技术。实际工程应用中，药剂软化与悬浮物去除同时进行，且与离子交换软化联合使用，还会与膜技术结合提高出水水质。

目前，预处理中存在的主要问题是除硅效果差，软化工序放在原水预处理阶段还是反渗透浓水处理阶段，需根据矿井水原水TDS以及硬度水质指标，通过技术经济比较确定。

2.2.2 深度处理工艺

深度处理工艺以除盐为核心，包括反渗透、电渗析及电吸附等除盐工艺，目前应用最广泛的是超滤+反渗透双膜法。根据矿井水水质不同，反渗透系统回收率在50%~75%，除盐率大于97%；反渗透产水（淡水）含盐质量浓度在1 000 mg/L以下，回收用于生产或生活，浓水含盐质量浓度在5 000~10 000 mg/L，需进一步浓缩处理。深度处理存在的主要问题是双膜法中的膜污染问题，膜污染影响膜寿命及运行成本，加强预处理、控制硬度及硅的进水指标、优化运行参数是预防膜污染的主要措施。

2.2.3 浓缩处理工艺

浓缩处理工艺对深度处理工艺中反渗透系统产生的浓水进行浓缩，进一步减少浓水水量，提高浓水含盐量，以减少后续蒸发工艺的投资和运行成本。浓缩处理工艺有海水反渗透（SWRO）、高效反渗透（HERO）、碟管式反渗透（DTRO）、电渗析（ED）、蒸汽机械再压缩（MVR）、多效蒸发（MED）等工艺。各浓缩处理技术的对比见表2。

表2 各种浓缩处理技术对比

由表2可以看出，膜技术适合较低浓度浓盐水的浓缩，热法适合高倍浓缩。各浓缩技术都具有一定局限性，投资大和运行成本高仍然是浓缩工序的主要问题，实际应用中通过耦合多种技术可以达到更好的节能低碳减排效果。

2.2.4 蒸发结晶工艺

蒸发结晶是最后彻底将高盐水进行水盐分离、实现零排放的工序，主要有MVR、MED和多级闪蒸（MSF）等工艺，我国应用较多的是MVR和MED。蒸发结晶工艺投资和能耗较高，是影响高矿化度矿井水零排放项目的关键，研发低投资、低能耗的创新工艺是该工艺今后发展的方向。

2.2.5 分盐技术

分盐技术是实现高矿化度矿井水零排放并资源化利用的重要工序，分盐的目的主要是将SO4 2- 与Cl-分离，有膜法（纳滤）分盐和热法分盐两种。纳滤分盐能耗低、易操作，但单次分盐效率较低，需多次分盐才能达到一定效果，常与热法联合使用。根据原水SO4 2-和Cl-质量比，耦合两种分盐技术、优化分盐工艺及参数是今后的发展方向。

2.2.6 资源化处理新技术

传统高矿化度矿井水零排放工艺最终是利用蒸发结晶技术将无机盐由溶液态转变为结晶态回收，存在投资高、运行成本高、无机盐附加值低等问题。

双极膜电渗析（BMED）作为新型膜分离技术，可以利用高矿化度矿井水浓缩液制备一定浓度的酸和碱，酸碱液可用于高矿化度矿井水零排放工艺以及煤炭下游产业链中，降低系统处理成本，实现浓缩液的非相变资源化。

以BMED为核心的膜集成系统可实现高矿化度矿井水绿色资源化处理，且在耦合光伏电力供应系统时具有明显的二氧化碳减排效应，具有良好的经济效益和社会效益。

2.3 酸性矿井水处理技术

酸性矿井水的处理技术较多。从处理阶段来看，可分为源头控制技术和末端处理技术，其中末端处理技术又可分为主动处理技术和被动处理技术；根据作用机理，又可分为物理法、化学法和生物法。目前，成熟和应用最多的技术仍然是石灰中和法。典型的酸性矿井水处理工艺流程见图4，各主要处理方法的优缺点比较见表3。

图4 酸性矿井水处理典型工艺流程

表3 酸性矿井水主要处理方法比较

很多酸性矿井水由闭坑无主矿井排出，铁、锰含量较高，处理难度增加，是目前酸性矿井水处理最大的问题。现有技术中除了中和法，其他技术对高铁、锰的适应性很差，因地制宜地选择合适的技术及利用方向、将源头控制技术与末端处理技术联用、多种处理技术联用将成为酸性矿井水处理的发展方向。

2.4 含特殊污染物矿井水处理技术

含特殊污染物矿井水主要是含氟和含铁、锰矿井水，以及少量的含氨氮矿井水。针对所含特殊污染物的不同，需选择相应的处理措施，以达到排放标准。

2.4.1 含氟矿井水处理技术

针对含氟矿井水，常用的处理方法包括混凝沉淀法、吸附法和膜法等。混凝沉淀法具有操作方便、处理规模大、反应快速等优点，但存在混凝剂投加量大、除氟效率不高、污泥产生量大等缺点。

吸附法具有出水水质好、运行稳定的优点，目前应用较多，常用吸附剂是活性氧化铝。

活性氧化铝使用前需用硫酸活化，活化后活性氧化铝载有可交换硫酸根离子，可与水中氟离子发生置换反应，在pH为5~8范围内除氟效果较好，失效后的活性氧化铝采用硫酸钠再生，工艺流程是在图2过滤池之后增加除氟吸附柱；但活性氧化铝吸附法存在吸附容量低、再生效率低以及再生液处置困难等问题。

为解决单一除氟方法处理效果不理想的问题，采用混凝沉淀和吸附法联合工艺处理西部矿区某高含氟矿井水，氟离子去除率达到97.6%。

膜分离技术（反渗透）在含氟废水处理中也展现了较好的应用效果，通过优化参数，出水氟化物质量浓度小于1 mg/L。

2.4.2 含铁、锰矿井水处理技术

这里主要针对中性含铁、锰矿井水，处理方法有自然氧化法、化学氧化法、接触氧化法和生物法等，各种技术比较见表4。

表4 含铁、锰矿井水处理技术比较

含铁、锰矿井水处理典型工艺流程见图5。受煤矿开采影响，矿井水中溶解氧丰富，混凝沉淀对铁有较好的去除效果；锰的去除主要是在滤料表面形成活性复合物滤膜，通过接触氧化过滤去除。目前的处理方法存在对锰去除效率较低的问题，研究铁、锰协同高效去除新技术是今后的发展方向。

图5 含铁、锰矿井水处理典型工艺流程

2.4.3 含氨氮矿井水处理技术

含氨氮矿井水处理方法主要有折点加氯法、臭氧氧化法和生物法等。

折点加氯法和臭氧氧化法都是利用投加药剂的氧化性，将水中氨氮氧化为氮气或硝酸根，其工艺流程是在图2反应沉淀池之前投加氧化剂即可。

生物法是在各种微生物作用下，水中氨氮通过硝化、反硝化等一系列反应最终生成氮气，从而达到氨氮去除的目的，其工艺流程是在图2过滤池之后增加生物处理工序（如曝气生物滤池）。

对于低质量浓度（<2 mg/L）氨氮矿井水处理，采用氧化法较为合理；而对于氨氮质量浓度较高的矿井水，生物法处理是一种经济有效的方法。研究开发适合于矿井水水质特征的生物处理技术是今后的发展趋势。

3 矿井水处理技术展望

1）由于大部分矿井水都含有一定量悬浮物，矿井水中悬浮物的去除技术是最基本的。针对矿井水中悬浮物的净化，建议提高井下水仓和地面调节池的预沉作用，开发和完善矿井水井下处理技术，如井下水仓防淤、清淤技术，利用井下设施和空间实现矿井水井下清污分流、清水入仓，完善重介速沉、超磁分离、直接超滤等技术装备，满足井下空间及安全要求，结合自动化、智能化，实现无人值守。

2）随煤炭战略西移，高矿化度矿井水数量不断增加，其处理技术已成为矿井水处理领域的研究重点。针对高矿化度矿井水水质特点，应强化预处理，开发高效除硅除硬技术，因地制宜地选择脱盐工艺，引入能量回收装置，结合新能源和可再生能源（太阳能、余热、地热能等），开发绿色节能耦合脱盐技术，优化分盐结晶工艺，完善以BMED为核心的非相变资源利用技术，整体优化零排放工艺，有条件地利用浓盐水采空区存储技术，降低浓盐废水的处理成本。

3）酸性和含特殊污染物矿井水是目前矿井水处理的难点，建议采取分布式高效定向处理技术，开展新型高选择性吸附药剂、生物处理、生态湿地以及耦合工艺研究，探索自然修复治理。

4）加大关键核心装备制造技术攻关，研发新型膜分离技术、高效节能的污泥脱水技术，实现矿井水高效能、低成本处理。

在《关于加强矿井水保护和利用的指导意见》指引下，矿井水处理技术将朝着更加节能、高效、智能和环保的方向发展。

基于矿井水分质分级处理原则，强化科技支撑，逐步实现含悬浮物矿井水规模化智能化处理、高矿化度矿井水分级绿色处理、酸性和含特殊污染物矿井水高效定向处理，全面提升矿井水处理技术水平。

（来源：《工业水处理》2024年第9期）