高矿化度矿井水处理技术综述

摘要：文章对各种高矿化度矿井水的处理技术进行了综述，重点论述了反渗透技术处理高矿化矿井水在我国的应用情况，指出反渗透技术是今后高矿化度矿井水脱盐处理技术的主要发展方向。

关键词：矿井水；高矿化度；反渗透技术；脱盐处理技术；水质特征 文献标识码：A

中图分类号：O741 文章编号：1009-2374（2015）23-0167-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.23.084

1 高矿化度矿井水的水质特征

矿井水是煤矿生产中排放的主要污染源，煤矿产生的矿井水受到采煤作业、天气条件、煤系地层等因素的影响，含有一定量的盐分，当盐的质量浓度大于1000mg/L时，即为高矿化度矿井水。我国大多数煤矿排放的矿井水是以悬浮物为主的常规矿井水和含铁锰的酸性矿井水，但在我国较为缺水的西北及北方矿区往往排出高矿化度的矿井水，在陕西、甘肃、宁夏、新疆、内蒙古、山西以及两淮、徐州、新汶、抚顺、阜新等地区都有高矿化度矿井水分布。据调查，高矿化度矿井水水量约占我国北方重点煤矿矿井涌水量的30%，例如淮南矿区排放高矿化度矿井水的数量占到矿区煤矿的50%以上，这些地区煤矿矿井水的矿化度一般为1000～10000mg/L，个别煤矿的矿井水矿化度则高达10000mg/L以上。由于高矿化水矿井水的危害较大，我国内蒙古等地区都严格限制高矿化水矿井水的排放，对其进行有效处理利用，是今后这些地区煤矿开采过程中必须十分重视的煤矿环保之一。

2 高矿化度矿井水处理技术

我国高矿化度矿井水主要分布在水资源比较缺乏的地区，对这部分高矿化度矿井水进行处理利用，不但可以避免矿井水外排造成的环境污染，还可解决矿区用水紧张的问题。同一般的矿井水水质相比较，煤矿排放的高矿化度矿井水除具有高含盐量特征外，也含有悬浮物等这些常见的污染物，悬浮物等通过常规的混凝沉淀和过滤即可去除，但其中的各种离子则必须通过其他途径进行脱除，脱盐是处理高矿化度矿井水的关键工序，也可以称为深度处理。常用的脱盐深度处理技术有离子交换、蒸馏、电渗析、反渗透等。

2.1 离子交换法

离子交换法是采用离子交换机，使交换剂和水溶液的可交换离子之间发生等物质的可逆性交换，导致水质改善二离子交换剂的结构不发生实质性变化的水处理方式。离子交换法主要存在的问题是定期需对离子交换剂进行再生，再生过程控制麻烦。目前离子交换主要用在锅炉软化水末端处理等方面，在高矿化度矿井水的脱盐深度处理工艺工程中基本没有使用该方法。

2.2 蒸馏法

蒸馏法是目前海水淡化工业中成熟的技术。蒸馏法是以消耗热能为代价，进行热力脱盐淡化处理的方法。有一些技术文献提出，从热源价格方面考虑，蒸馏法适用于处理含盐量超过3000mg/L的高矿化度矿井水，且为了降低成本，蒸馏法可考虑用煤矸石作为廉价燃料，来淡化高矿化度矿井水。但从目前实际现状来看，煤矸石热值低、含硫量较高，用煤矸石作为燃料，既不符合现有越发严格的大气防治控制政策要求，能获取的热量也少，专门采用煤矸石作为燃料的煤矿基本没有，要想获取稳定的热源，就需要通过燃煤、用电的方式来解决，就需要很高的经济代价。由于这些现实的条件限制，基本未见有将蒸馏法应用于高矿化度矿井水脱盐深度处理的工程实例，可以预见，在今后的高矿化度矿井水处理工程，该方法的应用范围也将十分狭小，只有在该煤矿可以低价稳定地获得大量的热源，该方法才可能得到

应用。

2.3 电渗析法

电渗析法是我国一项传统的高矿化度矿井水处理工艺，在前些年，我国主要使用电渗析技术来处理高矿化度矿井水，一些煤矿应用电渗析设备淡化含盐矿井水，以解决矿区生活饮用水和有关工业用水问题。电渗析除盐法的优点是不需再生、可连续出水、系统简单、设备少，但缺点也很明显，表现在：不能去除水中有机物和细菌，电耗大，运行不稳定，结垢严重，脱盐率在50%左右，设备庞杂，一般只适合原水含盐量小于1500mg/L的矿井水脱盐。从我国目前已投入使用的矿井水深度处理工程来看，存在的问题也比较多，主要原因是工艺流程普遍单一，工程设计参数选择缺少依据，对矿井水的水质、水型缺乏分析，电渗析淡化工程工艺设计中普遍没有充分考虑矿井水的特征，一些煤矿采用浓水不循环直接排放、积水全部利用清水的方式，造成水资源浪费很大，水回收率普遍只有45%左右，有些矿井水深度处理工程中没有设计防垢技术措施，导致电渗析的电极、离子交换膜严重结垢，堵塞膜道，压力升高，电流效率下降，脱盐率降低，设备解体清洗频繁，操作恶化，淡化成本大幅度上升，从而使不少工程不能正常生产，有些电渗析工程已停用或久停报废，如龙口矿务局北皂煤矿、灵武矿区灵新煤矿和淮北矿务局的童亭煤矿等。随着目前反渗透膜等技术的不断发展，电渗析法本身存在的问题使其劣势更为明显，该方法已不能满足矿井水处理技术朝自动化、模块化方向发展的需要，电渗析法在高矿化度处理工程中应用受到较大限制，近些年，广泛建立的高矿化度矿井水处理工程中使用电渗析法进行脱盐处理的实例已较为少见。

2.4 反渗透技术

反渗透（RO）指的是在膜的原水一侧施加比溶液渗透压高的外界压力，原水透过半透膜时，只允许水透过，其他物质不能透过而被截留在膜表面的过程。

反渗透是最精密的膜法液体分离技术，将溶剂和溶剂中离子范围的溶质分开，它能阻挡几乎所有溶解性盐，只允许水溶剂通过，可脱除水中绝大部分的悬浮物、胶体、有机物及盐分。

反渗透膜分离过程的主要特点是：（1）处理介质不发生相变，与热法蒸馏相比能耗大大降低；（2）只用压力作为反渗透分离的推动力，装置操作简单，便于自控和维修；（3）脱盐过程中不消耗酸碱，除浓水中盐分高外不生成其他污染物质，与离子交换工艺相比，符合环保要求；（4）装置模块化设计，规模大小灵活。可提供几百升/天的家庭用纯水设备、实验室设备以及成千上万吨/天的大型工业除盐设备；（5）与传统脱盐工艺比较，系统占地面积明显减少；（6）自动化水平较高，人工操作、劳动强度降低；（7）作为目前水处理工业领先的脱盐技术具有广泛的发展前景。endprint

目前反渗透技术已成为海水、苦咸水淡化的主要手段，是超纯水和纯水制备的优选技术，反渗透已被利用于食品、医药的浓缩、净化、水软化、污染控制以及水再生和废液的回收利用等多个方面。在我国高矿化度矿井水深度处理工艺应用中，反渗透技术凭借其能耗低、运行成本低、结构合理、占地面积少、水利用率、自动化程度高等诸多特点，应用最多、效果最好，且应用前景良好。

3 反渗透技术在高矿化度矿井水处理中的应用现状

3.1 反渗透技术在华东地区高矿化度矿井水处理中的应用情况

安徽淮南矿区的谢桥煤矿矿井水深度处理采用了反渗透过滤工艺，经预处理后的矿井水含盐量为3000～3800mg/L，反渗透膜采用管式聚酰胺复合膜，具有酸碱适应范围大、处理量大、除盐效率高、化学稳定性好等优点，系统回收率为70%左右，产水电导率为30～70μs/m，产水量5000m3/d，符合生活饮用水卫生标准要求，反渗透装置出水中产水进入纯水池供工业场地生产和生活，浓水进入集水池供选煤厂生产和矸石山冲扩堆，提高了矿井水的综合利用率，节约了水资源，经济和环境效益明显。

2011年，兖矿集团的菏泽能化有限公司赵楼煤矿建设了1座矿井水深度处理站，采用超滤+反渗透过滤工艺，进水量为110m3/h，反渗透主体设备采用美国海德能公司生产的CPA3低压复合膜，配套RO专用压力容器，反渗透系统出力为80m3/h，水回收率为75%，反渗透系统脱盐效率>98%，出水一部分供生活用水，剩余部分供给附近电厂使用，目前该系统运行良好。

3.2 反渗透技术在山西省高矿化度矿井水处理的应用情况

山西亚美大宁煤矿利用反渗透装置将矿井水深度处理后作为饮用水，自2008年投入使用以来，一直运行正常，平均每年节约用水14.4万元，收到了令人满意的效果，也为其他煤矿企业的水资源利用起到了很好的带头示范作用。2008年，山西汾西矿业集团的曙光煤矿建成产水量为20m3/h的矿井水深度处理站，采用反渗透过滤工艺，脱盐率高达99.3%，出水水质指标为：浊度≤0.3NTU，溶解性总固体33mg/L，总大肠菌群和粪大肠菌群均未检出，每吨水处理费用为1.60元，作为矿井生活用水后，每年可节约自来水成本15.77万元。2009年，山西平朔井工一矿太西区建成矿井水深度处理规模为300m3/h的处理站，针对矿井水中具有氯离子、硫酸根和含盐量高的特点，经常规处理后，深度处理设采用叠片过滤+超滤+反渗透的处理工艺，设计采用2套超滤装置，水回收率90%，超滤膜过滤通量≤70L/m2·h，2套反渗透装置的单套产水量为75m3/h，水回收率70%，经两年多的运行实践，表明矿井水深度处理工艺合理、稳定可靠、出水水质好，具有较好的推广应用前景；大同达子沟、大同青磁窑矿、大同白洞矿、太原东山矿、阳泉荫营矿灵石县红杏矿和邓家庄煤矿都采用了反渗透工艺处理矿井水，吨水投资在1500～3500元/吨，制水成本在1～3元/吨，可以看出，不同煤矿采用该技术处理矿井水的吨水投资和制水成本差别较大。

3.3 反渗透技术在河北、宁夏等地高矿化度矿井水处理中的应用情况

河北的范各庄煤矿高矿化度矿井水深度处理回用项目设计处理规模为3000m3/d，采用混凝沉沉+过滤的常规处理+反渗透深度处理工艺。2010年建成，经过1年的调试和使用，水的回收率一直稳定在70%以上，产水量达110m3/h以上，脱盐率在92.9%～98.0%，反渗透系统的运行工况良好，水体中的色度为5.5～9.5，pH稳定在7左右，并且出水无臭味、没有肉眼可见物，出水指标均达到国家生活饮用水卫生标准。

宁夏宁东煤田河东规划区的石槽村煤矿的矿井水为超高盐量苦咸水，含盐量达12293mg/L，不仅人畜不能饮用，而且不可直接排放。2006年7月，宁煤集团开始对高含盐矿井水回收技术进行研讨和论证，于2007年4月开始建设2×50m3/h的反渗透模块系统，日产水量2000m3/d，2008年12月建成投产，采用了预沉调节+絮凝斜管沉淀+过滤+瓷砂过滤+反渗透+消毒的处理工艺，该工艺对超高盐量矿井水处理效果良好，通过对产品水的检测分析，经反渗透处理后的矿井水完全能够满足生活饮用水水质要求，提高了矿井水回收利用率，节约了水资源，具有明显的经济效益、社会效益和环保效益。

从以上可以看出，采用反渗透对高矿化度矿井水进行脱盐深度处理将是今后在我国高矿化度矿井水处理工程的发展趋势。

4 结语

综上所述，高矿化度矿井水的水质较为复杂、对生态环境影响危害较大，高矿化度矿井水的处理关键是脱盐，高矿化度矿井水脱盐处理的传统工艺是电渗析法，但该方法脱盐率较低、产水率较低、设备较为复杂，同其反渗透技术比较缺点较为明显。随着近些年反渗透膜材料工业和技术的大力发展，反渗透技术已成为我国高矿化度矿井水脱盐处理技术的发展方向，并得到了大量应用。需要注意的是高矿化度矿井水经膜分离处理后将产生一部分比原水更高的高含盐量浓水，对于煤矿而言，浓盐水需尽量避免采取自然蒸发、深井注射的处理方式，在有利用条件时，可将浓盐水用于选煤厂生产用水，不可利用时，与处理后的生活污水进行混合排放是一种比较可行的处理方式。

参考文献

[1] 郭忠权.高矿化度矿井水处理技术及应用[J].矿业安全与环保，2012，39（3）.

[2] 庞振东，程学丰.煤矿高矿化度矿井水处理技术[J].矿业安全与环保，2005，32（4）.

[3] 郭常颖，李多松，江洁.煤矿高矿化度矿井水处理技术探讨[J].煤炭工程，2006，（1）.

作者简介：周金余（1981-），男，江苏南京人，中煤科工集团南京设计研究院有限公司工程师，硕士，研究方向：环境影响评价、土地复垦方案编制及污水处理工程设计等。

（责任编辑：王 波）endprint