浅析高矿化度煤矿化矿井水的资源化利用

刘进

摘要：针对部分煤矿高矿化度矿井水产生量大，含盐量高，结垢倾向严重，直接排放造成环境影响大的问题，结合高矿化度矿井水的特点，结合煤矿矿井自身、周边企业及矿区生态用水特点提出了分质资源化综合利用途径，产品水和产品硫酸钠完全资源化。

关键词：煤矿矿井水; 高矿化度; 资源化; 纳滤分盐工艺;硫酸钠结晶

Abstract：Aiming at the problems of high salinity mine water production，high salt content，serious scaling tendency and environmental impact caused by direct discharge in some coal mines，combined with the characteristics of high salinity mine water，combined with the characteristics of coal mine itself，surrounding enterprises and ecological water in mining area，this paper puts forward the comprehensive utilization way of quality resource，and the product water and product sodium sulfate are fully resourced

Keywords：mine water; hypersalinity;resource utilization; nanofiltration partial salt; Na2SO4 crystallization

矿井水主要来源于地下水，是煤炭开采过程中的矿井涌水，其水质主要受当地水文地质、气候和地理等自然条件的影响。矿井水中当盐的质量浓度大于1000mg/L 时，不能满足生产生活灌溉绿地用水要求，即为高矿化度矿井水 。我国较为缺水的西北和北方矿区往往排出高矿化度的矿井水，在陕西榆林、宁夏宁东地区、内蒙古鄂尔多斯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%[1]，例如：陕西省榆林榆横矿区排放的矿井水，袁大滩煤矿、巴拉素煤矿、某，内蒙古鄂尔多斯地区中天合创煤矿、白家海子煤矿、马泰壕煤矿等，全部为高矿化度矿井水，矿化度一般为 2000～10000mg/L，个别煤矿的矿井水矿化度高达 10000mg /L以上。高矿化度矿井水如果不经过处理就直接排放，会给生态环境带来危害，主要表现为纳污水体含盐量上升、土壤滋生盐碱化、林地树木干枯、农作物减产等[2]。我国内蒙古、陕西等地区都严格限制高矿化度矿井水的排放，矿井水的资源化综合利用，是实现矿区绿色可持续发展的重要途径。

1  矿井水资源化利用政策及现状

1.1 我国矿井水资源化利用政策

近年来，国家逐渐重视矿井水资源化的利用工作。 2015 年国务院发布的《水污染防治行动计划》也指出，推进矿井水综合利用，煤炭矿区的补充用水、周边地区生产和生态用水应优先使用矿井水，加强洗煤废水循环利用[2];同年环境保护部（现生态环境部）颁发了《现代煤化工建设项目环境准入条件（试行）》，文件中要求，“现代煤化工发展，必须要强化节水措施，减少新鲜水用水量。在具备条件的地区，倡导优先使用矿井疏干水，再生水，禁止取用地下水作为生产用水”。 2019 年，《国家节水行动方案》要求在缺水地区加强矿井水等非常规水的利用[3]。近年来，在有矿井水资源的各地市，出台的地方发展规划、循环经济发展规划等均提及到要充分利用矿井水资源（矿井疏干水）。

1.2矿井水资源化利用现状

近年来，随着榆林地区的快速发展，对水资源的需求越来越高，矿井水利用量在逐渐扩大，利用技术水平也有了较大提高。进水平，目前矿井水开发利用中仍面临诸多问题 [3，4]。

（1）矿井水资源利用不充分，处理水平不高。有些矿的矿井水只采取简单沉淀处理后直排地面河流（尤其是中小型煤矿），造成环境污染;（2）矿井水深加工处理能力差，重复利用和循环利用率不高;（3）部分具备了矿井水处理系统的企业，为减少运行费用和排污费用，不运行污水處理设施，或者由于管理和技术因素不能正常运行，矿井水偷排或不达标排放;（4）目前此矿区污水处理系统总体自动化监测和控制水平低。污水处理工作人员知识水平普遍低，只能进行正常操作，非正常情况应变能力及继续学习提高能力有限。不能保证污水处理系统长期稳定运行。目前，神府东胜矿区对于矿井水的深度处理以便生活回用技术有待进一步发展。

2 矿井水资源化的处理技术

2.1 矿井水水质特征

煤矿矿井水中含有各种各样的污染物：当矿井水流经采煤工作面时，将带入大量的煤粉、岩粒等悬浮物;同时由于受到井下矿工的生产和生活活动的影响，矿井水往往含有较多的细菌;根据矿井水水质情况，从矿井水资源化的角度出发，矿井水可以分为两种类型：（1） 洁净矿井水，即没有被污染的地下水，水质基本符合生活饮用水标准，经过澄清、过滤、消毒处理即可饮用;（2）受污染的矿井水，矿井水的主要超标项是色度、浊度、悬浮物、油类、BOD、CODcr 和硫化物等，高矿化度矿井水和酸、碱性严重及含氟、铁锰等重金属离子的矿井水、放射性矿井水只分布在一定区域。

2.2 矿井水资源化处理技术

国外矿井水处理与利用技术的研究与应用起步较早，并已取得许多可喜成果，俄罗斯主要采用中和法、絮凝沉淀法、气浮法净化矿井水，美国处理矿井水方法是中和法与预曝气法相结合，并且研制了抑制铁氧化细菌的生长，美国和欧洲国家先后开展了采用人工湿地处理矿井水，目前逐步应用于生产。英国常采用化学试剂中和处理以及反渗透、冻结法进行脱盐处理。

目前，国内矿井水处理主要采用以下工艺：

一、混凝（絮凝）、沉淀（澄清）工艺，实现矿井水无害化处理后，达标排放;

二、混凝（絮凝）、沉淀（澄清）过滤、杀菌处理工艺将矿井水净化处理后作为工业和生活用水;

三、净化处理后的高矿化度矿井水，采用反渗透等膜技术处理进行脱盐淡化，使其达到工业和生活用水标准后回用;

煤炭行业所指的高矿化度水，一般指微咸水（矿化度1g/L～3g/L）和咸水（矿化度3g/L～10g/L） ，甚至盐水（矿化度10g/L～30g/L）。榆横矿区矿井排水属于高矿化度水，矿化度3g/L～6g/L，SO42-在2000mg/L～4000mg/L

高矿化度矿井水直接排入了河流、湖泊和海洋，对水资源造成了极大破坏，西北地区的生态环境本就比较脆弱，而且多地区缺乏受纳水体，所以一些地方环保部门要求矿井水不得外排。这就要求企业必须将矿井水处理后全部资源化利用，达到零排放，这就对矿井水处理系统提出了更高的要求。高矿化度矿井水资源化利用除了采用常规工艺进行预处理外，关键是要进行脱盐处理，使水质达到满足生产或生活要求的水。想要达到近零排放，就要求进一步处理脱盐产生的浓水，实现水和盐的完全分离，水和结晶盐分别利用。

3 某煤矿矿井水资源综合利用项目

3.1某煤矿矿井井水资源综合利用的方向

榆横矿区矿井水净化处理后一般主要回于矿区本身，综合利用方面主要有四方面：煤炭生产过程用水、矿区生活用水、生态环境用水和农业等其它用途用水，矿井水的利用应坚持先井下后井上，先工业后生态、生活，最后为农业的原则。某煤矿矿井水综合利用分别回用以下方面：

（1）工业用水。工业用水主要可以用于以下几个方面：井下灌浆、设备冷却及润滑、灭火、除尘和防爆，锅炉用水，洗煤厂及其它生产用水。满足工业园区工业用水要求。执行标准《石油化工给水排水水质标准》（SH 3099-2000）。

（2）生态环境用水。矿井水经过净化处理后即可满足生态环境用水要求，生态环境用水主要可以用于以下几个方面：园林绿化（需要深度处理）、道路洒水、景观（喷泉等）用水要求。执行标准《绿地灌溉水质标准》（GB/T25499-2010）。

（3）生活用水。经过矿井水深度净化处理后，如果达到国家饮用水水质标准，作为生活用水供应矿区。执行标准《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）。

（4）农业用水。经过对矿井水深度处理后，用于农业灌溉。执行标准《农田灌溉水质标准》（GB5084-2005）。

具体利用途径见图1

3.2 某煤矿矿井井水资源综合工程

3.2.1井下最大涌水量1700m³/h，进水矿化度3300mg/L其中：硫酸根2000mg/L、钙离子382mg/L、钠离子600mg/L、氯离子60mg/L，属于典型的硫酸盐型高矿化度水。最终制得淡水水质满足矿区生产、生活用水;外供水满足电厂用水标准《城市污水再生利用-工业用水水质》（GB/T 19923-2005）要求，工业园区生产用水标准《石油化工给水排水水质标准》（SH3099-2000）要求。结晶盐满足工业无水硫酸钠GB/T6009-2014标准I类一等品标准。

3.2.2工艺流程选择

预脱盐阶段：煤礦井下排水→预处理混凝澄清系统→软化澄清系统→陶瓷膜过滤系统→反渗透系统→淡水回用

高矿化度矿井水实现资源化利用主要采用反渗透、蒸发结晶工艺。反渗透和蒸发结晶，都对进水的硬度有严格的要求。水中 Ca2+ 、Mg2+离子构成了水的硬度，这些离子一旦进入浓缩减量或蒸发结晶设备，它们就会形成水垢附着在膜或列管壁上，降低膜和蒸发的产水效率，甚至堵塞膜孔、管路或装置，影响设备的运行。

1）软化处理主要去除水中部分硬度或者全部硬度，是根据溶度积原理，在水中投加一些药剂，使水和水中的钙镁离子反应生成难溶化合物如 CaCO3 和 Mg（OH）2，通过沉淀去除，达到软化的目的。药剂软化与混凝同时进行，采用高密度澄清池来同步投加氢氧化钠、碳酸钠、聚合硫酸铁进行混凝、沉淀和药剂软化主要反应如下：

Ca（HCO3）2+2NaOH→CaCO3↓+Na2CO3+2H2O

CO2+2NaOH→Na2CO3+H2O

CaCl2+Na2CO3→CaCO3↓+2NaCl

CaSO4+Na2CO3→CaCO3↓+Na2SO4

MgSO4+2NaOH→Mg（OH）2↓+Na2SO4

去除水中的钙离子、镁离子、碳酸氢根生成碳酸钙和氢氧化镁沉淀，水中的溶解离子主要为硫酸根离子和钠离子。

2）超滤可以去除水中悬浮物及大分子有机物保证反渗透进水SDI小于3。防止反渗透污堵。

3）反渗透膜是一种只能让水分子透过而不允许溶质透过的半透膜。反渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，水分子从咸水一侧反向的透过膜进入纯水一侧，从而从溶液中分离出纯水的膜分离操作。反渗透作为离子筛浓缩可溶性离子制取脱盐水的工艺，己经成为成熟、可靠的脱盐水处理工艺技术，己经广泛用于工业水处理系统中[6]，本阶段反渗透系统回收率75%。具体参数见表一

1）浓水软化系统进水经过反渗透浓缩后水中残余的结垢离子浓缩4倍后又有结垢倾向需要再次进行软化后才能进入后续纳滤浓缩系统。

2）纳滤系统本工程纳滤是一种特种分离膜，其具有筛分和静电排斥两种效应，使其具有对二价离子的离子选择拦截对一价离子不拦截。纳滤膜孔径为 1nm 左右，截留分子量为 200～1000D。纳滤（NF）主要可将高价离子硫酸根截留分离。纳滤主要用于将RO的浓水中的NaCI和Na2S04进行分离，Na2S04在纳滤浓水侧浓缩，NaCI到纳滤产水侧。

3）DTRO系统DTRO膜是反渗透的一种形式，是专门用来处理高浓度污水的膜组件，其核心技术是碟管式膜片膜柱。把反渗透膜片和水力导流盘叠放在一起，用中心拉杆和端板进行固定，然后置入耐压套管中，就形成一个膜柱。如图1所示，DTRO的原液流道采用开放式流道，料液通过入口进入压力容器中，从导流盘与外壳之间的通道流到组件的另一端，在另一端法兰处，料液通过通道进入导流盘中，被处理的液体以最短的距离快速流入到下一个导流盘，从而在膜表面形成由导流盘圆周到圆心，再到圆周，再到圆心的双“S”形路线，浓缩液最后从进料端法兰处流出。

1）蒸发结晶预处设备

经过浓缩减量阶段后浓盐水需要结晶产生工业硫酸钠彻底进行水和盐的分离，本阶段采用先采用臭氧和管式膜软化系统进一步去除水中的有机物及结垢离子防止在蒸发器和结晶器换热管内壁结垢降低换热系数增加能耗和保证系统稳定安全运行。并提高最终结晶盐硫酸钠品质。

2）MVR 蒸发

MVR 蒸发是在单效蒸发的基础上，将从蒸发室内蒸出的低温二次蒸汽，通过MVR 蒸汽压缩机后蒸汽的压力、温度升高，再重新作为加热源，进入蒸发器预热室与浓缩液进行换热，浓缩液被加热持续蒸发。经过蒸汽压缩机的加压和升高温度后，蒸发器所产生的二次蒸汽返回至蒸发器内部，该阶段产生的蒸汽潜热得到了充分的使用。

通过使用少量的机械能将全部的二次蒸汽重新作为蒸发的热源使用，蒸发过程得以持续进行，除了设备刚运行时，需要少量的预热蒸汽将其料液加热蒸发，此外不需要依赖外部蒸汽，料液被循环蒸发，实现了能源的大大节约。

3）MVR强制循环结晶系统

经蒸发器浓缩后的浓缩盐水送入结晶器系统进料缓冲罐。本方案采用的结晶器是强制循环方式的。结晶器的闪蒸罐通过循环管连接一台管壳式加热器。循环泵将浓盐浆从闪蒸罐送至加热器进行热交换，结晶器的加热器为两管程换热器。结晶器进水与系统内循环的浓盐浆混合，经加加热器加热后，有几度温升（显热），再次进入到闪蒸罐，发生闪蒸，析出盐份结晶。加热器处于较低的位置，循环管排出段中水位静水压头可抑制加热器换热管内的沸腾。这样做的目的是防止结垢。从换热器出来的浓盐浆以切线进入闪蒸罐，有助于形成更大的液体闪蒸表面。蒸汽经过除雾器进入到蒸汽压缩机，除雾器的作用是除去蒸汽中的液滴与颗粒。

压缩机压缩蒸汽提高蒸汽的饱和温度与压力，送至加热器壳程，将潜热释放给循环的浓盐浆。压缩蒸汽释放潜热的同时，在换热管外壁被冷凝成蒸馏水入蒸馏水罐。并由泵送入蒸发系统蒸馏水罐混合后外排回用。

盐晶体在结晶器闪蒸罐内不断形成。在加热和闪蒸的过程中，水以蒸汽的形式被分离出来，浓盐浆变成过饱和状态，随之盐的晶体从溶液中析出。盐浆被收集在盐浆罐中被泵从循环管道上直接排至离心机进行液固分离。离心母液收集在母液罐内返回结晶器。为了确保结晶盐品质，并防止结晶器中有機物及其它溶解性杂质浓度过高，一小部分离心母液将以排污的形式排出结晶器，送出界区做进一步处理。

从离心机排出的固体送出界区至买方干燥包装系统。具体各单元参数见表三

4. 经济及社会效益

某煤矿矿井水综合利用工程，制得产品水1500万吨/年，矿化度<600mg/L，满足《城市污水再生利用-工业用水水质》（GB/T 19923-2005）、《农田灌溉水质标准》（GB5084-2005）、《绿地灌溉水质标准》（GB/T25499-2010）用水要求，制得工业盐硫酸钠4.6万吨，达到GB/T6009-2014工业硫酸钠I类一等品标准对外出售。减少外排高盐矿井水约1500多万吨/年，减少COD排放量约142吨/年，回收煤泥2.5万吨/年，杜绝了对榆林地区地表水的污染，对改善区域水环境质量具有积极意义。

5  结束语

某矿井水综合利用项目是依据国家环保部对榆横煤电一体化项目环评批复相关要求，落实环保“三同时”制度，实现矿井水资源100%复用、零排放目标的环境友好型工程。

项目建成后可以减少地下用水，节约地下水资源，保护矿区地下水和地表水的自然平衡，有利于当地经济的发展，提高企业的综合效益，促进矿区的可持续发展，具有显著的经济效益和社会效益。

参考文献：

[1]胡文容.煤矿矿井水处理技术 [M].上海： 同济大学出版社，1996.

[2]国务院，国务院关于印发《水污染防治行动计划》的通知，国发[2015]17号。

[3]国家发展和改革委员会，水利部. 发展改革委 水利部关于印发《国家节水行动方案》的通知。

[4]任秀莲 . 试论矿井水资源的综合开发利用 [J]. 能源技术与管理，2006，（5）： 54-55.

[5]黄国军，董守华，李东会 . 矿井水处理方法和综合利用 [J]. 矿业快报，2007，（4）： 44-48

[6]DOW公司.反渗透和纳滤膜元件产品与技术手册，2016年