煤矿矿井水处理技术现状与展望

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2024-0293

摘要/Abstract

摘要：

煤矿矿井水是重要的非常规水源，矿井水的资源化利用对缓解矿区水资源短缺和环境保护具有重要意义。分析了矿井水的来源和水质特点，综述了含悬浮物、高矿化度、酸性和含特殊污染物等不同类型矿井水的主要处理技术，总结了各处理技术的特点和存在问题。大部分矿井水都含有一定量悬浮物，且水质水量变化较大，应着力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，结合自动化、智能化，实现无人值守；随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，应强化预处理，开发高效除硅除硬技术，引入能量回收装置，结合新能源和可再生能源开发绿色节能耦合脱盐技术，整体优化零排放工艺，降低浓盐废水处理成本；酸性和含特殊污染物矿井水是目前矿井水处理中的难点，应采取分布式高效定向处理技术，探索耦合工艺和自然修复治理。在国家政策引领下，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。

关键词: 矿井水, 水质特点, 含悬浮物矿井水, 高矿化度矿井水

Abstract:

Coal mine water is an important unconventional water source, and the resource utilization of mine water is of great significance in alleviating water scarcity and environmental protection in mining areas. This paper analyzed the source and water quality characteristics of mine water, and summarized the main treatment technologies of different types of mine water such as suspended solids, high salinity, acidity and special pollutants, as well as the characteristics and existing problems of each treatment technology. The majority of mine water contained a significant amount of suspended solids, with considerable fluctuations in both water quality and quantity. Efforts should be focused on enhancing the presettling capabilities of both underground water storage facilities and surface regulating reservoirs, developing and improving underground treatment technology for mining wells, and combining automation and intelligence to achieve unmanned operation. With the continuous increase of highly salinity mine water, its treatment technology had become a research focus in the field of mine water treatment. It was necessary to strengthen pretreatment, develop efficient technologies to remove silicon and hardness, introduce energy recovery devices, combine new and renewable energy to develop green and energy-saving coupling desalination technology, optimize the zero discharge process as a whole, and reduce the treatment cost of concentrated salt wastewater. Acidity and special pollution were currently the difficulties in mine water treatment, distributed and efficient directional processing technology should be adopted to explore the coupling processes and natural restoration governance. Guided by national policies, mining water treatment technology will develop towards being more energy-saving, highly effective, intelligent, and environmentally friendly.

Key words: mine water, water quality characteristics, suspended solids mine water, high salinity mine water

中图分类号:

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https://www.iwt.cn/CN/Y2024/V44/I9/1

图/表 9

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类型	污染物来源及水质特点	主要分布区域
含悬浮物矿井水	悬浮物主要来自煤炭开采过程中产生的岩粉、煤炭颗粒以及其他细颗粒物，平均粒径在50 µm以下的悬浮物约占88%，平均密度约1.2~1.3 g/cm³；矿井水中悬浮物的ζ电位在-19.14~-30.15 mV，表现出不同程度的负电性^〔8〕	大部分矿井水都含有一定量悬浮物，悬浮物低于300 mg/L的矿井占近80%
高矿化度矿井水	地下水与含煤地层顶部岩层中碳酸盐类岩层及硫酸盐类岩层长时间接触，导致部分矿物溶于水；矿井水中Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、Cl^-等离子含量偏高^〔9〕，总溶解性固体（TDS）>1 000 mg/L	高矿化度矿井水主要分布在西北地区（新疆、宁东、蒙东、陕北），以及山西、两淮、鲁西南、河南部分矿区
酸性矿井水	在高硫煤矿的采掘、运输、选矿以及矸石排放及储存等环节中，硫化物与氧气和水接触，经氧化分解，易产生酸性矿井水；酸性矿井水主要特点是pH<6，一般介于2~4，富含重金属离子（铁、锰）和硫酸盐^〔10〕，具有极强的腐蚀性	酸性矿井水在南方矿区分布较广，特别是在川、桂、黔等省份，以及鲁西南、山西部分矿区
含特殊污染物矿井水	当地下水流经含氟矿物，如氟磷灰石〔Ca₅（PO₄）₃〕、水晶石（Na₂AlF₂）和萤石（CaF₂）时，经长期的水-岩作用，氟由固态迁移入矿井水，导致矿井水中氟含量增大，质量浓度通常在0.2~13.0 mg/L^〔11〕	主要集中在西部鄂尔多斯地区、两淮地区、山西晋城等地区
	煤炭开采过程中含铁、锰地下水渗透形成含铁、锰矿井水，铁、锰多以二价形式存在^〔12〕；铁质量浓度超过0.3 mg/L，锰质量浓度超过0.1 mg/L，大部分与酸性矿井水共存	主要集中在蒙东地区和云贵地区，以及山东、山西、河南部分地区
	由于浅埋深、薄基岩、厚煤层的赋存条件，以及地表水渗入污染和煤炭开采过程中人为影响，形成含氨氮矿井水，氨氮质量浓度相对较低（一般<5 mg/L）^〔13〕	主要集中在西北地区

类型	污染物来源及水质特点	主要分布区域
含悬浮物矿井水	悬浮物主要来自煤炭开采过程中产生的岩粉、煤炭颗粒以及其他细颗粒物，平均粒径在50 µm以下的悬浮物约占88%，平均密度约1.2~1.3 g/cm³；矿井水中悬浮物的ζ电位在-19.14~-30.15 mV，表现出不同程度的负电性^〔8〕	大部分矿井水都含有一定量悬浮物，悬浮物低于300 mg/L的矿井占近80%
高矿化度矿井水	地下水与含煤地层顶部岩层中碳酸盐类岩层及硫酸盐类岩层长时间接触，导致部分矿物溶于水；矿井水中Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、SO₄ ^2-、HCO₃ ^-、Cl^-等离子含量偏高^〔9〕，总溶解性固体（TDS）>1 000 mg/L	高矿化度矿井水主要分布在西北地区（新疆、宁东、蒙东、陕北），以及山西、两淮、鲁西南、河南部分矿区
酸性矿井水	在高硫煤矿的采掘、运输、选矿以及矸石排放及储存等环节中，硫化物与氧气和水接触，经氧化分解，易产生酸性矿井水；酸性矿井水主要特点是pH<6，一般介于2~4，富含重金属离子（铁、锰）和硫酸盐^〔10〕，具有极强的腐蚀性	酸性矿井水在南方矿区分布较广，特别是在川、桂、黔等省份，以及鲁西南、山西部分矿区
含特殊污染物矿井水	当地下水流经含氟矿物，如氟磷灰石〔Ca₅（PO₄）₃〕、水晶石（Na₂AlF₂）和萤石（CaF₂）时，经长期的水-岩作用，氟由固态迁移入矿井水，导致矿井水中氟含量增大，质量浓度通常在0.2~13.0 mg/L^〔11〕	主要集中在西部鄂尔多斯地区、两淮地区、山西晋城等地区
	煤炭开采过程中含铁、锰地下水渗透形成含铁、锰矿井水，铁、锰多以二价形式存在^〔12〕；铁质量浓度超过0.3 mg/L，锰质量浓度超过0.1 mg/L，大部分与酸性矿井水共存	主要集中在蒙东地区和云贵地区，以及山东、山西、河南部分地区
	由于浅埋深、薄基岩、厚煤层的赋存条件，以及地表水渗入污染和煤炭开采过程中人为影响，形成含氨氮矿井水，氨氮质量浓度相对较低（一般<5 mg/L）^〔13〕	主要集中在西北地区

项目	SWRO	HERO	DTRO	ED	MVR	MED
进水TDS/（mg·L^-1）	5 000~40 000	2 000~20 000	20 000~50 000	5 000~50 000	50 000~100 000	50 000~100 000
预处理要求	较高	高	较低	较低	低	低
产水水质	好	好	差	较差	好	好
产水率/%	75	85	80	50	75	75
运行成本	低	较高	高	低	高	高
投资成本	低	较高	高	较高	高	高

项目	SWRO	HERO	DTRO	ED	MVR	MED
进水TDS/（mg·L^-1）	5 000~40 000	2 000~20 000	20 000~50 000	5 000~50 000	50 000~100 000	50 000~100 000
预处理要求	较高	高	较低	较低	低	低
产水水质	好	好	差	较差	好	好
产水率/%	75	85	80	50	75	75
运行成本	低	较高	高	低	高	高
投资成本	低	较高	高	较高	高	高

类别	处理技术	优点	缺点
主动处理技术	中和（沉淀）法	技术成熟，对水质水量适应强，操作方便，设备简单，处理成本低	中和剂消耗量大，产泥量大，易造成二次污染
	吸附法^〔46〕	对重金属去除效果好，操作简单	吸附容量有限，再生复杂或难再生，对酸度去除差
	膜处理法^〔47〕	出水水质稳定，可回收重金属和酸	处理费用高，耗能大，需预处理
	微生物法^〔48〕	方法简单，无二次污染，对硫酸根去除率高	对环境要求高，投资大，管理复杂
被动处理技术	人工湿地^〔49〕	利用特定水生植物，物理、化学、生物协同作用，对重金属去除率高	对进水水质有要求，停留时间长，占地面积较大，常与其他处理技术联合作为最后处理单元
	石灰石沟^〔50〕	简单、经济	对进水水质要求高
	连续产碱系统^〔51〕	占用面积小，去除铁、硫酸根效果好	填料需定时补充
	可渗透反应墙^〔52〕	不占地面空间，对污染物去除有普遍性	反应介质容易堵塞，活性填料需定时更换

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