趙俊昌

(中國煤炭地質(zhì)總局水文地質(zhì)局，河北邯鄲 056006)

0 引言

中國煤礦多分布在北方缺水地區(qū)，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全國86個國有重點煤礦區(qū)中有71%缺水，40%嚴(yán)重缺水，80%的煤礦職工飲用不潔水，生產(chǎn)和生活用水日趨緊張，在相當(dāng)程度上制約了煤炭生產(chǎn)和礦區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。然而礦井廢水是煤礦排放量最大的一項，大部分礦區(qū)的噸煤排水量約為2m3[2-4]。據(jù)統(tǒng)計2018年全國煤礦外排礦井水約68.9億m3，煤礦的礦井水利用率僅35%[5]。煤礦生產(chǎn)生活缺水和礦井水利用率較低已然成為供需矛盾，礦井水治理及資源化利用儼然成為迫切解決的技術(shù)難題。

高懸物礦井水的主要成分是煤粉和巖粉，其含量一般為每升幾十至幾百毫克，且其感官性狀差。對礦井水中懸浮物含量實測統(tǒng)計表明，懸浮物質(zhì)量濃度低于300 mg/L的礦井約占80%，而懸浮物質(zhì)量濃度高于500 mg/L的礦井不到12%，具有懸浮物粒度小、密度低、沉降效果差的缺點[6-7]。已有高懸浮物礦井水處理技術(shù)主要包括傳統(tǒng)絮凝技術(shù)、超磁分離技術(shù)、高密度沉降技術(shù)和煤礦地下水庫技術(shù)[5]。傳統(tǒng)絮凝技術(shù)是目前應(yīng)用最多的技術(shù)，指向水體中投加絮凝劑和助凝劑，實現(xiàn)懸浮物沉降的過程[8]。超磁分離技術(shù)是在原有傳統(tǒng)絮凝技術(shù)的基礎(chǔ)上向水體中投加磁種鐵，加速沉淀的過程[9]。高密度沉降技術(shù)指在原有傳統(tǒng)絮凝技術(shù)的基礎(chǔ)上向水體中投加高密度介質(zhì)，加速沉淀[10]。煤礦地下水庫技術(shù)指利用廢棄的采空空間通過過濾、沉淀、吸附和離子交換實現(xiàn)高懸浮礦井水的凈化和儲存[11-14]。

盡管現(xiàn)有高懸浮礦井水處理手段眾多，但每一種技術(shù)在具體應(yīng)用過程中均有其各自的優(yōu)勢和弊端。因此，本文以冀中能源葛泉礦高懸浮物礦井水為例，研究其治理及資源化利用技術(shù)。

1 礦井水水量水質(zhì)特征及治理目標(biāo)

1.1 礦井水水量水質(zhì)特征

冀中能源葛泉礦礦位于邢臺市沙河市，發(fā)育地層由老至新依次為奧陶系馬家溝組、峰峰組，石炭系本溪組、太原組，二疊系山西組、下石盒子組、上石盒子組，新生界第四系。該礦開采煤層為石炭系太原組5號煤，上覆頂板含水層為二疊系砂巖裂隙含水層，水質(zhì)類型屬HCO3-Na+型水，礦化度為0.486～0.742g/L，富水性較弱；直接充水含水層為太原組巖溶裂隙含水層，主要含五層薄層灰?guī)r(大青、小青、伏青、山青及野青)，屬HCO3-Na+型水，礦化度為0.344g/L，富水性中等；底板含水層為寒武-奧陶巖溶裂隙水，屬HCO3-Ca2+·Mg2+型水，礦化度為0.228g/L，富水性不均一。5號煤頂板含水層富水性較差，底板受本溪組隔水層保護(hù)，因此礦井涌水的主要來源為石炭系太原組巖溶裂隙地下水。根據(jù)煤礦防治水臺賬，現(xiàn)礦井涌水量為150～240m3/h。

礦井水按潔凈程度可分為清水和混水。清水主要來源于煤層直接充水含水層石炭系太原組巖溶裂隙水涌入井巷或從疏水降壓鉆孔中專門獲取的優(yōu)質(zhì)水；混水則是指生產(chǎn)準(zhǔn)備和新老生產(chǎn)區(qū)域滲(流)出匯入大巷水溝中的污水。清水水質(zhì)較好，屬潔凈礦井水，可直接利用或經(jīng)消毒處理后利用；混水多屬于中性或偏堿性、高懸浮物礦井水，多數(shù)混水采用常規(guī)給水凈化工藝即能達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，因此具備資源化利用的條件。

葛泉礦井下涌水排入臨時沉淀池，排水量最大可達(dá)到6 000m3/d，經(jīng)沉淀后在臨時沉淀池于2009年11月取樣化驗，pH 值為7，其它污染物化驗結(jié)果見表1。據(jù)表1可知礦井水屬于典型的含高懸浮物礦井水。

表1 原水初沉結(jié)果Table 1 Original mine water first settlement results

1.2 治理目標(biāo)

根據(jù)礦井水回收利用目的，該礦設(shè)計兩個排放標(biāo)準(zhǔn)，即廢水經(jīng)處理后，達(dá)到《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(CECS61—94)后回用至工業(yè)用水，如洗煤廠、井下除塵等；回用水經(jīng)深度處理后，達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)，生活用水標(biāo)準(zhǔn)中未涉及的指標(biāo)參考《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)中的三類水標(biāo)準(zhǔn)，供職工洗浴、廣場綠化、社區(qū)住宅沖廁等回用，實現(xiàn)廢水水質(zhì)的資源化利用。設(shè)計出水水質(zhì)見表2。

表2 出水水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Yielding water quality emission standards

2 礦井水治理及資源化技術(shù)

2.1 工藝流程

污水處理工藝的選擇直接關(guān)系到出水是否穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，運(yùn)行管理是否方便，投資和運(yùn)行成本的高低及運(yùn)行年限的長短等，因此選擇合理的處理工藝是污水處理工程建設(shè)的關(guān)鍵。綜合考慮煤礦現(xiàn)有排水能力及資源化回收利用目的，本次治理高懸浮物礦井水選擇工藝成熟、經(jīng)濟(jì)成本較低的傳統(tǒng)絮凝工藝實現(xiàn)工業(yè)用水處理達(dá)標(biāo)，增加活性炭過濾+消毒實現(xiàn)生活飲用水處理達(dá)標(biāo)，同時考慮高熱值污泥的回收利用，切實做到高懸浮物礦井水的資源化利用，具體工藝流程見圖1。

圖1 處理工藝及資源化利用流程Figure 1 Treatment process and reutilization procedures

2.2 運(yùn)行概況及問題整改

本工程建設(shè)地點在葛泉礦礦區(qū)內(nèi)，井下廢水通過地下排水泵提升至預(yù)沉調(diào)節(jié)池。工程于2009年開始設(shè)計施工，2010年工程驗收并投入使用。2017年礦井廢水處理系統(tǒng)改擴(kuò)建，改擴(kuò)建完成后處理水量提升到10 000m3/d，主要增加了一套“水力循環(huán)澄清池+重力無閥濾池”。2018年11月改擴(kuò)建完成并投入使用，工程自開始投入使用以來，運(yùn)行穩(wěn)定，出水達(dá)標(biāo)。處理后的水排至礦區(qū)外，用于附近農(nóng)田灌溉，得到了礦區(qū)和附近村民的一直好評。

工程運(yùn)行期間存在水力循環(huán)澄清池出現(xiàn)大塊浮泥和重力無閥濾池反沖洗頻率增大兩個問題。水力循環(huán)澄清池上清液運(yùn)行過程中出現(xiàn)有大塊浮泥， 且肉眼觀測懸浮物較多，突然出現(xiàn)混凝效果很差的現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)此問題是由于水力循環(huán)澄清池中添加絮凝劑為三氯化鐵，三氯化鐵的最大特點是投加量不易控制，量大或量小都會出現(xiàn)混凝效果差的現(xiàn)場。選用聚合氯化鋁作為混凝劑后，問題得到解決。重力無閥濾池在運(yùn)行過程中反沖洗頻率增大。經(jīng)過觀察、研究發(fā)現(xiàn)此問題系進(jìn)水時水流會帶入空氣至重力無閥濾池后無法排出，使得濾池內(nèi)部壓力增大，經(jīng)常出現(xiàn)反沖洗頻率過多現(xiàn)象。通過在進(jìn)水管路最低處安裝氣水分離器將空氣排出，問題得到解決。

3 運(yùn)用效果評價

2018年11月該工程改擴(kuò)建完成到2019年5月份，兩次現(xiàn)場回訪，礦井水處理系統(tǒng)基本滿負(fù)荷運(yùn)行且運(yùn)行良好。第二次回訪期間取中間水池出水和清水池出水進(jìn)行水質(zhì)化驗，中間水池化驗結(jié)果見表3，清水池出水化驗結(jié)果見表4。

表3 中間水池監(jiān)測結(jié)果Table 3 Intermediate pool monitored results

表4 清水池監(jiān)測結(jié)果Table 4 Clean water pool monitored results

據(jù)表3及表4可知，本文提出的高懸浮物礦井水治理及資源化利用技術(shù)出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)論

高懸浮物礦井水治理及資源化利用，選擇工藝成熟、經(jīng)濟(jì)成本較低的傳統(tǒng)絮凝工藝實現(xiàn)工業(yè)用水處理達(dá)標(biāo)，增加活性炭吸附和消毒實現(xiàn)生活飲用水處理達(dá)標(biāo)，同時考慮高熱值污泥的回收利用，切實做到高懸浮物礦井水的資源化利用。