李艷軍，李婷，張海峰

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000；2.神華集團(tuán)神東公司榆家梁煤礦，陜西 神木 719300)

0 引言

煤炭是我國最重要的一次性能源，在能源消耗中占比超過60%。煤炭資源的開采利用在推進(jìn)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長的同時(shí)，也帶來了較多的環(huán)境問題，尤其是對地下水資源污染和浪費(fèi)。隨著我國工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級，以及可持續(xù)發(fā)展理念的提出，煤礦企業(yè)傳統(tǒng)生產(chǎn)模式已無法滿足時(shí)代發(fā)展需求，綠色環(huán)保、節(jié)能降耗成為了煤礦企業(yè)發(fā)展的新方向。越來越多的煤礦企業(yè)將先進(jìn)的技術(shù)手段引進(jìn)生產(chǎn)中，提高污水處理效果及水平，提升煤礦污水資源化利用率。資源化利用礦井污水不僅與國家提倡的可持續(xù)化發(fā)展理念相契合，而且在很大程度上有利于煤礦污水高效處理，使其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，同時(shí)在處理以后符合具體標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)之上，可以作為生活用水，為綠色生產(chǎn)提供保障。基于此，本文通過對煤礦污水處理及資源化利用進(jìn)行了深層次分析，旨在為降低水資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)資源循環(huán)利用提供有價(jià)值的參考與借鑒。

1 煤礦污水形成原因

1.1 地質(zhì)原因

我國井工煤礦占比超90%，約有97%煤炭資源依靠井工開采[1]。煤礦污水形成的各類因素中煤礦水文地質(zhì)因素是其中比較關(guān)鍵的。由于我國煤層分布多聚集在西北、華北、華南、西南等一些地區(qū)。區(qū)域不同，水文地質(zhì)條件差異性較大，地下巖層含水性不同，所選用的采煤工藝和方法不同，進(jìn)而造成煤礦生產(chǎn)環(huán)節(jié)污水處理難易程度和成本不同。例如部分地區(qū)的煤礦為了減少生產(chǎn)成本，不考慮環(huán)境污染問題，生產(chǎn)中將污水直接排出地面或直接排入地表河流，導(dǎo)致水資源污染范圍的擴(kuò)大。

1.2 煤礦生產(chǎn)

煤礦在生產(chǎn)過程中，巷道的開拓、機(jī)械設(shè)備的掘進(jìn)和采煤機(jī)割煤都會(huì)破壞巖層中水體，導(dǎo)致臨近煤巖層水體不斷往外滲透；同時(shí)生產(chǎn)過程中大量機(jī)械設(shè)備截割部需要有灑水噴霧設(shè)施，不斷冷卻降溫、降塵等，使用后的水匯集形成污水；在其他煤炭運(yùn)輸、破碎、轉(zhuǎn)載環(huán)節(jié)和設(shè)備部位也需要有噴霧降塵設(shè)施，另外還有很多作業(yè)工序中也需要有水，如：爆破作業(yè)、濕式鑿巖、采空區(qū)灌漿等，這些工序使用后的水最后都形成井下污水。除了井下之外，地面生活和作業(yè)如機(jī)修廠、洗選廠等也產(chǎn)生大量的污水。隨著煤礦機(jī)械化程度的不斷提升，水資源的破壞、污染和浪費(fèi)越來越嚴(yán)重，大量的污水不但造成井下作業(yè)環(huán)境污染，還影響井下的安全生產(chǎn)[2]。

2 煤礦污水處理現(xiàn)狀及工藝流程

2.1 污水現(xiàn)狀

隨著人們生活水平日益提高，對環(huán)境的要求也越來越高。而煤炭開采過程不僅破壞了地下水的循環(huán)系統(tǒng)，甚至導(dǎo)致礦區(qū)及周邊地下水位下降，還污染水源，嚴(yán)重影響礦區(qū)及周邊人民的生活環(huán)境，同時(shí)造成水資源浪費(fèi)。本文將西北地區(qū)某煤礦污水作為研究對象，重點(diǎn)針對礦井污水水量、水質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行了化驗(yàn)分析，具體如表1所示。

表1 污水主要類型及水質(zhì)參數(shù)情況表

2.2 污水處理工藝流程

以榆林地區(qū)某煤礦為例，該煤礦井下排水量在3 000 m3/d，其中最大排水量高達(dá)5 000 m3/d。煤礦設(shè)置了相應(yīng)的井下水處理車間，總占地面積為1 680 m2，并且配備了一個(gè)清水池，占地面積為900 m2。在處理污水時(shí)主要使用的是全自動(dòng)凈水器。礦井水在預(yù)沉池預(yù)沉以后經(jīng)一級泵提升，進(jìn)入全自動(dòng)凈水器前方設(shè)置的混凝反應(yīng)器，并且在反應(yīng)器中放置了PAC、PAM藥劑，經(jīng)反應(yīng)隨后進(jìn)入到高效凈水器斜板沉淀區(qū)內(nèi)，經(jīng)過斜板沉淀區(qū)過濾以后出水。但隨著該礦生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，開采深度加大，排水量增加，導(dǎo)致泵站提升能力不足，污水處理難度以及壓力越來越大，原來的排水系統(tǒng)和污水處理工藝難以滿足要求。經(jīng)過對煤礦排水系統(tǒng)的改造和對煤礦污水處理工藝流程的優(yōu)化，形成新的處理工藝，滿足了煤礦實(shí)際需求。污水混合以后進(jìn)入到調(diào)節(jié)池內(nèi)，經(jīng)一級提升泵進(jìn)入到混凝反應(yīng)器，混凝器內(nèi)投入了適量聚合氯化鋁以及聚丙烯酰胺藥劑，污水進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)后進(jìn)入到斜板沉淀池，沉淀池內(nèi)的沉淀物會(huì)在藥物作用下完成排泥操作。除此之外，曝氣生物濾池內(nèi)的化學(xué)藥液會(huì)對有害有機(jī)污染物快速處理，確保符合國家標(biāo)準(zhǔn)。一般情況下會(huì)將斜板沉淀池污泥進(jìn)行壓縮，排除時(shí)這些污泥呈現(xiàn)泥餅狀，經(jīng)過濾以后會(huì)進(jìn)行再次處理。

3 煤礦污水處理常用的技術(shù)

3.1 生物法的生物除磷工藝

生物除磷統(tǒng)稱聚磷菌微生物，主要借助聚磷菌厭氧同化下發(fā)酵產(chǎn)物，確保生物除磷系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)聚磷菌具備較好的除污功能[3]。此技術(shù)原理是在溶解氧與硝態(tài)氮不存在的狀態(tài)下，兼性菌會(huì)逐漸把溶解性有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)閾]發(fā)性脂肪酸；聚磷菌將細(xì)胞中的聚磷水解成正酸鹽，進(jìn)而獲取更多的能量，將污水中易降解CODCr完全吸收，同時(shí)將其轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)碳能源存貯物聚β-羥基丁酸或β-羥基戊酸等；如果處于好氧或者缺氧狀態(tài)下，聚磷菌電子受體是分子氧、化合態(tài)氧，將代謝內(nèi)貯物質(zhì)PHB、PHV等氧化，進(jìn)而產(chǎn)生能量，并由污水中獲得磷酸鹽，能量在存貯時(shí)以高能物質(zhì)ATP形式保留，有部分會(huì)轉(zhuǎn)變成聚磷，作為能量貯于胞內(nèi)，將剩余污泥排放出來，以達(dá)到高效生物除磷的目的。煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量含磷污水，將生物除磷技術(shù)應(yīng)用其中，可達(dá)到較好的除磷效果。此技術(shù)既采用了生物法，同時(shí)也涉及到了化學(xué)法，二者結(jié)合，借助厭氧將生物活性污泥中的有機(jī)酸揮發(fā)掉，轉(zhuǎn)變?yōu)榫哿拙鸂I養(yǎng)物，促進(jìn)活性污泥數(shù)量的增加，實(shí)現(xiàn)增殖目的。然后此部分活性污泥流入?yún)捬跸锵到y(tǒng)內(nèi)，在污水處理池中長期保持高效除磷狀態(tài)；厭氧情況下，借助化學(xué)除磷的方法也能夠?qū)崿F(xiàn)污泥磷物質(zhì)的同步處理。在處理煤礦污水時(shí)借助此技術(shù)，一方面可實(shí)現(xiàn)污水中難清除金屬離子元素的快速清理，另一方面污水重金屬元素大幅度減少，實(shí)現(xiàn)了污水凈化目標(biāo)。

3.2 循環(huán)間歇曝氣工藝

煤礦污水處理過程中，此技術(shù)使用到的主要物質(zhì)是高負(fù)荷氧化溝、序批式活性污泥，其中高負(fù)荷氧化溝具備了處理效率高的優(yōu)勢，而序批式活性污泥則在出水效果方面非常好，能夠在很大程度上實(shí)現(xiàn)煤礦污水處理質(zhì)量的提升，不但使有機(jī)污染物有效去除，而且與我國一級污水排放標(biāo)準(zhǔn)相符(具體如表2所示)，能夠?qū)⑺丛倮贸潭却蠓忍嵘齕4]。此技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)是物理學(xué)原理，借助煤礦污水蓄水池安裝先進(jìn)的循環(huán)流通設(shè)施設(shè)備，確保蓄水池內(nèi)的污水能夠始終處于流動(dòng)狀態(tài)下。

表2 國家污水排放具體標(biāo)準(zhǔn)(日均值)

3.3 連續(xù)循環(huán)曝氣工藝

該技術(shù)簡稱為CCAS(continuous cycle aeration system)，工作原理是借助物理與化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)煤礦污水的高效處理，采用的系統(tǒng)是連續(xù)進(jìn)水式SBR曝氣系統(tǒng)。煤礦污水處理時(shí)會(huì)在蓄水池內(nèi)安裝連續(xù)進(jìn)水式曝氣設(shè)施設(shè)備、反應(yīng)池，將污水轉(zhuǎn)變成凈化水，以實(shí)現(xiàn)排污效果。此技術(shù)中使用到設(shè)備，在安裝過程中一般情況下會(huì)將沉砂池、機(jī)械格柵等設(shè)在蓄水池內(nèi)，間距保持在15 mm左右，通過此方法降解或者處理污水中的有機(jī)物、懸浮物；除此之外還會(huì)通過此技術(shù)實(shí)現(xiàn)全面排污、除磷、脫氮。煤礦污水處理中使用此技術(shù)，既可以實(shí)現(xiàn)污水煤粉、巖粉分層、高效處理，同時(shí)又采用了曝氣系統(tǒng)化學(xué)原理將污水有害物質(zhì)清除掉。

3.4 膜生物流化床工藝

在煤礦污水處理中采用此技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)深層次除污，能夠?qū)⑽鬯卸喾N元素凈化，污染指標(biāo)降低，可以以原來污水達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，通過生物流化床、陶瓷膜分離系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)COD、NH-N、濁度等指標(biāo)的大幅度降低，既能夠直接回收再利用，同時(shí)也可以作為RO脫鹽處理預(yù)處理，代替原來的砂濾、過濾、超濾等復(fù)雜繁瑣的流程。該技術(shù)主要將生物流化床作為了重要的基礎(chǔ)依據(jù)，借助粉末活性炭這一載體，運(yùn)用膜生物反應(yīng)器固液分離技術(shù)，對反應(yīng)器內(nèi)活性炭物理吸附、微生物降解、膜分離三大功能結(jié)合在一起，將污水中很難降解的小分子有機(jī)物、曝氣情況下流化形式活性炭粉充分傳質(zhì)、混合，吸附于活性炭表面上，構(gòu)成局部污染物濃縮區(qū)；粉末狀態(tài)下的活性炭成為了微生物繁殖需要的特殊界面，大量的孔隙能夠吸附很多微生物菌群以及溶解氧，高溶解氧狀態(tài)下，微生物氧化分解了活性炭表面小分子有機(jī)物，借助陶瓷膜分離系統(tǒng)分離了水與懸浮顆粒，在錯(cuò)流過濾中達(dá)到了污水凈化的目的，并達(dá)到了中水回用標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 混合法和混凝法

煤礦污水處理中，混合技術(shù)的運(yùn)用也屬于深度處理污水方法之一，具體的工作原理是借助煤礦污水處理池，使用多種類型的混凝劑，在經(jīng)過反應(yīng)以后，促進(jìn)污水處理效果的提升[5]。一般情況下按照規(guī)定的比例和高錳酸鉀混合使用，達(dá)到去污的作用?；炷ê突旌戏ㄓ兄黠@的區(qū)別，其中混凝法主要是利用了混凝劑的化學(xué)功能，不同的載藥液晶和污水中大量物質(zhì)產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，對煤礦污水有機(jī)酸、凝固物進(jìn)行中和，運(yùn)用斜管沉淀、介質(zhì)過濾以后，將污水中有害、有毒物質(zhì)沉淀，待處理以后的水流至清水池以后方可再次使用。

4 煤礦污水處理以后的資源化利用

4.1 生活用水

煤礦污水中成分主要由重金屬、磷、氮等元素構(gòu)成，有時(shí)候也會(huì)有少量的有毒有害物質(zhì)，處理時(shí)涉及到的物質(zhì)較多，而且流程復(fù)雜且繁瑣，通過反復(fù)的凈化、沉淀以后才能夠獲取到更加干凈、純凈的水資源。煤礦污水處理過程中通過選用先進(jìn)合理的技術(shù)和工藝，使得處理以后的污水符合國家規(guī)定的有關(guān)要求及標(biāo)準(zhǔn)，例如排放生活用水以及農(nóng)業(yè)用水等標(biāo)準(zhǔn)，可使用于煤礦及周邊環(huán)境的綠化灌溉、井下噴霧除塵、機(jī)修設(shè)備清洗等各個(gè)領(lǐng)域，這也就形成了煤礦污水處理以后資源化利用體系[6]。如果煤礦污水處理以后要想達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，就要對污水預(yù)調(diào)節(jié)、沉淀時(shí)要徹底，同時(shí)還要經(jīng)過砂石過濾、煤泥處理、超級過濾凈化等多個(gè)步驟，待檢驗(yàn)合格以后才能再次引入到生活用水管道系統(tǒng)內(nèi)。煤礦污水處理同樣也經(jīng)過了微電解、攪拌、泥渣分離、污染物去除以后，將初步操作完成，還要在過濾中將懸浮物去除，最后進(jìn)行超濾凈化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)污水處理流程完整性、有效性。通常情況下，煤礦污水經(jīng)過清水池反復(fù)沉淀與凈化以后便可以用于居民非飲用水，例如沖廁等；再經(jīng)過超濾凈化以后，才能夠達(dá)到人們?nèi)粘Ｉ钏栾嬘盟|(zhì)要求。通過對污水凈化處理循環(huán)使用，部分地區(qū)水資源需求得到滿足。

4.2 礦區(qū)再生產(chǎn)用水

煤礦污水處理以后也能夠在生產(chǎn)中繼續(xù)使用，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)環(huán)節(jié)循環(huán)用水。通常情況下煤礦企業(yè)污水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝的時(shí)候，都會(huì)構(gòu)建有效的循環(huán)水資源使用系統(tǒng)，處理以后的污水直接流進(jìn)提前構(gòu)筑好的清水池內(nèi)，借助循環(huán)水利用系統(tǒng)多次處理以后再一次被就地利用，減少了污水提升成本，也在很大程度上緩解水資源緊缺問題。煤礦生產(chǎn)和生活污水經(jīng)過多次沉淀、氧化、消毒等處理以后運(yùn)至清水池，運(yùn)用再循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)一步處理后多使用于洗煤、井下作業(yè)灑水噴霧降塵等。如果污水中存在大量油脂，還需要在調(diào)節(jié)池內(nèi)反復(fù)處理，在經(jīng)過高濁度沉淀、混合器分離等諸多操作以后，才能在井下再次使用。經(jīng)過處理以后的污水再次投入到生產(chǎn)中，不僅為煤礦生產(chǎn)用水自我循環(huán)提供了較好的方法，節(jié)省了成本，促進(jìn)了資源化利用目標(biāo)的達(dá)成，而且煤礦企業(yè)無需在水資源使用中再次投資，環(huán)境污染治理投入也會(huì)大幅度減少，經(jīng)濟(jì)效益隨之提升。

4.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水

煤礦污水處理以后，也可以用于周邊區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，例如農(nóng)田澆水灌溉。但是需要注意的是用于農(nóng)業(yè)與生活用水有著特殊的要求，必須要根據(jù)我國生活用水水質(zhì)具體規(guī)定與要求，達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水標(biāo)準(zhǔn)以后，方可使用[7]。所以煤礦污水具體的處理環(huán)節(jié)要通過反復(fù)凈化，對污水中不同類型的雜質(zhì)進(jìn)行一級、二級處理，直至達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水灌溉標(biāo)準(zhǔn)為止，這樣不僅滿足了灌溉需求，而且水資源利用率提高，煤礦污水實(shí)現(xiàn)了資源化利用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水與生活用水也有著較大的區(qū)別，無需將污水中全部成分完全去除，在煤礦污水中有一些微量元素是對農(nóng)田土壤、農(nóng)作物生長有益處的；還有污水中的氮、磷等元素可以保留下來，利用農(nóng)田土壤、微生物等方式進(jìn)行凈化以及處理，可以節(jié)省很多成本。煤礦污水處理以后，再次應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水中，一方面滿足了農(nóng)業(yè)灌溉用水需求，而且一些有益于農(nóng)作物成長的元素可以作為有機(jī)肥，減少了農(nóng)民部分開支，也為農(nóng)作物生長發(fā)育提供了充足的養(yǎng)料。

5 結(jié)語

隨著國家可持續(xù)發(fā)展、綠色環(huán)保理念的提出，對環(huán)境保護(hù)的重視程度越來越高，一系列的政策措施相繼出臺(tái)，這也在很大程度上對煤礦企業(yè)提出了更高的要求。如果依然采用原來的污水處理方法，顯然無法滿足現(xiàn)代化發(fā)展需求。所以煤礦污水處理中應(yīng)該盡快轉(zhuǎn)型與升級，在設(shè)施設(shè)備以及工藝方面不斷改進(jìn)與優(yōu)化，減少不必要水資源的浪費(fèi)，避免對環(huán)境造成更大的污染。雖然越來越多的煤礦企業(yè)開始引進(jìn)新的污水處理設(shè)備、技術(shù)和工藝，但是依然有諸多層面存在問題，技術(shù)的使用不夠成熟，效果不明顯，設(shè)備的更新?lián)Q代不及時(shí)，進(jìn)而影響到了污水資源化利用。針對此情況，國家也在政策、技術(shù)、科研等方面大力投入，構(gòu)建以技術(shù)為基礎(chǔ)的規(guī)?；l(fā)展體系，站在生態(tài)建設(shè)視角下，相關(guān)人員在此方面加大科研的力度，在技術(shù)、工藝方面繼續(xù)改進(jìn)。同時(shí)在積極考慮煤礦井上、井下污水聯(lián)合高效低耗處理技術(shù)體系的構(gòu)建，例如西部地區(qū)的煤礦可充分利用太陽能、地?zé)?、火電廠余熱等，采用驅(qū)動(dòng)低溫多效蒸發(fā)、膜蒸餾等技術(shù)，對污水進(jìn)行分級處理，分質(zhì)利用，實(shí)現(xiàn)好水高用，劣水低用的同時(shí)，促進(jìn)煤礦企業(yè)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益雙豐收。