矿井水的综合利用技术

1、矿井水的综合利用技术0 前言本文针对我国各种矿开采过程中，需要排放大量的矿井水，而且我国矿区严重缺水，矿井水综合利用率低以及处理成本高，矿区环境恶化等的现状进行研究。就目前国内外矿井水的综合处理技术现状进行了分析总结。目前，全国每年矿井排水量约22亿吨，其中中性水约占7080，硬度符合饮用水要求的占4050，这是一个相当可观的水资源，但长期以来，由于技术所限和认识不足，矿井水只被当作水害加以预防和治理，很少考虑到矿井水的有利一面，矿井水被白白排掉而未加以综合利用和保护，目前矿井水的利用率，平均只有22，其中北方国有煤矿每年矿井水排放量达14亿吨，利用率还不足201。毫无节制的排水不仅大大浪费水

2、资源、增加了矿产成本，而且还导致地面塌陷、地下水资源流失，水质恶化等环境问题。地面水源受到广泛污染，处理成本日益提高，而矿井水来源于地下水，矿井水污染程度轻，处理容易，成本低，是一笔宝贵的水资源。矿井水资源化，不但可减少废水排放量，免交排污费，而且节省大量自来水，节约水资源费和提升电费，为矿区创造明显的经济效益；矿井水资源化开辟了新水源，减少了淡水资源开采量；实现“优质水优用，差质水差用”的原则，减轻或避免长距离输水问题；解决矿区严重缺水状况，解决职工吃水难，用水难的问题，缓减城市供水压力也使水资源的利用更加经济合理；矿井水资源化将会减除矿井水对地表水系的污染，堵住污染源，保护美化矿区环境，保

3、护地表水资源。实现经济效益、环境效益和社会效益的统一。1 矿井水的来源性质、水质特征与分类1.1 什么是矿井水矿井水是一种特殊的水资源，是指由于采矿活动造成区域水文地质系统与水文地质单元隔水构造的破坏，从而改变了地上水及地表水径流方向和途径，最终在采矿场所聚集的水体。通俗地说，凡是在矿井开拓、采掘过程中，渗入、滴入、淋入、流入、涌入和溃入井巷或工作面的任何水源水，统称为矿井水2。水源有大气降水、地表水、地上水和老采空区积水。由于改善矿井作业环境、保证生产安全的需要，矿井水往往被抽排到地表。矿井水的利用主要是针对这部分提出的。同时，我们也把洗矿和选矿过程中所产生的大量废水作为矿井水。1.2 矿井

4、水的分类受地质年代、地质构造、煤系伴生矿物成分、环境条件等因素的影响，矿井水大致分为五类型：洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含特殊污染物矿井水。其中，洁净矿井水即未被污染水质较好的地下水，可直接用于工农业生产及生活用水。其余4类型的矿井水，虽然均遭到了不同程度的污染，但经过相关工艺的处理后，可用于工农业生产。1.3 矿井水的水质特征从矿井水的物理,化学及细菌学性质上看,矿井水常具有以下几方面的水质特征2：1)矿化度(含盐量)高。我国矿井水的含盐量一般多在l 000mgL以上，其盐类成份主要是硫酸盐、重碳酸盐，氯化物等。而且含盐量将随开采深度的加大而增加。2)硬度大。其总

5、硬度一般多在30个德国度以上，属极硬水范畴。一般情况下，总硬度与矿化度成正比；硬度中永久硬度所占比重远大于暂时硬度；高矿化度占50%，部分为酸性水。其pH值在47之间。4)水浑浊、色度明显。悬浮物含量一般多在500mg/L以下，多为煤尘和岩尘，以及胶态氢氧化铁，使水呈灰黑色。对酸性矿井水，多为黑色和黄褐色。5)含有一定的石油产品。其来源是综合机械化的液压系统，机器和机械的润滑系统和冷却系统。另外，当岩层中含油页岩时，其对矿井水的污染则另作别论。6)化学需氧量(COD)高于地下水。一般地下水的COD为25mgL,矿井水为1012 mgL，甚至更高。主要是由于粉尘所致，其次在于井下人员便溺以及水中

6、落入各种动植物残骸所造成。7)常含有多种微量元素。例如，苏联顿巴斯的一些矿井水含有约30种的化学元素。1.4 矿井水水中污染物分类水中的污染物概括起来分为四类：无机无毒物、无机有毒物、有机物无毒物、和有机毒物3。无机无毒物主要是酸碱及一般的无机盐和氮磷等植物营养物质。无机有毒物质主要是指各类重金属（汞、铬、铅、镉）和氰、氟化物等。有机无毒物主要是指水体中比较容易分解的有机化合物，如碳水化合物、脂肪、蛋白质等。有机有毒物主要指酚苯，多环芳烃和各种人工合成的具有积累性的稳定的化合物，如多氯联苯农药等。除上述四类污染物外，还有常见的恶臭、细菌、热污染等污染物质和污染因素。1.4.1 有机污染物有机污

7、染物是指生活污水和废水中所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪、木质素等有机化合物。矿山废水池和尾矿池职工的植物的腐烂，可使废水中的有机成分含量很高。矿山选场、炼炉厂以及分析化验室排放的非有种含有酚、甲酚、萘酚等有机物，他们对水生物极为有害。1.4.2 油类污染物油类污染物是矿山废水中较为普遍的污染物。水面油膜的存在，不仅给人以讨厌的感觉，而且当油膜厚度在10-4cm以上时，它会阻碍水面的复氧过程，阻碍水分蒸发和大气与水体间的物质交换，改变水面的发射率和进入水面日光辐射，这种情况对局部区域气候可能造成影响，而主要造成影响鱼类和其他水生物的生长繁殖。1.4.3 酸碱污染酸碱污染是矿井水污染中较普遍的现象

8、，像美国水体中的酸70%来之矿山排水，尤其是煤矿排水中含酸最多。在矿井酸性废水中，一般含有金属和废金属离子，其资和量与矿物成分、含量、矿床埋藏条件、涌水条件、采矿方法、气候变化等因素有关。酸性废水排入水体后，使水体pH值发生变化，消灭或抑制细菌及微生物的生长，妨碍水体的自净；还可腐蚀船舶和水体构筑物；若天然水体长期受酸碱污染，使水体逐渐酸化或碱化，从而产生生态影响。酸、碱污染不仅改变水体的pH值，而且还可大大增加水中一般无机盐和水的硬度。酸、碱与水体中的矿物相互作用产生某些盐类，水中无机盐的存在能增加水的渗透压，对淡水生物和植物生长有不良影响。1.4.4 氰化物矿井含氰化物废水的主要工艺有：浮

9、选铅锌石矿时每处理一吨矿排出4.55m3水，其中含氰化物2050g，平均浓度约48mg/L；在用氰化法提金时，所排放的废水也含有氰化物；电镀水中氰化物的含量为16mg/L。此外，高炉和焦炉冶金生产中，煤中的碳与氨或甲烷与氨化物化合生成氰化物，一般在其洗涤水中氰化物的含量高达31mg/L。氰化物虽是剧毒污染物，但在水体中较易降解，其降解途径如下：氰化物与水中二氧化碳作用生成氰化氢，挥发而出，这个降解过程可去除氰化物总量的90%。如下式：CN-+CO2=HCN+HCO3-水中游离氧使氰化物氧化生成NH4+和CO22-离子，逸出水体，这个过程只占净化总量的10%，如下式：CN-+O2=2CNO- C

10、NO-+2H2O= NH4+ CO22-氰化物剧毒，一般人只要误服0.1g左右的氰化钾或者氰化钠就会死亡，敏感的人甚至会服用0.06g就致死。当水体的CN-含量达0.30.5mg/L时便可使鱼类死亡。1.4.5 重金属污染在废水污染中，重金属是指原子序数在21以上83以下范围内的金属，矿井水中主要有：汞、铬、镉、锌、铜、铅、镍、钴、锰、钒、钼、铋等，特别是前几种危害更大。如汞进入人体后被转化为甲基汞，在脑组织内积累，破坏神经功能，无法用药物治疗，严重时能造成全身瘫痪甚至死亡。镉中毒时引起全身疼痛腰关节受损、骨节变形，有时还会引起心血管病。重金属毒物中毒有以下特点：1）不能被微生物降解，只能在各

11、种形态间相互转化、分散，如无极汞能在微生物作用下，转化为毒性更大的甲基汞。2）重金属的毒性以离子态存在时最严重，金属离子在水中容易被带负电荷的胶体吸附，吸附离子的胶体可随水流迁移，但大多数会迅速沉降，因此重金属一般都富集在排污口下游一定范围内的底泥中。3）能被生物富集于体内，即危害生物，又通过食物链危害人体。如淡水鱼能将汞富集1000倍、镉300倍、铬200倍等。4）重金属进入人体后，能够和生理高分子物质，如蛋白质和酶发生作用而使这些胜利高分子物质失去活性，也可能在人体的某些器官积累，造成慢性毒害，其危害，有时需几十年才能体现出来。被重金属污染的矿井排水随灌渠进入农田时，除流失一部分外，另一部

12、分被植物吸收，剩余的大部分在泥土中积聚，当达到一定数量时，农作物就会出现病害。土壤中含铜达20mg/kg时，小麦就会枯死，达到200mg/kg时，水稻会枯死。此外，重金属污染了水还会时土壤盐碱化。1.4.6 氟化物天然水体中氟的含量变化为每升零点几至十几毫克，地下水特别是深层地下热水中，氟的含量可达每升十几毫克。饮用水氟的含量过高或过低均不利于人体健康。萤石矿的废水中含有氟化物，因为这种废水通常都是硬水，其中氟形成钙或镁沉淀下来，故不表现出很大的毒性，而软水中的氟毒性却很大。1.4.7 可溶性盐类当水与矿物、岩石接触时，会有多种盐类溶解于水中，如，氯化物、硝酸盐、磷酸盐等。低浓度的硝酸盐和磷酸

13、盐是藻类营养物，可促进藻类大量生长，从而使水失去氧；硝酸盐类、磷酸盐类浓度高的水，对鱼类有毒害作用。淡水中含氟的盐类不超过100mg/L，超过次值就成为盐水。碳酸氢盐、硫酸盐、氯化钙、氯化镁等会使水变为硬水。除此外，矿山废水中污染物还有放射性污染、热污染、水的浊度污染以及固体悬浮物和颜色变化等污染形式。2 矿井水的危害2.1 国内外研究现状矿产开采对环境影响现状，随着矿井水排放而引起的矿区环境问题日益突出，不良效应也日益明显，矿区环境污染严重，影响人们的健康和自然生态的平衡。目前国内外在研究矿产开采活动中，由于矿产开采活动废水排放所引起的环境问题研究正在深入开展中。如2008年，王岩、梁冰、张

14、兴华、胡晓吉对酸性矿井水在土壤-水环境中运移规律的研究，以溶质运移理论为基础,分析了酸性矿井水在含水层中运移的规律,通过室内土柱实验模拟了酸性矿井水对地下水污染的动态过程，并结合实际观测数据进行对比分析。结果表明:污染面积随时间；推移不断扩大，且纵向扩散显著；不同组分由于各自特征的巨大差异，污染程度也有很大差别。其研究对预测预报酸性矿井水迁移归宿、评价环境质量、资源化利用以及环境污染的治理与控制等具有重要的理论意义和现实意义4。近年来，矿产开采产生的矿井水引起的环境问题已经成为一个热点研究课题，较为活跃的领域，与国外有关方面相比有很大差距，随着矿业开发的迅速发展，这就需要政府增大科研资金投入，

15、尽快组织科技力量对矿区环境矿井水的污染进行攻关，吸收国外的先进经验，迅速提高我国对矿区环境危害研究与治理水平。2.2 矿井水的影响2.2.1 对周边地表水及地下水的影响1）对周围地表水的影响我国河川径流量减少的影响因素很多，如近年来降水量的减少，地表及地下水的过量开采，但矿产资源的大规模开采是主要因素之一。目前常常是矿产开采以前，位于矿区周围的溪沟保持常年有水，自大规模开采后，大部分原常年有水河段，现己变成季节性河段，仅在其中下游接纳大量矿坑水后才恢复常年水流。这反映出矿产开采后，矿产资源层顶板以上含水层的破坏和疏干情况，采空区由于生产排水，无法形成有效的储水空间，使得地下水调储空间减少，导致

16、了天然基流大量转化为矿坑水迅速排出，使得流域地下水调储作用减弱，流域水资源时空分布更加不均衡5。矿产开采对地表水资源的破坏集中表现在两个方面：首先是流域水文下垫面的破坏。随着矿井的不断开拓延伸，采空区不断扩大，势必导致大面积土地塌陷，地面裂缝、裂隙潜水位下降以致疏干、饱气带厚度加大，陆面蒸发减少，水土保持条件破坏，水土流失加重等。其次是河川基流大幅度减少。由于矿产开采和矿坑排水，河川基流将达幅度减少，河道的稀释自净能力也将大幅度减少，环境功能下降，再加上污废水的大量排入，河流的水环境质量有变差的趋势。如酸性矿井水污染地表水体，破坏生态环境含硫酸盐酸性废水不经处理直接排入地表水体污染。环境将使受

17、纳水体酸化，降低pH值，危害水生生物，并产生潜在的腐蚀性；这类酸性废水也会破坏土壤结构，减少农作物产量。由于酸性矿井水的pH值较低，通常pH<5.0，导致鱼类、藻类、浮游生物等绝大多数水生生物死亡，既减少了水生生物的数量，也限制了生物的多样性。酸性矿井水中含有大量重金属，而重金属能够在生物食物链内富集，大大增加酸性矿井水的毒理性指标，从而威胁到下游地区的饮用水供给和灌溉系统7。2）矿井水引起地下水位下降在含矿产资源的地层，特别是矿产层围岩中通常有一定量的矿床充水，采矿时这些地下水和某些地表水可持续流入采矿井巷，形成矿床涌水，因此改变了地下含水层的补给、径流、排泄方式，而深部开采为了维持采

18、矿的正常进行，采矿工作面的横向和纵向的发展必须将工作面周围的水或潜在的水排出.这样导致矿井排水量逐年加大，地下水位急剧下降，相应地所形成的地下水降落漏斗范围和幅度也越来越大，地下水的流场也发生了明显的变化。矿开采区含水层水位变化主要是由矿产资源开采引起的。地下开采破坏了原有的力学平衡，使得上覆岩层产生移动变形和断裂破坏。当导水裂隙带波及到上覆含水层时，含水层中的水就会沿采动裂隙流向采空区，造成岩土体中水位下降。3）污染地下水系统如硫酸盐废水潜伏周期长，虽然有自然的稀释作用，即在短时间内不会有明显的负面作用，但是一旦大面积形成污染，则其治理难度很大。这是因为硫酸盐在水体中的性质很不稳定，不易像一

19、些有机废水可以比较容易依靠自然的作用而逐渐地消除污染。硫酸盐废水污染作用会很容易积累，即使自然界中存在某些生物降解作用确实可以转化硫酸盐，但是自然作用相对可能形成的大面积的污染是微不足道的，酸性水大量排放到地表，并且泄入河流、湖泊或潜水中，造成水体污染。由于酸性矿井水在井下与围岩裂隙水存在着一定的水力联系，因此有可能在未排放前，直接污染地下水。另外，受酸性矿井水污染的地表水，如果直接补给浅层地下水，将导致地下水不同程度的污染，主要表现在铁离子和硫酸根离子超标，且地下水污染的治理尤为困难6。2.2.2对生态环境的影响井水对生态环境的影响，以高矿化矿井水为例。矿区开发后，大量的高矿化度矿井水外排对

20、周围环境产生一定的影响，主要表现为矿区原本潜水位高，高矿化度矿井水排放河沟中，将有矿井水水渗漏，致使沿河两侧浅层地下水位抬高，且含盐量增加7。当地下水位接近地表时蒸发量增大，大量盐分逐渐贮留于地表，积累富集，使土壤盐渍化加重。对于来就受干旱、风沙气候和土壤盐碱化影响的地区，而且地下水位较高时。高矿化度矿井水的大量排放使浅层地下水位相对上升，使附近土壤水分及可溶性盐类含量增高，加剧了土壤盐碱化，对农作物和林木种植带来一定影响。一方面由于土壤水分含量高，湿度大，易于产生大的华块，形成粘闭现象，对农业生产极为不利；另一方面土壤中盐分的增多，既影响了耕地的物理性质，又影响了上壤养分对农作物生长的有效性

21、，造成减产；且某些盐类的离子过量时，会直接对农作物产生毒害作用。由于土壤的理化以及生物性质恶化，通常难以得到改良利用，严重影响土地的永续利用8。2.2.3 对周边居民生活及健康影响矿产资源的大规模开发，对水文地质环境与自然生态状况已产生了严重的影响，并造成了一系列不良后果，使本来就已经十分紧张的区域水资源供需矛盾更加尖锐，对区域可持续发展亦产生了深刻而广泛的影响。1）山区矿区的地下采矿引起的导水裂隙带高度及疏干影响高度可达煤层采高45100倍(一般为20倍)，疏干影响范围要比采空区实际面积大得多，即影响范围可达数公里以外，浅层裂隙地下水一般来说是山区农村人畜吃水的主要水源，矿井排水疏干了裂隙水

22、，同时在矿产开采过程中出现了大量的地面裂缝，井下涌水量明显增大，地表泉眼及小溪流量逐渐衰减，使得山区裂隙小泉水漏失，造成许多新的人畜吃水困难的村庄。2)恶化井下施工环境，危害人体健康如酸性矿井水在向深部排泄过程中，可能发生脱硫酸作用，生成的硫化氢毒性很强，其含量达万分之一时，就能闻到难闻的气味;达万分之二时，人的睛、喉头就会受到严重刺激;达千分之一时，就会导致死亡。由此可知，酸性水的形成，极有可能造成对并下工人身体健康的损害。3 矿井水综合利用技术3.1 国内外矿井水利用技术现状目前，我国在利用技术上，一般都能做到因地制宜。例如，当矿井水排水时间不均衡时，设置调节；当原水悬浮物含量高时，增加预

23、沉池；水中粗颗粒物多时，设沉砂池；水的pH值较低时，要增加中和设备；有的煤矿还采用澄清池代替混合、反应和沉淀池，作为回用水。但是我国矿井水的利用率还很低，有意识的矿井水综合利用技术起步较晚，根据不同具体情况，我国矿井水的综合利用技术现状也不同。全国范围内，只有田陈煤矿、平顶山矿务局、充州矿务局、大同矿务局、鲍店煤矿、古汉山矿等的矿井水处理工艺比较成熟，一般都采用混凝、沉淀、过滤、消毒工艺，矿井水利用率比较高，但处理成本都较高。国外把处理矿井水作为环境保护工作的重点，认为矿井水是一种伴生资源而不是负担，矿井水涌出愈大，盈利愈多，经济效益也就愈大。所以矿井水处理技术发展比较完善。许多国家对矿井水进

24、行适当处理后，一部分达到排放标准，排入到地表水系。另一部分水量回用于选矿厂工业给水和矿井生产。日本矿井水除部分用于洗矿外，大部分矿井水经沉淀处理去除悬浮物后排入地表水系。对矿井水处理采用的技术一般有：固液分离技术；中和法；氧化处理；还原法；离子交换法等。如：英国矿井水综合利用技术主要解决以下三大问题：是对含悬浮物的矿井水进行沉降处理；是对矿井水中铁化合物的去除；是矿井水中溶解盐的去除，采用化学试剂中和处理以及反渗透、冻结法进行脱盐处理。俄罗斯对矿井水的处理技术及其利用的研究起步较早、成果显著，居世界领先地位。俄罗斯煤矿环保研究院研制了用气浮法净化矿井水，采用净化水部分循环工作方式，循环水在压力

25、箱中剩余压力作用下充满空气，较好地形成轻浮选剂。俄罗斯采煤建井和劳动组织所研究的电絮凝法，是以直流电通过金属电极处理矿井水，在电化学、电物理综合作用下，使矿井水杂质颗粒、水和微气泡形成松散团粒，凝聚后漂浮在水面上，形成一层泡沫后用刮板排除。此法可使杂质团粒的沉淀速度提高数倍，并对排除乳化于水中的石油产物和其污染物有效5。20世纪80年代前后，美国和一些欧洲国家先后开展了采用人工湿地处理矿井水的实验研究取得了一些可喜的成果，目前己逐步应用于生产，并收到了良好的效果。此法具有投资省、运行费低、易于管理等突出的优点，引起了人们的极大兴趣。总之，世界上不少国家在矿井水的利用技术方面，进行了广泛的研究和

26、实践，己取得了许多成果，积累了不少经验。但由于矿井水成份的复杂性和地域的特点等因素，现有的处理与回用工艺技术还不够完善和成熟。针对不同的水质情况和回用的具体要求，应采用不同的工艺技术。3.2 矿井水利用技术分类矿井水水质由于受矿区水文地质条件、井下开采运输、围岩与煤质等多种因素影响，其处理工艺选着可根据以下几类：一般悬浮物矿井水、高矿化度矿井水酸性矿井水和洁净矿井水等9，另外，矿井水在流经采矿工作面、巷道以及采空区时，受到人类活动的影响，岩粉，煤粉和其它有机物进入水体，使水质复杂。因此，矿井水的资源化应根据不同的矿井水类型，采用不同的处理工艺。 3.2.1含一般悬浮物的矿井水利用技术含一般悬浮

27、物的矿井水，一般水质为中性，矿化度小于l000mgL，金 离子微量或未检出，或基本上不含有毒有害离子，悬浮物的主要成分是粒径极为细小的煤粉和岩尘6。因此，靠自然沉淀去除是困难的，必须借助混凝剂，采用混凝沉淀的处理方法以实现对悬浮物的去除。目前，对于矿化度不高而悬浮物含量较高的矿井水的处理，有较成熟可行的经验，一般采用混凝，沉淀 (或浮升)以及过滤，消毒等工序处理后，其出水水质即能达到生产使用和生活饮用标准的要求。对于洁净矿井水的处理，此类矿井水水质好，一般采用清污分流方式，即利用各自单设的排水系统，将洁净矿井水和已被污染的矿井水分而排之。洁净矿井水经简单处理后作为某些工业用水，或经消毒处理后供

28、生活饮用。有的矿井水含有多种微量元素，可开发为矿泉水。采取清污分流法，设备投资少，运行成本低，并可减少矿井污水处理量及外排量。对此类矿井水要在其源头处妥善截流，单独布置排水管路，避免与其他矿井水混排。3.2.2含悬浮物矿井水的利用技术1)常规处理。采用混凝、沉淀、过滤、消毒的工艺进行处理。图1给出在含悬浮物矿井水处理中常用的基本工艺流程。其关键是自动投药系统的开发应用和选择合适的混凝剂，以节省药剂，简化工艺，提高出水水质，实现矿井水资源化。夏畅斌等考虑利用煤矸石制成一种PSA高效混凝剂来处理矿井水；徐海宏等选用无机高分子絮凝剂聚合氯化铝(PAc)、聚合硫酸铁(PFs)与有机高分子絮凝剂聚丙烯酰

29、胺(PAM)复配使用来处理矿井水。图1 含悬浮物矿井水处理基本工艺流程Figure 1 suspended solids containing the basic process of mine water treatment2)井下水仓混凝沉淀处理。井下水仓混凝沉淀处理是使矿井水在井下水仓停留较长时间(大于30分钟)，在距离水仓前50m左右的排水沟中投药，并在沟中铺设大块矸石，人为制造水力湍流，使混凝剂充分混合反应；在水仓设置多层挡板，清水溢流后从集水井外排；实行井下主副水仓定期交替清泥，从而取得了更好的处理。3)氧化塘净化矿井水。将矿区塌陷坑改造成氧化塘，利用自然条件下的微生物处理原理净化

30、矿井水(如图2)。氧化塘水面还可放养各种水生生物及种植水面作物，利用生物塘提高矿井水的水质，使出水水质达到渔业水域及农灌用水的要求，同时也增加了经济效益。图2 氧化塘净化矿井水工艺流程Figure 2 oxidation pond mine water purification process3.2.3 酸性矿井水的利用技术目前，对酸性矿井水的处理方法很多，一般多采用石灰石或者石灰为中和剂进行处理。中和后的水一般可以直接排放或者作为生活工业用水，若含有其他成分则进一步处理已达到回用目的。1)石灰石中和法。以石灰石为中和剂的处理工艺有滚筒中和法、升流过滤式中和两种。见图3所示滚筒中和法处理酸性矿

31、井水的工艺流程。该方法是目前煤矿经常采用的酸性矿井水处理工艺。见图4所示为升流过滤为中和处理单元的处理工艺流程图3 石灰石滚筒中和曝气混凝沉淀联合处理工艺流程Figure 3 limestone rollers and - aeration - a joint deal with coagulation and sedimentation process图4 升流过滤中和处理单元处理工艺流程Figure 4 liters flow filtration and processing unit to deal with process2)石灰中和法。在矿井水处理中采用来源方便、价格便宜的石灰作为

32、中和剂。使用时需先将石灰(CaO)调制成石灰乳后形成熟石灰(Ca(OH)2)，其具体工艺流程见流程图5所示。图5 石灰石中和法处理工艺流程Fig.5 limestone and treatment process3)石灰石一石灰联合中和法。该法是将石灰石中和法与石灰中和法经优化组合而形成一种处理工艺，因而兼具前两种工艺的优点，其工艺流程见图6所示。废水先流经石灰石滚筒，以中和水中大部分的游离酸，然后再用石灰或石灰乳中和，使水的pH值进一步提高，一般控制在8.0左右。在此条件下Fe离子水解并产生沉淀，形成的絮状物可以起到混凝作用，有利于悬浮固体的去除。图6 石灰石石灰联合中和法处理工艺流程Fig

33、.6 limestone - lime joint and treatment process4)石灰乳中和法。石灰乳法是将生石灰加水配制成5左右的石灰乳后，加入中和池内进行中和反应。优点是设备简单，管理方便，对水量、水质的适应性强。但在处理水量大时因石灰的用量大，运转费用较高。5)生物化学中和法。生物化学中和法是利用氧化亚铁硫杆菌在酸性条件下将Fe2+转化成Fe3+，然后用石灰石进行中和，可同时实现对酸性矿井水的除铁以及中和处理。具体工艺流程如图7所示。图7 生物化学联合处理工艺流程Fig.7 biological - to deal with chemical process6)粉煤灰中和

34、法。粉煤灰不仅含有碱性氧化物，而且具有一定的吸附特性。该处理方法尚处于试验阶段，但粉煤灰的来源广泛，取材容易，价格低廉，用它处理酸性矿井水，无疑又开辟了一条以废治废、充满希望的环保之路。3.2.4 高矿化度矿井水的利用技术高矿化度矿井水除采用传统工艺去除悬浮物和消毒外，其关键工序就是脱盐。经过适当的技术，脱盐后的水可以作为生活饮用水。1)高矿化度矿井水的预处理方法。采用一般的处理方法将其所含的悬浮物去除后排入水体，依靠水体的稀释作用降低盐类物质的浓度。若需要作为水资源利用，则需做进一步的深度处理脱盐。2)深度处理的技术方法。膜分离法：电渗析和反渗透技术均属于膜分离技术，是目前苦咸水脱盐淡化处理

35、的两种主要方法10。电渗析是在外加直流电场的作用下，利用离子交换膜对溶液中离子的选择透过性，使溶质和溶剂分离的一种物理化学过程。含盐原水经过电渗析器后，便可得到淡化水和浓缩液(浓水)。一般淡化水量为总进水量的5070 。当进水含盐量小于4000mgL时用此法较为经济。电渗析除盐法的优点是：不需再生，可连续出水；工艺系统简单，设备少；与离子交换法串联使用可制取纯水等。此法的主要问题是：水回收率低(一般为50 左右)，采用浓水循环工艺虽可使水回收率提高，但其循环方法及控垢药剂的投加，目前尚少成熟经验；易发生极化结垢。另外，必须对其进水进行深度预处理，并使铁化合物含量不超过100µgL。反

36、渗透法是借助于半透膜在压力(一般为30 70kgcm )作用下进行物质分离的方法。它可有效地去除无机盐类、低分子有机物、病毒和细菌等。适用于含盐量大于4000mgL的水，脱盐处理较经济。此法与电渗析法相比，其优点是：产品回收率高，脱盐率和水的纯度高，投资费用低，无污染等。缺点是：操作压力高，能耗大，设备较复杂，对进水水质要求高等。反渗透脱盐技术，目前在国内仍处于深入研究和试用阶段。随着科技的进步，反渗透法将在高矿化度矿井水处理中具有更加广阔的发展前景。图8为高矿化度矿井水深度处理基本工艺流程。图8 高矿化度矿井水深度处理基本工艺流程Figure 8 highly mineralized min

37、e water depth to deal with the basic process离子交换法是化学脱盐的主要方法，即利用阴阳离子交换剂去除水中的离子，以降低水的含盐量。此法用在进水含盐量小于500mgL时比较经济，可用作高矿化度水经膜分离法处理后的进一步除盐工序。3)热力法：使用高温(蒸馏)和低温(冷冻)的处理过程均属热力法淡化10。蒸馏法是对含盐水进行热力脱盐淡化处理的有效方法。采用多效多级蒸发的方法制取淡水并进行盐类浓缩。此法以消耗热能为代价， 一般适用于含盐量超过3000mgL矿井水的处理。该方法所制取的淡水可直接利用。主要问题是防止热交换表面结垢。为了降低成本，蒸馏法可考虑用煤矸

38、石作为廉价燃料。因煤矸石中含有一定数量的固定炭和挥发分，一般烧热量在1030，发热量可达4.1912.6MJg。前苏联煤炭环保研究院曾试验研究出一种供矿井水淡化处理的蒸馏装置，用于含盐量超过5 mgL的矿井水处理，其出水可供煤矿生活和生产用。捷尔诺夫斯克矿井建成的绝热式蒸发器，可将矿化度为7 8009000mgL含盐量降至25200mgL。此外，国外已有采用电磁法、冰冻法淡化处理矿井水的报道，国内在这方面则还处于研究、试验阶段。3.2.5 含特殊污染物的矿井水利用技术目前这类矿井水发现量还不多，此类矿井水根据所含污染物的不同，分别有与其相对应的处理方法。含有毒、有害元素或放射性元素矿井水的处理

39、，首先去除悬浮物，然后对其中不符合标准水质的污染物进行处理。对含氟水，主要方法有混凝法、吸附法、离子交换法、电凝聚法和膜法等。含油矿井水可采用气浮法处理。含铁、锰等重金属离子的矿井水，通常采用混凝、沉淀、吸附、离子交换和膜技术等处理方法。此类矿井水出后一般直接排放或者作为工业用水。3.2.6 其他处理方法1)人工湿地法。人工湿地酸性矿井水处理方法是20世纪70年代末在国外发展起来的一种污水处理方法，它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化。人工湿地处理方法具有出水水质稳定、对N、P等营养物质去除能力强、基建

40、和运行费用低、技术含量低、维护管理方便、耐冲击负荷强、适于处理间歇排放的污水和具有美学价值等优点。该工艺具有运行可靠，易于管理，投资省，无需处理污泥等高效低耗的优点，是很有发展前途的污水处理新工艺。但人工湿地处理系统也有占地面积大，寒冷地区冬季的处理效果差等缺点。2)微絮凝纳滤组合工艺。聂锦旭等人对微絮凝纳滤组合工艺处理矿井水进行了试验研究。该工艺通过优化絮凝剂种类与晒药条件，使水中的有机物与悬浮物质形成微絮凝过滤的前提条件，然后经过强化过滤的工艺单元处理后，通过纳滤进一步去除水中浊度、细菌、有机物与含盐量。纳滤膜(膜材料为聚酰胺)是一种介于超滤和反渗透之间的分离膜。该工艺尚处在试验阶段。3.

41、3 矿井水综合利用技术的发展趋势为了最有效地实现矿井水的综合利用，根据矿井水的类型和含污染物的成份、工艺流程的特性、净化指标要求，选择技术上可性、经济上合理、运行简单、稳定的综合利用技术工艺流程，经过初级处理单元可以达到农田灌溉、景观用水、工业用水等；经过深度处理单元基本上消除了有害物资，可以基本上实现引用水标准、渔业用水、工业用水，若不可以则经过高级单元进行处理，完全可以达到生活饮用水的要求。3.3.1 矿井水处理的初级单元1）中和单元对于显酸性的矿井水，这是必不可少的一个单元，酸性矿井水可用任何碱性物质来中和，选用何种碱性物质，取决价格、反应性、适用性、运输方便、产生的泥状沉积物性及所要求

42、的净水质量。最常用的碱性物质是石灰或熟石灰，石灰对含三价铁的矿井水处理效果最好。2）沉降单元在矿井水处理过程中，悬浮固体的去除一般是靠重力沉降来实现的，这些单元被称为沉降(淀)池。这是一种最经济实用的方法。沉降效果取决于池深，水在池内停留时间和溢流率等因素。一般矩形沉降池的设计计算最简单。但最普遍采用的是辐射形沉降池，这种池管理费低，工程造价低，沉降污泥可靠重力排出。一般沉降池也可排除漂浮物质，多设有浮渣去除机械。在沉降池方面，较新发展的是斜管斜板沉降池。其基本原则就是大大增加池表面面积，因而提高去除效率。为增强沉降效果，目前常采用添加沉降剂的方法。石灰和石灰石是常用的沉降剂。3)氧化单元氧化

43、进行的方式有空气氧化、化学氧化、电解氧化三种。空气氧化主要是曝气和充氧;化学氧化利用氧化剂(如高锰酸钾)氧化水中污染物；电解氧化是指在任何氧化一还原剂作用下(不一定含氧)发生的氧化作用。矿井水净化中主要用到的是自然曝气充氧过程。该单元的主要功能是将废水中有机物质氧化，达到氧化的终端产物CO：和H：，这对于降低(COD)是十分有效的。在矿井水处理中另一个有利方面是将Fe2+氧化成Fe3+，通过沉淀，从而除掉矿井水中的铁。4)化学凝聚单元矿井水中一般含有很多胶状物质，沉淀所需时间长、效果差、常采用化学凝聚法处理。添加有机絮凝剂或无机棍凝剂，消除胶体所带电荷，使之凝聚变成絮状物，迅速沉淀以达到废水净

44、化的目的。常用的有机聚合电解质絮凝剂聚丙烯酞胺(中)，聚丙烯酸(阴)，聚乙烯亚胺(阳；常用的无机混凝剂有铝盐、三价铁盐和镁盐。目前在矿井水处理中聚合碱式氯化铝使用效果最显著，凝聚速度快、用量少、形成的矾花大、成本低。镁盐在石灰处理工艺中，有不可替代的优势目前絮凝和混凝的理论和工艺发展很完善，为了增强凝聚效果，常常将助凝剂与其一起投入所处理的矿井水中。助凝剂为某种不溶于水的粒状物质，它们的投入能形成较大絮体的内核，加速凝聚和沉降作用，投加助凝剂将加大污泥量5)过滤单元只有在矿井水过滤前投加混(絮)凝剂，才能获得清澈的滤后水。在澄清池内投加混凝剂，能降低澄清池出水浊度、过滤系统的固体负荷，化学混凝

45、后，过滤可获得100%的去除率。若不加混凝剂，滤池截除悬浮固体的效率仅为50一80%滤前投加混凝剂的作用是十分突出的。虽然投加混凝剂增加了成本，加大了污泥量，但缩短了过滤周期，提高了净化效果，所以混凝剂还是为矿井水处理系统所欢迎的。目前常用的滤池有重力无阀滤池，移动床滤池、微孔筛滤机、压力式深床颗粒滤池、重力式深床颗粒滤池，后二种是高速过滤系统。过滤单元的设计和选型最重要的参数是过滤周期。它和进水悬浮固体浓度，滤池的水力负荷、滤料的种类和尺寸密切相关。6)消毒单元由于矿井水受到人类生产生活活动的污染而含有大量细菌，在处理工艺中，必须加以消毒灭菌。一般在过滤后加氯消毒。前面述及的六个单元，为矿井

46、水处理工艺的初级单元。可以根据矿井水的成份，净化要求而优化组合，形成矿井水的初级净化处理工艺流程。对于比较清洁的矿井水，经过初级净化处理，便可以达到资源化利用的目的。7)辅助单元在矿井水净化处理工艺中，各单元均产生大量的污泥，对这些污泥必须妥善处理。一般采用板框式压滤机、自动清料间歇式压滤机、连续旋转压滤机等机具进行固液分离处理。处理后的污泥，根据其成份特性，或做水泥原料、或做肥料、或做煤泥燃料、或填埋处理。3.3.2 矿井水深度处理单元针对矿井水中重度污染的因子，单纯的初级处理单元的组合，是无法脱除干净的。经初级处理后的矿井水仍可有一些无机盐类、金属和有毒物质超标，达不到生活饮用水标准、工业

47、用水及农田灌溉，因此，应有针对性地增加一些深度处理单元，以解决这一问题。1)高硬度去除单元对于高硬度的矿井水，可采用石灰或石灰苏达灰软化法。在不需要彻底去除硬度的场合，该方法可将硬度降低到80100mg/L，远低于生活饮用水标准。本方法的运行费用比电渗析法和离子交换树脂法便宜得多。碳酸盐硬度: Ca(HCO3)2+Ca(OH)2=CaCO3 +H2O处理过程中，石灰总是投过量，再通以二氧化碳，可获得稳定的处理效果。此处理单元应设在沉淀，凝聚之前。2)除铁单元初级处理后的铁、锰超标，与初级工艺的曝气不充分法存在困难时，可利用高锰酸钾处理池，去除铁、锰。铁、锰的氧化速度随着水温升高，搅拌强度增加而

48、加快，反应发生后，锰盐就沉析出来，形成矶花沉淀并能网捕其他胶体物质。该方法还能漂白水，去除水中臭味，并能去除90%的酚，是一种经济高效的深度处理单元。3)脱硫单元电渗析脱硫是一种成熟的技术，其他如离子交换法，反渗透法等均可作为有效的硫酸盐脱除单元。但其造价高，运行费用大、维护复杂、限制了它们使用和推广。生物法脱硫，对环境条件要求苛刻，难以实现。目前比较理想的方法用6210净水剂脱硫。该净水剂是以铝钙渣为主要原料研制成功的。在温室时，反应30分钟以上，SO42-去除率可达90%以上。6210在去SO42-除时，也能去除Ca， Mg等离子。 6210为固体粉末，投加后沉降性能好:兼备混凝和化学作用

49、两种性能，是一种性能优良的净水剂。4)脱氟单元去除矿井水中氟的主要方法有石灰沉淀法、活化铝吸附法等。在水中投加石灰后就形成氟化钙沉淀。在高硬度去除的同时，一起被去除。由于CaF2溶解度为7.8mg/L，成为本方法的限制因素。虽然可用投加镁盐的方法解决，但效果并不理想。近年发展起来的一种方法是活化铝吸附法。用活化铝(铝的氧化物)去粘合铝和氟化物，使其成为一种络合物，能成功地降低氟化物浓度到1 mg/L的幅度。活化铝吸附氟化物的能力在1.6kg/m3左右。对一些最常碰到的重度污染因子，可用上述深度处理单元。对不常见的污染因子，此处不做过多的介绍，可以查阅其他专著。3.3.3 矿井水处理的高级单元在

50、矿井水资源化过程中，经过初级处理和深度处理，仍达不到饮用水标准，当然可以采取更高一级的处理单元来处理矿井水，主要有： 1)电渗析单元； 2)反渗透单元； 3)离子交换单元； 4)蒸馏法单元； 5)生物脱稍单元；7)湿地处理单元。这些工艺，技术先进，脱除效率高，可成为矿井水终极处理方法。但一般来讲这些高级处理单元往往是工程造价高、运行费用高，维护维修复杂且费用高。尤其是当操作管理不当时，会使处理后达标的矿井水变得昂贵，一般不是十分缺水的地区，不做这样的工艺设计。3.4 矿井水综合利用技术利具体应用山东省七五煤矿许楼矿11主要污染物为悬浮物、有机物等。特点是：有机物含量较低，一般BOD浓度为501

51、20mgL。含有较大量的煤泥水成份和洗涤剂成份。根据山东省环保局对南四湖和南水北调工程水质保护的要求，生活污水处理后水质要求达到中水回用水水质要求，生活污水经处理后，不得排入地面水系，全部作为生产用水回用，实现零排放。许楼矿井生活污水处理工艺采用了国内先进、可靠的厌氧水解、生物接触氧化法工艺。3.4.l 设计指标 设计处理水量：2400m3d；处理后水质达到污水综合排放标准(GB89781996)新扩改一级标准(城镇二级污水处理厂出水水质要求)和山东省环保局对南水湖水质的要求。即：BOD520 mgL；CODcr<60 mgL；SS70mgL；NH3一N15mgL；动植物油10 mgL；

52、pH值69。出水水质达中水水质要求，作为生产回用水。3.4.2 工艺选择根据山东七五煤矿许楼矿井生活污水水质特点和山东省环保局对南四湖排水水质要求及中水回用要求，并考虑污水处理效果少受原水水质和水温等的影响，本设计生活污水生化处理采用厌氧水解除磷脱氮和好氧生物接触氧化法与混凝沉淀相配套的处理工艺，以确保处理后的水质达到中水水质要求。1)工艺流程生活污水由集水沟汇集后，经机械格栅去除表面飘浮物后入调节池，池内兼氧曝气，经水量水质调节后，入厌氧池，池内挂膜搅拌，污泥回流；经厌氧除磷脱氮后，由潜污泵提升至生物接触氧化池，池内挂膜，池底鼓氧，经生物膜上微生物菌群氧化降解处理后，有机物氧化、降解，上清水自流入反应池，入口处加入PAC絮凝剂，出水入二沉池，经沉淀澄