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專
題
部
分
淺析礦井水的資源化
摘要：水是人類生存的基本條件，又是國民經(jīng)濟(jì)的生命線。水資源問題是21世紀(jì)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展最突出的問題之一。在我國，煤礦缺水現(xiàn)象普遍存在，尤其是北方礦區(qū)嚴(yán)重缺水。長(zhǎng)期以來煤礦礦井水未能得到充分利用，大量礦井水被作為廢水排放掉，極大的浪費(fèi)了寶貴的水資源。因此，礦井水資源化是在解決煤炭產(chǎn)區(qū)嚴(yán)重缺水和礦井水污染環(huán)境這兩個(gè)困擾煤炭行業(yè)難題的基礎(chǔ)上提出的，是解決礦區(qū)水問題的最佳選擇。實(shí)現(xiàn)礦井水的資源化，可大大緩解礦區(qū)生產(chǎn)和生活用水緊張問題，減輕該地區(qū)的供水壓力，對(duì)煤炭工業(yè)生產(chǎn)和整個(gè)礦區(qū)環(huán)境的改善將起到巨大的推動(dòng)作用，為礦區(qū)創(chuàng)造明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
關(guān)鍵詞：礦井水、資源化、工藝方法
1緒論
1.1水資源背景
水資源是人類生產(chǎn)和生活不可缺少的自然資源，也是生物賴以生存的環(huán)境資源。據(jù)水文地理學(xué)家估算，地球上的水資源總量約為14.5億km3之多，其中海水約占97.2%，陸地淡水僅占2.8%，但陸地淡水資源中絕大部分是冰雪冰川，與人類生活最密切的江河、淡水湖和淺層地下水等淡水，僅占淡水儲(chǔ)量的0.34%。由此可見，盡管地球上的水資源是豐富的，但可利用的淡水資源是極其有限的。
隨著人口的增長(zhǎng)及工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，一方面水資源嚴(yán)重短缺，一方面水資源污染日益嚴(yán)重。目前全球有62個(gè)國家22億人面臨淡水不足，其中26個(gè)國家3億人嚴(yán)重缺水。全世界約有11億人未能喝上安全的飲用水，約有24億人缺乏充足的用水衛(wèi)生設(shè)施，每年有300萬到400萬人死于和水有關(guān)的疾病。全國水資源總量約為2.8萬億m3，居世界第六位，但是我國人口眾多，若按人均水資源量計(jì)算，人均占有量只有世界人均量的1/4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均線，被列為全球13個(gè)人均水資源貧乏國家之一。
我國缺水形勢(shì)主要受地理氣候等因素影響。我國降雨的時(shí)空分布極不均勻，南方多北方少，季節(jié)性很強(qiáng)，年際變化很大。降雨量自東向西逐步遞減，年降雨量的70%到80%主要集中在汛期，非汛期時(shí)往往引起嚴(yán)重干旱。特別是北方大部分地區(qū)降雨量比較少，水資源十分緊缺，水資源短缺已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的主要制約因素之一。目前缺水問題情況，大多靠超采地下水或者過度開發(fā)地表水來彌補(bǔ)，以犧牲生態(tài)環(huán)境的方式來維持用水平衡，現(xiàn)在已經(jīng)導(dǎo)致了地面沉降、海水入侵等一系列環(huán)境問題。另外近些年來，受全球氣候變化和人類活動(dòng)的影響，我國許多地區(qū)呈現(xiàn)出了新的水資源問題。特別是黃河流域，近幾年來黃河不斷出現(xiàn)斷流這樣嚴(yán)重的水資源問題。因此目前水環(huán)境的不斷惡化更進(jìn)一步加劇了水資源短缺的矛盾。
1.2問題的提出及解決水問題的出路
水是人類生存的基本條件，又是國民經(jīng)濟(jì)的生命線。隨著人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，一方面人類對(duì)水的需求量和品質(zhì)要求越來越高，另一方面，水污染的范圍和程度也越來越大。這一對(duì)日益嚴(yán)重的矛盾已經(jīng)成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的主要因素。
解決我國水問題的根本出路在于“以節(jié)水為本，強(qiáng)化統(tǒng)一管理”。
1、以節(jié)水為本，應(yīng)全方位地節(jié)約利用水資源，發(fā)揮有限水資源的最大效益和潛力，在發(fā)展經(jīng)濟(jì)的同時(shí)逐步減少用水量，節(jié)約用水是關(guān)系到我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本大計(jì)，應(yīng)當(dāng)將建立節(jié)水型社會(huì)作為一個(gè)奮斗目標(biāo)。
2、強(qiáng)化水資源統(tǒng)一管理，加強(qiáng)水資源保護(hù)防止污染，改變水資源管理的無序狀態(tài)，建立健全相應(yīng)的法規(guī)與制度，提高用水(節(jié)水)的科學(xué)管理水平。
3、應(yīng)通過多種途徑開源，有計(jì)劃地進(jìn)行水利工程建設(shè)，建立新水源。根據(jù)不同情況，利用海水、苦咸地下水等高礦化水，搞好污水回用，擴(kuò)大可利用水資源的范圍。積極進(jìn)行跨流域調(diào)水的規(guī)劃與實(shí)施，以緩解缺水地區(qū)水的供需矛盾。
4、改善生態(tài)環(huán)境，加強(qiáng)水體保護(hù)、水土保持，涵養(yǎng)水源，增加可利用水量。
其中廢水回用是開辟新水源的有效途徑之一。廢水回用有很多優(yōu)點(diǎn)，能節(jié)約寶貴的新鮮水，緩和工業(yè)與農(nóng)業(yè)及工業(yè)與城市的用水矛后，實(shí)現(xiàn)“優(yōu)質(zhì)水優(yōu)用，劣質(zhì)水回用”的原則，減輕或避免了長(zhǎng)距離輸水問題。
我國礦區(qū)用水越來越緊張，己嚴(yán)重制約了礦山生產(chǎn)和影響職工的日常生活。地面水源受到廣泛污染，處理成本日益提高，而礦井水來源于地下水，礦井水污染程度輕，處理容易，成本低。而將提升上來的礦井水作為廢水白白排掉，非?？上В业V一方還需繳納排污費(fèi)。抽用地下水需繳納水資源費(fèi)和提升費(fèi)。而地下水的取用逐年增多，水資源費(fèi)的征收標(biāo)準(zhǔn)也在逐步提高。國家現(xiàn)已開始實(shí)行污染物排放總量控制與收費(fèi)，這種排與用的反差現(xiàn)象，將越來越突出?？梢?，礦井水回用是礦區(qū)解決水問題的必走之路。
礦井水是在礦井開拓、采掘過程中，滲入、滴入、淋入、流入、涌入、和潰入井巷或采掘工作面的任何水源。它的來源有大氣降水、地表水、含水層水、斷層水、老窯積水、巖溶水、和封閉不良鉆孔水等。在煤礦開采過程中，各種水源與煤、巖層接觸，發(fā)生一系列物理、化學(xué)和生化反應(yīng)，產(chǎn)生的礦井水是煤炭生產(chǎn)過程中排放量最多的廢水。據(jù)1993年統(tǒng)計(jì)，我國國有重點(diǎn)煤礦年排礦井水約22億m3，平均噸煤涌水量約4.0m3。而且隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦井水的排放量還將不斷增多。長(zhǎng)期以來，礦井水被白白排掉而未加以綜合利用和保護(hù)。這樣不僅嚴(yán)重污染了水資源，而且造成了工業(yè)和生活用水短缺?，F(xiàn)在隨著科學(xué)的發(fā)展和人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，對(duì)礦井水也逐步有了新的認(rèn)識(shí)，開始將礦井水作為種水資源加以處理利用，即礦井水資源化。礦井水的資源化是解決煤炭產(chǎn)區(qū)缺水和礦井水污染環(huán)境這兩個(gè)困擾煤炭行業(yè)的難題上提出的，是解決這兩個(gè)問題的最佳選擇，可以達(dá)到社會(huì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)三方面效益的統(tǒng)一。
2我國煤礦礦區(qū)水資源狀況
2.1礦區(qū)水資源概況
我國煤礦集中分布在區(qū)域缺水的北方和西北地區(qū)，許多煤礦區(qū)水資源短缺，其中約70%缺水，40%嚴(yán)重缺水。如缺水嚴(yán)重的大同礦區(qū)，人均水量只有全國人均水量的9%。又如2000年，準(zhǔn)格爾礦區(qū)缺水40.64萬m3/d，神府礦區(qū)缺水16.7萬m3/d，東勝礦區(qū)缺水5.4萬m3/d。因此煤礦礦區(qū)水資源短缺問題越來越嚴(yán)重。
然而，伴隨煤礦區(qū)水資源短缺的同時(shí)，煤炭生產(chǎn)過程中卻要排放出大量礦井水。礦井水成為煤炭工業(yè)具有行業(yè)特點(diǎn)的污染源，量大面廣。我國煤炭系統(tǒng)，每年礦井水排放量約為45億m3，隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，排放量還必將不斷增多。礦井水水質(zhì)差異非常大。有的水質(zhì)好，無須處理，即可達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，更有甚者可達(dá)礦泉水要求。但是，更多的是含懸浮物、高礦化度、酸性、甚至含重金屬和其他毒性物質(zhì)的礦井水，如不加處理任意排放，會(huì)污染礦區(qū)環(huán)境，破壞礦區(qū)生態(tài)，影響礦區(qū)的生產(chǎn)和生活。輕者，淤塞河流、湖泊，破壞地表景觀，抑制水生生物的生長(zhǎng)與繁衍，使土壤板結(jié)或鹽漬化；嚴(yán)重者，使地表水、淺層地下水和土壤產(chǎn)生毒性，通過食物鏈危害人體健康，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重的地方病。
因此，煤礦礦區(qū)缺水和礦井排水污染已嚴(yán)重影響了煤礦區(qū)人民的生活，制約著經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。煤礦水資源的利用與保護(hù)問題，已經(jīng)成為國家總體發(fā)展戰(zhàn)略亟待解決的重大問題，礦井水資源化也已成為解決煤礦缺水和礦井排水污染的最佳選擇。加強(qiáng)礦井排水的資源化處理和礦區(qū)地下水的資源化利用，加強(qiáng)煤礦區(qū)水資源尤其是地下水資源運(yùn)移的系統(tǒng)研究，加強(qiáng)合理供排和科學(xué)管理已成為當(dāng)務(wù)之急。
2.2煤礦廢水的來源
按照目前我國煤礦企業(yè)生產(chǎn)和管理特征，煤礦生產(chǎn)排出的廢水主要有礦井排水、洗煤廢水、火藥廠廢水及矸石淋溶水等。下面主要討論與煤炭產(chǎn)業(yè)關(guān)系密切的廢水的主要來源。
2.2.1礦井排水
這類廢水來源于煤礦建設(shè)和開采過程之中。我國煤炭以地下開采為主，約占整個(gè)煤炭產(chǎn)量的97%。由于所采煤層一般在地下含水層之上下，在采煤過程中，為確保安全生產(chǎn)，必須排出大量的礦井涌水。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國煤礦年排水約45億m3。
礦井水受開拓及采煤影響，含有大量煤粉、巖粉等懸浮物和微生物，顏色呈不同程度 的黑色；開采高硫煤層的礦井排水，由于硫鐵礦等含硫化合物的氧化分解作用，呈現(xiàn)酸性，并含有大量的鐵、鋁和重金屬離子等污染物；此外，有些礦井水含較高的鹽、氟等污染物，少數(shù)礦井的排水還含有放射性污染物。
2.2.2選煤廢水
煤礦生產(chǎn)的原煤均含有各種雜質(zhì)，灰分和硫分高。為了除去這些雜質(zhì)以提高煤的質(zhì)量，節(jié)約運(yùn)費(fèi)，環(huán)境友好，需要對(duì)原煤進(jìn)行洗選。選煤方法有干法和濕法兩類，我國絕大多數(shù)選煤廠采用濕法選煤。在濕法選煤工藝中，水是選煤介質(zhì)，每洗選1t原煤用水量約為4.0m3，其中清水耗量為0.5~1.5 m3。當(dāng)原煤經(jīng)分級(jí)、脫泥、精選、脫水等作業(yè)分選成精煤時(shí)，由于煤的粉碎和泥化，產(chǎn)生一掛號(hào)信粒徑小于0.5mm的煤粉，其中大部分進(jìn)入產(chǎn)品煤帶，但仍有不少部分與水混合在一起，成為煤泥水。原則上，煤泥水要求循環(huán)利用，但由于管理、操作和工藝等諸多原因，往往外排大量煤泥水，造成環(huán)境污染。
2.2.3焦化廠廢水
目前，我國煤礦企業(yè)正在大力發(fā)展焦化產(chǎn)業(yè)。焦化廠主要是生產(chǎn)焦炭和煤氣。焦化廠廢水是在煤的高溫干餾、煤氣凈化以及化工產(chǎn)品精制過程中產(chǎn)生的。其組成相當(dāng)復(fù)雜，從色譜圖中初步顯示含有幾百種有機(jī)組分，其中含有高濃度的酚、多環(huán)芳烴及含氧、硫、氯等雜環(huán)化合物。此外，還含有大量的無機(jī)物，如氰、硫、硫氰根等陰離子，以及Si、Ca、Fe、Mg、Ge、Ga等化合物。所以，焦化廠廢水， 成分復(fù)雜，濃度高，毒性大。
2.2.4煤氣發(fā)生站廢水
煤炭氣化是弱粘煤或不粘煤等在高溫下與氣化劑反應(yīng)，使煤炭中的可燃物轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w的過程。氣化時(shí)所獲得的可燃?xì)怏w稱為氣化煤氣。煤氣由于輸送方便、燃燒熱值高、使用方便、清潔等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛利用。
煤氣發(fā)生站廢水主要來自煤氣爐粗煤所中水蒸氣的冷凝水。水蒸氣主要來自：
1、原煤中的含水在爐內(nèi)被蒸發(fā)而進(jìn)入粗煤氣中；
2、原煤中的一些有機(jī)物被氧化或燃燒生成的熱解水；
3、作為氣化劑或?yàn)榱丝刂茽t內(nèi)反應(yīng)溫度向爐內(nèi)通入過量水蒸氣，其中62%~63%未被分解的水蒸氣進(jìn)入粗煤氣中；
4、生產(chǎn)過程中，一些副產(chǎn)水蒸氣未被回收而進(jìn)入精煤氣中。
所以，煤氣發(fā)生站廢水成分很復(fù)雜，不但存在著大量的懸浮固體和水溶性無機(jī)化合物，如氨、H2S、CO2、SO2、氰化物；而且含有大量的酚類化合物、苯及其衍生物，如吡啶等有機(jī)物，其危害性大。
2.2.5礦區(qū)生活污水
礦區(qū)生活污水主要是指礦區(qū)居民生活活動(dòng)產(chǎn)生的污水，還包括煤礦工人升井后洗浴污水、大氣降水等。從本質(zhì)上講，礦區(qū)生活污水與城市污水沒有根本區(qū)別，主要污染物有有機(jī)污染物，如蛋白質(zhì)、脂肪和糖類等；還有洗滌劑及病原微生物和寄生蟲卵等。由于煤礦大多數(shù)位于農(nóng)村不發(fā)達(dá)山區(qū)，生活條件相對(duì)較差，同時(shí)大量洗浴污水排入，因此使礦區(qū)生活廢水中有機(jī)物濃度相對(duì)降低，但卻含有較高的懸浮物。
2.2.6醫(yī)院污水
目前，我國煤礦均設(shè)有煤礦醫(yī)院，大部分規(guī)模不大，主要治療一些常見的疾病和對(duì)突發(fā)性事件的臨時(shí)治療，用水量比一般城市大醫(yī)院要少得多。其排水中含有多種病菌、病毒、寄生蟲和些有害、有毒物質(zhì)。這些病菌、病毒和寄生蟲卵在環(huán)境中具有一定的抵抗力，有的在污水中存活時(shí)間較長(zhǎng)。所以，醫(yī)院污水具有較大的危害性。
2.2.7其他廢水
煤礦其他廢水包括一些小型化工廠廢水，如TNT炸藥生產(chǎn)廠廢水、生產(chǎn)混凝劑工廠廢水、煤矸石電廠沖灰水及煤矸石堆的沖矸和淋溶水等。
2.3礦井涌水情況
我國礦井水主要來自于奧陶及寒武系灰?guī)r水、煤系灰?guī)r水、煤系砂巖裂隙水、第四系沖積層水等。礦井涌水量大小取決于礦區(qū)地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件、開采方法、開采深度和開采范圍等。
東北大部分礦井涌水主要來自于第四系沖積層水和二疊系砂巖裂隙水，一般礦井噸煤涌水量在2~3m3之間，礦井涌水量由東向西有逐漸減少的趨勢(shì)，東部的琿春礦區(qū)噸煤涌水量高達(dá)14.5m3，西部有些礦區(qū)噸煤涌水量減至0.66m3。隨著開采深度的增加，礦井涌水量呈減少趨勢(shì)。
華北、華東大部分礦區(qū)礦井涌水主要來自于奧陶及寒武系灰?guī)r水、石炭系灰?guī)r水和二疊系砂巖裂隙水，涌水量一般較大，噸煤涌水量在3~10m3之間。峰峰、淄博等礦區(qū)煤礦噸煤涌水量在10m3以上，焦作礦區(qū)平均噸煤涌水量竟達(dá)66.3m3。
西北的、甘肅、寧夏、陜西中部、內(nèi)蒙古西部地區(qū)，礦井大部分地處高原、山丘及沙漠戈壁邊緣，海拔在800~2000m，最高達(dá)3000m，年平均降水量?jī)H為20~200mm，而年平均蒸發(fā)量卻為2000~3000mm，某些礦井所在地區(qū)干旱指數(shù)超過100，地下水不能得到足夠的大氣降水和地表水補(bǔ)給，礦井涌水量普遍較少，噸煤涌水量大部分在1.6m3以下，甚至有的礦區(qū)噸煤涌水量只有0.1~0.2m3。西北地區(qū)除個(gè)別礦井外，大部分礦區(qū)缺水或嚴(yán)重缺水，是我國缺水礦區(qū)較為集中的地區(qū)，有的礦區(qū)每年缺少生產(chǎn)和生活用水達(dá)數(shù)十萬立方米。
華北和華南聚煤區(qū)賦存的石炭——二疊系和晚二疊系煤系，其特征是主采煤層的頂板或底板有厚層的碳酸巖沉積，其中裂隙、溶洞發(fā)育，富含喀斯特水，是煤層開采的主要充水源。
2.4采煤活動(dòng)對(duì)煤礦區(qū)水資源的破壞
煤礦生產(chǎn)過程中，為安全生產(chǎn)的需要，須對(duì)礦井水進(jìn)行排放；在采取礦井防治水措施時(shí)，常常要對(duì)開采煤層的主要充水含水層進(jìn)行預(yù)先的人工疏水降壓或疏干；并且采動(dòng)形成的裂隙導(dǎo)水也會(huì)對(duì)含水層起到自然疏干作用。其結(jié)果必然導(dǎo)致礦區(qū)含水層水位下降，水量減少，甚至水質(zhì)變差。如華北煤礦區(qū)每采1t煤平均破壞地下水資源約10m3；山西省20世紀(jì)80年代初因采煤已直接導(dǎo)致18個(gè)縣，530多個(gè)自然村，33萬人吃水困難。
目前，我國每年采煤排出的地下水約45億m3，一般噸煤排放2.5m3礦井水，大水礦區(qū)，噸煤排水高達(dá)10m3以上。如太行山東南麓的礦區(qū)，排水量為1034m3/min；魯中南的煤礦區(qū)排水量為543m3/min。由于煤礦在基建和生產(chǎn)過程中長(zhǎng)期大量排、疏水，使含水層水位大幅度急劇下降，少者數(shù)米、數(shù)十米，嚴(yán)重者達(dá)上百米，如焦作九里山礦，多年礦井排水，已使礦區(qū)地下水位最大降深達(dá)90m。
另一方面，我國礦井排水的處理、利用率都不高，據(jù)統(tǒng)計(jì)礦井排水的利用率僅為43.8%，絕大多數(shù)礦井排水未經(jīng)處理就直接外排。排出的礦井水中含有大量懸浮物、鹽類，甚或酸性成分和重金屬等，嚴(yán)重破壞了礦區(qū)及周圍地區(qū)的環(huán)境和生態(tài)。
雖然，地下水處在不斷運(yùn)動(dòng)、變化與循環(huán)過程中，可以從大氣降水、地表水體入滲等各種途徑得到一定補(bǔ)給，但煤礦開采擾動(dòng)及違背客觀規(guī)律的礦井疏排水，已嚴(yán)重破壞地下水徑流平衡，使地下水資源不僅得不到恢復(fù)，而且地下水與地表水質(zhì)也均遭到破壞。一旦水資源被破壞，即使消除了破壞源與污染源，水資源的量與質(zhì)也很難在短期內(nèi)恢復(fù)。
2.5煤礦區(qū)水資源破壞引起的相關(guān)災(zāi)害
煤礦區(qū)是一個(gè)地面與地下、自然與人類社會(huì)相互作用的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，各生態(tài)要素之間互相依存，互相制約。煤礦開采破壞了礦區(qū)水資源，同時(shí)也會(huì)因水資源被破壞而誘發(fā)出一系列的災(zāi)害，如井泉干涸、地表巖溶塌陷、土地荒漠化和廣域地面沉降等。
2.5.1井泉干涸
采煤活動(dòng)破壞了礦床圍巖受力的原始平衡，使巖層中產(chǎn)生大量導(dǎo)水裂隙，導(dǎo)水裂隙帶高度及疏干影響高度一般可達(dá)煤層采高的20倍，嚴(yán)重者達(dá)40倍以上；疏干影響范圍要比采空區(qū)實(shí)際面積大得多，可達(dá)數(shù)千米以外。如1985~1990年，四川芙蓉礦務(wù)局杉木樹礦N8采區(qū)在山區(qū)苗族村寨采煤，回采之前，采區(qū)上方地表原有泉眼12個(gè)，總出水量為300L/min，小溪4條，總流量為300L/min；回采期間，隨著采動(dòng)裂隙的發(fā)育，井下涌水量明顯增大，地表泉眼及小溪流量逐漸衰減；回采結(jié)束時(shí)，泉水全部干涸，小溪斷流，導(dǎo)致該村村民完全喪失生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水源。
2.5.2地表沉陷
礦井排水引發(fā)的地表沉陷主要有兩大類：地表巖溶塌陷和廣域地面沉降。
由于煤礦開采及礦井排水，巖溶地下水位下降而形成空洞，在上覆巖體重力作用下，巖層塌落，產(chǎn)生地表塌陷，這種現(xiàn)象被稱為地表巖溶塌陷。我國黃淮平原是一個(gè)巨大的斷陷盆地，接受了巨厚的中、新生代沉積，構(gòu)成復(fù)雜的含——隔水層系統(tǒng)。通常含水層孔隙度大，含豐富的潛水或承壓水。當(dāng)采礦產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙帶波及到基巖風(fēng)化帶時(shí)，沖擊層中的主要含水層將通過風(fēng)化裂隙和采動(dòng)裂隙流入礦坑。該區(qū)煤礦普遍采用“平行疏降”和“預(yù)疏降”開采的防治水措施，這種長(zhǎng)期、大范圍、大水量疏排礦井水已使含水層水位標(biāo)高下降150m左右，進(jìn)而含、隔水層產(chǎn)生壓縮——固結(jié)變形，引起區(qū)域范圍的大面積地表沉降。
2.5.3土地荒漠化
煤礦開采必然引起上覆巖層與地表不同程度移動(dòng)，產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶，引起地表水泄漏，導(dǎo)致含水層和地表植被破壞。進(jìn)而，改變地表土壤的灌溉性、持水性和水土平衡結(jié)構(gòu)，使表土疏松、裸土、裸巖面積擴(kuò)大，加劇礦區(qū)水土流失。我國西部和北方礦區(qū)土地荒漠化趨勢(shì)也因此而加劇。從航片資料分析，神府－東勝礦區(qū)荒漠化土地年自然增長(zhǎng)率為0.5%。據(jù)預(yù)測(cè)，如不采取水資源保護(hù)措施，位于我國西部的晉陜蒙能源基地的集中開發(fā)，將增加土壤侵蝕量5.4億t/a，輸少量1.3億t/a。
2.6礦井水水質(zhì)特征
礦井水受煤系地層和煤層充水含水層的物化性能，礦壓環(huán)境狀況以及采煤活動(dòng)等影響，水質(zhì)往往達(dá)不到排放或利用標(biāo)準(zhǔn)。要更好地處理和利用礦井水，需要充分了解礦井水來源、水質(zhì)狀況及其類型。
礦井水本身的水質(zhì)主要受當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)年代、地質(zhì)構(gòu)造、各種煤系伴生礦物成分、所在地區(qū)的環(huán)境條件等因素的影響。不同礦井水的水質(zhì)有很大差異。
2.6.1潔凈礦井水
潔凈礦井水來源一般比較單一，可以直接飲用。在我國煤礦區(qū)，主要來源于奧陶系、寒武系、石炭系石灰水以及煤系地層的厚層砂巖的裂隙水等。這類礦井水水質(zhì)一般呈中性，低濁度，低礦化度，有毒有害元素含量很低，無須處理，基本符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
為了保護(hù)水質(zhì)免受污染，以便直接利用，往往需要人為采取保護(hù)性排放措施，避開采掘活動(dòng)和場(chǎng)地。設(shè)分排裝置分排潔凈礦井水與受污染的礦井水，或設(shè)專排管路將潔凈礦井水直接排入生活飲用水系統(tǒng)。
2.6.2含懸浮物礦井水
含懸浮物礦井水以含高濃度懸浮物為主要特征，此外細(xì)菌含量較多，CODCr含量偏高。
主要污染物懸浮物來自礦井水流經(jīng)采掘工作區(qū)時(shí)沖刷、攜帶的煤粉、巖粉等懸浮物。這種礦井水多呈深度不等的黑色，混濁度也比較高，pH為7~8,含鹽量一般小于1000mg/L，重金屬和有毒元素含量一般低于飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值，甚至不能檢出。不同采掘區(qū)的礦井水一般先匯集在井下水倉，待排停留期間，較大的煤粒、巖粒發(fā)生沉淀而被去除。
由于煤礦工人在井下的生活、生產(chǎn)活動(dòng)，使得含懸浮物礦井水的另一水質(zhì)特征是細(xì)菌含量較多，CODCr含量偏高。CODCr主要來源于礦井水中的煤粉，其原因是礦井水中的微細(xì)煤粉顆粒，在強(qiáng)氧化劑重鉻酸鉀的作用下，被氧化而顯示較高的COD值，但隨著煤粒等懸浮物的去除，COD值隨之降低；也不能排除生物對(duì)煤粉降解作用中間產(chǎn)物的存在。
2.6.3高礦化度礦井水(礦井苦咸水)
高礦化度礦井水， 一般是指含鹽量大于1000mg/L的礦井水。這類礦井水的含鹽量主要來自Ca2+、Mg2+、Na+、K+、SO42-、HCO3-、Cl-等離子，故其硬度也往往較高，有的可達(dá)1000mg/L。受采掘作業(yè)影響。這類礦井水還含有較高的煤、巖粉等懸浮物，濁度大。
2.6.4酸性礦井水
在我國的飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中，pH為感官性狀指標(biāo)，要求值為6.5~8.5。因此，酸性礦井水，一般是指pH小于6.5的礦井水。我國，酸性礦井水的pH介于2.3~5.7之間。
我國酸性礦井水主要分布在南方，北方只有少數(shù)的礦井排水呈酸性。但許多礦井二疊系煤炭資源接近采完，必將開采含硫量較高的石炭系煤層，使礦井排水酸性增高。
2.6.5高氟礦井水
高氟礦井水是指含氟化物超過我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)1.0mg/L的礦井水。我國工業(yè)廢水所允許F-的最高排放濃度為10mg/L。
在我國煤礦，高氟礦井水分布較為普遍，往往呈區(qū)域分布。如寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅等地有相當(dāng)一部分礦區(qū)氟含量超過1.0mg/L，山東龍口北皂礦含氟量達(dá)5.7mg/L，安徽淮北、河南義馬等礦區(qū)含氟量也很高，湖南白沙礦區(qū)三個(gè)礦的礦井水含氟達(dá)10~15 mg/L，遼寧阜新礦區(qū)部分礦的礦井水含氟也高達(dá)13 mg/L。
2.6.6含重金屬礦井水
含重金屬礦井水是指礦井水中，Cr、Cd、Pb、Hg、As等元素中一種或多種含量超過我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的礦井水。
目前，對(duì)含重金屬礦井水的成因還不十分清楚，通常認(rèn)為是當(dāng)煤層及其圍巖中重金屬浸溶作用下從巖石中溶解出來，進(jìn)入了礦井水。有人研究認(rèn)為是當(dāng)煤層及其圍巖中重金屬等元素富集程度較高，煤層、圍巖中FeS2被氧化成H2SO4的浸溶作用從巖石中釋放出來，進(jìn)入礦井水。
我國大部分礦區(qū)的礦井水中不含重金屬或重金屬含量很低，只有東北、華北北部、淮南等礦區(qū)有些礦井的礦井水含鐵、錳離子較多，同時(shí)還含有少量的重金屬離子，且超過我國生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。河南省義馬觀音堂煤礦礦井水中銅含量很高，超過了排放標(biāo)準(zhǔn)。
2.6.7含有機(jī)污染物礦井水
我國礦井水中含有機(jī)物污染物普遍不高。據(jù)研究，礦井水中有機(jī)污染物主要來自以下三個(gè)方面：
1、開采過程中人的排泄物及其生化后產(chǎn)生的降解物質(zhì)，如氨類化合物、有機(jī)氮類化合物及大量的微生物。這類物質(zhì)在生產(chǎn)礦井的礦井水中普遍存在，當(dāng)?shù)V井水較大時(shí)對(duì)水質(zhì)的影響不大。
2、由植物轉(zhuǎn)變成煤炭時(shí)形成的芳烴類物質(zhì)以及吸附在煤層中的低于分子化合物，在煤炭開采時(shí)釋放出來并溶入礦井水中。
3、綜采機(jī)組、液壓支架等設(shè)備所用的乳化液，井下采煤、運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械設(shè)備的潤(rùn)滑油泄漏進(jìn)入礦井水中造成的有機(jī)物污染。這是目前我國大型機(jī)械化礦井水中微量有機(jī)污染物的主要來源。
2.6.8含放射性污染物礦井水
天然放射性核素在自然環(huán)境中分布很廣，巖石、土壤、水體和大氣中都有放射性核素的存在。如鈾、鐳、氡、鉀—40、碳—14等，但一般情況下其含量很低，放射性水平遠(yuǎn)低于人體耐受限。
放射性核素在衰變過程中發(fā)射出三種電離輻射，包括α粒子、β粒子、γ射線。我國生活飲用水水質(zhì)衛(wèi)生規(guī)范規(guī)定了生活飲用水的放射性參考水平，總α放射性為0.5Bq/L，總β放射性為1.0 Bq/L。如果水的放射性指標(biāo)超過參考水平，必須進(jìn)行核素分析和評(píng)價(jià)，以決定能否飲用。
據(jù)檢測(cè)表明，我國礦井水放射性超標(biāo)主要是總α放射性超標(biāo)，有的煤礦生活飲用水中總α放射性超過我國飲用水衛(wèi)生規(guī)范，個(gè)別超標(biāo)達(dá)10~20倍。
但總體面言，礦井水中的天然放射性核素經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期，放射性衰變產(chǎn)物與其母體達(dá)到放射性平衡狀態(tài)，處于低放射性水平，放射性核素的濃度一般低于生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)限值，不影響生活飲用水。
3礦井水資源化概況
3.1礦井水資源化的意義
水資源危機(jī)是21世紀(jì)人類面臨的最嚴(yán)峻的問題之一。聯(lián)合國環(huán)境署向人們發(fā)出警告：世界的水荒正在不斷加劇，威脅著人類的生存。第47屆聯(lián)合國大會(huì)確定：從1993年開始，將每年的3月22日定為“世界水日”旨在使全世界都關(guān)心并解決淡水資源短缺日益嚴(yán)重的問題。
全國煤礦每年排放礦井水約45億m3，面利用率僅為4.38%。礦井水排放量大，水質(zhì)差異大。如果將煤礦12%的礦井水處理利用，就可以煤礦區(qū)缺水問題，可見礦井水的資源化潛在價(jià)值是巨大的。
根據(jù)我國礦井水排放和水質(zhì)特征，環(huán)境保護(hù)要求，水資源化得技術(shù)現(xiàn)狀，以及社會(huì)需求等，目前礦井水資源化主要包括如下方面：
1、潔凈礦井水的直接利用，主要是采取分排措施進(jìn)行利用。
2、礦井水的分級(jí)處理，可按達(dá)到污水排放標(biāo)準(zhǔn)排放、農(nóng)灌用水、景觀用水、工業(yè)用水、生活雜用水與生活飲用水等的不同要求進(jìn)行處理。
3、特殊水質(zhì)礦井水的深度開發(fā)利用，即對(duì)達(dá)到飲用天然礦泉水、醫(yī)療礦泉水、工業(yè)礦水水質(zhì)的礦井水開發(fā)利用。
4、礦井熱水的開發(fā)利用，這屬于清潔新能源利用，可與礦區(qū)的冬季供暖、夏季制冷、礦井降溫相結(jié)合。
我國礦井水資源化應(yīng)實(shí)行引進(jìn)與創(chuàng)新相結(jié)合的技術(shù)路線。由于礦井水資源化起步晚，近期以技術(shù)引進(jìn)為主；在引進(jìn)和消化吸收過程中，逐漸創(chuàng)新，以形成適合礦井水特點(diǎn)的資源化技術(shù)體系。
礦井水資源化對(duì)于緩解人類面臨的資源和能源短缺，提高人們生活質(zhì)量，以及礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，具有重大意義，必將創(chuàng)造出巨大的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
3.2礦井水處理及利用現(xiàn)狀
煤礦廢水污染問題是煤礦區(qū)環(huán)境保護(hù)的一個(gè)突出問題。近年來，雖然煤礦企業(yè)；加大環(huán)保投資，增大“三廢”處理力度，煤礦礦井排水及廢水處理率仍僅約20%，利用率也只有不到10%?？傮w上來說，礦井排水的處理和資源化利用技術(shù)仍處在一個(gè)較低水平。主要有以下原因：
1、認(rèn)識(shí)不足。主要表現(xiàn)為對(duì)人類面臨水資源和能源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)認(rèn)識(shí)不足，對(duì)礦井排水的多重資源價(jià)值認(rèn)識(shí)不足，對(duì)飲用水水質(zhì)關(guān)系煤礦職工健康的重要性認(rèn)識(shí)不足，對(duì)煤礦廢水的環(huán)境危害認(rèn)識(shí)不足，對(duì)煤礦廢水處理的必要性、緊迫性認(rèn)識(shí)不足，對(duì)廢水處理和深度資源化利用的意義和效益認(rèn)識(shí)不足。在經(jīng)營(yíng)理念上，仍然堅(jiān)持以煤為主的單一經(jīng)營(yíng)思想。
2、歷史欠賬多。在過去計(jì)劃經(jīng)濟(jì)體制下，煤礦走先生產(chǎn)，后生活，再環(huán)保的發(fā)展道路，采用勞動(dòng)密集生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)方式，國營(yíng)煤礦多數(shù)簡(jiǎn)易投產(chǎn)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和個(gè)體煤礦土法上馬，造成用人多、資源浪費(fèi)、效率低、污染嚴(yán)重。近年來，雖然加大了環(huán)保投資，但由于歷史欠賬太多，先天不足，收益甚微。
3、適用技術(shù)缺乏。水處理、礦泉水開發(fā)、地?zé)崴?，是專業(yè)性、綜合性、科學(xué)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，煤礦缺乏專門技術(shù)人員。目前，許多煤礦廢水處理工程由非煤炭系統(tǒng)設(shè)計(jì)單位承擔(dān)，缺乏對(duì)煤礦目前生產(chǎn)情況和排水水質(zhì)特征的深入了解，導(dǎo)致一些煤礦廢水處理站建成后難以達(dá)到處理目標(biāo)；礦泉水開發(fā)、地?zé)崴酶翘幱谏形雌鸩诫A段。
4、行業(yè)內(nèi)部發(fā)展不平衡?？傮w上，國有煤礦環(huán)保管理與技術(shù)水平較高，投入在逐年增加，新污染源基本控制，老污染源在逐步治理、地方礦差一些，鄉(xiāng)鎮(zhèn)礦、個(gè)體礦則基本沒有開展環(huán)境保護(hù)工作。
隨著人們環(huán)保和資源意識(shí)的提高，經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，近年來許多煤礦已將礦井水處理與利用作為重點(diǎn)，并加大了投資力度；科研單位也開發(fā)了多種合理的礦井水處理和資源化利用技術(shù)，特別是礦井排水的資源化技術(shù)發(fā)展較快。煤礦礦區(qū)水環(huán)境保護(hù)正逐步走上與經(jīng)濟(jì)相協(xié)調(diào)的道路。
4礦井水處理技術(shù)
4.1含懸浮物礦井水處理技術(shù)
在我國煤礦，含懸浮物礦井水約占礦井排水量的60%，其水質(zhì)簡(jiǎn)單，易于處理，它的處理技術(shù)和處理效果在我國礦井水資源化方面具有十分重要的地位。
4.1.1處理利用技術(shù)進(jìn)展
構(gòu)成礦井排水懸浮物的主要成分是粒徑極為小的煤粉和巖粉，完全依靠自然沉淀去除是困難的，必須借助混凝劑，采用混凝沉淀的處理方法才可實(shí)現(xiàn)對(duì)懸浮物的去除。目前，對(duì)于礦化度不高而懸浮物含量較高的礦井水處理，有較成熟可行的經(jīng)驗(yàn)，一般在采用混凝、沉淀以及過濾、消毒等工序處理后，其出水水質(zhì)即能達(dá)到生產(chǎn)使彡生活飲用標(biāo)準(zhǔn)的要求。
所用混凝劑一般為硫酸鋁和聚合氯化鋁。采用聚合氯化鋁鐵，對(duì)礦井水處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種無機(jī)高分子混凝劑對(duì)礦井水的水溫及pH的變化適應(yīng)性很強(qiáng)，其去濁率比硫酸鋁有明顯的優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于聚丙烯酰胺這類有機(jī)高分子劑，由于其價(jià)格昂貴和毒性，在礦井水作生活飲用水源處理中較少采用。
在處理回用工藝技術(shù)的研究與應(yīng)用方面，前蘇聯(lián)起步較早，前全蘇煤礦環(huán)保研究研制了用壓力氣浮法凈化礦井水，采用凈化水部分循環(huán)工作方式，循環(huán)水在壓力箱中剩余壓力作用下充滿空氣，較好地形成輕浮選劑。前蘇聯(lián)采煤建井和勞動(dòng)組織研究所研究的電絮凝法，是以直流電通過金屬電極處理礦井水，在電化學(xué)、電物理綜合作用下，使礦井水雜質(zhì)顆粒、水和微氣泡形成松散團(tuán)粒，凝聚后漂浮在水面上，形成一層泡沫后用喬板排除。此法可使雜技團(tuán)粒的沉淀速度提高數(shù)倍，并對(duì)排除乳化于水中的石油產(chǎn)物和其污染物有效。
我國礦井水廢水處理與回用研究起步較晚，且處理率較低。近幾年，大的煤業(yè)集團(tuán)公司對(duì)礦井排水的處理，尤其是深度處理方面的工作在逐步展開，科技工作者積極研究礦井排水資源化的有效方法。平頂山把七礦排放的低礦化度礦井水，采用混凝－沉淀－過濾－消毒工藝，處理達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，為礦區(qū)供應(yīng)生活和和產(chǎn)用水，不僅減少了對(duì)環(huán)境的污染，而且取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。兗州南屯煤礦采用混凝劑和助凝劑復(fù)合配方，使廢水中懸浮物在普通煤泥沉淀池中沉淀處理后可達(dá)排放標(biāo)準(zhǔn)，且能滿足部分工業(yè)用水要求。徐州煤業(yè)集團(tuán)公司重點(diǎn)研究了混凝劑的配方及用量，采用在井下處理的方案，在水溝距水倉入口處入口5m處投入加堿式氯化鋁或聚硫酸鐵，并在水溝內(nèi)設(shè)置若干阻流柵條，或在水倉入口處斜坡投加聚丙烯酰胺，可使懸浮物含量由1040mg/L降至400mg/L，并用作礦區(qū)的工業(yè)用水。北京門頭溝煤礦，山西潞安五陽煤礦、四川威遠(yuǎn)煤礦等采用給水處理的傳統(tǒng)凈化工藝，使處理后的井下水作為礦區(qū)飲用水和生產(chǎn)用水。
4.1.2處理工藝
含懸浮物礦井水的污染物主要是煤、巖粉懸浮物和細(xì)菌。在礦區(qū)，這類礦井水又經(jīng)常被用作集中式生活用水供水源加以處理利用，根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)和處理后用途，去除礦井水中懸浮物和殺菌消毒是處理的關(guān)鍵。
圖4-1a和圖4-1b是含懸浮物礦井水經(jīng)常采用的兩種工藝流程。在圖4-1a工藝中，礦井水與混凝劑混合后直接進(jìn)入澄清池進(jìn)行澄清處理，上清液進(jìn)入過濾池過濾；而在圖4-1b工藝中，礦井水與混凝劑混合物，先在反應(yīng)池中進(jìn)行充分混合反應(yīng)，再經(jīng)沉淀池沉淀處理后，上清液才進(jìn)入濾池過濾處理。所以，圖4-1a的工藝優(yōu)點(diǎn)是流程相對(duì)簡(jiǎn)單，節(jié)省基建投資；而圖4-1b的優(yōu)點(diǎn)則是混凝反應(yīng)充分，效果好。在選擇工藝流程時(shí)，可根據(jù)胚體水質(zhì)情況進(jìn)行選擇確定。
圖4-1 含懸浮物礦井水處理工藝流程
4.1.3一元化凈水器
一元化凈水器是一種新穎的水處理設(shè)備，主要針對(duì)處理以懸浮物為主要污染物的廢水而設(shè)計(jì)，它將混凝、澄清、過濾等工藝集成于一體機(jī)內(nèi)。
主要特點(diǎn)：工藝可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，混凝效果高，分離率高，出水水質(zhì)高；適合處理以懸浮物為主要污染物的廢水；占地面積?。贿m合作為小型供水裝置，系統(tǒng)投資省，上馬快，操作方便，易于管理。
4.1.4一元凈化器應(yīng)用實(shí)例——平煤集團(tuán)香山礦礦井水處理工程
平燈集團(tuán)香山礦位于平頂山市西北部，距市心15km，年產(chǎn)原煤60萬t(2005年)，現(xiàn)有職工1408人。香山礦因所處地勢(shì)較高，生產(chǎn)、生活用水較緊張。該礦礦井排水主要污染物為懸浮物和細(xì)菌。為了解決該礦生產(chǎn)、生活用水問題及保護(hù)環(huán)境，香山礦于2003年7月投資建成日處理2000t的礦井水處理站。
1、處理工藝。由于香山礦在采煤過程中礦井水涌出量較少，處理水為一水平(-100m)和二水平(-380m)的混合礦井水。取礦井排水水樣進(jìn)行檢測(cè)，主要污染物為懸浮物和細(xì)菌，其他水質(zhì)指標(biāo)基本符合我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。因此，處理工藝主體采用了立體式一元凈化器，工藝流程如圖4-2所示。
圖4-2 香山礦礦井水處理工藝流程
2、工藝特點(diǎn)有如下幾個(gè)方面：
(1)一共有兩臺(tái)一元凈化器，一備一用，備用時(shí)對(duì)其進(jìn)行反洗和維修；每臺(tái)凈化器日處理量為1000t。
(2)沉淀池中的污泥排出，采用自動(dòng)和手工相結(jié)合的方式。
(3)混凝劑采用PAC，加藥量平均每噸0.1kg；消毒劑是通過一臺(tái)復(fù)合消毒劑發(fā)生器產(chǎn)生ClO2，然后通過橡膠管加入水中。
(4)過濾器中的濾料層由下至上依次為卵石、砂、活性炭和無煙煤。
3、出水水質(zhì)。凈化處理后的礦井水經(jīng)平頂山市衛(wèi)生防疫站取樣分析表明，水質(zhì)指標(biāo)符合我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。處理后部分水質(zhì)指標(biāo)見表4-1。
表4-1 香山礦礦井水處理后部分水質(zhì)指標(biāo)
指標(biāo)
數(shù)值
標(biāo)準(zhǔn)(GB5749—2006)
渾濁度
0.8
不超過3度
嗅和味
無
不得有異嗅、異味
PH
8.1
6.5~8.5
細(xì)菌總數(shù)/(個(gè)/mL)
4
100
總大腸菌群/(個(gè)/L)
0
3
游離余氯/(mg/L)
0.4
在與水接觸30min后應(yīng)不低于0.3mg/L，集中式供水除出廠水應(yīng)符合上述要求外，管網(wǎng)末梢水不應(yīng)低于0.05mg/L。
平煤集團(tuán)香山礦礦井水處理站的工程投資(基建和設(shè)備)為190萬元，礦井水處理成本約為每噸水1.0元。日實(shí)際處理量為1000t。該處理站自運(yùn)行以來，運(yùn)行狀況一直良好。不僅解決了礦區(qū)生產(chǎn)、生活用水問題，還安置了部分礦工家屬，同時(shí)解決了由于礦井水直接外排造成的環(huán)境污染問題。具有很好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。
4.2高礦化度礦井水(礦井苦咸水)處理技術(shù)
4.2.1處理利用技術(shù)
對(duì)高礦化度礦井水的處理工藝，除像含懸浮物礦井水那樣采用混凝、沉淀技術(shù)除去懸浮物外，尚需采用合適的深度處理技術(shù)降低礦井水的含鹽量，即通常所說的脫鹽。常用脫鹽技術(shù)有以下幾種。
一、離子交換法
離子交換法，是利用陰、陽離子交換劑去除水中的離子，以降低水的含鹽量。目前，這種方法是化學(xué)脫鹽的主要方法。此法用在進(jìn)水含鹽量小于500mg/L時(shí)比較經(jīng)濟(jì)，可用作高礦化度水經(jīng)分離處理后的進(jìn)一步除鹽工序。
離子交換劑具有離子交換能力，常用的水處理離子交換劑有離子交換樹脂、磺化煤、鈉沸石(4A分子篩)等，其中離子交換樹脂使用最多?？山粨Q離子為H+的強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂用符號(hào)RH表示，以H+交換Na+后形成的樹脂用符號(hào)RNa表示，兩個(gè)RH以H+交換CA2+后形成的樹脂用符號(hào)R2Ca表示?？山粨Q離子為OH-的強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂用符號(hào)ROH表示，其他交換樹脂的符號(hào)類似。
離子交換除鹽法處理高礦化度礦井水一般分兩步進(jìn)行。首先，用強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂RH中的H+交換去除礦井水中的其他所有金屬陽離子(Mm+)，飽和的樹脂用3%~4%的HCl溶液再生。RH出水吹脫，除去由HCO3-和H+生成的CO2。反應(yīng)式如下：
第二步，用強(qiáng)堿性陰離子交換樹脂ROH中的OH-交換去除水中的除OH-外的其他所有陰離子(Nn-)，飽和的樹脂用2%~4%的NaOH溶液再生。反應(yīng)式如下：
最后，所生成的H+和OH-合并為水分子H2O。
二、熱力淡化法
高溫蒸餾和低溫冷凍均屬于熱力淡化法。蒸餾法是對(duì)含鹽水進(jìn)行熱力脫鹽淡化處理的有效方法。此法以消耗熱能為代價(jià)，一般適用于含鹽量超過3000mg/L礦井水的處理。俄羅斯煤炭環(huán)保研究院曾試驗(yàn)研究出一種供礦井水淡化處理的蒸餾裝置，用于含鹽量超過5000mg/L的礦井水處理，其出水可供煤礦生活和生產(chǎn)用。蒸餾法的主要問題是須防止熱交換裝置表面結(jié)垢；其最大缺點(diǎn)是高能耗，在能源價(jià)格為斷攀升的今天成為阻礙其推廣的主要原因。因此，有人提出用煤炭固體廢物——煤矸石為燃料提供熱能，進(jìn)行高礦化度礦井水的脫鹽處理。既利用了煤矸石，又處理了礦井水。
就目前世界淡化技術(shù)的應(yīng)用情況看，蒸餾法仍是最主要的方法之一，國外大型淡化裝置的造水比高達(dá)13~14，淡水產(chǎn)率達(dá)70%以上。我國在20世紀(jì)80年代初期以前曾經(jīng)建有為數(shù)不多的應(yīng)用蒸餾法的淡化工程。但用于處理高礦化度的礦井水，國內(nèi)尚未見工程實(shí)例。
三、膜分離法
電滲析和反滲透技術(shù)，是高礦化度水脫鹽淡化處理的兩種主要膜分離技術(shù)方法。目前，在我國煤礦系統(tǒng)已有不少應(yīng)用電滲析技術(shù)進(jìn)行高礦化度礦井水脫鹽淡化處理的實(shí)例和經(jīng)驗(yàn)。
1、電滲析法
電滲析是在外加直流電場(chǎng)的作用下，利用離子交換膜對(duì)溶液中離子的選擇透過性，使溶質(zhì)和溶劑分離的一種物理化學(xué)過程。
(1)離子交換膜。離子交換膜又稱為離子選擇性透過膜，是應(yīng)用與離子交換樹脂相同 的原理產(chǎn)生的。離子交換膜分為陽離子交換膜和陰離子交拜膜兩大類。陽離子交換膜上具有的交換基團(tuán)磺酸基(—RO3H)在水中電離形成—RO3-，使固定在交換膜上的交換基團(tuán)呈電負(fù)性。在外加直流電場(chǎng)作用下，水中的最離子和陰離子將會(huì)定向移動(dòng)。水中陽離子在遇到陽離子交換膜時(shí)，先同膜面上的磺酸基結(jié)合，再在膜內(nèi)部向負(fù)極方向傳遞交換，然后通過陽膜；陰離子到達(dá)陽膜時(shí)受到—RO3-的靜電排斥力，無法通過陽膜。陰離子交換膜上的基團(tuán)是季氨基，離子選擇性透過的原理與陽膜相似，只是只讓陰離子通過。
(2)電滲析器。電滲析法除鹽是在按照電滲析原理制成的電滲析器中進(jìn)行的。電滲析器由電極部分、膜對(duì)部分、緊固裝置和附屬部件組成。核心是由電極與極框組成的電極部分，陽、陰離子交換膜和隔板組成的膜對(duì)部分。在電滲析器兩側(cè)的陰、陽兩電極之間，陽郭交換膜與陰離子交換膜交替排列，并用隔板將兩種膜隔開，構(gòu)成一個(gè)膜對(duì)，膜對(duì)間形成流水通道。原水平行進(jìn)入各隔室，在電滲析作用下，各隔室交替成為濃鹽水室(濃室)和淡水室(淡室)。在淡室中水中陽離子通過一側(cè)的陽膜向陰極方向移動(dòng)，陰離子通過另一側(cè)的陰膜向陽極方向移動(dòng)，該室出水中離子濃度降低，成為淡水。而在相鄰的濃室中，陽離子被陰膜阻擋，陰離子被陽膜阻擋，原有的和新進(jìn)入的離子都無法再進(jìn)入相鄰的淡室，離子濃度升高，成為濃水。
含鹽原水經(jīng)過電滲析器后，便可得到淡化水和濃縮液(濃水)。一般淡化水量為總進(jìn)水量的50%~70%。當(dāng)進(jìn)水含鹽量小于4000mg/L時(shí)用此法較為經(jīng)濟(jì)。
目前，我國有許多煤礦應(yīng)用電滲析設(shè)備淡化含鹽礦井水，以解決礦區(qū)生活飲用水和有關(guān)工業(yè)用水問題。如徐州張集礦于1988年采用電滲析技術(shù)作為脫鹽工藝，建立了一座日產(chǎn)淡不1500m3的高礦化度礦井水淡化處理站，該礦井水含鹽量為1600mg/L左右，總脫鹽率為70%。大同同家梁礦、甘肅阿干煤礦等也利用電滲析設(shè)備淡化含鹽礦井水。
電滲析法，工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備少，不需再生，可連續(xù)出水。但從已投入使用的淡化工程來看，存在的問題比較多，主要原因是水回收率低，一般為50%左右；易發(fā)生極化結(jié)垢；缺乏適合礦井水水質(zhì)特點(diǎn)的專用電滲析器。
2、反滲透法(RO)
反滲透法是借助于半透膜在壓力(一般為30~70kg/cm2)作用下進(jìn)行物質(zhì)分離的方法。它可有效地去除無機(jī)鹽類、低分子有機(jī)物、病毒和細(xì)菌等。適用于含鹽量大于4000mg/L的高礦化度的脫鹽處理。
(1)反滲透機(jī)理。反滲透是相對(duì)于滲透而言的。當(dāng)用半透膜把純?nèi)軇?通常是水)和溶液(或不同濃度的溶液)隔開的時(shí)候，在自然滲透作用下，純?nèi)軇┫蛉芤?或從濃度較低的溶液向濃度較高的溶液)進(jìn)行自然流動(dòng)，稱為滲透。在溶液(或濃度較高的溶液)一邊加一個(gè)比自然滲透壓更高的壓力，改變滲透方向，把溶液(或濃度較高的溶液)中的溶劑(水)壓到半透膜的另一邊的純?nèi)軇?或濃度低的溶液)中，這和自然辦正常滲透過程相反，稱為反滲透。
(2)反滲透膜。通用的反滲透膜主要有三大類：醋酸纖維素(CA膜)、芳香聚酰胺(PA膜)和復(fù)合膜。CA膜與PA膜被制成由表面至密層和支撐層組成的雙層結(jié)構(gòu)。表面為分離層；致密層之下為較厚的多孔海綿層支撐著致密層，稱為支撐層，孔徑在100nm以上，讓分離后含鹽的溶液通過，與脫鹽作用無關(guān)。復(fù)合膜由膜與基材復(fù)合而成，一般膜下基材為無紡布材料，提供反滲透膜的主要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此復(fù)合膜為表面致密層，和過渡層組成的三層結(jié)構(gòu)。性能上，反滲透膜對(duì)水中無機(jī)鹽類去除效果良好，而對(duì)某些小分子有機(jī)物的去除效果較差。
(3)反滲透裝置。實(shí)際水處理工程中不直接使用反滲透膜，而是使用由反滲透膜組裝成的反滲透裝置。該裝置的核心為反滲透膜組件。
卷式反滲透膜組件用壓力容器(膜殼)盛裝，組成反滲透裝置。工作時(shí)，原水通過壓力泵壓注進(jìn)反滲透裝置，在壓力作用下反滲透膜組件將水分享成透過水(淡水)與濃縮水。原水與中心管平行流動(dòng)，分離后的濃縮水從另一端拔出透過水穿過多孔支撐材料收集起來進(jìn)入滲透液收集管(中心管)排出。
(4)反滲透處理工藝。最基本的工藝形式有兩種：一級(jí)一段式和一級(jí)一段循環(huán)式。一級(jí)一段式工藝是原水進(jìn)入反滲透膜組件，濃縮和透過水分別被連續(xù)引出，水回收率低，很少單獨(dú)使用。一級(jí)一段循環(huán)式工藝是將部分濃水返回如弟水槽，濃縮液濃度不斷提高，產(chǎn)水率提高，但水質(zhì)有所下降。實(shí)際工程的工藝，往往根據(jù)原水水質(zhì)、水量情況以及處理要求，由基本工藝形式組合而成。
完整的反滲透水處理系統(tǒng)通常由三部分組成：預(yù)處理部分→反滲透處理部分(膜處理部分)→后處理部分。
經(jīng)過近40a的不懈努力，反滲透技術(shù)已經(jīng)取得了令人矚目的進(jìn)展。目前反滲透與組件的生產(chǎn)已相當(dāng)成熟，膜的脫鹽率可高于99.3%，透水通量增加，抗污染和抗氧化能力不斷提高，銷售價(jià)格穩(wěn)中有降。
此法與電滲析法相比，其優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品水回收率高，脫鹽率和水的純度高，投資費(fèi)用低，無污染等。缺點(diǎn)是對(duì)進(jìn)水水質(zhì)要求高；操作壓力高，能耗大；設(shè)備較復(fù)雜，易結(jié)垢。
4.3酸性礦井水處理技術(shù)
4.3.1處理利用技術(shù)進(jìn)展
由于酸性礦井水具有分布廣(在我國主要分布在南方)、危害性大、水質(zhì)比較復(fù)雜、難處理的特點(diǎn)，從20世紀(jì)60年代起，酸性礦井水已成為各國學(xué)者競(jìng)相研究的重大課題。
對(duì)于酸性礦井水的處理，一般采用石灰中和法、離子交換法、人工濕地法等，國外的研究人員從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面，對(duì)這些傳統(tǒng)的處理方法進(jìn)行了細(xì)致的評(píng)估和改進(jìn)，使之最大限度地發(fā)揮處理效率。目前，我國煤礦區(qū)水體的檢測(cè)大多僅限于常規(guī)水文地球化學(xué)指標(biāo)，還沒有對(duì)酸性礦井水的地球化學(xué)深化及環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)深入研究。僅有部分學(xué)者對(duì)淄博礦區(qū)的酸性礦井水問題進(jìn)行了初步分析。
工程治理方面，由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等諸多因素的限制，我國治理酸性礦井水大多采用石灰、石灰石中和法進(jìn)行過初步探討，但目前大多仍然停留于理論研究階段，沒有得到大范圍的實(shí)際應(yīng)用。另外，我國尚不能對(duì)酸性礦井水的產(chǎn)生進(jìn)行有效預(yù)測(cè)和預(yù)防，而根據(jù)國外經(jīng)驗(yàn)，在本性礦井水和生后再進(jìn)行被動(dòng)處理，勢(shì)必對(duì)環(huán)境造成一定的負(fù)面影響，且治理費(fèi)用數(shù)額巨大，增加了礦山企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。
總之，世界上不少國家在酸性礦井水的處理和利用方面，進(jìn)行了廣泛的研究和實(shí)踐，已取得了許多成果，積累了不少經(jīng)驗(yàn)；但現(xiàn)有的處理與回用等工藝技術(shù)還不夠完善。如按照現(xiàn)有技術(shù)水平，把酸性礦井水處理成生活飲用水，處理成本較高。因此，研究開發(fā)工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)可靠、管理方便、經(jīng)濟(jì)合理的新工藝、新設(shè)備等仍是酸性礦井水資源化的重要課題。
4.3.2入理方法與工藝
酸性礦井水的直接排放不僅浪費(fèi)了寶貴的水資源，而且還會(huì)對(duì)環(huán)境中的水體、土壤、植物造成污染。因此，如何選擇更為經(jīng)濟(jì)合理且簡(jiǎn)單高效的方法處理酸性礦井水，引起了社會(huì)與環(huán)保工作者的廣泛關(guān)注。
目前，酸性礦井水的處理方法主要有中和法、人工濕地法、生物化學(xué)法和粉煤灰吸附中和法等。酸性礦井水處理后一般是達(dá)標(biāo)排放，或回用作為對(duì)水質(zhì)要求不高的工業(yè)用水，資源化水平還較低。就現(xiàn)有技術(shù)水平，把酸性礦井水處理成生活飲用水，處理成本較高，經(jīng)濟(jì)上不合理。
一、中和法
中和法是目前酸性礦井水常采用的處理方法，適合做中和劑的有石灰、三類石等堿性物質(zhì)，此外，大理石、白云石、堿性廢渣，如電石渣也可用做中和劑。選擇何種中和劑取決于中和劑的反應(yīng)性、適用性、價(jià)格及運(yùn)輸是否方便等因素。
1、石灰乳法。將生石灰(CaO)加水配制成5%左右的石灰乳—Ca(OH)2，加入酸性礦井水中和池(帶機(jī)械攪拌裝置)內(nèi)進(jìn)行中和反應(yīng)，再經(jīng)沉淀池沉淀，過濾后清水可達(dá)標(biāo)排放，或回用做一般工業(yè)用水。該工藝中，Ca(OH)2中和酸性礦井水中的H2SO4，使出水 的pH升至國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)6.0~9.0，并產(chǎn)生微溶的CaSO4沉淀；酸性礦井水中含有的Fe、Al、Mn等有害金屬離子與Ca(OH)2反應(yīng)生成這些金屬的氫氧化物，沉淀后被除去。
該法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，管理方便，對(duì)水量、水質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)。但在處理的水量大時(shí)，因石灰的用量大，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較高。
2、石灰石中和滾筒法。該方法是指利用石灰石作為中和劑，酸性礦井水在滾筒中被石灰石所中和的處理方法。滾筒式中和機(jī)目前已有定型設(shè)備——KSJ型酸性水處理機(jī)，處理能力為5~120m3/h。其出水再經(jīng)沉淀可外排。該方法對(duì)濾料粒徑要求不太嚴(yán)格，水質(zhì)變化的適應(yīng)性也強(qiáng)，操作簡(jiǎn)便，工作環(huán)境好，處理的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用也較低。但設(shè)備工作噪聲大，當(dāng)處理水量大時(shí)，其初期投資也較高，反應(yīng)生成的CaSO4沉淀易造成滾筒的堵塞，去除Fe2+離子的效果不佳。
3、石灰石升流膨脹過濾中和法。變速升流膨脹中和濾池是一個(gè)上大下小的圓形水泥結(jié)構(gòu)池。是以細(xì)小石灰石顆粒(d≤3mm)為濾料，裝在濾池的下部，酸性礦井水自濾池底部進(jìn)入濾池，變速上升水流作用使濾料膨脹，濾料顆粒間相互摩擦，產(chǎn)生新鮮面，從面使中和反應(yīng)沿著流線方向連續(xù)不斷地進(jìn)行。其出水再經(jīng)沉淀后即可排放。本工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行費(fèi)用小，處理成本低，管理操作簡(jiǎn)便，工作環(huán)境好，當(dāng)進(jìn)水的pH發(fā)生變化時(shí)，只需要建造大型濾池，投資高，占地面積大，石灰石的破碎篩分也給管理帶來了不便，同時(shí)，它與石灰石中和滾筒法一樣，也在著除Fe2+效果差，當(dāng)原水懸浮物含量高時(shí)，濾池易堵塞等缺點(diǎn)。
4、石灰石曝氣流化床處理方法。是我國開發(fā)研究的一種較新的工藝。酸性礦井水進(jìn)入流化床，與床中石灰石填料產(chǎn)生的中和反應(yīng)，生產(chǎn)的H2CO3在來自空壓機(jī)空氣的曝氣作用下，迅速分解成CO2和H2O，使酸性礦井水得到中和處理。其出水再經(jīng)沉淀后即可排放。曝氣的目的除了溶氧和散除CO2外，還可避免包固現(xiàn)象[中和反應(yīng)產(chǎn)物CaSO4和Fe(OH)3包在石灰石顆粒表面]。
二、人工濕地生態(tài)工程法
利用人工濕地處理酸性礦井水是國外近年來研究的一項(xiàng)新技術(shù)。該系統(tǒng)的單元結(jié)構(gòu)是一個(gè)透水或不透水的塘，在塘內(nèi)填充土壤或沙、卵石、礫石、煤渣等單介質(zhì)和混合物。按水流狀態(tài)又可設(shè)計(jì)成表面水流型和地下水一次型，前者是水流過介質(zhì)表面和介質(zhì)上種植的水生植物，后者是以滲濾流的形式穿過介質(zhì)和植被的根系。
人工濕地對(duì)酸性礦井水的凈化機(jī)理一般認(rèn)為是物理、化學(xué)和生物共同作用的結(jié)果。它集沉淀、吸附、氧化、微生物合成與分解代謝、植物的代謝與吸收作用于一體，可達(dá)到良好的出水水質(zhì)。人工濕地的基本結(jié)構(gòu)形式，選擇合適的水生植物種類，注意進(jìn)水量、水深、停留時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)的控制和調(diào)整。
該工藝具有運(yùn)行可靠，易于管理，投資省，無需處理污泥等高效低耗的優(yōu)點(diǎn)，是很有發(fā)展前途的污水處理新工藝。人工濕地處理系統(tǒng)對(duì)我國經(jīng)濟(jì)尚不發(fā)達(dá)、技術(shù)力量相對(duì)薄弱的現(xiàn)狀更具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但人工濕地處理系統(tǒng)也也占地面積大，寒冷地區(qū)冬季的處理效果差等缺點(diǎn)。
三、生物化學(xué)處理法
生物化學(xué)處理含F(xiàn)e2+離子酸性礦井水是目前國內(nèi)外研究比較活躍的處理方法。在美國、日本等國家已進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。其原理是利用氧化亞鐵硫桿菌，在本性條件下將水中的Fe2+氧化成Fe3+，然后再利用石灰石進(jìn)行中和處理，以實(shí)現(xiàn)酸性礦井水的中和及除鐵。生物化學(xué)處理法隊(duì)運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便等優(yōu)點(diǎn)外，其顯著的特點(diǎn)還在于處理后的沉積物可以用來生產(chǎn)氧化鐵紅和聚合硫酸鐵，變廢為寶，綜合利用；其缺點(diǎn)是反應(yīng)器體積大、投資高，酸性礦井水成分復(fù)雜，常含有一些不利用的重金屬(如Pb、Zn等)，對(duì)生物具有抵制作用。
四、粉煤灰吸附—中和處理法
粉煤灰不僅含有堿性氧化物，而且蛤有一定的吸附特性。中國礦業(yè)大學(xué)張雁等人1994年采用粉煤灰處理模擬酸性礦井水的試驗(yàn)研究，取得了顯著效果。研究結(jié)果表明，粉煤灰不僅可中和酸性礦井水，而且對(duì)水中Fe2+離子的去除可達(dá)95%~100%。
粉煤灰對(duì)酸性礦井水的中和反應(yīng)為負(fù)反饋反應(yīng)，中和反應(yīng)速度常數(shù)明顯受起始pH的影響，反應(yīng)時(shí)間一般為20~30min。雖然粉煤灰對(duì)Fe2+離子的去除機(jī)理尚待進(jìn)一步的研究，但因粉煤灰的來源廣泛，取材容易，價(jià)格低廉，因此用它來處理酸性礦井水，無疑又開辟了一條以廢治廢的環(huán)保之路。
4.4含(高)氟礦井水處理技術(shù)
4.4.1處理利用技術(shù)進(jìn)展
我國含氟地下水分布廣泛，尤其是在西北干旱地區(qū)，約有7000萬人飲用含氟量超標(biāo)的水，導(dǎo)致不同程度的氟中毒。含氟廢水的處理譯意風(fēng)多種，國內(nèi)外常用的方法大致分為兩類，即沉淀法和吸附法。除這兩類工藝外，還有冷卻法、離子交換樹脂除氟法、活性炭除氟法、超濾除氟法、電滲析法，但至今很少推廣應(yīng)用于除氟工藝，主要是因?yàn)槌杀靖摺⒊实汀?
對(duì)于高濃度含氟廢水，一般采用鈣鹽沉淀法，即向廢水中投加石灰，使氟離子與鈣離子生成CaF2沉淀面除去。該工藝具有方法簡(jiǎn)單、處理方便、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但存在處理后出水很難達(dá)標(biāo)、泥渣沉降緩慢且脫水困難等缺點(diǎn)。近年來有些研究者提出在投加鈣鹽的基礎(chǔ)上聯(lián)合使用鎂鹽、鋁鹽、磷酸鹽等工藝，處理效果比單純加鈣鹽效果好。
氟離子廢水的絮凝沉淀法常用的絮凝劑為鋁鹽。鋁鹽投加到水中后，利用Al3+與F-的絡(luò)合以及鋁鹽水解中間產(chǎn)物和最后生成的Al(OH)3礬花對(duì)氟離子的配體交換、物理吸附、卷掃作用去除水中的氟離子。
吸附法除氟的常用吸附劑主要有活性氧化鋁、斜發(fā)沸石、活性氧化鎂，近年來還報(bào)道了氟吸附容量較高的羥基磷灰石、氧化鋯等。吸附法一般將吸附劑裝入填充柱，采用動(dòng)態(tài)吸附方式進(jìn)行，操作方便，除氟效果穩(wěn)定，但存在吸咐容量低、處理水量小的缺點(diǎn)。
4.4.2處理方法與工藝
含氟礦井水的除氟方法主要有混凝沉淀法、離子交換法、電凝聚法、電滲析法等。
一、混凝沉淀法
1、石灰乳沉淀法
加適量的石灰乳于高氟礦井水中，在軟化硬水的同時(shí)，除去部分F-離子，生成CaF2沉淀。但是不能