煤矿矿井水处理设备
侯志英
[摘 要]加速矿井水资源的开发和利用，寻求先进而又经济可行的工艺和技术处理矿井水作为生产和生活用水，已成为保证煤矿正常生产经营，提高企业综合效益，实现可持续发展的必由之路。
[关键词]煤矿矿井；水处理；常见问题；对策
中图分类号：X752 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）24-0019-02
引言
我国煤炭资源丰富，年产量居世界之首，一般情况下，每挖1吨煤，矿坑排水量约0.88m3，但大多数煤矿，每挖1吨煤可排放2～3m3的水，目前国内特大型矿井煤炭年产量达到2000万吨，矿井年排水量大多在1000万吨以上，其再利用率目前还不到20%～30%，水资源浪费惊人。而在煤炭开采大量破坏和排放水资源的同时，为了维持矿区的正常生产和生活，又必须打深井大量抽取地下水。随着矿区生产的发展和人口的增加，用水量越来越大，井越打越深，抽取地下水越来越困难，费用也越来越高，矿区工农业用水日益紧张。
一、矿井水的分类与特征
1、煤矿矿井水分类
（1）洁净矿井水。即未被污染的地下水。基本符合饮用水标准，可开发为矿泉水。
（2）含悬浮物矿井水。其水量约占我国北方部分重点国有煤矿矿井涌水量的60%。水质呈中性，含有煤粉、岩粒等大量的悬浮物。长期外排，会破坏景观、淤塞河道，影响水生生物及农作物的生长。
（3）高矿化度矿井水。水中含有SO42-、Cl-、Ca2+、K+、Na+等离子，水质多数呈中性和偏碱性，带苦涩味，俗称苦咸水。又可分为微咸水、盐水。不能直接做工农业用水和生活用水。
（4）酸性矿井水。水质pH值小于5.5，当开采含硫高的煤层时，硫化物受到氧化与升华作用产生硫酸，而使水呈酸性。目前酸性水一般处理后达标排放或会用于一些对水质要求较低的工业用水。
（5）含特殊污染物矿井水。这类矿井水主要指含氟矿井水、含微量有毒有害元素矿井水、含放射性元素矿井水或油类矿井水。
2、煤矿矿井水特征
矿井水没有被污染之前同一般性质的地下水相同，水质特征则受到含水层岩性以及水利状况影响，较多矿井水为偏碱性或者中性水，矿化程度较小，而毒性成分物质总体含量则通常在检出标准之下。然而，煤矿资源生产开采阶段中，矿井水受到采煤工作的影响，在流经工作面以及煤矿巷道之时，便会在人为操作的影响下，令煤炭粉、岩粉以及他类有机物进入水中，形成污染影响。水则逐步变成黑色，并包含较多悬浮颗粒、杂质以及微生物成分。应明确的是，煤矿矿井水含有的悬浮物成分主体为煤粉以及岩粉，通常呈灰黑颜色，其景观以及感官性质均相对较差。同时，悬浮物质的总体含量并不稳定，相同矿井在不同阶段排水的总体浓度也存在较大差别。通常来讲，煤矿井排水总量越高，其中的悬浮物含量越小。在矿井水排至地面前期，会位于井下水仓内留置四到八小时。矿井下水仓等同于较大的平流沉淀池，通常体积大的颗粒可形成沉淀。一般状况下，通过井下水仓经历沉淀过程的矿井水，总体含有悬浮物的百分比均符合排放标准要求。然而，在矿井水仓之中经过一定时间沉淀之后，将令煤泥总体沉积厚度提升，并降低其贮水空间，将令沉淀的过程有所减短，进而影响沉淀效果。再加上排水泵在吸水过程中形成的扰动影响，会令已经沉淀的煤泥在水泵戏水过程中重新带回到地面，令煤矿矿井水含有悬浮物的比例有所提升。由此不难看出，煤矿矿井水含有悬浮物的浓度水平，不单纯的受到煤质状况以及开采生产涌水量高低的影響，同时还相关于水仓总体清理频率以及排水泵设施的吸水操作方式。另外，不同的煤矿矿井，由于地理位置、地质环境的不同，令矿井水质中不仅包含悬浮杂质，还会具有一些有机污染成分。因此在应用水处理措施阶段中，应合理的设置必要装置。例如处理COD可设置曝气装置，提升整体处理水平。
二、煤矿矿井水处理工程常见的问题
通过进行调查发现，矿井水进行处理过程中具有以下问题：
1、调节池对矿井水的调节以及预沉效果较差
煤矿生产自身就具有很多的特殊性，正是因为这些特殊性的存在，矿井中所排放的水量以及排水的水质存在较大的变化性，一般矿井排水时间都会选择在用电低峰期间进行排水，排水时间一般都会持续3至4小时，如此长时间的排水必然要求排水口需要足够大的调节池，但现今我国矿井水处理工程中排水口的排水池大都较小，不能够满足大排量排水对排水池的需要。因为调节池的容量不能够满足需要，很多矿井水处理工程中甚至没有对排泥设施进行考虑过，导致排泥过程中出现堵塞和不畅的现象，污泥池占据的空间过大，导致调节池在处理矿井水的过程中不能发挥出自身的作用，对矿井水后续处理以及矿井水处理系统的运行造成了严重的影响。
2、土建以及安装工程质量非常差
经过调查发现，土建和安装施工在矿井水处理工程的建设中不能满足质量要求，由于池体严重渗水、构筑物表面不光滑以及不正确安装设备管道等问题，对矿井水的处理效果造成了直接影响。
3、消毒系统没有正常运行
由于工业生产是矿井水经过处理后的主要用途，因此大部分处理工艺中都没有正常的运行消毒系统，这种观念是错误的，认为工业用水中不需要对矿井水进行处理。但是矿井水经过处理后即使在工业生产中使用，也要对消毒问题进行考虑，如将处理后的矿井水用于井下防尘，就应该对矿井水实施消毒。
4、自动化程度较低
当前由于矿井水处理过程中大部分都属于手动操作，提高了工人劳动强度，对运行效果造成了影响。如由于需要手动操作加药系统，因此不能很好的控制加药量，极大影响到矿井水的处理效果。同时由于部分矿井水处理工程属于新建，而新招入的工人操作技能不够熟练，没有深入的了解水处理的基本原理，因此导致处理效率较低。
5、一体化净水器自身的处理效果达不到要求
一体化净水器的功效非常集中，自身拥有反应池、沉淀池和过滤池的作用，在实际使用过程中也不会占据太大的空间，而且自身的反应、过滤和调节的作用非常突出，但现今一体化净水器存在的主要问题是在设计过程中所没有对参数进行正确的选择，设计过程中往往忽视了排水量，导致实际一体化净水器不能够满足矿井水处理量的处理需要，一体化净水器在设计之后经常出现只能够反应、过滤和调节二分之一的排水量，并且因为设计过程中没有正确对参数进行选择，导致处理之后的矿井水质量不合格，不能够进行回收使用。笔者在调查过程中发现，只有一个矿井水处理站在使用一体化净水机拥有良好的矿井水处理功能。
6、在处理污泥的过程中存在很多严重的问题
通过调查发现，有半数以上的矿井水处理站在处理矿井水过程中为运行污泥系统，问题大都存在于脱水设备中。现场的实际情况显示出，板框压滤机、离心脱水机以及带式压滤机是矿井水脱水设备的三种重要类型。离心脱水机在实际工作中的脱水效果相比于其余两种最差，在脱水中仍会含有较多的污泥，并且运输过程中也会面临诸多难题。在煤炭洗选行业中应用最为广泛的便是板框压滤机，板框压滤机同样存在操作复杂的缺陷，对污泥的处理效果也较低，带式压滤机中新型立毛式脱水效果最好，但在实际中很难普及，主要是因其价格较为昂贵。
三、煤矿矿井水处理对策
1、项目建设规模的合理性
矿井水处理建设规模主要控制指标是其日处理能力及其处理要求。根据矿井水水质要求，一般处理站均采用分质处理。全部矿井涌水可由排水泵排入矿井水处理站，经常规处理后一部分供给矿井水及选煤厂生产用水，另一部分经深度处理后，用于井下消防洒水。矿井水分质处理能力应依据本矿井井下涌水及井下排水状况具体分析。在分析井下涌水量时，不仅要考虑正常涌水量，还应考虑其最大涌水量，综合两者分析。矿井水水质受所在地地下水补给条件、降雨、煤层、顶板岩性及构造等影响，原水水质相差甚远。因此，分析其水处理要求时，应根据其矿井水原水水质具体分析。矿井水本身的水质主要受当地水文地质、气候、地理等自然条件的影响。其中深度处理的出水水质一般要求消毒后符合《生活饮用水卫生标准》。
2、优化煤矿矿井废水与污泥处理措施
煤矿井下水废水处理同样尤为重要，可令其通过预沉调节池处理，形成沉淀，并做好水量的优化调节，令水质变得均匀，并良好的中和其酸碱性。经过处理后，水质将以均匀状态从潜水泵上升到絮凝池，一同流进调节池的还包括污泥浓缩池之中的污水，通过循环处理，可令污废水得到良好的净化。该处理环节中混凝操作较为重要，可向废水之中添加混凝以及助凝剂，令其形成絮状，并在该阶段中持续吸附悬浮颗粒，将有机物质良好的溶解，絮粒则可在沉淀条件作用下由水中逐步分离并良好的沉淀。虽然，原水为井下水，然而由于在煤矿区进行开采生产，进而会令水质受到不良污染影响。由井下涌水上升至絮凝池，令其同混凝剂以及助凝剂充分混合，进入斜管沉淀池，将在较强的吸附架桥影响下，将细微分散悬浮物处理形成粗大密实颗粒悬浮物，进而逐步沉淀，而后则可应用沉淀方式将其有效去除。由斜管沉淀池流出上清水可通过无阀过滤池，令其在石英砂作用下，有效的将没有全部沉淀杂质良好截留。该阶段中，应定期对无阀过滤池实施良好的反冲洗，完成过滤处理清水可在矿井除尘中发挥优质作用。另外，我们可科学利用污泥微排措施，在斜管沉淀池下形成沉淀污泥通過排泥电磁阀实现微排并进入污泥浓缩池。该阶段中，基于污水体现的波动性，将领斜管沉淀池经常形成底部污泥向上翻问题，因此应不定期进行排泥处理。然而并非将斜管沉淀池排泥阀开启，并待其自动关上便可实现去除污泥的目标。实际应用阶段中，倘若全面开启电磁阀们，会导致污泥快速流动，则更易形成上翻问题，并对清水水质形成不良影响。电磁阀开启往往需要一段时间，因此可适应性降低其开启时间，令阀门开启固定角度，进而抑制污泥快速流动，确保稳定匀称的完成排泥处理，不至于引发上翻问题。
3、正确使用水处理工艺
3.1 含悬浮物矿井水处理
含悬浮物矿井水当中存在非常多的悬浮物，例如粉、岩、煤粒等，通常的颜色是黑色，然而其总矿化度和硬度比较低。悬浮物的一个重要特性是在动水当中的状态是悬浮的，然而能够由静水当中加以分离，重的下沉，轻的上浮。结合悬浮物的特点，沉淀和混凝是净化处理工业用水的关键技术策略。在处理水的工艺当中，混凝这个环节非常关键，混凝剂的选择原则是强、重、大矾花的形成，能够实现理想的静水效果，不会影响到水质，价格低廉，且具备充足的货源。铁盐与铝盐混凝剂是经常用到的混凝剂。混合的过程是在水中均匀地分散药剂，需要尽快地跟原始均匀地混合，确保水当中的所有胶体杂质都可以跟药剂产生反应。加入混凝剂的原水在混合之后，聚集在水当中的胶体杂质能够使比较大的矾花颗粒形成，去除是在沉淀池当中。在过滤与消毒之后能够跟生活用水的指标相符合。
3.2 酸性矿井水处理
酸性矿井水是由于硫化物存在于围岩或者是煤层当中，硫化物接触到氧气跟水之后，通过氧化分解转变成为游离酸，在煤中含有的碳酸盐跟其它碱性物质不能够完全中和的情况下，矿井水是酸性的。这样的矿井水PH值通常在2—5间，并且水中具备高浓度的铁离子和硫酸根离子。酸性水能够溶出岩石与煤当中的金属元素，增加重金属的含有量，游离酸还能够跟一些碳酸盐矿物进行反应，为此，水也具备高的矿化度与硬度。酸性矿井水的关键处理技术是中和，一般应用电石渣、石灰石、石灰乳等作为价格便宜的中和剂。结合不同的工艺要求，能够实施石灰石中和滚筒法和投加石灰石法等。除此之外，还应用粉煤灰处理、微生物处理、人工湿地处理等一系列的技术。
3.3 高矿化度矿井水处理技术
在处理高矿化度矿井水时，一般采用反渗透处理方法，但是由于其水质成分的特殊性，常在处理过程中产生膜状物质，堵塞反渗透的继续进行。因此需要做好反渗透的预处理工作。
研究发现，传统的反渗透预处理技術，其主要利用混凝沉淀过滤原理，一些反渗透处理技术还在反渗透前增加了活性炭处理工艺。矿井水工程处理实践证明，高矿化度矿井水采用单级过滤处理工艺不足以达到SDI<4的指标。而采用活性炭，其在处理的早期吸附效果比较好，但是当其吸附处理一定时间段后，它的吸附作用达到饱和，若不及时再生，将会生长出微生物，阻碍了活性炭的吸附性能。
这几年，随着膜技术的快速发展，在反渗透的前期预处理采用超滤技术，减少了微生物的生长，提高了矿井水的处理水质质量。但其较活性炭的成本较高，因此影响它的普及应用。
3.4 含特殊污染物矿井水处理
3.4.1 含氟矿井水处理技术
含氟矿井水的氟浓度一般在1～10mg/L，如果矿井水处理后作为饮用水，我国规定生活饮用水不超过1mg/L。含氟矿井水的处理方法主要有活性氧化铝法、电渗析法、电凝聚法、絮凝沉淀法等。絮凝沉淀法由于需要投加大量铝盐才能去除少量的氟，所以适合矿井水含氟不大于4mg/L，且水量小于30m3/d。由于适合的水量较小，絮凝沉淀法实际在煤矿矿井水处理除氟中基本没有应用。电渗析法除氟主要适合高含盐量的矿井水的一并处理。目前，在煤矿应用较多的除氟工艺是活性氧化铝法。活性氧化铝是一种白色颗粒状多孔吸附剂，由各种含水氧化铝煅烧而成，具有很大的表面积，其吸附交换能力随着比表面积的增大而强化。在除氟和再生过程中，铝离子起关键作用，形成了铝氟配合物，与氟离子的交换反应如下：Al203·Al2（S04）3·nH20+6F-=Al203·2AlF3·nH20+3SO42-；含氟矿井水处理工艺流程：含氟含悬浮物矿井水—预沉调节池一去悬浮物净化处理系统—活性氧化铝过滤除氟系统一出水供用户。
3.4.2 含铁矿井水处理技术
大多数含铁矿井水的铁含量一般在10mg/L以下，pH值在6～7，除铁处理后出水可作为工业用水。含铁矿井水处理方法和原理是将二价铁氧化成三价铁，再采用过滤去除铁。铁的氧化法主要有充氧氧化法、氯氧化法、高锰酸钾氧化法、臭氧氧化法等。过滤采用的滤料主要有石英砂、无烟煤或锰砂滤料。
采用充氧氧化法的除铁工艺流程：含铁含悬浮物矿井水一预沉调节池一去悬浮物净化处理系统—氧化过滤除铁系统一出水供用户。
结语
我国煤矿矿井水年排放量约为22亿t，而矿井水的资源化利用率仅在20%左右，大量未经处理的矿井水直接排放，不仅污染了环境，而且还浪费了宝贵的矿井水资源。我国煤矿企业多分布在干旱和半干旱地区，水资源较贫乏，约2/3的煤矿缺水和严重缺水，生产和生活用水紧张，在相当程度上制约了煤炭生产和矿区经济的可持续发展。保护矿区地下水和地表水的自然平衡；可以解决过度开采地下深井水带来的环境问题，改善煤矿企业和周围村庄之间的关系；可以解决矿区用水量日益增加和水资源越来越短缺的矛盾，保证煤矿企业的正常生产和经营，提高煤矿企业的综合效益，促进矿区的可持续发展。
参考文献
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[2] 李万学，王素娜.成庄矿矿井水处理技术研究与应用[J].科技情报开发与经济，2007，17（18）：170～171.
