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煤礦廢水處理工藝及應用分析論文
長期以來，大規模的煤炭開發利用給當地的生態環境造成了嚴重破壞，尤其在煤礦開采過程產生大量廢水，對周邊自然水體和土壤構成了嚴重威脅。據調查，不考慮廢水利用，我國每年外排礦井廢水約22 × 108m3。大量煤礦廢水排放不僅給水資源缺乏的當地帶來巨大供水壓力，而且對周邊地下水、地表水和土壤造成嚴重污染。因此，對煤礦廢水的治理勢在必行。
1 煤礦廢水來源及分類
1. 1 煤礦廢水的來源
煤礦廢水在煤礦建井和煤炭開采過程中，由地下涌水、防塵灑水、設備冷卻水等匯集而成。其水質取決于礦區地質環境和煤層礦物成分。一般而言，煤礦廢水主要來源于地下涌水，因此污染程度較輕，水質與一般城市污水性質類似，但其中含大量懸浮物和礦化物。
1. 2 煤礦廢水的分類
煤礦廢水按其污染程度可以分為潔凈廢水、懸浮物廢水和高礦化度廢水三種。潔凈廢水水質較好，經過簡單的消毒處理后可直接作為工業用水或生活飲用水，甚至經過深度處理后制成礦泉水; 含懸浮物廢水通過混凝沉淀、過濾消毒等處理工藝后才可排放或回用; 高礦化度廢水含有大量無機鹽，礦化度一般在1000mg /L 以上，且硬度較高，須經過脫鹽處理。
煤礦廢水按pH 值可以分為酸性廢水( pH < 6. 5)、中性廢水(6. 5 < pH < 8. 5)、堿性廢水( pH > 8. 5) 三大類。我國中部和北方地區煤礦廢水多呈中性或弱堿性，南方地區存在一定的酸性廢水。酸性煤礦廢水中鐵、錳等重金屬含量較高，總硬度和礦化度較高。其傳統處理方法采用聚合氯化鋁(PAC)、聚丙烯酰胺( PAM) 進行石灰中和沉淀法，另外，利用高分子生物絮凝劑處理酸性廢水也是目前的研究熱點之一。
2 煤礦廢水常見處理工藝
20 世紀70 年代末，我國開始對煤礦廢水進行處理，常見的處理工藝流程為混凝、沉淀、過濾、脫鹽和消毒等，處理出水作為生產或生活用水。
2. 1 潔凈廢水、含懸浮物廢水的處理
潔凈廢水、含懸浮物廢水常見的處理工藝流程如圖1所示。廢水經調節池去除廢水中較大顆粒懸浮物，經泵房提升后進入澄清池或沉淀池，在池前投加混凝劑和絮凝劑以去除廢水中膠體態懸浮物，經沉淀后自流進入濾池過濾，然后消毒，出水回用或達標排放; 調節池、澄清池和濾池產生的底泥經污泥濃縮后壓濾成泥餅外運。
處理中混凝劑和絮凝劑的選擇至關重要。PAC 效果好，且成本低采用較為廣泛，但因其對生物體的毒害作用，從而推進了鐵鹽的應用。聚合鋁鐵(PAF) 和聚合氯化鋁鐵(PAFC)是目前較為常見的鐵鹽。前者腐蝕性較強且出水帶褐色，故需慎重選取，而后者各方面具有較好的效果，成為聚鋁和聚鐵的替代品。PAM 良好的吸附和架橋作用成為目前首選的絮凝劑。
沉淀池(澄清池)和過濾是處理流程中的主要處理單元。常見的沉淀池有斜板( 管) 式沉淀池和平流式沉淀池。常見的澄清池有機械加速澄清池和水力循環澄清池。常見過濾設施有普通快濾池和重力式無閥濾池。各種構筑物在其負荷、占地、水質適應性、施工容易度、造價等方面各有利弊，在選用時宜根據當地條件進行選取。
2. 2 高礦化度廢水的處理
高礦化度煤礦廢水一般在圖1 處理工藝流程基礎上增加脫鹽工藝，其關鍵在于脫鹽。硫酸鹽和硬度的去除是除鹽的難點。常見的脫鹽方法有離子交換法、熱力法和膜分離法等。常見的3 種脫鹽方法的原理、適應范圍及其優缺點見。
各種脫鹽方法使用條件不同，實際處理過程中可根據廢水水質、當地自然、地理和經濟等條件進行合理選用。
2. 3 酸性煤礦廢水的處理
酸性煤礦廢水危害礦井安全、嚴重污染生態環境和處理困難，一直為環境工作者研究的熱點和難點。目前，針對酸性煤礦廢水的處理主要有中和法、微生物法和人工濕地法。
3 工程案例分析
實際的煤礦廢水中，懸浮物、礦化度、酸性等水質常常表現為2 ～ 3 種同時出現，因此在處理此種較為復雜的煤礦廢水時需要引起足夠重視。
3. 1 含懸浮物和高礦化度礦井水的處理
銀洞溝煤礦位于寧夏回族自治區固原市六盤山下的彭陽縣境內，屬于水資源相對較匱乏地區，將礦井水凈化處理后可作為礦井的生產、生活水源。該工程自2012 年11月完工投產以來，每天可產出2000m3 脫鹽產品水，基本上解決了礦井生產和生活用水的需求。銀洞溝煤礦廢水采取間歇排放，水量為3000m3 /d，其水質指標見表3。該廢水懸浮物含量不穩定，懸浮物濃度差異也較大，懸浮物粒度小、比重輕、沉降速度慢。懸浮物顆粒粒徑較小，平均只有2 ～ 8μm，約85% 的粒徑在50μm以下，煤粉平均密度僅有1. 3 ～ 1. 5g /cm3 ，遠低于地表水系中泥沙顆粒物平均密度(2. 4 ～ 2. 6g /cm3 )。該廢水中礦化度(無機鹽總含量) 大于1000mg /L， 主要含SO2 -4 、Cl -、Ca2 +、Mg2 +、K +、Na +、HCO -3等離子，硬度相應較高，水質多數呈中性或偏堿，帶苦澀味。另外，由于井下綜采設備的機油及乳化油等污染，廢水中含有少量的油類。銀洞溝煤礦含懸浮物和高礦化度礦井水的處理工藝流程圖。
其進水中顆粒物主要呈膠體態物質且密度較小，2 次投加混凝劑后有利于形成大顆粒礬花，通過斜管沉淀去除，然后輔以多種過濾設施。對溶解性離子的去除主要通過反滲透工藝單元。經上述工藝處理后，其反滲透出水水質指標。該煤礦廢水處理成本為4. 96 元/m3 ，其中人工費0. 55元/m3、電費1. 67 元/m3、藥劑費1. 20 元/m3、維護及折舊費1. 54 元/m3。
3. 2 高鹽、高鐵酸性礦井水的處理
汾西礦業集團公司下屬煤礦廢水為典型的高鹽、高鐵酸性廢水，其水質情況見表5。針對該水質情況，提出了礦井水處理工藝。該煤礦廢水為間歇排放，水量為1800m3 /d，pH 值為2. 63。處理中采用純堿(NaCO3) 作為中和藥劑降低其酸性從而有利于Fe2 + 氧化，然后通過混合和斜板沉淀去除Fe3 + ; 通過錳砂過濾去除Mn2 + 和未氧化的部分Fe2 + ; 通過反滲透RO 去除溶解性的離子，水的回收利用率約為75%，出鹽率為99. 5%，最后通過ClO2消毒去除微生物。
酸性廢水直接影響混凝效果，因此工藝開始即對pH 值進行調節，通過樣氧化作用使其低價離子氧化成高價離子，然后通過混凝沉淀過濾得以去除部分離子，溶解態離子則通過RO 去除。經上述工藝處理后，其出水水質。通過上述兩個工程實例比較可以看出，銀洞溝煤礦廢水，由于懸浮態物質含量較高，導致其總出水中離子( 主要為懸浮態)含量仍然較高，TDS 的去除率為81. 2%; 汾西礦業集團公司下屬礦礦井廢水，雖然TDS 含量遠遠高于銀洞溝煤礦廢水中TDS，但其懸浮物含量僅為59mg /L，經pH值調節后混凝沉淀過濾的效果較好，TDS 的去除率高達99. 7%。由此看出，實際廢水中懸浮物形態含量是影響其脫鹽效果的關鍵因素，同時也說明，酸性廢水處理中pH 值的調節的重要性。
4 結語
面對日益嚴峻的水資源短缺和水環境惡化問題，采用技術可行、經濟合理的廢水處理工藝是當今污水治理發展的必然趨勢。煤礦廢水處理應充分依據廢水水質，提出相應的處理構筑物，在選取混凝劑、絮凝劑和中和藥劑時要綜合考慮技術和經濟因素，最后制定出較為合理可行的工藝處理流程，并在考慮達標排放的同時考慮其回用，這樣既為礦區提供新的水源，減小水資源利用壓力，又可保護礦區周邊水體和土壤環境，實現可持續性發展。
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