金家渠煤矿多污染物有效处置技术集成及应用

吕兆海 冯耀东 牛风雪 刘兴龙 靳亚军 祝振洲 叶文清

(国家能源集团宁夏煤业有限责任公司，宁夏回族自治区银川市，750001)

采矿活动产生的多污染物将对生态系统的结构和功能产生不良影响，造成生态环境破坏，凸显水体污染、水资源流失、地表塌陷、耕地破坏、植被覆盖率降低、矸石堆积、大气污染等问题，如何将开采活动对生态环境的影响降低到最小程度是煤炭开发亟待解决的重大实践问题[1]。西部能源“金三角”(晋陕蒙宁甘)境内探明的煤炭储量和产量约占全国的2/3，其核心区(宁东、鄂尔多斯和榆林)煤炭储量占全国的27%，但境内生态环境相对脆弱，水资源供需矛盾突出，属重度缺水区，煤炭开采与地下水保护和利用问题亟待解决。煤矸石长期露天堆存容易引起矸石自燃、进而排放粉尘和有害气体。国内外学者及煤炭企业针对煤矿多污染物处置及生态系统修复进行了大量课题研究，谢和平针对生态环境损害治理，建立科学产能综合评价体系，提出了生产绿色度概念[2]；袁亮提出绿色煤炭资源评价方法，并将生态恢复度作为一项重要评价指标[3]。欧盟和美国对人工湿地处理矿井水进行了研究和推广应用；神东矿区以超大尺度工作面采空区为储水空间，通过施工煤柱和人工挡水坝体，构筑煤矿地下水库30余座，储水量约为2900万m3，复用量约为2000万m3/a，实现了地下水井下存储复用[4]；宁东煤炭基地将南部马家滩矿区矿井水处理达标后排至南湖工程，经二次提标处理后供给规划园区，用作园区内电厂循环冷却用水、电厂化水车间用水和化工厂生产用水[5]；唐山市政府在采煤沉降形成的水域基础上，对周边矸石场及废弃场地进行整治，将其建设成滨湖景观区；唐山煤矿应用采、选、充一体化技术，将地表矸石通过垂直投料系统送至井下，且将开采的煤炭在井下洗选，洗选矸石直接用于采空区充填[6]。结合新建矿井面临的多污染物问题，本文也进行了多污染物有效管控与处置的工程实践。

1 新建矿井面临的多污染物污染问题

我国首部绿色矿山建设行业标准《非金属矿行业绿色矿山建设规范》(DZ/T 0312-2018)已于2018年10月1日起正式实施，规范提出在矿产资源开发全过程中，实施科学有序开采，对矿区及周边生态环境扰动控制在可控范围内[7]。

宁夏煤业公司金家渠煤矿(以下简称“金家渠煤矿”)地处宁夏回族自治区吴忠市盐池县境内，井田位于马家滩矿区的南部，北部与金凤井田相邻，呈南北向条带状，东西宽约3 km，南北长约9 km，面积约为27 km2，矿井设计生产能力400万t/a，服务年限为60.1 a。矿井于2012年11月开工建设，2018年8月建成并联合试运。矿井建设期间产生的污染物主要为矿井水、锅炉烟气、煤矸石等，对当地生态环境的破坏和影响呈现出一定的关联性，开展污染物治理技术的研究尤为重要。

1.1 水体污染物排放情况

煤矿水体污染物主要来源于井下疏放水和矿区生活污水，煤矿现阶段正常涌水量为200 m3/h，矿井水总矿化度为5110 mg/L、总硬度达2532 mg/L(其中暂时硬度为419 mg/L，永久硬度为2113 mg/L)。目前外排井下疏放水量为4300 m3/d、深度处理后复用的矿井水量约为500 m3/d(设计深度处理规模为100 m3/h、产水量为75 m3/h、工作时间为20 h)。

1.2 气体污染物排放情况

井下作业过程中会产生部分有害气体，如使用炸药产生的CO和NOx，柴油类设备排放的尾气中含有NOx，采用负压通风的方式排至地面；冬季采暖期锅炉运行燃烧会产生大量锅炉烟气；地面储煤场扬尘也将带来空气污染。

1.3 固体污染物排放情况

井巷开拓过程中会产生大量的煤矸石，累计排放量约为60万t。煤矸石堆积不但占用大量沙地，同时煤矸石中含有的硫化铁、煤等可燃物，在堆放过程中易产生自燃，排放大量CO、SO2、H2S等污染气体和粉尘。此外，矿区生活垃圾由当地环卫部门统一收集处置，锅炉灰渣冷却后用于路基充填。

2 新建矿井多污染物集约处置

矿井自建设以来就高度重视环境保护工作，秉承“绿水青山就是金山银山”的理念，以清洁绿色开采为目标，最大程度地做到人与自然生态系统的和谐。认真遵守国家环境保护法律、法规，加大绿色设施建设和环保投入，强化各类污染源的管控与处置，抓好环保设施运行维检，抓好矿井“固废、废水、废气”等污染物处置，实现达标排放[8-9]。矿区生态系统修复效果如图1所示。

2.1 水体污染物处置

开采活动形成导水裂隙空间，驱动地下水区域流场重新分布，破坏了原有地下水系统补-径-排原始平衡系统，造成自然含水层失水和地下水系统失衡[10]。金家渠煤矿矿区生活用水量为479 m3/d、工业生产用水量为932 m3/d、绿化用水量为147 m3/d。根据矿井水分级处理程度、水质参数，做好矿井水及矿区生活污水处理和复用规划，形成选煤、生活杂用、景观等内部用水+邻近工业生产、农业灌溉、河湖生态补水等外部供给的综合利用模式。同时，完善复用水管网系统及井下用水精准计量系统，扩大复用水使用规模。

图1 矿区生态系统修复效果

2.1.1 矿井水处理

矿井水处理站安装了2×600 m3/h混凝沉淀+高密沉淀水处理系统，包括混合段、絮凝段、反应段、沉淀段，经处理后进入2×100 m3/h深度处理系统(除铁过滤+超滤+反渗透)复用于矿井生产工业用水。矿井水处理系统采用可编程控制，分别对预沉调节池、提升泵、预沉调节池排泥泵、加药装置、高密度高效水处理设备、集水池、污水回流泵及污泥脱水系统进行精确控制。矿井水处理装置如图2所示。

图2 矿井水处理装置

矿井水预处理采用混凝、絮凝段+高密沉淀段水处理设备2套，每台处理水量为600 m3/h，与井下排水泵相匹配。矿井水首先进入混凝池(5 m×3.5 m×5 m)，该池投加药剂为PAC(聚合氯化铝)，化学反应促使水中的微粒初步凝结成细小结构矾花；混凝池的水随后进入絮凝池(5 m×3.5 m×5 m)，该池投加药剂为PAM阴离子(聚丙烯酰胺)，将混凝池中无法靠重力下沉的矾花进一步凝结成较大絮体结构沉降；高密度沉淀池(13 m×13 m×7 m)就是将经过混凝池和絮凝池处理后的水再次进行沉淀，池子上半部分为斜管，下半部分为小型集泥池，目的是泥水分离，上清液排入外排水池；小型集泥池中的煤泥经过排泥泵抽到压滤车间进行脱水。经过预处理的矿井水达到《煤炭工业污染物排放标准》(GB20426-2006)标准要求、其中COD、氨氮达到《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中IV类指标(COD≤30 mg/L，氨氮≤1.5 mg/L)后外排。深度处理采用“除铁过滤+超滤+反渗透”工艺，除铁过滤装置进一步去除水中的悬浮物，通过超滤装置去除水中大部分微粒和大量有机物，反渗透(RO)装置在外加压力的作用下，使浓溶液逆着自然渗透的方向做反向渗透，从而在膜的低压侧得到透过的溶剂，高压侧得到浓缩的溶液，以达到脱盐、净化或浓缩分离的目的。

宁夏地质矿产中心实验室出具的井下原水水质检测结果见表1，其中检测出的pH值为7.93、电导率为6590 μs/cm、浊度为147.5 NTU、菌落总数为700 CFU/mL。

矿井水预处理后的水质检测结果见表2，矿井水深度处理后的水质检测结果见表3。

由表2可以看出，预处理后悬浮物监测值为4～25 mg/L，COD监测值为11～23 mg/L，氨氮监测值为0.125～0.268 mg/L，处理效果明显。各污染因子的排放浓度均满足《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426-2006)，其中COD、氨氮达到《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中IV类指标。矿井水深度处理后的水质检测结果见表3，其中检测出的总大肠菌群为13 CFU/mL、耐热大肠菌群为8 CFU/mL、大肠埃希氏菌为ND、菌落总数为184 CFU/mL、总α放射性为0.139 Bq/L、总β放射性为0.324 Bq/L、色度为ND、浑浊度为0.06 NTU、臭味和肉眼可见物无、pH值为7.83。

由表3可以看出，深度处理后的水质满足《煤矿井下消防洒水设计规范》(GB 50383-2006)、《城市污水再生利用城市杂用水水质》(GB/T 18920-2002)以及《城市污水再生利用城市工业用水水质》(GB/T19923-2005)的限值要求。

表1 井下原水水质检测结果 mg/L

注：ND表示检测结果低于检出限值

表2 矿井水预处理后的水质检测结果 mg/L(pH除外)

表3 矿井水深度处理后的水质检测结果 mg/L

注：ND表示检测结果低于检出限值

2.1.2 矿区生活污水处理

矿区生活污水在地面建设2×35 m3/h的生活污水处理站处理，现阶段的处理能力为360 m3/d，采用“A/O生物接触氧化处理+瓷砂过滤+活性炭吸附+二氧化氯消毒”深度处理工艺，处理后非采暖季全部用于绿化，采暖季排至38662 m3容积的蓄水池，待夏季回用于绿化。生活水处理装置如图3所示，生活污水处理工艺如图4所示。

2019年3月21-22日，对生活污水水质进行了每天4次、连续2 d的监测，生活污水处理设施进、出口监测结果见表4。

由表4可以看出，SS、CODCr、BOD5和NH3-N的处理效率均能达到环评要求的85%、80%、85%和70%的处理效果。

图3 生活水处理装置

图4 生活污水处理工艺

2.2 气体污染物处理

2.2.1 锅炉废气处理

按照《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2014)，对20 t燃煤热水锅炉进行除尘、脱硫、脱销改造，烟气治理采用“PNCR脱硝+陶瓷多管预除尘+DMCD低压脉冲长布袋除尘+氧化镁法脱硫”工艺，20 t/h锅炉脱硫脱硝除尘流程如图5示。

脱硫采用的是烟气散射塔脱硫工艺，核心设备烟气散射脱硫塔是将喷淋塔和鼓泡塔相结合的一种新的脱硫塔形式，在一个单独的气—液—固相反应器中合并实现SO2吸收、氧化、溶解等工艺过程。脱硫过程可分为两个阶段，第一个阶段是利用喷淋塔脱硫曲线的斜率最大段，即脱硫效率最高处(液气比为1～2处)进行烟气脱硫，同时对进入散射塔的烟气还有降温、增湿和对散射塔的中仓进行清洗，喷淋塔脱硫曲线如图6所示；第二阶段是利用鼓泡塔散射器插入吸收液的深度与脱硫率的关系选取最佳参数进行烟气脱硫，由于鼓泡塔在烟气脱硫时具有分散相(烟气中的SO2)对连续相(吸收液)反应充分的优点，使得散射塔具有更节能的特点和更高的脱硫率，鼓泡塔运行曲线如图7所示。

经过改造后的锅炉每年减排烟尘475 t、SO2减排量为230 t、NOx减排量为38.6 t，大大降低了污染物排放总量，锅炉脱硫脱硝除尘前烟气监测数据见表5，锅炉脱硫脱硝除尘改造后锅炉烟气监测数据见表6。

图5 20 t/h锅炉脱硫脱硝除尘流程

表4 生活污水处理设施进、出口监测结果

图7 鼓泡塔运行曲线

图8 锅炉烟气除尘脱硫设计及散射塔结构

表5 锅炉脱硫脱硝除尘改造前锅炉烟气监测数据

表6 锅炉脱硫脱硝除尘改造后锅炉烟气监测数据

监测项目颗粒物折算浓度/(mg·m-3)颗粒物排放速率/(kg·h-1)SO2排放实测浓度/(mg·m-3)SO2排放折算浓度/(mg·m-3)锅炉烟气进口第1次42912.1266298第2次44112.8253284第3次46413.3247280锅炉烟气出口第1次8.030.245//第2次11.420.305//第3次10.900.385//处理效率/%98.5//100排放限值30--200监测项目SO2排放速率/(kg·h-1)NOx排放实测浓度/(mg·m-3)NOx排放折算浓度/(mg·m-3)NOx排放速率/(kg·h-1)锅炉烟气进口第1次8.4381912.57第2次8.2685952.77第3次7.99881002.85锅炉烟气出口第1次/47611.87第2次/41531.41第3次/47612.14处理效率/%//38.8/排放限值--200-

改造前除尘效率为86.4%、脱硫效率为47.1%，改造后除尘效率98.5%、脱硫效率为100%、脱硝效率为38.8%，改造效果显著，改造后锅炉烟气各污染因子均能满足《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2014)。对矿区周边的环境空气质量监测，各监测点SO2、NO2、TSP、PM10的24 h平均浓度分别为20～29 μg/mg3、41～46 μg/mg3、198～222 μg/mg3、94～114 μg/mg3，SO2、NO2的1 h平均浓度分别为14～32 μg/mg3、35～51 μg/mg3，均符合《环境空气质量标准》(GB3095-2012)二级标准，对周边大气环境质量影响较小。

2.2.2 回风余热利用

井工煤矿通常采用抽出式通风，利用通风机通过回风井回风。金家渠煤矿回风余热直换自供暖循环系统采用间壁式换热器的方式置换回风流的热量(设计回风进口温度14℃)，新风与间壁式换热器直接换热，将新风加热至10℃以上通过保温风道送入进风井井口区域，与部分未加热的冷空气混合，进入井筒的空气温度不低于2℃。自2018年11月至2019年3月运行情况来看，当室外温度低于-7℃时，新风管进风温度低于2℃，经该矿运行热风机组补充热量后才能保证井筒防冻的要求。

2.3 固体污染物处置

开采活动中外排的煤矸石等固体污染物，通过地表堆积、流域排放等形式将采动影响传导至外部系统，致使原态区域生态环境产生污染现象。针对外排煤矸石治理，采取外排煤矸石充填、分层碾压、覆土绿化[11]的方法进行煤矸石治理。矿区设置2处排矸场，总占地面积为22.12 hm2，排矸场总库容为78.74万m3；结合地理环境、气候等自然条件，主要种植紫花苜蓿、冰草、沙蒿等耐干旱、耐贫瘠、萌发力强、成活率高、生长快的优良品种。其中，矸石的浸出毒性监测结果见表7，浸出液各项分析指标均远远小于《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》(GB5085.3-2007)中的各项指标，属于一般工业固体废弃物。

1#排矸场位于中部工业场地东北侧约450 m处的一处冲沟洼地内，该区东、北、南三面为缓坡梁峁包围，西部为冲沟出口，占地面积为2.12 hm2，已堆放的2.69万m3矸石全部覆土并恢复植被，覆土量为0.64万m3，最大堆高为5 m；2#排矸场位于中部工业场地东南侧的荒沟内，占地面积为20.00 hm2，最大堆高为7 m，总库容为75.83万m3，目前已堆放矸石27.43万m3。外排的煤矸石采用碾压覆土方式处理，覆土用排矸场前期剥离表土。排矸场覆土后采取节水灌溉措施，铺设DN108镀锌管路1200 m，砌筑砼检查井5座，喷淋管路主管、支管敷设5120 m，摇臂喷头安装680个，复垦种植植被45450 m2。根据排矸场防洪安全的需要，沿排矸场周边修筑截排水沟，排矸场上方来水排至自然沟道，拦矸坝内修筑排水暗沟，排出坝内雨水。

表7 矸石浸出毒性监测结果一览表 mg/L(pH除外)

注：表格里的下标L为Limited的缩写，表示该检测方法的检出极限，代表某种污染物只能检测到小数点后的位数

3 污染源监测系统

矿井建设期间产生的废水、废气等污染物日常监测采取委托第三方监测公司和污染源在线监测相结合的方法。第三方监测公司每季度进行一次手工采样监测，污染在线监测系统为实时监测。污染源在线监测通过对污染监测数据的采集、传输、统计、分析等，实现污染源监测数据的统一管理、数据超警预报、监控设备的管理及反控，统计结果以报表形式展现。污染物在线监测系统如图9所示。

图9 污染物在线监测系统

4 生态系统修复及评价

金家渠煤矿在建矿之初，从源头降低煤炭开采引发的生态损伤，做好多污染物集约处置，加强环境治理，降低煤炭开采对当地水资源、土地资源及空气的污染，改善矿区生态环境。

(1)做好矿井水的净化处理、循环利用及达标排放。精准划分矿区覆岩富水分区，建立矿井水质动态监测机制，应用“高效沉淀澄清+超滤+反渗透”矿井水分级提标处理技术，投用“A/O生化处理+瓷砂/生物活性炭过滤+二氧化氯消毒”生活污水处理工艺，构建矿井水资源综合利用体系。

(2)开展锅炉烟气污染物治理。采用“PNCR脱硝+陶瓷多管预除尘+DMCD低压脉冲长布袋除尘+氧化镁法脱硫”工艺，实现锅炉烟气的达标排放。

(3)地表生态修复采取人工快速修复措施和生态自修复能力相结合，煤矸治理修复效果主要由林草植被恢复率体现，项目扰动面积为162.68 hm2，可恢复植被面积为62.52 hm2，实际恢复植被面积为60.77 hm2，林草植被恢复率为97.20%，达到方案设计的95%目标值，接近采前水平。针对煤矸石污染物治理，提出“草灌+乔灌+林草”的立体式生态系统植被修复技术，有效地修复了矿区生态系统，水源得到涵养，实现了当地经济的可持续健康发展。