某公司矿井水管理利用现状与对策

代其彬 ,雷兆武 ,田新国 ,田 莉 ,朱惠敏

(1.冀中能源峰峰集团有限责任公司,河北 邯郸 056001;2.河北环境工程学院,河北 秦皇岛 066102;3.自贡市生态环境监测中心站,四川 自贡 643000)

矿井水产生于煤炭开采过程,是一种具有行业特点的水资源。为降低矿井水对矿区及周边环境影响,保护煤矿生态环境,在煤炭开采过程中实施保水开采、矿井水处理达标排放以及煤矿与周边利用等充分的生产实践。矿井水工业利用,包括用于井下用水如乳液配制、防尘与冷却用水等;地面用水如绿化、道路降尘洒水、选煤厂用水、向周边企业提供生产用水等。矿井水农业利用包括用于农田灌溉、农业设施用水、水库补蓄水、水产养殖以及动物饮用等。矿井水生态利用包括公园用水、景观用水、湿地补水、地下补水等。矿井水生活利用如居民家庭用水、公共服务用水、生产运营用水以及消防及其他用水等[1]。矿井水的处理与利用,对保护矿区生态环境和缓解水资源短缺,起到了积极的作用。

2018 年我国煤矿矿井水资源总量约为68.9 亿m3,但平均利用率仅为35%[2]。目前我国煤矿矿井水利用率明显偏低,其影响因素为矿井水性质(如矿化度、酸性等)、以达标排放为主的处理方式、矿井水利用方向以及深度处理成本等。为满足达标排放的要求,国内煤矿通常采用混凝-沉淀-过滤、预沉-磁混凝-沉淀分离(或超磁分离)等工艺处理矿井水[3],处理后出水水质满足《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426—2006)及地方排放标准要求,在此基础上进行矿井水的利用。矿井水作为生活用水时,需要进行深度处理或反渗透处理[4],使得矿井水资源得以充分利用,在干旱和缺水地区具有较好的适用性。

某公司是我国主焦煤和动力煤重要生产基地。煤炭品种齐全,主要有焦煤、肥煤、贫煤、瘦煤、无烟煤等煤种,主产品为焦精煤、肥精煤、烧结煤、喷吹煤、发电动力和建材化工用煤等。公司所属的羊东矿、大社矿和万年矿位于水资源丰富地区,矿井水产生量大,根据《煤炭采选业清洁生产评价指标体系》,矿井水利用率难以满足相关指标要求。根据公司羊东矿、大社矿和万年矿所在子牙河流域和矿区矿井水受纳河流水质现状,结合公司3 个矿区矿井水处理后出水水质指标情况,对标《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)中Ⅳ类、Ⅲ类水质指标要求,依据清洁生产思想,探讨矿井水作为河道生态补水的可行性,提高矿井水利用率,保护矿区生态环境。

1 某公司矿井水管理与利用现状

1.1 矿区矿井水基本情况

公司所属的羊东矿、大社矿和万年矿产生的矿井水为低矿化度矿井水。公司通过在各矿区推行“封、堵、治、用”措施,从源头削减矿井水产生量,对产生的矿井水进行处理、利用及排放,公司3 个矿区矿井水处理利用情况如表1 所示:

表1 3 个矿区矿井水处理利用情况

根据各矿区环评要求,矿井水可作为周边农田灌溉用水。由于各矿区所处地理位置不同,周边可供矿井水利用的途径不一,公司羊东矿、大社矿、万年矿的矿井水综合利率分别为72.5%,20%,20.6%。

1.2 公司矿区水质情况

公司所属的羊东矿、大社矿、万年矿入河矿井水水质执行《子牙河流域水污染物排放标准》(DB13 2796—2018)和《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426—2006)。3 个矿区矿井水处理出水水质分别如表2 所示:

表2 3 个矿区矿井水处理后水质与排放要求 mg/L

续表2 mg/L

由表2 可知,3 个矿区矿井水处理后水质均满足《子牙河流域水污染物排放标准》(DB13 2796—2018)和《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426—2006)的排放要求。

1.3 矿井水利用要求及问题

根据《煤炭采选业清洁生产评价指标体系》要求,井工开采煤矿,原煤生产水耗和矿井水利用率要求如表3 所示:

表3 井工开采矿井水利用率限定性指标

公司矿区处理水资源丰富矿区,由表3 矿井水利用率满足≥60%及以上,根据表1 公司3 个矿区矿井水利用情况,只有羊东矿满足该指标要求,大社矿和万年矿与该指标存在较大的差距。提高矿井水利用率成为公司相关矿区需要解决的问题。

2 矿井水水质指标与利用分析

中国开采1 t 煤炭约产生2.1 t 矿井水[1],荷兰为2 t 矿井水,英国为3 t 矿井水[5]。由原煤生产吨煤水耗Ⅲ级基准值≤0.3 m3/t,煤炭开采过程中的生产用水即使全部采用矿井水,矿井水利用率仅为14.29%;对于低矿化度矿井水,回用于矿区生产、防尘用水20%～30%[6];2018 年全国利用矿井水中,工业用水占比 59%、生态用水占32%、民用水占4%、其他用水占比为5%[7];因此大量的矿井水需要在其他过程利用和矿区外部利用。

在《煤炭采选业清洁生产评价指标体系》中,矿井水综合利用包括将矿井水用于矿区生产、生活、绿化、防尘,以及企业的工业补充用水、灌溉、养殖、居民生活用水等途径。目前国外矿井水利用方式除了自身生产利用外,主要还包括生活饮用水、工业用水、灌溉用水、环境用水、回注地下和用于蓄热等[5]。

决定矿井水利用途径的主要是处理后矿井水水质和矿井水利用途径对水质的要求。以满足《子牙河流域水污染物排放标准》(DB13 2796—2018) 和《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426—2006)的排放要求为标准进行矿井水处理,处理后出水水质,对矿井水利用构成了巨大的制约。根据公司大社矿、万年矿矿区周边矿井水利用途径,河道生态补水是大社矿、万年矿矿井水利用的重要途径。

羊东矿、大社矿、万年矿经处理后的矿井水,一部分被矿区生产、绿化等利用,其余部分排入矿区河流。根据各矿区环境影响评价报告,各矿区河流为季节性河流,水环境目标均执行《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅴ类标准。根据羊东矿、大社矿、万年矿现有矿井水处理后出水年均指标,与地表水Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类水质标准比较,结果如表4 所示:

表4 3 个矿区矿井水年均指标与地表水水质比较 mg/L

续表4 mg/L

由于当前河流水质指标中总氮指标不作为河流水质考核指标,由表4 可知,公司3 个矿区矿井水出水均满足矿区河流地表水Ⅴ类要求。对于河流地表水Ⅳ类水质,公司3 个矿区只有BOD5指标有3 次不达标,超标倍数为0.042～0.392 倍。对于河流地表水Ⅲ类水质,公司3 个矿区各指标均有不同程度的不达标,各指标超标倍数分别为CODCr0.05～0.075 倍、BOD50.032 5～1.09 倍、氨氮0.04 倍、总磷0.4 倍、石油类0.6～2.7 倍。公司3 个矿区外排矿井水对按地表水Ⅳ类、Ⅲ类水质要求的河流构成微污染。

随着我国生态文明建设的推进,河流水质要求也在逐步提升。公司3 个矿区可根据地表水Ⅳ类及以上主要水质指标要求,控制入河矿井水水质指标,满足河流地表水Ⅳ类水质及以上要求,通过河道生态补水,达到提高矿井水利用率、保护矿区生态环境的目的。

3 矿井水水质管理对策

3.1 加强清洁生产,降低矿井水中污染物浓度

公司3 个矿区煤矿含水层中的矿井水水质较好,矿井水中的污染物主要来自于煤粉、岩粉以及煤矿开采过程中设备使用和井下作业人员产生的粪污等。煤粉和岩粉主要表现为矿井水中的CODCr和SS 指标,矿井水中的石油类污染物主要来自于设备使用,如液压油、润滑油、乳化油等;井下作业人员排泄的粪污影响矿井水中的CODCr、BOD5、氨氮、总磷等指标。

在煤炭开采过程中,要加强清洁生产。杜绝使用设备过程中的液压油、润滑油、乳化油等的“跑、冒、滴、漏”;完全收集液压油、润滑油、乳化油等废物及粘染液压油、润滑油、乳化油等废物的手套;按照危险废物管理、贮存要求进行矿区内部管理[8-9]。

在井下固定场所和作业人员集中区域,设置固定式或移动式粪污收集装置,将收集的粪污提升到地面生活污水处理站进行处理,减少井下作业人员排泄的粪污对矿井水水质的影响,降低矿井水中CODCr、BOD5、氨氮、总磷等指标。

3.2 优化控制矿井水处理工艺,提高处理后出水水质

公司3 个矿区采用的“预沉-磁混凝-沉淀分离(或超磁分离)-精密过滤”工艺,矿井水处理过程中常用聚合氯化铝(PAC)、聚丙烯酰胺(PAM)等药剂,该公司羊东矿、大社矿、万年矿的PAC、PAM 药剂消耗如表5 所示:

表5 公司3 个矿区药剂消耗 g/m3

国内矿井水处理过程中,药剂用量PAC 为15～100 mg/L,PAM 为0.5～2.4 mg/L[6],公司3 个矿区聚合氯化铝(PAC)用量低于行业平均水平,聚丙烯酰胺(PAM)消耗高于行业平均水平,因此在矿井水处理过程中,优化聚丙烯酰胺(PAM)用量,降低矿井水处理过程引入的污染物,提高出水水质。

根据出水指标控制要求,更换精密过滤设备滤网,提高过滤效果。增加预沉调节池的煤泥清理频次,提高预沉调节池的沉降效率,降低进入超磁分离的颗粒物浓度。加强处理后出水监测,根据地表水Ⅲ类、Ⅳ类水质要求,控制BOD5、石油类等指标。

3.3 设置矿井水入河湿地,保障河流补水水质

根据表4 对比结果,将公司3 个矿区矿井水处理后出水作为河流生态补水,主要控制指标包括CODCr、BOD5、氨氮、总磷、石油类等。

人工湿地作为一种水体水质净化与生态修复新型水处理技术,在河道治理中发挥了重要的作用[10]。蒋宇豪等[11]采用砾间接触氧化/水平潜流人工湿地净化微污染河道水,人工湿地对NH4+-N、TN、COD 的去除率分别为43%,28%,31%。杜刚等[12]通过考察人工潜流湿地对TP 的去除情况,TP 平均去除率为30%。左倬等[13]考察了不同季节表流湿地,经表流湿地处理后,NH3-N、TN、CODMn平均去除率分别为23.1%,19.3%,3.6%;TP、浊度去除率分别为40.6%,50.8%。

现有矿井水处理工艺对部分来自于井下作业人员排泄的溶解性有机物、氨氮等指标去除效果差,有机物、氨氮、总磷等指标需要进一步降低。为保障处理后矿井水河道生态补水水质,在矿井水入河口可设置水平潜流生态湿地,进一步净化N、P、有机物等,保障河道生态补水水质[14-15]。通过实施矿井水河道生态补水,可有效改善河流水环境,保护矿区生态环境。

4 结论

基于公司羊东矿、大社矿、万年矿低矿化度矿井水性质,为满足煤炭开采行业清洁生产对矿井水利用率的要求,保护矿区生态环境,控制矿井水水质指标满足河流地表水Ⅳ类水质及以上要求,作为矿区河流生态补水,解决矿井水利用率低的问题。

基于现有矿井水管理利用现状,采取加强清洁生产、设置潜流湿地等措施,提高矿井水水质,保障河流生态补水水质,保护矿区生态环境,促进矿区绿色生产方式的转变。