（采矿工程专业论文）开滦矿区矿井水资源化研究.pdf

河j b 理工学院硕士学位论文 摘要 我国水资源严重短缺，北方矿区尤为严重。许多矿区需要开辟新水源，矿井水 是煤矿中排放量最大的一种废水。全国煤矿每年外排矿井水约2 2 1 0 9 卅3 ，利用率 却不到2 0 。因此，合理利用矿井水，矿井水资源化是解决矿区水资源紧张的有效 途径之一。目前我国矿区矿井水处理利用率低，有些矿区虽然利用率较高，但往往 未达到生活饮用水卫生标准，且处理成本较高。本文针对这一现实情况以及开滦矿 区水资源状况，以开滦矿区矿井水为研究对象，本着“优质水优用”的原则，提出 矿井水资源化的最佳方案、最佳处理方法和处理设施以及最佳工艺流程。 利用u l t i m a2 型圮尸一0 e s 光电直读光谱仪对开滦矿区7 个生产矿井的矿井水 水质进行检测，对所测得的4 0 项水质检验项目参照中华人民共和国生活饮用水卫生 标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 的要求，表明开滦矿区矿井水只有浊度、总硬度、细菌总数、 大肠菌群数目超标，感官性状、一般化学指标和毒理学指标符合国家标准。经过处 理可以达到生活饮用水卫生标准。 以开滦矿区马家沟矿矿井水为研究对象，通过实验室混凝试验研究，确定矿井 水处理的最佳混合药剂、最佳投药量以及混合投加时最佳药剂量的最佳p h 值。实 验结果表明，在处理过程中采用混凝剂聚合氯化铝( 朋c ) 和絮凝剂c f 混合投 加效果明显，最佳投药量分别为1 0 0 m g l 、2 0 0 m g l ，且p a c 和n c f 混合投加 时最佳p h 值为7 。在试验的基础上，对混凝机理和影响混凝试验的因素进行了分 析，提出了分质供水的简要思路。 矿井水资源化，减少了废水排放量，免交了排污费，而且开辟了新的水源，减少或 避免了长距离输水等问题。实现“优质水优用”的原则，实现经济效益、环境效益和社 会效益的统一。 关键词：矿井水，混凝试验，混凝剂，资源化 河北理工学院硕士学位论文 a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c e si ss e r i o u ss h o r t a g ee s p e c i a l l yi nn o r t hm i n i n ga r e ai no u rc o u n t r y ， m a n ym i n i n ga r e an e e df m dn e w w a t e rs o u r c e ，c o a lm i n ed r a i n a g ei st h em a x i m u mw a s t e w a t e rf o rd i s c h a r g ei nc o a lm i n e i ti sa b o u t2 2 x1 0 9c u b i cm e t r ec o a lm i n ed r a i n a g em u s t b ee m i t e d ，b u tt h eu t i l i z a t i o nr a t en o tr e a c h2 0 p e r t h e r e f o r e ，p u tt ou s ec o a lm i n ed r a i n a g e r e a s o n a b l ea n dm a k ei tc h a n g e du s e f u lr e s o u r c ei so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o do fs o l v i n g w a t e rr e s o u r c e st e n s i o n a li nm i n i n ga r e a a tp r e s e n tt h er a t ei sl o wa b o u tt r e a t m e n ta n d u t i l i z em i n i n gd r a i n a g ei nm i n i n ga r e a , s o m em i n i n ga r e at h er a t ei sh i 【9 1 1b u tc a nn o tr e a c h h o u s e h o l da n dd r i n k i n gw a t e rs a n i t a t i o n s t a n d a r d ，e v e nt h o u g hr e a c hd r i n k i n gw a t e r s a n i t a t i o ns t a n d a r d ，b u tt h ec a p i t a li sv e r yh i g ht r e a t m e n ti t b a s i n go nt h e s er e a l i t ys i t u a t i o n a n dt h ew a t e rr e s o u r c e ss t a t ei nk a i l u a nm i n i n ga r e a ，t a k et h ec o a lm i n ed r a i n a g ef o r r e s e a r c h o b j e c t ，b a s e o nt h e p r i n c i p l e a b o u te x c e l l e n t q u a l i t y w a t e ra n de x c e l l e n t u s e f u l n e s s ，i n t h i st h e s i s b r i n gu po p t i m u mp l a n a n do p t i m u mt r e a t m e n tm e t h o da n d o p t i m u mt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s i nt h i st h e s i s ，w ec h e c ku pt h ec o a lm i n ed r a i n a g ei ns e v e np r o d u c i n gc o a la r e ai n k a i l u a n m i n i n g a r e a b yt y p e u l t l m a2i c p o e s p h o t o - e l e c t r i c i t yd i r e c t - r e a d i n g s p e c t r o m e t e r m a k et h ef o r t yi t e m sw a t e rq u a l i t y t e s tp r o j e c tc o n f e rw i mt h eh o u s e h o l da n d d r i n k i n gw a t e rs a n i t a t i o ns t a n d a r d ( g b 5 7 4 9 - 8 5 ) o f t h e p e o p l e 7 s r e p u b l i co fc h i n a ，i t i n d i c a t et h et u r b i d i t y 、t o t a lh a r d n e s s 、t o t a lb a c t e r i a lc o u n t 、c o l i f o r mg r o u pn u m b e ra r e o v e r p r o o f i nk a i l u a n m i n i n ga r e a ，s e n s ec h a r a c t e r 、g e n e r a l c h e m i c a li n d e xa n d t o x i c o l o g i c a lp r o p e r t yi n d e xc o n f o r mt on a t i o n a ls t a n d a r d i tm a y a c h i e v et h eh o u s e h o l d a n d d r i n k i n gw a t e r s a n i t a t i o ns t a n d a r db yt r e a t m e n t w et a k et h ec o a lm i n ed r a i n a g eo fm a j i a g o ui nk a l l u a nm i n ea r e aa sr e s a e r c h o b j e c t ，a n db yc o a g u l a t i o ne x p e r i m e n ti nt h el a b o r a t o r ya s c e r t a i nt h a to p t i m u m m e d i c a m e n t o p e r a t e i nc o o r d i n a t i o na n do p t i m u mm e d i c a t i o n q u a n t i t ya n do p t i m u mp h v a l u eo f o p t i m u m d o s eo n c o a g u l a n t f i t d o s i n g t h et e s t i n g r e s u l t s u g g e s t i o n ，t h e o b v i o u s e f f i c t i v e n e s sw h e nw ea d o p t i o n c o a g u l a n t p a ca n df l o c c u l a n tn c ff i t d o s i n g i n p r o c e s s i n gp r o c e d u r e ，t h eo p t i m u md o s ef r a c t i o n a t i o ni s1 0 0 m g l 、2 0 0 m g la n do p t i m u l n p h v a l u ei s7w h e n p o l ya l u m i n i u mc h l o r i d ea n d f l o c c u l a n tn c ff i td o s i n g b a s i n go nt h e i i 河北理工学院硕士学位论文 e x p e r i m e n t ，m a k ea n a l y s i s a b o u t c o a g u l a t e m e c h a n i s ma n d i n f l u e n c i n g f a c t o ro f c o a g u l a t i o ne x p e r i m e n ta n db r i n g f o r w a r d s i m p l e m e t h o da b o u t w a t e r s u p p l yb yq u a l i t y c o a lm i n ed r a i n a g er e s o b r c e sc a nr e d u c et h ew a s t ew a t e ro u t f l o wd i s c h a r g ea n dd o n o th a n di nt h ef l o wf e ea n db r e a kn e ww a t e rs o u r c e ，i tr e d u c eo re s c a p el o n gd i s t a n c e w a t e rc o n v e y a n c ep r o b l e ma n ds oo n i tr e a l i z et h ep r i n c i p l ea b o u te x c e l l e n tq u a l i t yw a t e r a n de x c e l l e n tu s e f u l n e s sa n dr e a l i z et h ee c o n o m i ce f f e c ta n dt h ee n v i r o n m e n te f f e c ta n d t h es o c i a lb e n e f i tu n i f i e d k e y w o r d s ：c o a l m i n ed r a i n a g e ，c o a g u l a t i o ne x p e r i m e n t ，c o a g u l a n t ，r e s o u r c e s 1 1 1 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特，l , j ) j n 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为 获得河北理工学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的 说明并表示了谢意。 签名：组塑! ： 日期：竺堡年至月丝日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 导师签名：触 日期：挫年互月笪，日 河北理工学院硕士学位论文 引言 矿井水由伴随矿井的开采而进入矿井且必须排出的地表渗透水、岩石孔隙裂隙 水、老窑积水、岩溶水、地下含水层的疏放水，以及煤矿生产、防尘用水等组成， 是煤矿中排放量最大的一种废水。全国煤矿每年外排矿井水约2 _ 2 1 0 9 m 3 ，利用率 却不到2 0 ，到2 0 0 5 年预计矿井水外排总量将达到2 3 5 x 1 0 9 m ) 。全国现有大约 5 0 0 0 多台主排水设备，年耗电3 1 0 9 千瓦时，有的煤矿吨煤排水费高达5 元，另需 缴纳水资源费、排污费，未经处理的矿井水外排，势必污染地表水系、农田，除影 响农作物、水生动、植物正常生长外，还对人类用水质量构成威胁【2 】。而在采矿区 常感到淡水严重不足，再加上矿区地表塌陷，浅层地下水渗漏，遇上干旱之年，更 加重了农业用水的困难。而矿上却每天将大量矿井水外排，既污染了环境，产生危 害，又造成地下水资源大量浪费。在水资源严重紧缺地区，这种浪费显得尤为突 出。矿井水资源化是解决煤矿缺水和矿井水污染环境的最佳选择，达到社会效益、 环境效益和经济效益的统一。 本文根据我国矿区严重缺水，矿井水综合处理利用率低以及处理成本高等的现状进 行矿井水资源化的可行性研究。并主要以开滦矿区矿井水处理与利用为研究对象，结合 国内外矿井水的处理方法和工艺，研究丌滦矿区矿井水资源化的合理方案，确定最佳工 艺流程，最佳处理方法和处理措施。提高科学化管理水平，从而降低成本，争取使矿井 水全部得到综合利用，满足矿区各方面需要，并为社会提供用水。 矿井水资源化，不但减少了废水排放量，免交了排污费，而且节省大量自来水，减 少了水源的浪费，增加了资源化后的经济效益。矿井水资源化开辟了新水源，减少了淡 水资源开采量。实现“优质水优用”的原则，减少或避免了长距离输水等问题。缓解了 开滦矿区乃至整个环京津地区严重缺水状况，使水资源的利用更加经济合理；矿井水资 源化将会减轻矿井水对地表水系的污染，堵住污染源，美化矿区环境。实现经济效益、 环境效益和社会效益的统一。 河北理工学院硕士学位论文 第一章文献综述 水是宝贵的自然资源，地球上任何生态系统都离不开水。而水资源在时空上分 布不均，加之水污染问题日趋严重，世界上已有不少地区出现了淡水危机。我国是 缺水国家，水环境污染和用水浪费对可持续发展和环境保护构成极大威胁。煤炭行 业水资源更为紧缺，已严重制约了生产的发展，因此防治水污染，开发利用好煤矿 水资源，应是实现煤炭工业可持续发展的一项重要措施。 1 1 水资源基本状况 1 1 1 世界水资源状况 “水资源”一词出现至今，仅有一百多年历史，水资源是人类社会赖以生存和 发展的重要资源之一。广义来说，水资源指一切可被人类利用( 直接或间接) 的天 然水，包括人类所及空间各种相态( 液、固、气态) 的水。联合国教科文组织 ( u n e s c o ) 和世界气象组织( w m o ) 在1 9 8 8 年定义的水资源为“作为资源的水 应当是可供利用或有可能被利用，具有足够数量和可用质量，并可适合某地水的需 求而能长期供应的水源。”我国在中国大百科全书“地理”卷中，则有明确时 间概念，认为水资源是“地球上目前和近期人类可直接或间接利用的水是自然资 源的一个重要组成部分”，并指出“随着科学技术的发展，被人类所利用的水在增 多”1 3 1 。 据研究，地球上各种水体的总储量大约有1 3 8 6 1 0 8 m 3 。其中有9 7 以上是 不适合人类使用的海水，淡水只占2 5 3 。为3 5 1 0 1 6 m 3 ，而淡水中约有7 7 2 被 储存在冰帽和冰川中，2 2 4 是地下水和土壤水，由于开发困难或经济技术的限 制，到目前为止，海水、深层地下水、冰雪固态淡水等还很少被直接利用。比较容 易开发利用的、与人类生活生产关系最为密切的湖泊、河流和浅层地下淡水资源， 只占淡水总储量的0 3 4 ，为1 0 4 6 x 1 0 ”m 3 ，还不到全球水资源总储量的万分之 一，我们通常所说的水资源主要指这部分可供使用的、逐年可以恢复更新的淡水资 源。可见地球上的淡水资源并不丰富。 地球上的水体分布如图1 ，1 f 4 】。 - 2 河北理工学院硕士学位论文 全球各种水体储量见表1 1 5 1 。 图1 1 地球上的水体分布 f i g1 1 t h ed i s t r i b u t i n go fw a t e r0 1 3e a r t h 地球上的水资源分布很不平衡。世界上每年约6 5 的水资源集中在不到1 0 个 国家里，而人口占世界总人口4 0 的8 0 个国家( 其中9 国在近东和中东) 却严重 缺水，另外2 6 个国家( 共有人口约2 3 2 亿) 的水资源也很少。1 9 9 7 年，联合国水 问题大会提出“石油危机之后的下一个危机就是水”【6 吼世界银行官员也主张把水 作为一种稀有资源来管理。随着越来越多的人认识到淡水是一种稀有资源，认为水 理所当然是取之不尽、用之不竭的时代将一去不复返。 1 1 2 我国水资源状况 我国是一个严重缺水的国家，根据国家环保局资料 8 1 1 9 1 ，我国淡水资源总量为 2 8 1 0 控m 3 ，居世界第六位，然而由于人口众多，以1 2 亿计，人均占有水资源2 7 1 0 3m 3 ，只相当于世界人均水量的1 4 ，是美国的1 6 ，巴西的1 1 9 ，加拿大的 1 5 8 ，居世界第1 0 0 位，被联合国列为世界上1 3 个贫水国家之一。 我国水资源8 l 集中分布在耕地面积仅占全国3 6 的长江流域及其以南地区； 耕地面积占全国6 4 的淮河以北广大地区，水资源仅占全国的1 9 。由于降水在时 空分布上很不均匀，北方有9 个省( 自治区、直辖市) 人均占有水量低于5 0 0 m 3 ， 是南方人均水量的1 4 ，亩均水量仅较南方亩均水量的1 1 0 略多。联合国机构认为 世界上人均占有水量2 0 1 0 3 m 3 的4 0 多个国家已处于严重缺水的边缘，我国北方9 省人均占有水量是其1 4 ，可称为最贫水地区。据统计，在全国6 0 0 多座城市中，已 一3 一 河北理工学院硕士学位论文 有3 0 0 多座城市缺水，日缺水量达1 5 1 0 7 m 3 以上，其中严重缺水的有1 0 8 座，如 北京、天津、大连、青岛、济南、沈阳、西安、太原、大同、烟台、深圳等大城市 供水长期处于紧张状态，日供水能力仅能保证高峰日用水量的6 5 7 0 ，不得不 对居民普遍实施定时、定量、低压供水。以北京市为例，人均占有水资源量是全国 的l 6 ，即世界的1 2 4 ，每年缺水近1 0 1 0 9 m 3 。不少北方城市由于供水能力的限 制，许多工业项目不能上马或建成后生产不足，农田得不到充足灌溉，造成粮食减 产。 我国每年因缺水损失工业产值近千亿元。由于过量开采地下水，已出现5 6 个地 下水区域性下降漏斗，总面积达1 0 万多平方公里，致使出现地面沉陷、水源井报 废、海水入侵等一系列生态环境问题。 1 1 3 冀京津地区水资源状况 河北省是我国严重缺水省份之一，水资源严重不足。全省水资源总量为2 3 8 x 1 0 o m 3 ，其中海、滦河流域多年平均水资源总量为2 3 1 1 0 1 0 m 3 ，内陆河、辽河流 域为7 9 5 x1 0 8 # 1 t 3 。人均占有水资源量3 8 6 m 3 ，相当于全国平均值的1 8 ，低于全国 水平和相邻省、市、区。 河北省地下水资源量为1 5 x 1 0 m m 3 ，其中平原区水资源量为9 0 5 x 1 0 9 m 3 ，山 区为7 4 3 x 1 0 9 聊3 ，平原与山区重复计算量为1 5 1 1 0 9 m 3 。全省可利用的淡水资源 允许开采量为1 2 0 0 8 x1 0 0 m 3 a ，其中河北平原为9 1 6 8 x1 0 9 m 3 a ，山区为2 8 4 1 0 9 m 3 a 。随着工农业的迅速发展，地下水得到了大规模的开采利用，到1 9 9 3 年 底，全省地下水开采量达1 4 2 7 3 1 0 1 0 m 3 a ，占总用水量的7 3 。长期过量开采， 已经引起了地面沉降、土地沙化、地裂缝和地面塌陷等一系列地质环境问题，如沧 州市、衡水市地面沉降量分别达11 3 1m m 和5 0 0 m m 。供需矛盾日趋严重，水资源 缺乏已成为经济发展的制约因素之一。如何进一步开发利用水资源，发展节水型经 济对本地区经济发展具有重要的战略意义和促进作用【1 0 】。 一d - 河北理： 学院硕士学位论文 表1 1 全球各种水体储量 t a b l e1 1t h er e s e r v e so f a l lk i n d so f w a t e ro l l9 1 0 b a l 全球水储量的构成 分布面积水量 水深度 水的类型占总储水占淡水储水 ( 1 0 4 拥2 )( 1 0 s m 3 ) ( m ) 量( )量( ) 1 世界海洋 3 61 3 0 0 0 l3 3 8 1 0 7 37 0 09 6 5 2 地下水 1 34 8 0 0 02 3 4 1 0 6 1 7 41 7 主要的地下淡水 1 34 8 0 0 0 10 5 3 1 0 7 8 0 7 63 0 1 3 土壤水 8 2 0 0 0 1 6 5 1 0 3 o 2o 0 0 1 0 0 5 4 冰川水和永久雪盖 l6 2 2 7 5 2 4 06 4 1 1 0 5 l4 6 3 1 7 46 8 7 包括：南极洲 l3 9 8 0 0 2 1 6 1 0 6 l5 4 61 5 6 6 1 7 格陵兰 1 8 0 2 4 2 3 4 x 1 0 5 12 9 8 0 1 76 6 8 北冰洋 2 2 6 18 3 5 1 0 3 6 9 0 0 0 60 2 4 山区 2 2 4 04 0 6 1 0 3 1 8 1 0 0 0 3 o 1 2 5 永久冻土带的地下永 l1 0 0 0 03 1 0 6 1 40 0 2 2o 8 6 6 瑚泊储水量 2 0 5 8 7 17 6 4 1 0 3 8 5 7o 0 1 3 包括：淡水胡 1 2 3 6 4 9 1 1 0 47 3 6 0 0 0 70 2 6 咸水湖 8 2 2 38 5 4 x 1 0 1 0 3 8 0 0 0 6 7 沼泽水 2 6 8 2 9 1 1 47 0 0 4 2 80 0 0 08 0 0 3 8 河川水 1 48 8 0 0 0 2 12 0 0 o 0 1 40 0 0 02 0 0 0 6 9 火气水 5 l0 0 0 0 01 2 9 1 0 0 0 2 50 0 0 1 0 0 4 1 0 生物水 5 1 0 0 o o l l2 0 00 0 0 2 0 0 0 0 l0 0 0 3 总储水量 2 l0 0 0 0 0 1 38 5 98 4 6 1 0 0 2 7 1 81 0 0 淡水总储水量 1 48 8 0 o o3 5 0 2 9 21 0 0 2 3 5 2 5 31 0 0 1 2 矿井水处理与利用现状 1 2 1 矿井水的特性和类型 经过对各地煤矿矿井水监测分析，我国矿井水主要含悬浮物和可溶性无机物， 极少或不含有机物和可溶性毒物，这为矿井水治理和资源化提供了较好的前提条 件。从矿井水资源化的角度，根据其物理化学性质，可将矿井水划分为5 种类型， s 河北理工学院硕士学位论文 即洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水、含微量元素或放 射性元素矿井水。矿井水治理按不同类型采取不同的工艺和方法。 1 ) 洁净矿井水：此类水是未受污染的地下水，可直接用于生活和生产。通过对 煤矿各含水层进行多次细致的采样分析，采取井下清污分流，使洁净矿井水从专设 管路排出，这是煤矿最简便、经济的利用矿井水的方式。 2 ) 含悬浮物矿井水：此类水分布较广，全国大多数矿井排水均属此类型。悬浮 物含量高主要是地下水受开采影响而带入的煤尘和岩粉，除悬浮物和细菌外，其余 物理化学及毒理学指标均符合生活饮用水卫生标准。此类矿井水经井下水仓初沉后 排至地面，采用常规水处理工艺，即可得到合乎标准的生产和生活用水。 3 ) 高矿化度矿井水：其矿化度多在1 5 1 0 3 4 1 0 3 m g l ，最高达1 5 1 0 4 m g l ，高矿化度是地下水与煤炭地层中碳酸盐类及硫酸盐薄层接触，该类矿物 溶解于水，使矿井水中c a 2 + 、9 9 2 + 、u c o ；、c d ；一、f 等离子增多造成的。 高矿化度矿井水一般呈中性，因含盐量高，硬度高，带苦涩味，俗称苦咸水。我国 煤矿都采用电渗析技术进行处理，脱盐与水回收率可达6 0 以上，出水水质达到生 活饮用水标准。与其他脱盐方法相比，具有流程简单、投资省、不用药剂、效果好 等优点；缺点是能耗和处理费用高，吨水电耗1 度略多。采用电渗析技术，对原水 的前处理要求较高，按照原水的水量和水质，经混凝、沉淀、过滤等常规工艺将原 水浊度降至3 度以下，方可进入电渗析器进行后处理。 4 ) 酸性矿井水：其p h 值多介于2 4 之间，酸性水的形成，主要源于煤中硫 铁矿，历经化学氧化特别是生物催化氧化作用产生硫酸，当煤系矿物碱性不足以中 和硫酸酸性时，形成酸性水。酸性矿井水含s 讲一、f e “、f e “、m n 2 + 及其他金属 离子，其矿化度与硬度也因酸的作用而增高。此类水通常采用化学中和法处理，中 和药剂一般用价格低廉而来源广泛的石灰石、石灰、电石渣等，处理设施有中和反 应池、中和滚筒和升流式膨胀中和塔等；为了去除屁2 + 和反应中产生的c d ，以充 分中和酸性水，要增设曝气和沉淀处理工艺过程。 5 ) 含微量元素或放射性元素矿井水：主要有含氟水、含铁、锰及某些重金属离 子( 如铜、锌、铅) 水以及含放射性元素水。处理含微量元素矿井水，要有针对性 6 河北理工学院硕士学位论文 地通过试验，合理选用水处理技术。例如：氟可用活性氧化铝吸附去除或在电渗析 法除盐的同时去除；铁、锰可采用曝气充氧和锰矿过滤去除：含放射性元素矿井水 是由于煤系地层含有放射性物质溶入地下水而形成，因为含放射性物质的煤矿开采 受严格限制，其矿井排水谈不到治理与利用【i l l 2 。 1 2 2 国外矿井水处理与利用现状 国外主要产煤国家对矿井水资源化的研究起步较早，已经有近十年的历史，取 得了较大的成绩。许多国家对矿井水进行适当处理后，一部分达到排放标准而排入 到地表水系，另一部分水量回用于洗煤厂工业给水和矿井生产。例如：美国煤矿产 生大量的酸性矿井水，早期采用以下措施： 1 ) 实旄矿坑封闭，防止硫化物与空气接触，抑制酸性矿井水的形成，减少矿坑 水的外溢量； 2 ) 封存污染水； 3 ) 酸性矿井水稀释后排放。 目前，采用中和法与预曝气法结合使用效果更好，研制了抑制铁氧化细菌活性 的表面活性剂来抑制铁氧化细菌的生长：采用人工湿地法等处理酸性矿井水。矿井 水利用率达到8 l 。日本矿井水除部分用于洗煤外，大部分矿井水经沉淀处理去除 悬浮物后排入地表水系。对矿井水处理采用的技术一般有： 1 ) 液分离技术； 2 ) 中和法； 3 ) 氧化处理； 4 ) 还原法： 5 ) 离子交换法等。 英国煤矿年排水量3 6 x1 0 8 吨，其中1 5 作工业用水，8 5 排放到地表水系。 英国矿井水处理主要解决以下三大问题： 1 ) 对含悬浮物的矿井水进行沉淀处理； 2 ) 对矿井水中铁化合物的去除： 3 ) 对矿井水中溶解盐的去除，采用化学试剂中和处理以及反渗透、冻结法进行 1 河北理工学院硕士学位论文 脱盐处理。 前苏联煤田开采外排水2 3 1 0 9 研3 a ，矿井水处理技术有：中和法、沉淀、絮 凝、砂滤或浮选，处理后用于开采作业或加氯消毒后作生活用水以及采用种植大量 水生植物的净化措施。原苏联顿巴斯矿区1 9 8 5 年矿井水利用率超过9 0 ，主要使 用方法是直接疏干井下水 1 3 】【1 4 。 2 0 世纪7 0 年代开始，德国的莱茵褐煤矿和希腊南部的米加罗波里褐煤矿，利 用大量的潜水电泵，在煤矿井地下水补给边界处强排，排出的地下水直接通过管道 输送至电厂，供其发电之用【”1 。 8 0 年代匈牙利外多瑙河煤矿和铝土矿把矿井的排水直接卖给城市供水部门作为 当地人们的生活饮用水。这些煤矿仅依靠经营矿井排水这一项伴生矿产资源，就获 得了十分可观的经济效益【1 6 】【1 7 。 国外煤矿山的排供结合思路非常简单，但十分有效。他们购置大量的潜水电 泵，在矿区地面实行强排，疏干主采煤层的直接充水含水层组，在解除水患危险 后，开始进行大规模机械化采煤作业。由于在矿区地面直接排水，避免了地下水流 入矿井被污染这个环节，地面排放水的水质优良，无需或稍加处理便可以直接通过 各种不同的输水管道卖给不同的需水用户，然后按照不同的供水用户和输送距离的 长短等指标收取水费。因此，国外煤矿矿井排水不是一种负担，而是作为获利的一 种手段1 8 1 。 1 2 3 国内矿井水处理与利用现状 如前所述，我国是缺水大国，水资源分布极不平衡，我国北方地区水资源只占 全国总量的1 9 ，而煤炭资源却占全国总量的7 5 ，这就形成了富煤地区正是贫水 地区的格局。据调查，目前8 6 个国有重点煤矿区中有7 1 的矿区缺水，4 0 o o 的矿 区属严重缺水，国有煤矿缺水达6 9 8 6 1 0 5 m 3 d ，其中生活用水缺3 3 1 0 5 m 3 d 。东北、西北、山西、内蒙古以及豫西是我国的主要产煤区，这些地区煤矿 用水极为紧张，有些矿区每日供水不足4 小时，严重制约了矿山生产和影响煤炭职 工的日常生活。而煤矿区所在城市缺水状况更为严重。矿区能源开发与水资源紧张 的矛盾已严重制约了煤矿工业的发展，也制约了我国国民经济的总体发展。据不完 8 河北理工学院硕士学位论文 全统计，1 9 9 6 年全国煤矿外排矿井水2 2 5 8 1 0 9 m 3 ，综合利用率为1 9 5 ，预计到 2 0 0 5 年全国煤矿外排矿井水达2 3 5 1 1 0 9 m 3 ，综合利用率为2 3 。我国煤矿井下 水的利用率还很低，应该说在我国矿井水的利用潜力巨大，前景广阔。根据对我国 北方以排放岩溶水为主的3 2 个矿区的统计，矿井总排水量高达2 5 3m 3 m i n ，其中 6 0 为岩溶水，约占矿区所处岩溶水系统总量的1 9 。毫无节制的排水不仅大大增 加了吨煤成本，而且导致地面塌陷、地下水资源流失、水质恶化【1 9 】。我国煤矿矿井 水中普遍含有以煤粉和岩粉为主的悬浮物以及可溶的无机盐类，有机污染物很少， 一般不含有毒物质，多数矿井水是中性水，碱性水不多见，有一定数量的酸性水。 可见，我国矿井水水质较好，但利用率不高，全国只有田陈煤矿、平项山矿务局、 兖州矿务局、大同矿务局、鲍店煤矿、古汉山矿等的矿井水处理工艺比较成熟，利 用率比较高，但处理成本都较高，且都未能达到饮用水卫生标准1 2 0 】。 1 ) 我国煤矿矿井水利用现状 虽然我国有意识的矿井水综合利用起步较晚，利用率仅有1 5 左右：但就目前 来说，随着各矿水资源的紧张，许多矿区都进行了不同程度的综合利用工作。 矿井水不经处理直接利用：这种情况的前提条件是矿井水中不含有毒有害元素 ( 或含有少量，但不超过外排标准) ，只是悬浮物、细菌学指标超标。有些矿区根据自 己矿井水的特点，采用“清、浊分流”的办法，清水单独抽取至地面，可以直接作为工 业、生活用水，有的煤矿还从井下涌水中发现了矿泉水，成为矿上的聚宝盆。但是这种 利用方式受条件限制，首先分流的清水必须达到饮用标准；其次，清水的水源必须稳 定，不然建了一套提升系统，水源突然干涸，不仅浪费投资，还给供水造成了被动。直 接利用较普遍的情况是作为井下灌浆用水和其它对水质要求不高的工艺中。 矿井水经过常规的混凝、沉淀、过滤处理，或供工业用或饮用或外排：这种 情况下矿井水中也必须不含有毒有害元素( 或含量小于饮用标准) ，p h 值接近中 性，含盐量也不高。缺水的地区就处理成饮用水或工业用水，不缺水的地区处理到 外排标准。但在这种情况下，我国煤矿的水厂在设计时必然考虑处理到饮用水的标 准，造成大量的资金积压和设备闲置浪费。 ，9 河北理工学院硕士学位论文 矿井水必须首先进行特殊处理，才能进行常规处理，进一步处理为工业或饮 用水：这种情况主要是指对酸性矿井水的处理。酸性矿井水在我国分布较广，而且 酸性矿井水危害较大，必须经过处理才能排放。 高矿化度矿井水的综合利用：只有少数几种工业用水能直接用高矿化度水， 大多数的利用方向必须经脱盐处理。脱盐处理之前必须经过常规处理去除大部分除 盐之外的污染物，才能进入脱盐设备。由于脱盐设备造价较高，运行费用也高，所 以脱盐工序只在淡水缺乏的矿区得到了应用。 随着经济增长和人们环保意识的提高，许多煤矿己将煤矿废水处理利用作为重 点指标纳入考核体系和生产建设计划之中，加大投资力度，科技人员研究开发了多 种合理可行的煤矿废水处理利用技术，特别是在煤矿矿井水处理利用上发展较快。 据统计，目前全国矿井水外排达标率为8 5 ，但回收利用率仅为2 0 ，山西省也只 为4 0 。因此，矿井水资源化就显得更加重要。它既可以使污水变废为宝，为我所 用，缓解矿区供排水矛盾；又可以防止由于矿井水的直接外排所造成的环境污染， 保护了生态环境。资源化的矿井水与地下水供水工程相比，不但能节省地下水资源 费、提水费以及超标排污费，而且还能为选煤厂闭路循环回收煤泥，节约土地复垦 征地费，创造农林产值等，其经济效益十分可观【2 1 。 2 ) 我国煤矿矿井水利用存在问题 煤矿区水污染问题是煤矿环境保护的一个突出问题。自1 9 8 7 年以来，煤矿企业 虽然加大环保投资，加大“三废”处理力度，煤矿矿井水及废水处理利用每年达2 1 0 8 m 3 ，但从总体上来说，煤矿矿井水及废水处理利用技术仍维持在一个较低水 平，主要有以下几个方面原因： 资金紧缺：水处理是一项耗资巨大的工程，一般要建一座废水处理站，少则 二三十万元，多则几百万元甚至上千万元，如江苏省某煤矿建造一座日产淡水1 5 1 0 3 m 3 的矿井水处理站，投资6 5 万元之多，对于经济条件并不十分好的煤矿来说， 是很难投资兴建水处理站的。 依靠科技进步不足：环保工作是专业性、综合性、科学技术性很强的工作。 我国绝大部分煤矿位于农村，目前从事煤矿环保工作的管理人员有相当部分是从与 1 0 河北理工学院硕士学位论文 环保没有关系的其它行业转行的，受工作时间限制，这些人员很难抽时间进行系统 培训，再加上许多煤矿废水处理工程由非煤炭系统设计单位承担，缺乏对煤矿生产 情况的深入了解，导致一些煤矿废水处理站建成后难以达到处理目标 2 2 】。 历史欠帐多：过去在计划经济体制下一些煤矿走生产一生活一环保的发展路 子，采用劳动密集型生产经营方式，国营煤矿多数简易投产，乡镇煤矿土法上马、 手工生产，造成用人多、效率低、亏损大、污染严重等问题。近年来，虽然加大环 保投资，但由于历史欠帐太多，先天不足，所以收效甚微【2 3 。 行业内部发展不平衡：总体上国有重点煤矿环保管理比较好，新污染源得到 控制，老污染源逐步治理，地方矿差一些，乡镇矿则是空白。我国国有重点煤矿、 地方国营煤矿、乡镇集体煤矿煤炭产量维持在3 9 ：1 8 ：4 3 的比例，从总体上造成了 煤炭工业环境保护工作的艰巨性和复杂性2 4 】【2 5 】。 1 3 本文的研究内容及意义 本文根据我国矿区严重缺水，矿井水综合处理利用率低以及处理成本高等现状 进行矿井水资源化的可行性研究。并主要以开滦矿区矿井水处理与利用为研究对 象，结合国内外矿井水的处理方法和工艺，研究开滦矿区矿井水资源化的合理方 案，确定最佳工艺流程，最佳处理方法和处理措施。提高科学化管理水平，从而降 低成本，争取使矿井水全部得到综合利用，满足矿区各方面需要，并为社会提供用 水。 矿井水资源化，不但减少了废水排放量，免交了排污费，而且节省大量自来 水，减少了水源浪费，并增加了资源化后的经济效益。矿井水资源化开辟了新水 源，减少了淡水资源开采量。实现“优质水优用”的原则，减少或避免了长距离输 水等问题。缓解了开滦矿区乃至整个环京滓地区严重缺水状况，使水资源的利用更 加经济合理；矿井水资源化将会减轻矿井水对地表水系的污染，堵住污染源，美化 矿区环境。实现经济效益、环境效益和社会效益的统一。 本文对矿井水处理与利用提出了非常合理、科学的方案、处理方法及工艺流 程，具有较好的实际应用价值。 河北理工学院硕士学位论文 第二章矿井水资源分析 2 1 唐山市水资源概况 唐山市地处燕山山脉南麓，全市多年平均降水量为6 7 9 8 m ，平均径流深为 1 3 6 6 m m ，是华北地区降水资源比较丰富的地区。但年内降水在时间和空间上分布 很不均匀，从地理位置上分布是北多南少，北部山区多年平均降水量为7 4 6 4 m m ： 南部平原平均为6 2 0 5m m 。降水量年际变化较大，年降水变率平均为2 l 。丰水年 最大降水量各县均在l0 0 0 m m 以上，枯水年最小降水量则在4 3 0 m m 以下。年内降 水极不均匀，春季降水占全年的1 l ，夏季占7 4 4 ( 7 月降水最多，平均为 2 3 0 5 m m ) ，秋季占1 2 4 ，冬季仅占全年的2 2 。 唐山市水资源包括地上和地下水两部分。多年平均水资源总量为6 8 7 5 1 0 1 0 肌3 。其中： 1 ) 地表水资源：包括本地自产水和上游河道外来水两部分。多年平均为5 9 x 1 0 1 0 m 3 。本区境内多年平均产水为1 7 5 2 1 0 1 0 m 3 ，其中山区产水9 5 3 4 2 x 1 0 9 m 3 ，平原产水7 9 8 1 3x1 0 9 m 3 。外来水主要是滦河及蓟运河两条主要河流，共计 4 1 4 7 7 1 0 1 0 m 3 ，其中滦河多年平均流入唐山水量为4 0 3 2 1 0 1 0 棚3 ，蓟运河各支流 为1 1 5 7 1 0 9 m 3 。但随着工农业的发展，上游用水户逐年增多，境外流入该市的水 量逐年减少。 2 ) 地下水资源：根据河北省水利厅设计院计算，唐山市浅层地下水多年平均年 总补给量为8 7 7 x1 0 9 珊3 ，平原浅层地下水可采量为9 7 4 8 x1 0 9 m 3 。 全境共有大中小水库1 5 5 座、塘坝3 2 6 座、蓄水河道2 1 条，年总计可供水2 7 x 1 0 8 m 3 。另有潘家i = 1 水库年调节水量9 5 x1 0 8 m 3 。大黑汀水库为1 8 4 x1 0 8 m 3 ， 滦河下游区间经由唐山市可用水量为2 0 7 x1 0 8 m 3 ，天津市于桥水库调节水量6 0 x 1 0 7 m 3 ，总共为1 6 7 1 1 0 9 埘3 。加上地下水现状可用水量，该市目前可供水量是平 水年为2 7 2 7 1 0 9 m 3 ，枯水年为2 3 0 9 1 0 9 m 3 ，特枯年为1 6 6 1 0 9 m 3 。但实际 工、农业及生活用水总量已达2 8 1 0 9 m 3 以上，缺水5 1 0 8 m 3 2 6 1 。由于水量不 1 2 河北理工学院硕士学位论文 足，每年大量超采地下水满足工农业和城市生活用水需要，造成地下水水位下降， 并出现了三个较大漏斗区( 唐山龙王庙、丰润、韩城一带，滦县塔坨、东矿一带， 唐海县驻地、乐亭沿海、丰润老铺至芦台、汉沽一带) ，漏斗区面积31 9 3 k m 2 ，区 内水位下降最高达3 0 m 以上。并且地下漏斗不断扩大，市区出现多处塌陷，水的矿 化度增加，水质恶化，给人民的生存环境造成极大危害。因此开发利用现有水资 源、节约地下水资源是十分必要的。 陈云同志曾经指出：“水的问题始终是个大问题，要从战略高度来认识水的严 重性，尤其是经济科技领导部门，应该把计划用水、节约用水、治理污水和开发新 水资源放在不次于粮食、能源的重要位置上，并列入长远规划、五年计划和年度计 划加以实施，以逐步扭转目前水资源危机的严重状况。”可以毫不夸张的说，合理 开发利用水资源，解决唐山市严重缺水问题，是唐山市国民经济发展的关键。唐山 市水资源