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淮北矿区矿井水处理技术与应用研究 摘要 水是生命的源泉，是人类社会经济生产和生活不可缺少的自然资源。但是， 目前水资源问题已成为我国社会经济可持续发展中最突出的问题之一。在我国， 煤矿矿区尤其是北方矿区缺水已成普遍存在的现象，同时，煤矿生产过程中又 排出大量的矿井水，这些矿井水未经处理直接外排，不仅造成了矿区周围环境 的污染，而且还浪费了宝贵的水资源。因此，综合考虑，矿井水资源化是解决 煤炭矿区严重缺水和矿井水污染环境这两个困扰煤炭行业的难题的最佳选择， 而且合理的资源化可使煤矿矿井水达到经济效益、社会效益和环境效益的统一。 基于上述理论，通过收集大量的资料、现场踏勘以及研究分析，本文针对 淮北矿区矿井水水质特征，提出了矿井水处理回用方案，通过分析矿井水处理 工艺对淮北矿区矿井水水质处理效果的，并论证了该矿区实现矿井水资源化回 用的可行性，从经济效益、环境效益以及社会效益考虑，给出最佳矿井水处理 技术路线。 这一研究的主要意义在于找出一种矿井水处理最佳技术路线( 既能满足标 准要求又能节省资金) ，对于淮北矿区老矿井矿井水处理站改造以及新建、扩建 矿井矿井水处理站的建设提供技术上的支持。 关键词：淮北矿区；煤矿；矿井水；处理工艺 t h e t e c h n o l o g y0 fw a t e rt r e a t m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c h i nh u a i b e im i n i n ga r e a a b s t r a c t w a t e ri st h es o u r c eo fl i f e ，w h i c hi sa ne s s e n t i a ln a t u r a lr e s o u r c e si ns o c i a l e c o n o m yp r o d u c t i o nh o w e v e r ，a tp r e s e n t ，h u m a nw a t e rr e s o u r c ep r o b l e mh a s b e c o m eo n eo fc h i n a sm o s tp r o m i n e n tp r o b l e m si ns o c i a la n de c o n o m i c s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t i no u rc o u n t r y ，e s p e c i a l l yt h ec o a lm i n i n ga r e ai nn o r t ho f c h i n a sw a t e rs h o i r t a g e sh a sb e c o m eac o m m o np h e n o m e n o n ，a tt h es a m et i m e ，t h e c o a lp r o d u c t i o np r o c e s sd r a i n a g e sal a r g eq u a n t i t yo f w a s t em i n ew a t e r ，t h i s u n p r o c e s s e dw a s t em i n ew a t e rd i r e c t l yd i s c h a r g e ，n o to n j yc a u s e dt h em i n i n ga r e a e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na r o u n d ，b u ta l s ow a s t ev a l u a b l ew a t e rr e s o u r c et h e r e f o r e ，t o t h ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n ，m i n ew a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o ni st h eb e s t c h o i c et os o l v et h ec o a lm i n i n ga r e as e r i o u sw a t e rs h o r t a g e s 锄dm i n ew a t e r p o l l u t i o ne n v i r o n m e n tt h e ya r et w oh a r dq u e s t i o n st om a k et h ec o a li n d u s t r yb e p e r s e c u t e db ym a n yy e a r s ，a n dr e a s o n a b l eu t i l i z a t i o no fc o a lm i n ew a t e rc o u l d r e a c ht h ee c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e 6 t sa n de n v i r o n m e n te f n c i e n c y u n i f i c a t i o n b a s e do nt h ea b o v et h e o r y ，t h r o u g ht h ec o l l e c t i o no fal a r g ea m o u n to fd a t a ， f i e l do b s e r v a t i o na n dr e l a t i v ed a t aa n a l y s i s ，t h i sa r t i c l ea i m i n ga tt h ew a t e rq u a l i t y c h a r a c t e r i s t i c so ft h em i n ew a t e ri nh u a i b e ic o a lm i n ea l r e a ，a n dp u t sf o r w a r dt h e m i n ew a t e rt r e a t m e n tr e u s ep l a n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em i n ew a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y s ，e f n c i e n c ya n dp r o v et h em i n i n ga r e ao ft h em i n ew a t e rr e u s er e a l i z e f e a s i b i l i t y ，t bc o n s i d e r a t i o no ft h ee c o n o m i cb e n e f i t s ， e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s ， s o c i a lb e n e f i t s ，t h e ng i v et h eb e s tr o u t eo fm i n ew a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y t h i sr e s e a r c h sm a i ns i g n i f i c a n c ei st of i n do u tt h eb e s tt e c h n i c a lr o u t eo fm i n e w a t e rt r e a t m e n t ( n o to n l ys a t i s f yt h es t a n d a r dr e q u i r e m e n tb u ta l s os a v em o n e y ) t o t h eo l dm i n ew a t e rt r e a n n e n ts t a t i o n si nh u a i b e ic o a lm i n ea r e ao f f e rt h e t r a n s f 0 皿a t i o n ，n e w sc o n s t r u c t i o na n de x p a n s i o n sf r e et e c hs u p p o i r t k e y w o r d s ：h u a i b e im i n i n ga r e a ；c o a l m i n e ；m i n ew a t e r ；t l r e a t m e n tp r o c e s s 致谢 两年前，我怀着期待和憧憬来到这里，而如今在学业即将完成之际，我特 向对我读研期间的科研、学习和生活给予帮助的人们致以最衷心的感谢! 首先感谢我的导师孙世群副教授悉心的教导与培养! 在硕士研究生阶段， 我不仅在科研、学习过程中得到了孙老师的细致指导，更重要的是在为人处世 方面得到了孙老师的悉心教诲。孙老师平易近人的品性为我们营造出一个宽松、 民主的学习氛围，他言传身教、授人以渔，以其深刻的理解力、敏锐的洞察力、 丰富的学识和严谨的治学态度为我树立了人生的榜样，也是我将来奋斗的目标。 此外，孙老师对我们人生观价值观上的谆谆教诲的也使我受益无穷。 感谢安徽绿华环境科技发展有限公司各位领导以及公司所有人员，在我实 习期间给予我的关心和帮助，是我实习阶段充实和快乐，让我真正领略到探索 和求知的乐趣。 感谢安徽省环境监测中心站、淮北市环境监测站、宿州市环境监测站及毫 州市环境监测站提供的监测数据支持。 感谢各位师兄弟姐妹们，有你们让我感受到了家的温暖，和你们一起并肩 奋战、一起学习相互勉励的日子将让我永远难忘。感谢师弟师妹们对我的大力 帮助。 感谢我的父母，正是有了你们对我的大力支持与鼓励，让我可以安心地完 成学业，放心地走自己的人生之路。 同时，还要感谢论文评委会的各位老师，由于水平有限，论文中的不足之 处敬请给予批评指正。 作者：朱晓玉 2 0 1 2 年4 月 插图清单 图1 一l本课题研究技术线路8 图2 一l淮北矿区地理位置图1 0 图2 2 淮北矿区水系分布图一1 l 图2 3淮北矿区各矿区矿井分布图1 6 图2 4淮北矿区生态功能区划图1 9 图2 5淮北矿区塌陷区占用耕地情况图2 0 图3 1含悬浮物矿井水处理工艺流程图2 7 图3 2高矿化度矿井水处理流程图2 7 图3 3矿井水资源化主要利用途径2 8 图3 - 4淮北矿区老矿井原有矿井水处理设施2 9 图4 1淮北矿区矿井水处理工艺方案一3 1 图4 2淮北矿区矿井水处理工艺方案二3 3 图4 3 胶体结构及其电位一3 4 图4 4 絮凝剂选择图一3 7 2 插表清单 表2 2规划区生态功能分区类型1 8 表2 3水环境功能区划及纳污水系2 1 表3 一l淮北矿区部分矿井涌水量表2 4 表3 2淮北矿区地下水水质监测数据2 5 表3 3淮北矿区矿井水水质监测数据2 6 表4 1常用无机和有机混凝剂的品种及主要性能3 6 表4 2芦岭煤矿矿井水处理设施进出口水质情况表3 9 表4 3朱仙庄煤矿矿井水处理设施进出口水质情况表3 9 表4 4煤炭工业污染物排放标准4 0 表4 5杨庄煤矿矿井水处理设施经济效益分析一览表一4 0 表4 6朱仙庄煤矿矿井水处理站经济评估4 1 第一章绪论 2 l 世纪，水资源危机是人类面临的最严峻的问题之一。我国煤炭资源 主要来自于地下开采，为了确保井下安全，井下的矿井水必须排出井外。 据统计，我国每年矿井水排放量高达4 5 亿m 3 ，而利用率仅为4 3 8 。其 中大部分矿井水未经处理就直接排放到江河湖泊，造成严重的环境污染， 从而也加重了水资源的短缺问题，并影响我国煤炭工业的进一步发展。 矿井水主要来源于采煤层和开拓巷道中的地下水，有时也含有少量进 入的地表水。我国矿区严重缺水，但同时又有大量的矿井水白白排放，这 种排放既浪费了水资源，又造成了矿区的污染。全国大约有7 0 的矿区面 临着水资源短缺问题，而其中的4 0 的煤矿属于严重缺水区域。煤矿开发 过程中排出的矿井水的水质差别较大，有少部分矿井水质较好，不需要处 理，就可以达到饮用水标准；但是绝大多数的矿井水受采煤以及开拓等的 影响，具有较高的矿化度、大量的悬浮物，多含重金属离子、显酸性，甚 至有的还含有有机污染物、放射性物质和氟等其他污染物，上述这些矿井 水水质中等，污染程度低，经过简单处理资源化相对容易，处理成本也较 低，用途广泛。因此资源化的处理矿井水对于解决矿区面临的水资源短缺 以及水污染环境问题，提高地区环境质量，进而实现煤矿矿区的科学发展 具有实际的战略意义。 淮北矿区位于安徽省西北部，地跨淮北、宿州和毫州等市的砀山、萧 县、濉溪、涡阳和蒙城等县。根据地质构造的发育特点和煤炭资源的赋存 状况，淮北矿区以宿北断层大致分为北块和南块，其中北块为濉肖区；南 块又被南坪断层和丰涡断层分为东段的宿县区、中段的临涣区和西段的涡 阳区。淮北矿区主要由淮北矿业集团公司、皖北煤电集团公司、安徽省物 资能源公司及安徽煤化有限公司等企业共同开发建设。 本文通过大量的资料收集整理，现场踏勘以及分析研究，主要针对淮 北矿业矿区各矿矿井水水质、矿井水处理现状情况等进行了分析研究，并 提出了最佳的矿井水处理及回用的技术路线，为今后淮北矿区老矿井矿井 水处理站的改造以及新建矿井矿井水处理站的建设提供技术上的参考与 指导。 1 1 研究背景 我国是一个煤炭资源丰富的大国，2 0 0 0 年我国的原煤产量突破1 4 亿 吨，居世界首位。在我国国民经济的高速发展的同时，煤炭需求量也逐年 增长。煤炭作为我国的最为重要工业原料以及能源，占到了我国一次性能 源消耗量的7 0 ，这种资、能源比例将在今后很长的一段时间内不会被改 变。目前，我国工业动力来源的约7 5 ，化工原料的8 5 以及绝大部分 的燃料都来自煤炭供应。我国煤炭主要是地下开采为主，其在生产过程中 难免会影响到地下含水系统，对造成局部的地下水造成污染和破坏。目前， 在我国大部分的矿区未实施科学的节水措施以及废水处理回用设施，造成 每年浪费了大量的水资源f l 】。 煤炭开采过程中，造成了矿区水污染及水资源的浪费，然而矿区工农 业用水又极为严重的短缺。据调查，在我国北方，生活用水量每天人均不 足0 0 6 m 3 ，差不多只有用水指标的一半，甚至有些矿区日供水不足2 h ，严 重制约了我国煤矿行业的生产、发展以及影响矿区人民的日常生活【2 1 。在 我国，足有4 0 0 多座城市有不同程度的缺水，1 3 多座城市缺水尤为严重， 日缺口达到了惊人的1 6 0 0 万m 3 ，年缺水量达到了6 0 亿m 3 ，因缺水而造 成的经济损失每年超过2 0 0 0 亿元人民币。我国北方城市普遍缺水，这些 城市的可持续发展受水资源短缺的影响较大。矿区采煤过程中，大量的抽 排矿井水，破坏了区域地下水资源，使得地下水水位不断下降，造成矿区 水资源的枯竭，并同时引发地面沉降。大量的矿井水的直接外排，会造成 矿区水环境污染严重，矿区水资源水质恶化1 3 一引。 在我国，相当部分的煤矿生活用水较为紧缺，这就使得矿区供水采取 分片定时供水措施，甚至部分地区饮用水不能满足饮用水标准。据统计， 我国矿区中有5 0 以上的煤矿生活饮用水水质指标不能满足要求，有的甚 至超标严重【6 】。煤矿矿区经济的发展已经被矿区水资源的短缺严重制约了， 同时水资源的短缺还阻碍了矿区人民生活质量的提高，并且对我国经济的 可持续发展造成不良影响。 煤矿开采过程中产生的矿井水水量较大，一般来说矿井水水质较为清 洁，如果能够将这部分矿井水处理后供矿区使用，不仅能够满足生产和生 活用水，同时还可以节省大量的因钻探深水源井而产生的资金，创造较好 的经济效益、社会效益以及环境效益。 淮北矿区以煤炭开采及洗选、火电、焦化、纺织等主体的经济发展模 式，而这些行业恰恰又是用水大户，对水资源的需要量仅淮北市火电需求 量就达到了2 2 亿吨每年。人均占有年水资源量仅为3 9 8m 3 ，远低于国际 公认的水资源紧缺下限1 0 0 0m 3 ，为严重资源型缺水地区。随着淮北矿区 工业化及城市化的不断推进，对水资源的需求量将会逐步增加，然而现状 水资源的匮乏又不能满足发展的需要，水资源短缺，供应需求矛盾日益尖 锐。 淮北矿区始建于二十世纪五十年代，目前共有生产矿井2 2 对，主要 分布在濉肖、宿县、临涣区。淮北矿区2 0 1 0 年煤炭开采规模能够达到5 9 0 5 万吨，淮北矿区计划至2 0 2 0 年，新建成2 4 对矿井，使煤炭主业达到6 2 6 0 2 万吨左右的规模。淮北矿区各矿井矿井每天涌水量几千吨至几万吨不等， 如果能够将这部分水资源更好的用到工农业生产以及生活中去，将能够很 好的解决淮北矿区水资源短缺的问题。淮北矿区各矿井建矿时间不等，很 多老矿井在当时环境下，根本没有没有同步建设矿井水处理及回用设施， 有些在2 0 世纪8 0 年代后建的矿井只建有简单的处理设施，根本不能满足 现行的相关环境保护法律法规、标准等要求，也无法达到回用资源化利用 的要求。目前，淮北矿区大部分地区缺水很严重，因此有矿井水处理及资 源化利用意义重大。 1 2 国内外矿井水处理技术研究现状 1 2 1 国内煤矿矿井水处理技术现状 矿井水主要来源于矿区开拓巷道以及所采煤层附近的水源，有时也有 部分少量的地表水渗入。由于受到当地地质构造、地质年代以及各种煤系 伴生矿物成分等的影响，以及地下水因流经采煤工作面而将煤粉粒等的带 入的影响，不同的井下生产方式的影响，使得矿井水的水质行业特征很明 显，区域差异性较大。我国矿区矿井水的水质成分主要含有悬浮物及可溶 性无机物。我国矿区矿井水按照其化学性质，分为5 大类，主要为酸性矿 井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水( 苦咸水) 、洁净矿井水、含有 害元素或微量元素矿井水等。 目前，处理矿井水的主要技术有：中和酸性水、反渗透去除可溶性盐、 絮凝处理去除悬浮颗粒物类等以及它们组合的技术。 2 0 世纪7 0 年代末，我国矿井水净化处理技术开始了发展。目前，用 于处理江河、地表、湖泊水的一些构筑物，在矿井水处理技术工艺中绝大 多数也被尝试过，例如反应沉淀池( 或澄清池) 、过滤池、预沉调节池等。 洁净的矿井水净化处理后可直接用作生活用水和工业生产用水。目前已在 使用的矿井水净化处理技术，主要采用反渗透、混凝沉淀过滤、混凝沉淀 等。通常采用沉淀或混凝沉淀处理技术处理一些处理后直接排放的矿区矿 井水；一般采用混凝沉淀加过滤( 混凝澄清过滤) 的技术工艺处理一些需 要用作工业生产用水或其他用水的的矿井排水；需处理后直接作为生活用 水的矿井水，必须经上述处理后再经过消毒处理。某些矿区含悬浮物的矿 井水中具有较高的含盐量，还必须要经过淡化处理，处理后的矿井水才可 以作生活饮用水使用【7 引。 矿井水中的悬浮物主要有较多岩、煤粒、粉等，这类矿井水一般呈黑 灰色。悬浮物的主要特征是在流动的水中呈现出悬浮状态，但是当处于在 静水时，却可以将其从中分离出来，重的下沉，轻的上浮。根据这一悬浮 物的特点，处理后作为工业用水的矿井水，往往采用净化处理常用的方法 混凝加沉淀。水处理工艺中，混凝是占据着举足轻重的环节。混凝时选用 产生强、重、大的矾花，出水效果好的混凝剂，同时要求混凝剂的使用对 出水水质不造成不良影响，并且要货源足、价格便宜。铁盐和铝盐是常用 的的混凝剂。在处理混合过程中，将药剂均匀且快速地分散到处理水中， 这个时间要求控制越短越好，这样一来就可以使得投入的药剂能够迅速的 与胶体发生接触，达到处理效果。当向矿井水中投加混凝剂，并经过混合 作用处理后，水中的胶体杂质经过处理形成较大的矾花颗粒，沉淀后达到 去除的效果。p 1 0 j 。 武强等【l l j 对混凝微滤膜分离技术处理矿井水废水与回收利用方面进 行了升入的实验研究。其试验中使用混凝微滤膜分离组合的工艺，对含悬 浮物矿井水进行处理考察了微滤膜操作特性的变化对膜过滤性能的影响 及该工艺对含悬浮物矿井水的处理效果。试验结果表明：微滤膜以过滤反 曝气交替运行方式，在运行周期t = 3 0 m i n 时膜曝气可以大幅度地清除膜表 面的泥饼层，减小膜污染，恢复膜通量，有效地维持膜过滤性能的稳定， 该工艺对含悬浮物矿井水处理，系统出水水质稳定，所测项目达到国家生 活饮用水水质标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 。 肖利萍1 1 2 j 对矿井水的混凝处理进行了研究。研究中选用阜新矿务局的 矿井水进行试验，结果表明聚合氯化铝( p a c ) 和聚丙烯酰胺( p a m ) 配合投 加时效果最佳，最佳投药量为5 m g l ，0 2 m g l 。混凝最佳p h 值为7 。 夏畅斌等【1 3 】对表面活性剂对细粒煤的脱水效果进行了试验研究，结 果表明，阴阳离子表面活性剂毙够显著地提高细陵煤过滤脱水的技术指标。 何广东等【1 4 】对矿井水的井下处理进行了研究。针对地面处理矿井水的 一系列缺点和不足，研究了一种新型的矿井水井下处理工艺。该处理系统 包括沉淀系统、过滤系统、阻垢系统和自控系统。运行结果表明：该系统 特别适合于煤矿高悬浮物、含铁锰矿井水的井下处理，出水铁含量小于o 1 m g l ，锰含量小于o 1 m g l ，浊度小于3 n t u ，粒度小于5um ，完全满足 井下回用水水质的要求。 黄念东等【1 5 】对煤矿含氟矿井水的处理进行了研究。利用聚硅酸铝( p s a a ) 混凝剂对煤矿含氟矿井水进行处理。结果表明：用p s a a 作混凝剂是行 之有效的，经此工艺处理后，氟、s s 和c o d 的去除率分别为8 5 、9 8 和 9 5 ，处理后的水质可达到排放或矿井除尘生产用水的标准。 李福勤等【幡1 8 】对高矿化度高铁锰矿井水回用处理工艺进行了研究。采 用混凝沉淀烧杯搅拌试验和过滤柱模型试验，研究了混凝剂投加量和曝气 对混凝沉淀除铁除锰效果的影响，以及滤料、滤速、过滤周期、反冲洗强 度等对过滤出水水质的影响。结果表明，矿井水具有井下溶氧的特点，不 需专门设曝气装置；聚合氯化铝( p a c ) 最佳投药量( 质量浓度) 为6 0 m g l ， 4 混凝沉淀对铁的去除率在9 0 以上，而对锰的去除率在2 0 左右：经k m n 0 4 溶液浸泡的锰砂过滤( 滤速7 m h 9 m h ) ，除铁除锰效果优良，出水铁锰 的质量浓度都在0 1 m g l 以下，能够满足回用水的水质要求，而且启动快、 适应能力强。对高铁高锰矿井水水质特征及其净化机制进行了研究。以鹤 壁煤业集团九矿和寺湾矿矿井水为例，对高铁高锰矿井水的水质特征及其 净化机制进行了研究。分析表明，矿井水具有溶解氧丰富、高矿化度、高 浊度的特征，矿井水的处理不需专门设曝气装置。采用混凝沉淀和过滤模 型试验，考察了铁、锰的去除效果及滤料、滤速等对过滤出水水质的影响。 结果表明，混凝沉淀对铁的去除率在9 0 以上，对锰的去除率仅达 2 0 左右；以k m n 0 4 溶液浸泡过的锰砂为滤料，过滤( 滤速7 m h 9 m h ) 出水 铁、锰含量均在0 1 m g l 以下，表明锰砂表面所形成的活性复合物质滤膜 对锰的去除起到了关键作用。对鹤壁十矿矿井水处理中混凝剂的选择及最 优g t 值进行了研究。以鹤壁十矿高悬浮物矿井水为例，通过烧杯实验确定 最优混凝剂为碱式氯化铝( p a c ) ，最佳投药量为6 0m g l 。采用正交试验确 定最佳水力条件为：混合g 值为2 8 9 s 一1 ，g t 恸17 3 4 o ；反应g 值为7 7 s 一 1 ，g t 值为8 6 6 4 o 。混凝剂的投加量对最优g t 值有影响，随着投药量的增 大，最优g t 值减小，而沉淀时间对最优g t 值没有影响。 据统计，我国在2 0 0 5 年矿区煤矿矿井水涌水量为4 2 亿m 3 左右。而 我国水资源非常短缺，矿井水的处理和回收利用，意义重大，既能够解决 矿区水污染问题又能够解决矿区水资源短缺问题。目前，我国矿井水的处 理回收利用率刚达到3 0 ，而发达国家能够达到7 0 以上，相比较而言， 我国与他们还存在较大差距。当前，进一步促进开发以及发展适合我国矿 井水水之特征的处理技术和工艺，是当前重要的任务工作【l 引。 淮北矿区始建于二十世纪五六十年代，很多老矿井矿井水根本就没有 处理设施，很多都是经过井下水仓由水泵抽排上来后直接排入就近水体， 如朱仙庄煤矿等：或者有些在二十世纪8 0 年代后新建的矿井，矿井水抽 排上来之后，排入厂区内的自然水塘，经过自然沉淀后排入就近水体，例 如海孜煤矿等。这些矿井排放的废水根本无法达到煤炭工业污染物排放 标准( g b2 0 4 2 6 2 0 0 6 ) ，对周围环境造成严重影响，并且矿井水未加利用 直接排放浪费了大量的水资源。 1 2 2 国外煤矿矿井水处理技术现状 国外矿井水处理以及回收利用技术的研究与应用均较早，并取得相当 不错的成果。国外煤矿矿区均把矿井水的处理作为环境保护工作的重点来 抓，并认为矿山开采排水是煤炭开采中的伴生资源，矿井水涌水量愈大， 盈利也会随之愈多，经济效益也就随之愈大2 0 1 。2 0 世纪7 0 年代以来，国外 矿山开采又开展了区域综合治理规划，寻求在整体环境上的最佳治理方 案，以达到经济技术上合理可行和环保方面可靠的目标。据统计，美国早 在20 世纪80 年代的初期，煤矿矿井水的处理回用利用率就已经达到了惊 人的81 ，俄罗斯的顿巴斯矿区1988 年时，煤矿矿井水利用率就己超过9 0 【2 1 1 。很多国家对矿井水采取适当的处理后，一部分处理达到相应的环 保排放标准，排入地表水体；另一部分处理后回用于选煤厂以及矿井生产 使用。俄罗斯的煤炭工业生产位居世界领先地位，同时其对矿井水的处理 技术及回用利用的研究也较早，并且成果显著。俄罗斯煤矿环保研究院研 究出采用气浮法净化处理矿井水，采用净化水部分循环的工作方式，循环 水在压力箱中剩余压力的作用下充满空气，较好地形成了浮选剂。俄罗斯 采煤建井和劳动组织所研究的电絮凝法，是以直流电通过金属电极处理矿 井水，在电物理、电化学综合作用下，使得矿井水杂质颗粒以及微气泡形 成松散的团粒，凝聚后漂浮在水面上，在形成一层泡沫后采用刮板去除，此 方法可以使杂质团粒的沉淀速度加快数倍，并对处理乳化于水中的石油 类及其污染物均具有非常好的效果。 美国煤矿产生的矿井水大部分呈显酸性，早期采用以下措施女鲤：实施 封闭矿坑，阻止止硫化物与空气的接触，抑制减少酸性矿井水的形成，以及 减少矿坑水的外溢量；已经形成的酸性矿井水需经过稀释后排放；封存已 经污染的矿井水 日本矿井水除了部分用于选煤厂外，大部分矿井水经过沉淀处理后， 在去除悬浮物后排入地表水体。其矿井水处理采用的技术一般有：氧化处 理；还原法；中和法；固液分离技术；离子交换法等。 英国煤矿年排水量达到3 6 亿m 3 ，其中1 5 回用于工业用水，8 5 的矿 井水排入地表水体。该国矿井水处理主要解决以下三大问题：矿井水中 铁化合物的去除；含悬浮物矿井水进行沉降处理；矿井水中盐的去 除，采用反渗透、结晶法等进行脱盐处理以及化学试剂中和处理。 2o 世纪8o 年代前后，美国及一些欧洲先进国家先后研究了采用人工湿 地法处理矿井水，并取得了很多卓有成效的成果，目前己开始逐步应用于 实际生产过程中了，并取得了良好的效果，该法具有运行费低、投资省、 便于管理等突出的优点1 2 2 1 。 很多国家在矿井水处理以及资源化回收利用方面，进行了深入而广泛 的实践与研究，并且取得了很多卓有成效的成果，积累了不少成功经验， 但煤炭矿井水水质复杂，且地域差异性较大现有的处理设施以及回用工 艺技术还不够成熟和完善，针对不同的矿井水水质情况和回收利用的具体 要求不同，采用的工艺也就各不相同四】。 6 1 3 课题来源及研究内容 1 3 1 研究目的和意义 淮北矿区始建于二十世纪五十年代，目前共有生产矿井2 2 对，主要 分布在濉肖、宿县、临涣区。淮北矿区2 0 1 0 年煤炭开采规模能够达到5 9 0 5 万吨，淮北矿区计划至2 0 2 0 年，新建成2 4 对矿井，使煤炭主业达到6 2 6 0 万吨左右的规模。淮北矿区各矿井矿井每天涌水量几千吨至几万吨不等。 而淮北矿区又是以煤炭开采及洗选、火电、焦化、纺织等主体的经济发展 模式，而这些行业恰恰又是用水大户，对水资源的需要量仅淮北市火电需 求量就达到了2 2 亿吨每年，为严重资源型缺水地区。 本课题研究目的在于利用现有掌握的资料，分析矿井水处理工艺对淮 北矿区矿井水水质处理效果的，从经济效益、环境效益以及社会效益考虑， 给出最佳矿井水处理技术路线。 本课题研究的意义在于找出一种矿井水处理最佳技术路线( 既能满足 标准要求又能节省资金) ，对于淮北矿区老矿井矿井水处理站改造以及新 建扩建矿井矿井水处理站的建设提供技术上的支持。 1 3 2 研究内容及技术路线 本文针对我国煤矿矿区严重的水资源短缺，煤矿矿井水处理以及资源 化回收利用的研究。本文主要选取淮北矿区为研究对象，通过收集查阅大 量的资料，实地现场的踏勘考察，以及对资料等的分析研究，对淮北矿区 矿井水水质特征以及淮北矿区矿井水处理情况进行分析，并通过对国内外 煤矿矿井水的处理工艺与方法的分析，研究适用于淮北矿区矿井水处理资 源化回收利用的合理方案，从经济效益、环境效益以及社会效益考虑，给 出最佳矿井水处理技术路线( 通过确定最佳工艺流程，最佳处理方法及处 理设旌) 。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，满足矿区生产、居民生活用水需求。 具体研究技术路线如下图所示。 资丰斗的收集与整理 图1 1 本课题研究技术线路 8 第二章研究区域概况 2 1 淮北矿区概况 2 1 1 自然环境概况 ( 1 ) 地理位置 淮北矿区位于安徽省西北部，地跨淮北、宿州和毫州三市的砀山、萧 县、濉溪、涡阳和蒙城等县，其地理座标为：东经1 1 5 0 1 5 ，1 1 7 0 2 8 ，北 纬3 3 0 2 0 3 4 0 3 8 ，矿区位置见图2 1 。矿区范围：东起京沪铁路和符离集 一四铺一任桥一线附近；西至豫皖省界；南至板桥断层；北至陇海铁路和 苏皖省界。矿区东西长4 0 1 5 0 k m ，南北宽1 1 0 k m 左右，面积为1 0 8 5 0 k m 2 。 根据地质构造的发育特点和煤炭资源的赋存状况，本矿区以宿北断层 大致分为北块和南块。其中北块为濉肖区；南块又被南坪断层和丰涡断层 分为东段的宿县区、中段的临涣区和西段的涡阳区。各区域的范围和面积 为： 濉肖区：东起京沪铁路，西止豫皖省界；南自宿北断层，北至陇海铁 路和苏皖省界。该区域南北长约7 0 k m ，东西宽4 0 8 0 虹，面积约4 2 0 0 k m 2 。 宿县区：东起符离集一四铺一任桥一线附近，西止南坪断层；南自板 桥断层，北至宿北断层。该区南北长约3 5 k m ，东西宽3 0 k m 左右，面积约 为1 0 5 0 k m 2 。 临涣区：东起南坪断层，西止丰涡断层；南自板桥断层，北至宿北断 层。该区东西长5 0 k m 左右，南北宽2 5 4 5 k m ，面积约1 7 5 0 k m 2 。 涡阳区：东、南分别自丰涡断层和板桥断层，西、北均至豫皖省界， 该区东西长约7 0 k m ，南北宽3 0 8 0 k m 左右，面积约为3 8 5 0 k m 2 。 ( 2 ) 地形地貌 本矿区地处淮北平原西部，除东北部偶有部分低山、残丘( 海拔在 + 18 0 + 3 5 0 m ) 以外，绝大部分地段地形平坦，地面的自然标高一般在+ 2 0 + 5 0 m 。整个规划区内总体趋势为西北高，东南低。 9 图2 - 1 淮北矿区地理位置图 ( 3 ) 区域水文及地表水资源 矿区范围内的主要河流有濉河、新汴河、沱河、浍河、獬河和涡河， 其中，濉河、新汴河、沱河、浍河、潍河属于洪泽湖水系，涡河属淮河水 系。各条河流的流向均自西北到东南，汇入淮河和洪泽湖。规划矿区范围 内的水系见图2 2 。 各条河流主要概况如下： 濉河：濉河现也称新濉河，全长1 4 0 k m ，流域面积为2 8 8 2 0 k m 2 ，该 河为跨省河流，在安徽省境内长度为10 3 k m ，沿岸农田灌溉用水量大。濉 河水污染严重，主要是江苏省徐州市的废水通过奎河排入，以及宿州市、 淮北市部分废污水的排入所造成的。从宿州市蛹桥区张属闸到泗县八里桥 闸为开发利用区，长8 0 k m 。该区主要为农业用水。控制断面现状为v 劣v 类。从泗县八罩桥闸到皖苏省界为缓冲区，长2 3 k m ，控制断面现状 水质为劣v 类。控制断面枯水期多年平均流量约为3 3 m 3 s 。控制断面 现状水质为2 0 lo 年为i v 类。 1 0 ： ，山东扩硇， j，7 2 i !图例 _ 熟、漱 饮用水源区i i ij 夕。 i 二0 j 一 一一工q k 用水区l _ l 、j l 农业_ i _ l j 水然l 一 、 、 、。撒，7邋j 。夕 渔业用水隧 鼠观娱乐隧遮麓粼 过渡区鬻麟 一。 “、凌、蔫f v 蛰撼 毫迁市管 | 非扬控制隧 一、 、。”训、泌；i 蛰 省、毡 、= ”- x j ”一，堂。f 一一、 1 t ：、一t 、，、弋进! ， ，一； ? ? j # 准安市 d ，、o蝮，。：i、。、孓弋jj - 、? i 0 j 。j 冷 ! c 、一、。 ， 。j 萎毫。二_ _ i ；黜立慕耋惑- l j 、 中 i t 咒 、一 11 獭 。繁篷蓊一 阿 豫! 一、 图2 2淮北矿区水系分布图 新汴河：新汴河自宿州市西北戚岭子截新沱河，在京沪铁路东截濉河向东 至江苏省泗洪县入洪泽湖，全长1 2 7 2 k m ，流域面积6 5 6 2 k m 2 ，本省境内长 1 0 8 k m ，流域面积4 0 0 0 k m 2 。由于受污染的新沱河和萧濉新河的汇入，使得污 染较为严重。其中，从宿州市埔桥区沱河进水闸到泗县1 0 4 国道公路桥，长 9 6 6 k m ，该区域开发利用程度高，主要用于农田灌溉，区域控制断面现状水质 为v 劣v 类；从1 0 4 国道公路桥至皖苏省界为缓冲区，长1 2 k m ，该区域控制 断面现状水质为v 类，水质管理目标2 0 1 0 年为类，2 0 2 0 年为类。枯 水期多年平均流量约为3 o m 3 s 。 沱河：新沱河( 沱河上段) 为跨省河流，发源于河南省，全长9 0 k m ，在安 徽省全长4 8 5 k m ，流域面积3 9 3 6 k m 2 ，流经安徽省淮北市濉溪县、宿州市，在 宿州市沱河进水闸处入新汴河。沱河( 下段) 全长1 1 3 o k m ，宿州市区、芦岭 镇及煤矿区的大部分工业废水和生活污水排入沱河，沿岸农业用水量大，开发 利用程度高。该区域控制断面现状水质为v 劣v 类，水质管理目标要求较高。 枯水期多年平均流量约为3 9 m 3 s 。 浍河：浍河发源于河南省商丘市东郊，为跨省河流，全长约2 6 5 k m ，流域 面积4 5 8 0 k m 2 ，在安徽省境内流经濉溪、宿县、灵壁、固镇、五河县等市县， 在五河县入淮河，浍河建有多处人工节制闸，枯水期河水流量较小，约为 5 9 m 3 s 。自西北向东南流过。 从豫皖省界到濉溪县岳集为缓冲区，长1 5 k m ，控制断面现状水质为v 类，水质管理目标2 0 1 0 年为类，2 0 2 0 年为类。从濉溪县岳集到固镇县九 湾为开发区，长1 1 0 k m ，临换镇和固镇县城区的工业废水和生活污水均排入浍 河，沿岸农灌用水量大，许多河段用于渔业养殖，该区控制断面现状水质为 劣v 类。 獬河：湃河发源于濉溪县的白沙乡，经宿州市、怀远县，至固镇的九湾与 浍河汇合，流经香涧湖在安徽省五河县汇入洪新河，然后再汇入洪泽湖。湃河 有源头至九湾全长约1 1 0 k m ，流域面积约7 2 6 9 k m 2 。枯水期多年平均流量约为 2 8 m 3 s 。 涡河：涡河是淮河较大的一条支流，全长4 2 3 k m ，流域面积1 5 9 5 0 k m 。2 ，跨 河南、安徽两省，在安徽省境内长度2 2 7 k m ，流域面积4 3 4 0 k m 2 ，在安徽省怀 远县注入淮河。 从涡河豫皖省界处到毫州市十八里桥，长1 0 k m ，为缓冲区，该区控制断面 现状水质为v 劣v 类，水质管理目标2 0 1 0 年为类，2 0 2 0 年为类。从毫 州市十八里桥到怀远县涡河入淮河口为开发利用区，长2 1 7 k m 。涡河沿岸有毫 州、蒙城、怀远等城镇，该区内有4 2 座农灌站提取涡河水用于农田灌溉，沿岸 4 个城镇的工业废水和生活污水绝大部分都排入涡河，该区控制断面现状水质 为v 类。 1 2 淮河：淮河安徽段，上止豫皖交界的洪河口，下至苏皖交界的洪山头，河 道全长4 3 0 k m ，后因对干流局部河段截湾取值，干流河道缩短至目前的4 0 1 k m 。 河道基本自西向东略偏北流，至阚台子折向南流，进入江苏省洪泽湖。沿淮的 风台、淮南、怀远、蚌埠、五河等市县城区均以淮河为供水水源地，同时也接 纳沿岸城镇排放的工业废水和生活污水，淮河还为两岸提供了农田灌溉用水。 安徽段淮河干流从上游至下游分别是淮河豫皖缓冲区、淮河干流开发利用区和 淮河皖苏缓冲区。 ( 4 ) 气候气象 淮北矿区范围属于暖温带半湿润性季风气候，四季分明，东冷夏热。年平 均气温1 4 4 ，7 、8 月份最高，平均为2 8 9 ，1 月份最低，平均为0 ，两 极气温分别为4 1 和一2 3 2 。年平均无霜期为2 0 3 天。最长为2 3 2 天，最短 为1 8 0 天。年平均降雨量8 6 2 9 m m ，最大1 7 2 3 5 m m ，降雨量年内分配不均， 主要集中在7 到9 月份，该时期降水量占年降水量的7 5 。该区域内年平均日 照时数为2 3 2 5 7 小时，日照百分率为5 3 。年蒸发量一般在1 8 0 0 1 9 0 0 m m 左 右，年平均相对湿度为7 0 ，最高为7 5 ，最低为6 4 。最大积雪深度2 2 0 m m ， 最大冻土深度1 5 0 m m ，冻结期一般在每年1 2 月中旬至次年2 月中旬。 ( 5 ) 地震烈度 根据建筑抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 中附录a 的有关规定，涡阳 矿区所在地的抗震设防烈度为7 度，濉肖、宿县和临涣矿区所在地的抗震设防 烈度为6 度。矿区范围的地震参数图见图3 3 。 ( 6 ) 土壤 淮北矿区区内土壤类型主要为潮土、砂浆黑土、淤黑土、青黄土、黄土等。 土壤中有机质含量为o 8 1 1 3 0 ，全氮含量为0 0 6 1 o 1 0 ，速效磷含量为 3 5 p p m ，速效钾含量为7 1 2 0 0 p p m ，土壤中普遍缺磷，总体而言，有机质含 量较低，结构性差，耕性良好，系新生界松散堆积层。 ( 7 ) 矿区范围内水文地质概况 淮北矿区内新生界松散层厚度在3 0 6 6 2 m 之间，总体趋势为由北向南， 由东向西逐渐变厚。按照沉积物的组合特征及其含、隔水层情况，可将其自上 而下大致分为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和四含计四个含水层( 组) 和3 个隔水层( 组) 。其中三隔厚度大，分布稳定，隔水性能好，可以有效的阻 止其上的一、二、三含水及地表水的下溃。四含分布不稳定，总体为东厚西薄， 厚度变化较大，富水性较弱，且直覆于基岩各含水层与煤层的隐伏露头之上。 ( 8 ) 淮北矿区地下水环境现状 许光泉等人以安徽淮北平原浅层地下水中的水质状况为研究对象，有针对 性地采集了浅层地下水水样1 5 1 个，应用多种方法测试了2 6 种水样指标，综合 分析结果表明安徽淮北平原浅层地下水色度、浊度超标率小于1 0 ，p h 均值为 7 6 ，为中性偏碱性水；硬度和t d s 均值分别为4 8 1 m g l ，6 4 1 m g l ；f 一均值为 1 4 m g l ，最高可达4 1 m g l 【2 4 1 。 ( 9 ) 煤层概况 1 ) 煤系 淮北矿区含煤岩系为华北型石炭、二叠纪地层，由于石炭系太原组所含煤 层厚度薄，分布不稳定，多不可采。因而，仅二叠系的山西组与上、下石盒子 组为其主要含煤层段。 2 ) 煤层 a 煤层赋存情况 淮北矿区二叠系共含煤层5 2 5 层，平均总厚7 1 0 2 7 7 2 m 。按照适宜开 采的最低可采厚度标准衡量，共有可采煤层1 3 层，平均厚度2 1 0 l m ；其中7 2 、 8 2 和1 0 为主要可采煤层，平均总厚6 4 1 m ；3 l 、3 2 、5 l 、5 2 、6 l 、6 3 、7 l 、7 3 、 8 l 和9 为次要可采煤层，平均总厚1 4 6 0 m 。总体看来，本矿区的煤层层数具东 多西少、南多北少的特点。可采煤层的结构以简单和较简单为主；可采性多为 局部可采和大部可采；稳定性主要属稳定和不稳定型。 b 煤层顶、底板 淮北矿区可采煤层顶板以泥岩、砂质泥岩为主，其次为粉砂岩，