高矿化度矿井水危害及处理技术

高矿化度矿井水危害及处理技术

我国属于贫水国家，全国水资源总量为28255亿m3，人均占有量仅有2170 m3，约为世界人均占有量的1/4，名列世界第88位。煤矿矿井水是重要的水资源，据报道目前我国煤炭生产过程中，每年排出约20～30亿m3矿井水，其中北方地区约占60%，并且随着煤炭开采深度的增加而逐年增加。现在我国煤矿矿井水资源的利用率不到20%，我国西部高原、黄淮平原及华东沿海地区的多数煤矿矿井水的矿化度较高，这类矿井水的直接排放不仅浪费了宝贵的水资源，而且还会对环境造成污染。如何选用更为经济合理且简单高效的方法来处理高矿化度矿井水，引起了环保工作者与社会的广泛关注。

1 高矿化度矿井水的形成与危害

高矿化度矿井水一般是指含盐量大于1000ng/L的矿井水。据不完全统计，我国煤矿高矿化度矿井水的含盐量一般在1000～3000mg/L，少量矿井的矿井水含盐量达4000mg/L以上。这类矿井水的水质多数呈中性或偏碱性，且带苦涩味，因此也称苦咸水。因这类矿井水的含盐量主要来源于Ca2+，Mg2+，Na+，K+，SO42-，HCO3-，Cl -等离子，所以硬度往往较高。产生高矿化度矿井水的主要原因：由于我国部分地区降雨量少，蒸发量大，气候干旱，蒸发浓缩强烈，而地层中盐分增高，地下水补给、径流、排泄条件差，使地下水本身矿化度较高，所以矿井水的矿化度也高;当煤系地层中含有大量碳酸盐类岩层及硫酸盐薄层时，矿井水随煤层开采，与地下水广泛接触，加剧可溶性矿物溶解，使矿井水中的Ca2+，Mg2+，SO42-，HCO3-，CO32-增加;当开采高硫煤层时因硫化物气化产生游离酸，游离酸再同碳酸盐矿物、碱性物质发生中和反应，使矿井水中Ca2+，Mg2+，SO42-等离子增加;有些地区是由于地下咸水侵入煤田，使矿井水呈高矿化度水。

高矿化度矿井水如果不经过处理就直接排放，会给生态环境带来一定的危害。主要表现为河流水含盐量上升、浅层地下水位抬高、土壤滋生盐碱化、不耐盐碱类林木种势削弱，农作物减产等。同时还影响地区的工业生产，因为许多工业生产不能用高含盐量的水，若用则必须先降低水中含盐量，这样就会增加成本。若是不用而改用地下水，会造成地下水的大量开采，造成地下水资源的短缺，会严重影响本区的经济发展。

2 高矿化度矿井水的处理技术

2.1 化学方法

离子交换法是化学脱盐的主要方法，这是一种比较简单的方法，就是利用阴阳离子交换剂去除水中的离子，以降低水的含盐量。此法用在进水含盐量小于500mg/L时比较经济，可用作高矿化度水经膜分离法处理的进一步除盐工序。

2.2 膜分离法

膜分离方法是利用选择性透过膜分离介质，当膜两侧存在某种推动力(如压力差、浓度差、电位差)时，使溶剂(通常是水)与溶质或微粒分离的方法。

膜分离法的主要特点：低耗、高效、不发生相变、常温进行、适用范围广、装置简单、易操作和易控制等。而膜法水处理则具有适应性强、效率高、占地面积小、运行经济的特点。反渗透和电渗析脱盐技术均属于膜分离技术，是我国目前苦咸水脱盐淡化处理的主要方法。但是膜分离法的一个主要问题是膜易污染，为了防止膜污染，一般这两种技术对进水水质均有严格的要求。因此进水必须经过一般的预处理，即经过沉淀、过滤、吸附和消毒等几个步骤方可。

2.2.1 反渗透法

反渗透(简称RO)技术发源于国外20世纪五六十年代的宇航技术研究，80年代初在我国得到实际应用。进入20世纪90年代后，随着反渗透膜性能的提高和膜制造成本的降低，进一步加快了反渗透的应用。经过近40a的不懈努力，反渗透技术已经取得了令人瞩目的进展。反渗透技术是利用压力差——各种离子、分子、有机物、胶体、细菌、病毒、热源等，是当今世界公认的高效、低耗、无污染水处理新技术，适用于含盐量大于4000mg/L的水的脱盐处理。目前反渗透膜与组件的生产已经相当成熟，膜的脱盐率高于99.3%，透水通量增加，抗

污染和抗氧化能力不断提高，销售价格稳中有降;反渗透的给水预处理工艺经过多年摸索，基本可保证膜组件的安全运行;高压泵和能量回收装置的效率也在不断提高。以上措施使得反渗透淡化的投资费用不断降低，淡化水的成本明显降低。

与常规的水处理技术如离子交换、加药、电渗析相比，反渗透装置特点为单位体积内膜面积比大，脱盐离高达99%以上;在分离过程中无相变化及相变化引起的化学反应，能耗低;膜分离过程是清洁的生产过程，不使用化学试剂，不排放再生废液，不污染环境;工艺流程简单，有利于实现水处理的连续化、自动化;反渗透装置结构紧凑，占地面积小，适应大规模连续供水的水处理系统;水的回收率比电渗析高，一般为75%～80%。

但是，在反渗透运行过程中，除了对原水进行严格处理外，还要控制进水pH值，以防止膜的水解，同时要定期清洗膜组件，以避免膜表面污染和结垢阻塞。

2.2.2 电渗析法

电渗析法(ED)是一种利用电能来进行膜分离的方法。电渗析是在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。电渗析法除盐以两个条件为基本：一是离子的带电性。水中离子是带电的，在直流电场中，阴、阳离子作定向迁移，根据同性相斥、异性相吸的原则，阳离子移向阴极，阴离子移向阳极。二是离子交换具有选择透过性。离子交换膜是电渗析器的重要组成部分，离子交换膜是一种由高分子材料制成的具有离子交换基团的薄膜，分为阳膜和阴膜两类，阳膜只允许水中的阳离子透过，阻挡阴离子，而阴膜只允许水中的阴离子透过而阻挡阳离子。良好的离子交换膜应具备下列各种条件：①具有较高的离子选择透过性;①具有低的渗水性;①具有较低的膜电阻;①化学稳定性良好，能耐高浓度的酸碱和一定的温度; ①具有高的机械强度和适当的厚度;①膜的全部结构应均匀一致，表面光滑。同时可以查看中国污水处理工程网更多技术文档。

电渗析技术具有无需任何化学药品，且设备及其组装工艺简单、操作方便等优点。我国有数十家煤矿相继采用了这一技术，均取得了较好的脱盐效果。但这一技术也暴露一些缺点，如：①对原水的预处理要求较高;①电耗较大，易结垢和膜寿命短;①电渗析本体由塑料件组成，因此塑料老化成为增加电渗析维修费用的因素;①电渗析操作电流、电压直接受原水水质、水量的影响，过程稳定性差，容易出现恶性化。

2.3 蒸馏淡化法

蒸馏法是对含盐水进行热力脱盐淡化处理的有效方法。此法以消耗热能为代价，一般适用于含盐量超过3000mg/L矿井水的处理。1957年英国学者R.S.SILVER发明了多级闪蒸(MSF)脱盐方法，当时，它在降低能耗及防垢问题方面有独到的优越性，因而自其诞生之日起，发展非常迅速，成为脱盐的一种重要方法。多效蒸馏法(MED)历史比较悠久，变化较为剧烈，至今具有商业价值的脱盐技术有竖管蒸馏(VT-MED)和水平管蒸馏(HT-MED)。随后在两种方法的基础上又发展到多效多级闪级蒸发(MEMS)，它改善了MSF和MED的性能，具有重复利用二次蒸汽的潜热，即能使热量经济利用，又避免了严重的结垢现象，大幅度地提高造水比。蒸馏法与其他处理方法不同，其最大的弱点是高能消耗，这也成为阻碍其推广的主要原因。但其有独特的优点：①由于这种方法是依靠能源加热原水，经蒸发提取淡水，故不需任何化学药品或离子分离膜;①适应原水的含盐量的范围广，含盐数百～数万mg/L的矿井水均可处理，这一点是其他方法不能比拟的;①对原水的预处理要求低，只需进行普通预处理悬浮物即可;①由于蒸馏法得到的是蒸馏水，故水质品质高;①淡化率较高。

虽然蒸馏法有高能消耗的弱点，但是其可以在煤矿广泛推广。若是在煤矿区利用煤矸石和低热值煤作燃料，用蒸馏法处理高矿化度矿井水，有几个好处：一可以加速煤矸石的利用程度，减少占用土地和征地费用;二是可以消除矿区煤矸石污染源，有利于改善矿区大气环境质量、水环境质量和土壤环境质量;三是可以变废为宝，大大降低高矿化度矿井水的处理费用;四是燃烧后的煤矸石仍然可作建筑材料和水泥拌料。

3 结语