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●本報(bào)記者王世雅

每開采1噸煤，約產(chǎn)生2噸礦井水。煤炭開采產(chǎn)生的大量礦井水，不僅給礦區(qū)生態(tài)保護(hù)帶來了一定的壓力，還造成了水資源的浪費(fèi)。有數(shù)據(jù)表明，西北地區(qū)已探明的煤炭資源量占全國的70.8%，而水資源總量?jī)H占全國的3.7%。盡管我國礦井水資源利用率在逐漸提高，但全國煤礦排水量與缺水量之間的矛盾越來越受關(guān)注。

前不久，在全國煤化工高鹽廢水及礦井水資源化利用技術(shù)研討會(huì)上，與會(huì)代表、專家就現(xiàn)代煤化工高鹽廢水及礦井水資源的綜合利用情況進(jìn)行了探討。

如何科學(xué)合理利用礦井水?如何解決煤化工項(xiàng)目的缺水難題?煤化工高鹽廢水怎么處理?聽聽專家怎么說。

水從哪兒來?

中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心副總工程師侯光才以鄂爾多斯為例，介紹了地下水形成演化過程及礦井水成因。

▶▼鄂爾多斯水文地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)

侯光才介紹，鄂爾多斯依托能源礦產(chǎn)開發(fā)利用，經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。但水資源短缺已經(jīng)成為制約能源基地建設(shè)的瓶頸。

鄂爾多斯市年均降水100毫米至400毫米，由東南向西北減少，蒸發(fā)量自東南向西北增加。該市內(nèi)流區(qū)有眾多湖泊，但水質(zhì)一般較差。

“提高礦井水綜合利用率，是解決鄂爾多斯礦區(qū)缺水問題的有效途徑。”侯光才說，“為了探明鄂爾多斯地下水開發(fā)利用前景與保護(hù)生態(tài)環(huán)境，中國地質(zhì)調(diào)查局與內(nèi)蒙古自治區(qū)政府合作共同投入5000萬元，開展了鄂爾多斯能源基地地下水勘查項(xiàng)目。”

侯光才介紹，他們對(duì)區(qū)域水文地質(zhì)與生態(tài)環(huán)境、10處水源地供水水文地質(zhì)等進(jìn)行了調(diào)查，部署了鄂爾多斯能源基地地下水勘查工作。

鄂爾多斯盆地的白堊系含水層地下水資源豐富，是該地區(qū)生產(chǎn)、生活所依賴的重要水源，對(duì)能源勘探與開發(fā)有重要意義。鄂爾多斯盆地白堊系含水層面積為5.5萬平方公里，厚度高、分布廣，依據(jù)地層時(shí)代可劃分為洛河、環(huán)河、羅漢洞和東勝4個(gè)含水巖組。據(jù)測(cè)算，4個(gè)含水層平均厚度在450米左右，單井平均出水量約為1500立方米/天，局部出水量更大。

“強(qiáng)富水區(qū)分布在伊克烏素—蘇貝淖一帶，單井出水量大于3000立方米/天，最大可達(dá)5000立方米/天以上。”侯光才說。

侯光才指出，隨著埋藏深度增加，含水層的孔隙度、滲透性降低，富水性相應(yīng)變?nèi)酢５�由于淺層地下水可接受降水的直接補(bǔ)給，地下水更新能力和導(dǎo)水能力強(qiáng)，因此淺層地下水是白堊系含水層系統(tǒng)地下水最富集、最具供水意義的層位。

侯光才根據(jù)地下水流系統(tǒng)及循環(huán)特征，通過定性分析與剖面數(shù)值模擬，提出了鄂爾多斯白堊系盆地地下水循環(huán)模式劃分基本指標(biāo)。

“淺循環(huán)模式地下水循環(huán)深度為150米至200米，循環(huán)速度快，水質(zhì)好、更新能力強(qiáng)，地下水占總循環(huán)量的80%，開采建議為首采區(qū)段;中循環(huán)模式循環(huán)深度在600米左右，循環(huán)速度、更新能力中等，地下水占總循環(huán)量的15% ，開采建議為有計(jì)劃開采區(qū)段;深循環(huán)模式地下水交替很緩慢，循環(huán)深度600米至1000米，地下水循環(huán)量?jī)H占5%，開采建議為限制開采區(qū)段。”侯光才說，“人工開采、地下水轉(zhuǎn)化為地表水等，在一定程度上影響著地下水排泄。”

另外，侯光才表示，從化學(xué)特征上來看，鄂爾多斯高原白堊系地下水化學(xué)成分在空間上也有明顯的分帶規(guī)律。淺層地下水徑流途徑較短，水循環(huán)積極，水質(zhì)優(yōu)良，絕大部分地區(qū)礦化度低;中層地下水礦化度空間變化規(guī)律與淺層地下水基本一致，總體上由中部區(qū)地下分水嶺向地下水排泄區(qū)，礦化度稍高;深層地下水礦化度則明顯高于中層和淺層。

通過調(diào)查，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該地貌水源地及區(qū)域地下水資源進(jìn)行了評(píng)價(jià)，圈定了13處地下水富集區(qū)和60個(gè)有供水前景的水源地。評(píng)價(jià)認(rèn)為，該地貌天然地下水資源為55.55×108立方米/年，可采資源為27.00×108立方米/年，現(xiàn)狀開采量不足可采資源的三分之一，開采潛力很大。

侯光才以納林河礦區(qū)為例，分析了礦井水來源。在該礦區(qū)，礦井水主要來源于白堊系地下水，屬頂板水。煤層主要集中于侏羅系地層系統(tǒng)中的中下統(tǒng)，此處孔隙、裂隙承壓水，富水性較弱，但開采煤層產(chǎn)生導(dǎo)水裂隙帶，影響巖層變化。

“第四系薩拉烏蘇含水層和白堊系含水層是鄂爾多斯盆地2個(gè)供水的區(qū)域含水層，應(yīng)加以保護(hù)與合理開發(fā)利用;區(qū)內(nèi)低濕地植被與地下水關(guān)系十分密切，在地下水開發(fā)和項(xiàng)目建設(shè)中，應(yīng)防止地下水位下降過大對(duì)生態(tài)產(chǎn)生的不利影響。”侯光才說。

水該如何利用?

內(nèi)蒙古久科康瑞環(huán)保科技有限公司通過產(chǎn)學(xué)研用戰(zhàn)略合作，取得了多項(xiàng)高鹽廢水處理技術(shù)成果，整體工藝技術(shù)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。該公司副總經(jīng)理王俊輝介紹了礦井水、煤化工高鹽廢水深度處理及資源化利用技術(shù)。

高鹽廢水深度處理及資源化利用現(xiàn)場(chǎng)

工作人員在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣

“從本質(zhì)上講，礦井水實(shí)際上就是礦區(qū)所采煤層及開拓巷道附近地下水，回用途徑為采煤、礦區(qū)生活、煤炭加工和其他途徑。”王俊輝說。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，礦井水按水質(zhì)類型可分為潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化礦井水(又稱礦井苦咸水)、酸性礦井水和含有害有毒元素礦井水5類。其中，潔凈礦井水水質(zhì)較好、pH值為中性，低礦化度，只需稍加處理和消毒即可飲用;含懸浮物礦井水是煤炭開采過程中普遍存在的一種礦井水，懸浮物粒度小、比重輕、沉降效果差。

“五種類型的礦井水各有處理辦法：潔凈礦井水為收集、提升、消毒，含懸浮物礦井水為混凝、沉淀、過濾、消毒，高礦化礦井水為去除懸浮物、反滲透除鹽，酸性礦井水為投加堿性藥物中和反應(yīng)，含有毒、有害元素礦井水為去除有毒、有害元素。”王俊輝說。

王俊輝表示，從采用工藝上來說，普通中性淡水質(zhì)的礦井水用作與生活有關(guān)的用水項(xiàng)目時(shí)，采用城市給水凈化工藝;高濁度礦井水要配合混凝劑、助凝劑等化學(xué)品進(jìn)行沉淀、澄清、過濾后，才能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn);高礦化度礦井水處理的關(guān)鍵技術(shù)是除鹽，主要通過蒸餾、離子交換、電滲析、反滲透等方法。

“對(duì)于酸性礦井水，處理方法主要為中和法、微生物法、人工濕地法、粉煤灰吸附法等。”王俊輝說。

此外，王俊輝認(rèn)為，礦井水井上處理方式存在弊端，也指出了礦井水井下處理的優(yōu)勢(shì)及關(guān)鍵技術(shù)。“井上處理導(dǎo)致基建投資大、礦井水提升運(yùn)行費(fèi)用高、占地面積大等問題。井下處理就地復(fù)用可節(jié)約土地、節(jié)省投資，且運(yùn)行費(fèi)用低，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。”

由于礦井井下空間環(huán)境的特殊性，使得礦井水井下處理難度遠(yuǎn)大于地面，需要解決好諸多關(guān)鍵技術(shù)問題，包括井下空間利用、安全防爆、自動(dòng)控制、系統(tǒng)的模塊化和可移動(dòng)化設(shè)計(jì)等技術(shù)。

“針對(duì)井下設(shè)備防爆、防水、防潮等特點(diǎn)，研究開發(fā)定型的產(chǎn)品設(shè)備，并配備完善的技術(shù)操作規(guī)程，是礦井水井下處理復(fù)用的關(guān)鍵措施之一。”王俊輝說。

煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的蔣斌斌也對(duì)礦井水井下儲(chǔ)存與處理技術(shù)做了相關(guān)研究。他提出，建設(shè)煤礦地下水庫為礦井水井下儲(chǔ)用技術(shù)之一，煤礦地下水庫主要功能為井下儲(chǔ)水、監(jiān)控儲(chǔ)水、井下處理、分質(zhì)利用。

“煤礦地下水庫技術(shù)原理為利用采空區(qū)巖體空隙作為儲(chǔ)水空間，構(gòu)筑人工壩體連接遺留煤柱共同組成水庫壩體，形成煤礦地下水庫儲(chǔ)用礦井水。”蔣斌斌說。

蔣斌斌指出，煤礦地下水庫關(guān)鍵技術(shù)，即水庫選址、庫容確定、壩體構(gòu)筑、安全防控和水質(zhì)凈化。他表示，水庫選址時(shí)要注意三原則：煤層底板不漏水、采空區(qū)域可聚水、開采規(guī)劃好調(diào)水;庫容確定上，建議采用超大工作面開采技術(shù)，將多采空區(qū)組合形成分布式地下水庫，增強(qiáng)儲(chǔ)水能力。

壩體設(shè)計(jì)與構(gòu)筑上，建議設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特殊的地下水庫壩體(非均質(zhì)、非連續(xù)、變斷面)，可以承受采動(dòng)、礦壓、水壓、礦震等復(fù)雜受力;安全保障技術(shù)上，要保障庫間調(diào)水、壩體應(yīng)力變形、應(yīng)急泄水等情況下水庫整體安全，研發(fā)出礦震和地震、水位、壩體等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，還要通過技術(shù)保證水質(zhì)、對(duì)部分污染較重礦井水進(jìn)行井下專門處理。

蔣斌斌表示，國家能源集團(tuán)在神東礦區(qū)經(jīng)過近20年的技術(shù)探索和工程實(shí)踐，首次提出了煤礦地下水庫儲(chǔ)用礦井水的理念，構(gòu)建了煤礦地下水庫理論框架與技術(shù)體系，目前已在其他礦區(qū)建成、在建和規(guī)劃建設(shè)地下水庫50余座。

神東煤炭集團(tuán)大柳塔礦井下污水處理后變得清澈透亮

煤礦地下水庫儲(chǔ)水示意圖

“煤礦地下水庫技術(shù)已在神東礦區(qū)全面推廣應(yīng)用，提供了神東礦區(qū)生產(chǎn)生活及生態(tài)用水的95%，3年累計(jì)供水量10085萬立方米，節(jié)約購水費(fèi)15.13億元，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益21.35億元。”蔣斌斌說。

煤化工廢水怎么處理?

環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心主任助理劉志學(xué)對(duì)通過系統(tǒng)優(yōu)化、深井灌注，探索高鹽水處理路徑做了相關(guān)研究。他表示，現(xiàn)代煤化工主要布局地為鄂爾多斯和新疆伊犁，煤化工新增用水占新增工業(yè)用水的比率分別達(dá)到37.87%、19.94%，其中鄂爾多斯現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目新增用水比率較高，需要找到解決水資源問題的途徑。

劉志學(xué)介紹了兩種擬研究的高鹽水處置方式。一種為鹽湖貯存。他表示，中鹽青海昆侖堿業(yè)有限公司的鹽湖貯存項(xiàng)目，設(shè)計(jì)能力為年產(chǎn)100萬噸純堿，采用氨堿法制堿工藝，在38公里外排入廢棄鹽湖貯存。

“鄂爾多斯區(qū)域內(nèi)自然鹽湖較多，總面積達(dá)640平方公里。研究表明，在適宜的氣候、地質(zhì)環(huán)境下，通過合理的工程技術(shù)方法手段，在我國干旱半干旱地區(qū)建立煤化工含鹽廢水生態(tài)鹽湖，進(jìn)行自然蒸發(fā)處理是可行的。”劉志學(xué)說。

劉志學(xué)還表示，廢水生態(tài)鹽湖自然蒸發(fā)場(chǎng)地，在一定程度上阻斷了場(chǎng)地池水與地下水的水力關(guān)系，要制定廢水生態(tài)鹽湖自然蒸發(fā)處理污染風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警措施及環(huán)境管理措施。

另一種高鹽水處置方式為深井灌注。該技術(shù)是將液體(主要是廢水、鹽水等水溶性化合物)儲(chǔ)藏至地下深部多孔巖石地層(例如砂巖和灰?guī)r)或深層土壤層中的一項(xiàng)污染物處置技術(shù)。目前，深井灌注技術(shù)處理高危廢水較經(jīng)濟(jì)安全，并在美國等發(fā)達(dá)國家有廣泛應(yīng)用。

劉志學(xué)說，目前，深井灌注是美國處理高危廢水的主要形式。在國內(nèi)，采用深井灌注技術(shù)處理高鹽等工業(yè)廢水起步較晚。比較典型的是，重慶索特鹽化公司自2004年利用地下灌注技術(shù)處置每年60萬噸的制鹽廢水廢渣。

“深井灌注存在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)主要為廢液在灌注井中的泄漏，影響地下飲用水、地下礦產(chǎn)資源、地質(zhì)構(gòu)造以及地表環(huán)境等。因此，合適的灌注區(qū)域和成熟的灌注技術(shù)是實(shí)施深井灌注的關(guān)鍵因素，也是限制其應(yīng)用的主要條件。”劉志學(xué)說。

開展深井灌注，要滿足一些地質(zhì)條件：灌注層相對(duì)封閉且空間較大;灌注區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，上下層有緩沖層;灌注廢水與灌注層的巖石相兼容;灌注不會(huì)對(duì)其他自然資源的開發(fā)利用造成影響。

劉志學(xué)表示，深井灌注與灌注概念不同，深井灌注是在保護(hù)地下環(huán)境的前提下開展的灌注行為，應(yīng)有嚴(yán)格的科學(xué)依據(jù)和規(guī)范。他分析稱，國家能源集團(tuán)鄂爾多斯項(xiàng)目初步滿足地質(zhì)選址的要求。

劉志學(xué)表示，目前，國內(nèi)在煤化工領(lǐng)域尚無深井灌注相關(guān)法律，灌注行為缺乏法律依據(jù)。建議制定類似美國《地下灌注控制》等法規(guī)，使深井灌注行為有法可依;在技術(shù)和管理等層面，國內(nèi)應(yīng)當(dāng)引進(jìn)和借鑒美國等國相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮我國社會(huì)現(xiàn)狀和地質(zhì)的復(fù)雜性，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域地下飲用水層、礦產(chǎn)資源安全和地質(zhì)安全，減少環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)化工與環(huán)境學(xué)院院長(zhǎng)何緒文也介紹了一些礦井水利用理念與技術(shù)創(chuàng)新模式。他將礦井水利用新模式總結(jié)為四種模式，即分質(zhì)供水、梯級(jí)利用;井下處理、就地復(fù)用;高品質(zhì)供水;零排放。

分質(zhì)供水、梯級(jí)利用為地面處理模式，面對(duì)多目標(biāo)用水群體進(jìn)行供水，適用于量大面廣、以去除煤粉為主要對(duì)象的礦井水;礦井水分質(zhì)處理后，可進(jìn)一步應(yīng)用于濕地、人工湖的水量補(bǔ)充或作為綠化用水。

井下處理、就地復(fù)用為井下處理模式。它適應(yīng)機(jī)械化開采要求，特別是千萬噸級(jí)及以上礦井，對(duì)水質(zhì)、控制水平要求較高，需要處理與開采進(jìn)度能夠同步。

高品質(zhì)供水為按需供水模式，適用于煤電、煤化工業(yè)園等煤炭上下游產(chǎn)業(yè)鏈聚集區(qū)，水資源匱乏制約發(fā)展地區(qū)和苦咸礦井水處理等，有望解決濃水的處理與再利用、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行純凈水水質(zhì)穩(wěn)定問題。

零排放模式適用于環(huán)境容量小、生態(tài)承載力差的生態(tài)脆弱地區(qū)以及環(huán)保要求高、要求無排放地區(qū)。

“構(gòu)建礦井水資源化、生態(tài)化利用技術(shù)體系，可滿足不同用戶對(duì)水質(zhì)的要求。在此體系中，礦井水可用作工業(yè)用水、生活用水、農(nóng)業(yè)用水、生態(tài)用水。工業(yè)用水可利用分質(zhì)供水、梯級(jí)利用技術(shù)，細(xì)分用水途徑。”何緒文說，還可以補(bǔ)充現(xiàn)有技術(shù)短板，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

何緒文總結(jié)道，在缺水地區(qū)，可采用結(jié)合采煤、選煤、化工等流程工藝，集產(chǎn)水、節(jié)水、凈水、配水、用水于一體的礦井水利用模式;在富水地區(qū)，采用基于水污染控制、水環(huán)境承載力、水生態(tài)功能的礦井水利用及風(fēng)險(xiǎn)管控模式。要對(duì)新工藝、新技術(shù)、新裝備不斷補(bǔ)充與完善，綜合示范與評(píng)估后，研發(fā)出最佳可行技術(shù)。