矿井水的综合利用技术

1矿井水的综合利用技术0前言本文针对我国各种矿开采过程中，需要排放大量的矿井水，而且我国矿区严重缺水，矿井水综合利用率低以及处理成本高，矿区环境恶化等的现状进行研究。就目前国内外矿井水的综合处理技术现状进行了分析总结。目前，全国每年矿井排水量约22亿吨，其中中性水约占70％～80％，硬度符合饮用水要求的占40％～50％，这是一个相当可观的水资源，但长期以来，由于技术所限和认识不足，矿井水只被当作水害加以预防和治理，很少考虑到矿井水的有利一面，矿井水被白白排掉而未加以综合利用和保护，目前矿井水的利用率，平均只有22％，其中北方国有煤矿每年矿井水排放量达14亿吨，利用率还不足20％[1]。毫无节制的排水不仅大大浪费水资源、增加了矿产成本，而且还导致地面塌陷、地下水资源流失，水质恶化等环境问题。地面水源受到广泛污染，处理成本日益提高，而矿井水来源于地下水，矿井水污染程度轻，处理容易，成本低，是一笔宝贵的水资源。矿井水资源化，不但可减少废水排放量，免交排污费，而且节省大量自来水，节约水资源费和提升电费，为矿区创造明显的经济效益；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，差质水差用”的原则，减轻或避免长距离输水问题；解决矿区严重缺水状况，解决职工吃水难，用水难的问题，缓减城市供水压力也使水资源的利用更加经济合理；矿井水资源化将会减除矿井水对地表水系的污染，堵住污染源，保护美化矿区环境，保护地表水资源。实现经济效益、环境效益和社会效益的统一。1矿井水的来源性质、水质特征与分类1.1什么是矿井水矿井水是一种特殊的水资源，是指由于采矿活动造成区域水文地质系统与水文地质单元隔水构造的破坏，从而改变了地上水及地表水径流方向和途径，最终在采矿场所聚集的水体。通俗地说，凡是在矿井开拓、采掘过程中，渗入、滴入、淋入、流入、涌入和溃入井巷或工作面的任何水源水，统称为矿井水[2]。水源有大气降水、地表水、地上水和老采空区积水。由于改善矿井作业环境、保证生产安全的需要，矿井水往往被抽排到地表。矿井水的利用主要是针对这部分提出的。同时，我们也把洗矿和选矿过程中所产生的大量废矿井水的综合利用技术2水作为矿井水。1.2矿井水的分类受地质年代、地质构造、煤系伴生矿物成分、环境条件等因素的影响，矿井水大致分为五类型：洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含特殊污染物矿井水。其中，洁净矿井水即未被污染水质较好的地下水，可直接用于工农业生产及生活用水。其余4类型的矿井水，虽然均遭到了不同程度的污染，但经过相关工艺的处理后，可用于工农业生产。1.3矿井水的水质特征从矿井水的物理,化学及细菌学性质上看,矿井水常具有以下几方面的水质特征[2]：1)矿化度(含盐量)高。我国矿井水的含盐量一般多在l000mg／L以上，其盐类成份主要是硫酸盐、重碳酸盐，氯化物等。而且含盐量将随开采深度的加大而增加。2)硬度大。其总硬度一般多在30个德国度以上，属极硬水范畴。一般情况下，总硬度与矿化度成正比；硬度中永久硬度所占比重远大于暂时硬度；高矿化度占50%，部分为酸性水。其pH值在4～7之间。4)水浑浊、色度明显。悬浮物含量一般多在500mg/L以下，多为煤尘和岩尘，以及胶态氢氧化铁，使水呈灰黑色。对酸性矿井水，多为黑色和黄褐色。5)含有一定的石油产品。其来源是综合机械化的液压系统，机器和机械的润滑系统和冷却系统。另外，当岩层中含油页岩时，其对矿井水的污染则另作别论。6)化学需氧量(COD)高于地下水。一般地下水的COD为2～5mg／L,矿井水为10~12mg／L，甚至更高。主要是由于粉尘所致，其次在于井下人员便溺以及水中落入各种动植物残骸所造成。7)常含有多种微量元素。例如，苏联顿巴斯的一些矿井水含有约30种的化学元素。1.4矿井水水中污染物分类水中的污染物概括起来分为四类：无机无毒物、无机有毒物、有机物无毒物、和有机毒物[3]。无机无毒物主要是酸碱及一般的无机盐和氮磷等植物营养物质。无机有毒物质主要是指各类重金属（汞、铬、铅、镉）和氰、氟化物等。有机无毒物主要是指水体中比较容易分解的有机化合物，如碳水化合物、脂肪、蛋白质等。有机有毒物主要指酚苯，多环芳烃和各种人工合成的具有积累性的稳定的化合物，如多氯联苯农药等。除上述四类污染物外，还有常见的恶臭、细菌、热污染等污染物质和污染因素。31.4.1有机污染物有机污染物是指生活污水和废水中所含的碳水化合物、蛋白质、脂肪、木质素等有机化合物。矿山废水池和尾矿池职工的植物的腐烂，可使废水中的有机成分含量很高。矿山选场、炼炉厂以及分析化验室排放的非有种含有酚、甲酚、萘酚等有机物，他们对水生物极为有害。1.4.2油类污染物油类污染物是矿山废水中较为普遍的污染物。水面油膜的存在，不仅给人以讨厌的感觉，而且当油膜厚度在10-4cm以上时，它会阻碍水面的复氧过程，阻碍水分蒸发和大气与水体间的物质交换，改变水面的发射率和进入水面日光辐射，这种情况对局部区域气候可能造成影响，而主要造成影响鱼类和其他水生物的生长繁殖。1.4.3酸碱污染酸碱污染是矿井水污染中较普遍的现象，像美国水体中的酸70%来之矿山排水，尤其是煤矿排水中含酸最多。在矿井酸性废水中，一般含有金属和废金属离子，其资和量与矿物成分、含量、矿床埋藏条件、涌水条件、采矿方法、气候变化等因素有关。酸性废水排入水体后，使水体pH值发生变化，消灭或抑制细菌及微生物的生长，妨碍水体的自净；还可腐蚀船舶和水体构筑物；若天然水体长期受酸碱污染，使水体逐渐酸化或碱化，从而产生生态影响。酸、碱污染不仅改变水体的pH值，而且还可大大增加水中一般无机盐和水的硬度。酸、碱与水体中的矿物相互作用产生某些盐类，水中无机盐的存在能增加水的渗透压，对淡水生物和植物生长有不良影响。1.4.4氰化物矿井含氰化物废水的主要工艺有：浮选铅锌石矿时每处理一吨矿排出4.5～5m3水，其中含氰化物20～50g，平均浓度约4～8mg/L；在用氰化法提金时，所排放的废水也含有氰化物；电镀水中氰化物的含量为1～6mg/L。此外，高炉和焦炉冶金生产中，煤中的碳与氨或甲烷与氨化物化合生成氰化物，一般在其洗涤水中氰化物的含量高达31mg/L。氰化物虽是剧毒污染物，但在水体中较易降解，其降解途径如下：氰化物与水中二氧化碳作用生成氰化氢，挥发而出，这个降解过程可去除氰化物总量的90%。如下式：CN-+CO2=HCN+HCO3-矿井水的综合利用技术4水中游离氧使氰化物氧化生成NH4+和CO22-离子，逸出水体，这个过程只占净化总量的10%，如下式：CN-+O2=2CNO-CNO-+2H2O=NH4++CO22-氰化物剧毒，一般人只要误服0.1g左右的氰化钾或者氰化钠就会死亡，敏感的人甚至会服用0.06g就致死。当水体的CN-含量达0.3～0.5mg/L时便可使鱼类死亡。1.4.5重金属污染在废水污染中，重金属是指原子序数在21以上83以下范围内的金属，矿井水中主要有：汞、铬、镉、锌、铜、铅、镍、钴、锰、钒、钼、铋等，特别是前几种危害更大。如汞进入人体后被转化为甲基汞，在脑组织内积累，破坏神经功能，无法用药物治疗，严重时能造成全身瘫痪甚至死亡。镉中毒时引起全身疼痛腰关节受损、骨节变形，有时还会引起心血管病。重金属毒物中毒有以下特点：1）不能被微生物降解，只能在各种形态间相互转化、分散，如无极汞能在微生物作用下，转化为毒性更大的甲基汞。2）重金属的毒性以离子态存在时最严重，金属离子在水中容易被带负电荷的胶体吸附，吸附离子的胶体可随水流迁移，但大多数会迅速沉降，因此重金属一般都富集在排污口下游一定范围内的底泥中。3）能被生物富集于体内，即危害生物，又通过食物链危害人体。如淡水鱼能将汞富集1000倍、镉300倍、铬200倍等。4）重金属进入人体后，能够和生理高分子物质，如蛋白质和酶发生作用而使这些胜利高分子物质失去活性，也可能在人体的某些器官积累，造成慢性毒害，其危害，有时需几十年才能体现出来。被重金属污染的矿井排水随灌渠进入农田时，除流失一部分外，另一部分被植物吸收，剩余的大部分在泥土中积聚，当达到一定数量时，农作物就会出现病害。土壤中含铜达20mg/kg时，小麦就会枯死，达到200mg/kg时，水稻会枯死。此外，重金属污染了水还会时土壤盐碱化。1.4.6氟化物天然水体中氟的含量变化为每升零点几至十几毫克，地下水特别是深层地下热水中，氟的含量可达每升十几毫克。饮用水氟的含量过高或过低均不利于人体健康。萤石矿的废5水中含有氟化物，因为这种废水通常都是硬水，其中氟形成钙或镁沉淀下来，故不表现出很大的毒性，而软水中的氟毒性却很大。1.4.7可溶性盐类当水与矿物、岩石接触时，会有多种盐类溶解于水中，如，氯化物、硝酸盐、磷酸盐等。低浓度的硝酸盐和磷酸盐是藻类营养物，可促进藻类大量生长，从而使水失去氧；硝酸盐类、磷酸盐类浓度高的水，对鱼类有毒害作用。淡水中含氟的盐类不超过100mg/L，超过次值就成为盐水。碳酸氢盐、硫酸盐、氯化钙、氯化镁等会使水变为硬水。除此外，矿山废水中污染物还有放射性污染、热污染、水的浊度污染以及固体悬浮物和颜色变化等污染形式。2矿井水的危害2.1国内外研究现状矿产开采对环境影响现状，随着矿井水排放而引起的矿区环境问题日益突出，不良效应也日益明显，矿区环境污染严重，影响人们的健康和自然生态的平衡。目前国内外在研究矿产开采活动中，由于矿产开采活动废水排放所引起的环境问题研究正在深入开展中。如2008年，王岩、梁冰、张兴华、胡晓吉对酸性矿井水在土壤-水环境中运移规律的研究，以溶质运移理论为基础,分析了酸性矿井水在含水层中运移的规律,通过室内土柱实验模拟了酸性矿井水对地下水污染的动态过程，并结合实际观测数据进行对比分析。结果表明:污染面积随时间；推移不断扩大，且纵向扩散显著；不同组分由于各自特征的巨大差异，污染程度也有很大差别。其研究对预测预报酸性矿井水迁移归宿、评价环境质量、资源化利用以及环境污染的治理与控制等具有重要的理论意义和现实意义[4]。近年来，矿产开采产生的矿井水引起的环境问题已经成为一个热点研究课题，较为活跃的领域，与国外有关方面相比有很大差距，随着矿业开发的迅速发展，这就需要政府增大科研资金投入，尽快组织科技力量对矿区环境矿井水的污染进行攻关，吸收国外的先进经验，迅速提高我国对矿区环境危害研究与治理水平。2.2矿井水的影响2.2.1对周边地表水及地下水的影响1）对周围地表水的影响我国河川径流量减少的影响因素很多，如近年来降水量的减少，地表及地下水的过量矿井水的综合利用技术6开采，但矿产资源的大规模开采是主要因素之一。目前常常是矿产开采以前，位于矿区周围的溪沟保持常年有水，自大规模开采后，大部分原常年有水河段，现己变成季节性河段，仅在其中下游接纳大量矿坑水后才恢复常年水流。这反映出矿产开采后，矿产资源层顶板以上含水层的破坏和疏干情况，采空区由于生产排水，无法形成有效的储水空间，使得地下水调储空间减少，导致了天然基流大量转化为矿坑水迅速排出，使得流域地下水调储作用减弱，流域水资源时空分布更加不均衡[5]。矿产开采对地表水资源的破坏集中表现在两个方面：首先是流域水文下垫面的破坏。随着矿井的不断开拓延伸，采空区不断扩大，势必导致大面积土地塌陷，地面裂缝、裂隙潜水位下降以致疏干、饱气带厚度加大，陆面蒸发减少，水土保持条件破坏，水土流失加重等。其次是河川基流大幅度减少。由于矿产开采和矿坑排水，河川基流将达幅度减少，河道的稀释自净能力也将大幅度减少，环境功能下降，再加上污废水的大量排入，河流的水环境质量有变差的趋势。如酸性矿井水污染地表水体，破坏生态环境含硫酸盐酸性废水不经处理直接排入地表水体污染。环境将使受纳水体酸化，降低pH值，危害水生生物，并产生潜在的腐蚀性；这类酸性废水也会破坏土壤结构，减少农作物产量。由于酸性矿井水的pH值较低，通常pH5.0，导致鱼类、藻类、浮游生物等绝大多数水生生物死亡，既减少了水生生物的数量，也限制了生物的多样性。酸性矿井水中含有大量重金属，而重金属能够在生物食物链内富集，大大