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潍坊山水环保矿井水处理方法与综合利用
矿床开采破坏了地下水原始赋存状态并产生了裂隙，密切了大气降水、地表水、地下水和生活用水，各含水层之间的水力联系，使各种水沿着原有的和新裂隙渗入井下采掘空间形成矿井水。矿井水是煤炭生产过程中排放量最多的废水。据1993年统计，我国国有重点煤矿年排矿井水约22亿m3，平均吨煤涌水量约4．0m3，而且随着煤炭工业的发展矿井水的排放量还将不断增多。长期以来，由于技术所限和认识不足，矿井水被当做水害加以预防和治理，矿井水被白白排掉而未加以综合利用和保护。据统计平均每开采1t原煤需排放2t矿井水，不仅严重污染了水资源，而且造成了工业和生活用水短缺。随着科学的发展和人们环境保护意识的提高，对矿井水也已有了新的认识，开始将矿井水作为一种水资源加以处理利用，即矿井水资源化。　　1矿井水资源化可行性分析　　通过实地考察可以得到，煤层开采主要充水含水层有：第四系孔隙含水层、太原组岩溶含水层和奥陶系灰岩含水层。矿井水主要来源于这些含水层渗入地下的水，是矿井水与煤岩层接触发生一系列物理、化学和生化反应而形成。煤矿矿井水本身的水质主要受当地水文、地质、气候和地理等自然条件的影响[1]。当矿井水流经采煤工作面时，将带入大量的煤粉、岩粒等悬浮物，同时由于受到井下矿工的生产和生活活动的影响，矿井水中往往含有较多的细菌。对于开采高硫煤层的矿井，由于煤层及其围岩中硫铁矿的氧化作用，使矿井水呈现酸性和高铁性等。　　2矿井水利用的必要性　　矿区采煤抽排大量的地下水，破坏和疏干矿区和周边地区地下水资源，使地下水水位下降，造成矿区水资源的枯竭，引起隐伏矿区的地面下降，诱发岩溶矿区岩溶地面塌陷。大量的矿井地下水若直接外排则会引起水质恶化，造成水环境污染。由于这些地下水初始流入井筒和巷道时比较清洁，如果将矿井地下水资源净化成饮用水，不仅可以满足生产和生活用水，还可以节省大量钻探深水源井的资金，创造较好的经济效益和环境效益。目前大部分煤矿缺水很严重，因此有必要对矿井水加以利用。　　3矿井水的处理技术　　目前我国按照对环境影响以及作为生活饮用水水源的可行性，习惯上将矿井水按水质类型特征分为洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含有毒有害元素或放射性元素矿井水五类[2、3]。不同的矿井水采取不同的处理方法。　　3．1洁净矿井水　　多指矿区煤系地层中的奥灰水、砂岩裂隙水、第四纪冲积层水及老空积水。这种水质中性，低浊度，低矿化度，有毒有害元素含量很低，基本符合生活饮用水标准，可设专用输水管道给予利用，作生活饮用水时需进行消毒处理。太原市古交矿井在开采过程中穿过第四纪河谷冲积层，就遇到这种水，古交矿直接供全矿生产和生活使用。　　3．2含悬浮物矿井水　　这种水中含有较多煤粒、岩、粉、等悬浮物，一般呈黑色，但其总硬度和矿化度并不高。悬浮物的主要特性是在动水中呈悬浮状态，但在静水中可以分离出来，轻的上浮，重的下沉。根据悬浮物的特性，对工业用水净化处理常用的主要方法有混凝、沉淀。混凝是水处理工艺中十分重要的环节。选用混凝剂的原则是产生大、重、强的矾花，净水效果好，对水质没有不良影响，价格便宜，货源充足。常用的混凝剂为铝盐和铁盐混凝剂。混合过程是让药剂迅速而均匀地分散到水中，应在尽量短的时间内与原水均匀混合，使水中的全部胶体杂质都能和药剂发生作用。原水加混凝剂后，经过混合作用，水中胶体杂质凝聚成较大的矾花颗粒，在沉淀池中去除。在经过快滤和消毒处理后也可达到饮用水标准。山西很多煤矿的井下排水属这类矿井水。　　3．3高矿化度矿井水　　矿化度无机盐总含量大于1000mg／L的矿井水。主要含有S0i2-、CI-1、Ca2+、K+、Na+等离子。硬度相应较高，水质多数呈中性或偏碱，带苦涩味，少数有酸性。高矿化度矿井水不利于作物生长，会使土壤盐渍化。用作锅炉用水，容易结垢。作建筑用水，会影响混凝土质量。人们长期饮用，将引起腹泻和消化不良，尤其对心脏和肾脏病患者影响更严重。我国北方缺水矿区的矿井水往往属于高矿度矿井水，有必要通过净化和淡化工艺处理成为饮用水和生产用水。当前高矿化度矿井水采用以下处理方法。　　3．3．1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。　　3．3．2膜分离法　　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。　　(1)反渗透法。反渗透法是借助于半透膜在压力作用下进行物质分离的方法。可有效地去除无机盐类、低分子有机物、病毒和细菌等，适用于含盐量大于4000mg／L的水的脱盐处理。　　(2)电渗析法。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。　　3．3．3浓缩蒸发　　反复处理使含盐量高的剩余水浓缩到很小体积，然后在合适的地方存放。依靠自然蒸发，使其避免排往下游。水蒸发后将留有盐分结晶，可在其浓缩至200g／L以上浓度时运走，用做化工原料。　　3．3．4稀释排放　　稀释排放是将低含盐量的水混合在一起，达到排入水体的标准后排放。避免对下游的不利影响。　　3．3．5消耗利用　　消耗利用用于对含盐量要求不高的场所，把水消耗掉，最后蒸发到大气中，避免了向下游排放。　　3．4酸性矿井水　　水质特征为pH值小于5．5的矿井水，一般为3～3．5，个别小于3，总酸度高。当开采含硫煤层时，硫受到氧化与生化作用产生硫酸，酸性水易溶解煤及其围岩中的金属元素，故铁、锰重金属以及无机盐类增加，使矿化度、硬度升高。酸性水在我国南方高硫矿区比较常见。酸性水容易腐蚀矿井设备与排水管路，并且危害工人健康。如果抽排至地面，会影响土壤酸碱度，导致土壤板结和作物枯萎，而且使地表水酸度上升，间接的影响了水生生物的生存。对环境与生态会造成重大的损害，因此必须进行治理达标后外排，其处理的方法有以下几种。　　3．4．1物理化学法(中和法)[8]　　(1)石灰石中和法。采用石灰石作中和剂与酸性水中硫酸中和反应，产生微溶硫酸钙和易分解的碳酸，从而降低酸度。　　(2)石灰中和法。石灰的主要化学成分是CaO，当用水调配成石灰乳，则形成熟石灰Ca(OH)2，熟石灰与酸性水中的H2SO4反应。　　(3)石灰石．石灰联合中和法。该工艺第一阶段选用石灰石滚筒法中和，消耗酸性矿井水中绝大部分游离H2SO4，使酸性水的pH值接近于6；然后在第二阶段再投加石灰中和处理，使水的pH值进一步提高，达到8左右，这时Fe2水解产生沉淀，形成絮状物，起到混凝作用，有利于悬浮固体去除。　　3．4．2生物化学方法(微生物法)[8]　　该方法是目前国内外研究比较多的处理方法，在美国、日本等国家已进行了实际应用。其原理是利用氧化亚铁硫杆菌在酸性条件下将水中的Fe2+氧化成Fe3+，以实现酸性矿井水的除铁[9，10]。氧化亚铁硫杆菌能从Fe2+的氧化反应中获取自身生存和繁殖所需的能量，无须加任何营养液。　　3．4．3湿地生态工程处理法[8]　　人工湿地(ConstructedWetlands)酸性矿井水处理方法是20世纪70年代末在国外发展起来的一种污水处理方法u，它利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用，通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化[12]，与中和法等传统的酸性矿井水的处理方法相比，人工湿地处理方法具有出水水质稳定、对N、P等营养物质去除能力强、基建和运行费用低、技术含量低、维护管理方便、耐冲击负荷强、适于处理间歇排放的污水和具有美学价值等优点[13]，因而在北美、欧洲的许多国家得到了广泛应用[14-16]。　　中国是一个矿产资源大国，矿产开采和利用对水资源的破坏相当严重，酸性矿井水的处理是众多矿山企业面临的主要环境和生态问题[17，18]。人工湿地作为一种有效的酸性矿井水处理方法，在中国的应用将越来越广泛，其作用将越来越大。　　随着高分子研究的深入，出现了用无机高分子、有机高分子、高分子改性阳离子、微生物等絮凝剂、阳离子交换树脂等材料来加强对酸性水的处理程度[19]。同时，也有学者在进行以废治废研究，如利用粉煤灰作为中和剂[21]、利用煤矸石制取聚硅酸铝作为絮凝剂[22]等都取得了明显的效果。另外，值得一提的就是原位处理方法--可渗透法反应墙。该方法在1982年由美国环保局提出来，滑铁卢大学在1989年进一步开发，并在安大略省的保登(Borden)成功进行了现场演示。这种方法完全可以在矿山应用，其基本原理是：在矿山地下水流的下游方向，定义一个被动的反应材料的原位处理区[20]，针对矿山酸性水的具体成分分析结果，采用物理化学或者生物处理的技术方法，处理流经墙体的污染组分，这是目前矿山酸性水处理研究的热点问题。　　3．5含有害有毒元素或放射性元素矿井水　　主要指含有氟、铁、锰铜、锌、铅及铀、镭等元素的水。含氟矿井水主要来源于含氟较高的地下水区域或煤与围岩中含有氟矿物萤石CaF2或氟磷灰石的地区。饮用高氟水，容易产生骨质疏松，氟斑牙等病症。我国北方一些煤矿矿井水含氟超过lmg／L。含铁、锰矿井水一般是在地下水还原条件下形成的，大多呈现Fe2Mn2的低价状态，有铁腥味，容易变混浊，可使地表水的溶解氧降低，这类水需要经过处理后才能使用或外排。含重金属矿井水主要指含有Cu、Zn、Pd等元素的矿井水，这些元素浓度符合排放标准，但超过生活饮用水标准，所以不宜直接饮用。放射性元素水主要指含有超过生活饮用水标准的U、Ra等天然放射性核素及其衰变产物氡Rn的矿井水。对于这类矿井水首先应去除悬浮物，然后对其中不符合目标水质的污染物进行处理。　　在实际生产中的矿井水大多数为复合型水。因此在设计水处理工艺时必须搞清楚水质和水量的实际水文地质情况，然后考虑水处理单元的取舍和优化组合，结合实际地质情况进行处理，如利用沙层对矿井污水的净化作用及矿井水的利用[23]。但矿井水都或多或少的含有悬浮物，因此含悬浮物矿井水的处理工艺对于任何类型矿井水来说都是必要的前处理步骤。　　4矿井水的利用概况　　我国煤矿矿井水的利用率还很低，平均仅为22％。虽然我国有意识的综合利用矿井水起步较晚，利用率只有15％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，主要利用有工业用水、生活用水、农业灌溉。　　除了这些常规的利用外，要开发新的利用方式。　　(1)利用矿井水和电厂余热实现办公楼冷暖空调5水源热泵技术是一项新兴的节能空调技术，可达到节约投资及运行费用，节约能耗，节约用水，减少对环境影响的效果[24]。　　(2)井下处理利用[7]。含悬浮物矿井水污染程度较低，易于净化处理，如果在井下采取诸如清浊分流、水仓预沉等措施，会使矿井水的井下处理难度更低。因此建立井下矿井水处理系统，改进矿井现有的供水系统，使部分矿井水在井下实现循环利用，在技术上完全是可行的。建立井下矿井水处理系统，将矿井地面供水变为井下供水，可节省大量的矿井排供水费用，对开采深度较大的矿井来说，其经济效益更显著。　　(3)与附近的城市综合利用，以徐州矿区与徐州市为例[6]6。徐州市将矿井水资源纳入全市水资源管理规划，实行统一管理。将位于徐州市区附近涌水量大且稳定的矿井，充分利用地面供水主干网，将其矿井水直接向市区供水，重点是利用权台、大黄山井田的矿井水，以缓解市区用水紧张的状况；韩桥煤矿的矿井水可利用贾汪电厂改扩建的有利时机，统筹安排，争取尽早供水；将远离市区、城区且涌水量大的矿井，可就近作为工农业及居民生活用水，重点是利用庞庄煤矿东城井、夹河煤矿的矿井水向九里区、城北工业区供水。徐州矿区还组建矿井水综合利用开发公司，按照市场规律运作，打破自来水市场独家垄断的局面。拟订可行方案，在西关地区选择一居民区铺设矿井水管道到居民家中，直接供应饮用水，争取市政府支持，制定优惠政策，鼓励居民使用。徐州矿区将会按照市场公平竞争的原则，逐步加大井水向市区供水量，适当调高价格。重点扶持矿井水的深加工，利用新河、义安等煤矿的矿井水符合优质矿泉水标准的优势，积极寻求合作伙伴，开发系列优质矿泉水，作为一个新型产业，闯市场、创名牌、求发展。　　5存在的问题[4]　　(1)观念上的差距。历来在煤炭勘探的同时把一些非煤的矿物如铁、硒、锗等甚至白垩土都列为有用的矿物资源，而对煤层上赋存的地下水、煤层气(瓦斯)却视为有害物。　　(2)感情上的差距。人们认为井下排水又黑、又臭、又脏，宁肯从几十公里以外去引泥浆一般的黄河水，也不肯处理近在身边的矿井水。　　(3)认识上的差距。尽管矿井水长年累月不停地排放，但人们对它的认识却很不够。没有深入地研究其特有的规律，水质、水量变化的情况，不同类型水质差异十分悬殊的致因，也从未系统地进行全面化验分析总结。　　(4)政策上的差距。国家对矿井水排放政策上没有作为水资源开发利用，单纯地进行排污收费，甚至罚款。　　(5)管理上的差距。我国各矿区技术人员大多为采矿、机电、土建、机制等专业人员，目前尚有一些环保专业人员负责环境管理，但具体到水处理站的给水排水专业技术人员就非常缺乏，几乎没有，负责操作的工人大部分未培训，一部分是井下失去工作能力的工人转到地面上来"看泵"。从领导到技术人员到工人都不了解工艺，不利于管理，更不能发挥主观能动性，积极地处理运行中发生的问题。　　6对策和措施　　①完善政策法规，向矿井水回收利用工程倾斜；②在煤田地质勘探过中，除煤炭作为能源进行储量计算外，同时必需将赋存在煤田地层内的地下水也作为资源进行储量的勘探和计算；③在矿区矿井的规划、可研、初设及施工图各阶段，必须把井下排水作为水资源来开发利用；④加大矿井水科研试验的力度。要集中资金和人力，对矿井水作全面系统的调研、分析，对各类型的矿井水进行分类并做长期的观测试验，包括年际变化以及日际变化，找到其变化的规律；⑤加大宣传力度，转变人们的观念，对矿井水的回收利用；⑥强化运行管理，提高工人素质；⑦规范市场，公平竞争；⑧加强技术交流，引进先进技术
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地下水资源利用现状与保护策略
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　　具体来讲，主要是在包气带以下地层孔隙中贮存地下水，大气降水以及地表水是地下水的主要来源，地下水直接关系到人类的生存和发展，因为其供水条件较好，在农业用水以及居民用水等方面得到了较为广泛的应用。经调查发现，在我国总用水量中，有超过百分之十的比例为地下水开采利用量，近些年来，因为过量开采地下水，就会降低地下水水位，导致地面沉降问题的发生。
　　1 地下水的类型
　　1.1 上层滞水
　　存在于包气带中局部隔水层上的重力水就被称之为上层滞水，一般在砂层中分布，它的形成机理是这样的，在渗入雨水和融雪水的过程中，遭到了局部隔水层的阻滞。因为与地表比较的接近，分布还不够广泛，那么季节因素就会对上层滞水产生较大的影响。并且因为与地表较为接近，污染问题很容易出现，雨季存在上层滞水，到了旱季，很多地区就没有了上层滞水。
　　1.2 潜水
　　在饱水带中埋藏的自由水被称之为潜水，因为没有隔水层存在于潜水面上，那么借助于包气带中的孔隙，潜水面就可以连通大气。潜水含水层紧密联系着地表水和大气圈，主要是通过包气带实现的，因此，外界诸多因素都会对其造成影响，如气象环境、水文条件等，容易出现较大的变化，季节特征也比较的明显。其中，大气降水、河流、湖泊等是潜水的补给来源。在供水方面，主要采用的就是潜水，一般没有较深的埋藏，在比较大的范围内分布，可以比较便捷的开采，利用非常的广泛。
　　1.3 承压水
　　在两个隔水层之间分布的地下水为承压水，因为有隔水层顶板存在，那么静水压力就需要承受，我们可以类比于自来水管中的水，如果受到了比较大的静水压力，并且没有较高的地形条件，那么就会从地表中喷出来。因为隔水层顶板是存在的，那么大气降水和地表水就无法补给于分布区，只能补给露出地表的补给区。外界气候和水文因素等影响会被隔水顶板所阻断，那么外界因素一般就不会污染到承压水，有着较好的水质。
　　2 地下水开发利用现状分析
　　2.1 农村方面
　　地下水是农村的主要用水来源，因为在地下水使用过程中，农村是不会征收相关费用的，这样人们就无节制的用水，农业灌溉是主要的用水方面，为了促使个人利益需求得到满足，不会考虑用水量等问题。如今，漫灌式浇灌方法得到了较为广泛的应用，那么就会在较大程度上增加地下水的抽取量，而这种浇水方法的基础就是打水井，通常会在潜水层部分打水井，这个部分没有稳定的含水量，并且将潜水层中的地下水大量抽取出来，会在很大程度上降低地下水水位，容易有降落漏斗形成。
　　2.2 城市方面
　　其中，城市主要是为了满足生活用水需求，而大力开发利用地下水。如今，我国城市化进程在不断的加快，人口数量不断增多，生活用水量越来越大；因为没有完善的治理措施和方法，地下水存在着严重污染问题，在较大程度上影响到居民饮用水水质。其中，生活污染是主要的污染源。生活污水包括诸多方面的内容，如机关学校以及居民在生活过程中所排出的废水都属于这个范畴。根据相关的调查研究表明，城市中每人每天会排出 150L 以上的生活污水，很大一部分的生活污水都没有经过科学处理，向河流中直接排入。这样就会向地下水中渗入一些生活污水，因为潜水和地面比较接近，污染问题容易出现，而人们大多都是开发利用的潜水，因此，就会在较大程度上影响到人类的正常生活。
　　3 地下水资源保护和可持续利用策略
　　3.1 对开采量严格控制
　　地下水资源日趋紧缺，因此，我们就需要对开采量严格控制，将喷灌式作为主要的农业灌溉方法，这样地下水资源就可以得到有效节约，水位下降程度也能够得到减缓。我们需要在承压水层中打水井，因为潜水井和潜水层有着大致相同的水位，如果抽取大量的地下水，潜水位就会逐渐低于潜水井的水位，导致地下漏斗的形成。
　　3.2 人工注水方法的应用
　　某些地区如果已经形成了地下漏斗，那么就可以应用相应的工程设施，以便向地下含水层中注入地表水，这样地下水的储量就可以得到较大程度的增加。采取这样的方法，可以有效循环再次利用淡水资源，地面的承载能力也不会受到影响，地面下陷等问题可以得到有效避免。
　　3.3 对于沿海地区，需要对海水淡化技术大力发展
　　沿海地区有着丰富的海水资源，为了缓解地下水过度开采的问题，可以应用科学的海水淡化技术，以便对部分地下水有机替代。通过海水淡化技术的合理应用，淡水总量能够得到增加，时空、气候等诸多因素也不会对其造成影响，有着较好的水质和合理的价格，沿海居民的生活用水以及工业用水需求，可以得到有效满足。
　　3.4 完善水法，在水法中加入地下水方面的内容
　　要对立法工作进行强化，从法律层面来保护地下水。特别是部分地区，只有较低含量的地下水，那么就需要实施重点保护。对用水制度科学制定，避免有过量开采等问题出现。如果某地区出现了过量开采问题，那么就需要及时回灌地下水，当地水源遭到污染时，责令相关部门采取科学的措施，对污水进行治理，这样方可以对地下水水位下降和污染等严重问题有效解决。
　　3.5 做到达标排放
　　我们需要充分认识到生活污水的危害，采取相应的方法治理过生活污水之后，方可集中排放。废水中含有较为复杂多样的污染物成分，如今的各种处理方法，都无法实现完全净化的目的，因此就需要应用分级处理模式，逐步去污，直到符合相关排放指标。首先采取一级处理方法，将污水中悬浮物质处理掉，应用二级处理方法，可以将污水中的胶状物和溶解物除去，而三级处理方法，则可以将其中的有机物降解掉。
　　采取这种处理模式，可以再次利用污水，不会污染到水体，还可以重复利用水资源。
　　此外，还可以对地下水库进行修建，联合调蓄地表水地下水。具体来讲，这种方法就是将雨洪期多余的地表水利用起来，对天然或人工调蓄工程进行建造，以便在地下灌入和储备地表水，这样在缺水的时候，可以提取使用。采用这种方法，具有较好的经济效益和生态环境效益，因此就可以得到广泛应用。
　　4 结束语
　　综上所述，调查研究发现，我国虽然有着较为丰富的水资源总含量，但是人口基数大，只有较少的人均占有量，特别是随着社会经济的发展，地下水资源紧缺问题和污染问题日益严重，需要引起人们足够的重视，采取科学的方法和措施，来保护和利用地下水资源，将可持续发展的理念充分体现出来，使地下水资源紧缺和污染问题得到有效缓解。
　　参考文献
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