《工业水处理》：煤矿矿井水处理和资源化利用的关键问题及对策

煤炭行业是国家能源的主要来源，也是国家经济的重要支柱。我国煤炭资源呈现“北富南贫，西多东少”不均衡分布态势，北方煤炭资源主要集中在山西、内蒙古、陕西、河南、甘肃和宁夏等省份，占全国基础储量的68%左右。上述地区同属西北部典型缺水区域。值得注意的是，煤炭开采过程中产生大量矿井水，开采1 t煤的产水量约为2.0 m3，每年矿井水产生量约为71亿m3，接近南水北调水量。煤矿矿井水水量大、水质污染相对较轻的特征，为其作为非常规水资源创造了有利条件，但实际情况是，煤矿矿井水资源化利用率不足25%。理论上煤矿富集区域应为“有煤有水”，但现实情况却为“富煤贫水”。

为转变“富煤贫水”现状，实现“煤水共赢”，2024年2月23日，国家发展和改革委员会、水利部、自然资源部、生态环境部、应急管理部、市场监管总局、国家能源局、国家矿山安监局等部门联合印发《关于加强矿井水保护和利用的指导意见》，指出：“到2025年，全国矿井水利用量持续提高，利用率不断提升，其中黄河流域力争达到68%以上”“加强矿井水源头保护；推进矿井水分质分级处理；推进矿井水综合利用”“制修订矿井水用于各领域的分级分质系列标准、技术规范，试点开展高矿化度矿井水排放标准制定工作”。

山西省是我国最大的煤炭资源省份，矿井水资源化利用问题尤为突出。2023年10月9日，山西省发展和改革委员会、山西省能源局印发《山西省煤炭行业碳达峰实施方案》，指出：“加强矿井水治理与综合利用”“按照国家和我省矿井水管理要求，科学推进矿井水处理利用系统优化升级，降低矿井水处理物耗、能耗”“积极拓展矿井水综合利用途径，全面优化矿区供排水系统，提高矿井水回用综合效益，提高矿井水利用率”。

笔者在分析制约煤矿矿井水资源化效率提升的关键问题基础上，从处理技术进展、资源化利用模式及标准体系等方面提出提升煤矿矿井水资源化效率的建议及对策，可为煤炭行业的低碳、可持续发展提供借鉴及参考。

在煤矿建井及开采过程中，由地下涌水、地表渗透水、井下生产排水（防尘、灌浆、设备冷却等外排水）等原因产生矿井水。依据水质特征，煤矿矿井水可分为含悬浮物、高矿化度、含铁锰、酸性及其他污染类型矿井水（ 表1 ）。

表1  煤矿矿井水分类及水质特征

煤矿矿井水水质总体上以无机污染物为主，与地下水水质接近，具备作为非常规水资源的水质基础；同时，煤矿矿井水涌水量大，为其作为非常规水资源奠定了充足的水量基础。构建处理技术、模式及标准三方联动、驱动的技术推广及应用框架体系，方能从根本上破解煤矿矿井水资源化利用困局。

1）优化、研发煤矿矿井水低碳、低成本处理及资源化利用技术。

对于含悬浮物、高矿化度、含铁锰及酸性矿井水处理，多年来沿用混凝沉淀、多级化学氧化除铁除锰、反渗透脱盐、中和等常规技术，在探索煤矿矿井水达标排放及资源化利用方面获得长足进展，但普遍存在运行成本及碳排放量高、污泥产量大的问题，需借鉴、移植当前水处理先进技术，实现煤矿矿井水处理及资源化的降本、提质、增效。

2）开辟企业内外相结合的煤矿矿井水资源化综合利用模式。

目前煤矿矿井水资源化利用主要集中于企业内部回用，包括杂用水、煤炭洗选等用途。然而，矿井水持续产生且水量大，企业内回用难以全部消纳，废水“零排放”模式难以真正实施。必须探索企业内部利用、外部输出相结合的开源性综合利用模式，拓展企业内源源不断产生的矿井水的资源化出路，实现经济、合理的回用及综合利用。

3）完善煤矿矿井水排放及资源化利用标准体系。

煤矿企业内部难以完全资源化消纳利用矿井水，必然导致矿井水的排放问题。目前，煤矿矿井水排放无专一性标准执行，高矿化度矿井水以往参照《煤炭工业污染物排放标准》（GB 20426—2006）执行。近年来，为严格管控矿井水排放，部分地方生态环境管理部门规定，矿井水排放执行《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准。矿井水排放管控标准存在指标体系及限值不统一、差异大，达标难度高，以及直接排放、间接排放要求不明确等问题。并且，矿井水资源化及综合利用技术标准仅限于方向性的技术导则，缺乏用于指导工程实践的技术规程及规范。

2.1 含悬浮物矿井水处理

含悬浮物矿井水处理方法与给水处理除浊类似，采用混凝、沉淀及过滤传统工艺，工程实践已证明其对浊度、悬浮物去除的有效性。混凝、沉淀强化技术在含高悬浮物矿井水处理工程实践中得到广泛应用。例如，通过加入惰性高密度微颗粒（磁种、微砂等）作为絮凝核，形成重介质混凝沉淀，促进絮体形成；同时，重介质粉又起到压载或加重作用，大幅度加速沉淀过程。高效旋流技术通过在旋转时形成的旋流离心作用分离水中杂质，适用于分离煤矿矿井水中高浓度煤粉和岩粉悬浮物，具有反应时间短、占地面积小的显著优势。

对于悬浮物含量较低的矿井水，可将传统混凝、沉淀及过滤三级工艺转变为一级微絮凝过滤工艺。投加絮凝剂后在管道中简单混合且待絮体适度长大后，直接进入滤池过滤。

与传统工艺相比，微絮凝过滤工艺可节省混凝、沉淀两个单元，且絮凝剂投加量、投资及运行费用较低。微絮凝过程投药后产生的絮体全部由滤池截留，需保证滤池滤料具有较高的截污容量，方能避免频繁反冲洗及高耗水量。在工程应用中可采用粒径均一的均质滤料，以规避反冲洗水力分级导致滤层上部滤层截污容量显著降低的问题。

另，可采用纤维球等软性弹性滤料，与常规石英砂滤料相比，该软性弹性滤料具有更高的孔隙率、比表面积及截污容量，可显著降低滤层阻力并延长运行周期；运行过程中滤层截污量逐步增大，弹性滤层被渐进压实，不易出现穿透现象，同时，在气水反冲洗过程中软性弹性滤料不会发生跑料现象。

微滤和超滤的细微孔径可有效阻截水中悬浮颗粒，在含悬浮物矿井水处理领域显示出良好的应用前景。我国微滤和超滤膜制备及批量化生产技术较为成熟，其应用形式为直接过滤，可进一步缩短悬浮物去除工艺流程及占地面积。采用聚瓷微滤膜直滤技术处理矿井水，在无外加药剂的条件下，出水悬浮物和浊度可分别稳定低于1.0 mg/L及1.0 NTU，水力反洗及定期化学清洗可有效控制膜污染，具有短流程、节能高效及易于实现自动控制等优势。与微滤相比，超滤具有更高的截留精度，采用非浸没式超滤直接净化煤矿矿井水，通过错流式运行及在线清洗，可获得稳定的膜通量。在煤矿矿井水综合利用集成系统中，超滤常作为反渗透或纳滤脱盐的预处理，确保截留精度更高的终端反渗透或纳滤膜的安全运行。获得低压操作条件及更高效的膜污染控制，以降低运行成本、延长膜使用寿命，依然是煤矿矿井水微滤和超滤技术未来的发展方向。

2.2 含铁锰矿井水处理

含铁锰矿井水的处理类似含铁锰地下水的处理，早期沿用氧化、pH调节、混凝、沉淀组合工艺，首先投加氧化剂将水中Fe ²⁺ 、Mn ²⁺ 氧化为Fe ³⁺ 、Mn ⁴⁺ ，然后投加混凝剂形成沉淀去除，出水剩余低量铁锰进一步通过滤池去除。该工艺流程长，投药量及污泥产量大；同时，由于Mn ²⁺ 的氧化还原电位高于Fe ²⁺ ，需将pH提升至9.0以上，方能获得较高的Mn ²⁺ 氧化速率。

20世纪80年代，在除铁除锰滤池中发现了具有自催化作用的活性滤膜，将地下水除铁除锰技术发展为工艺简洁、不需外加药剂的接触氧化法除铁除锰工艺，同步引发水质相近的矿井水除铁除锰技术革新。对于铁锰共存水质，在接触氧化滤池中，由于氧化还原电位较低的Fe ²⁺ 与氧化还原电位较高的Mn ²⁺ 对水中溶解氧（DO）存在竞争，Fe ²⁺ 的存在干扰Mn ²⁺ 的去除，为此，提出一级除铁、二级除锰的铁锰分级去除的接触氧化组合工艺。20世纪90年代，进一步在接触氧化除铁除锰滤池中发现Mn ²⁺ 的生物氧化作用，为在一级滤池中实现铁锰同时去除提供了理论及实践可行性。

生物法除铁除锰代表着高效、低耗的发展方向，既往研究主要集中于地下水除铁除锰。与作为水源的地下水相比，煤矿矿井水拥有更高的悬浮物及矿化度；同时，在北方冬季低温条件下，存在除铁除锰优势微生物菌群活性受抑制的潜在问题，需结合矿井水处理工程实践，明确上述因素对生物法除铁除锰的影响。

2.3 高矿化度矿井水处理

对于高矿化度矿井水的处理回用，常采用膜脱盐使其盐度达到工业、农业及杂用水盐度指标要求后回用。工程实践中常用反渗透膜，其脱盐程度高，几乎可将水中盐度完全去除。然而，矿井水回用于工业、农业及生活杂用，往往无需完全脱盐，仅需满足各类回用要求的TDS及全盐量指标即可。反渗透完全脱盐操作压力及电耗高是普遍问题。纳滤膜具有操作压力低、部分脱盐的特性，更适用于对高矿化度矿井水的处理，可依据TDS及全盐量回用要求，灵活选用不同脱盐率的纳滤膜，以尽最大可能降低操作压力及运行成本。我国纳滤膜研制起步于20世纪90年代，已在膜材料研发、膜性能表征、膜污染控制等方面开展了大量研究，但与国外纳滤膜组器制造及技术研发相比整体起步较晚，高品质的纳滤膜依然主要依赖进口，且在矿井水处理及资源化方面工程实践不足。高强抗污染、低压膜材料的自主研发及优化应用亟需实质性突破。

在膜脱盐过程中，不可避免产生膜浓缩液，高盐含量是其典型特征。目前煤矿矿井水排放执行的《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准以及《煤炭工业污染物排放标准》（GB 20426—2006）中无明确盐度要求；但2020年10月30日生态环境部、国家发展和改革委员会、国家能源局联合印发《关于进一步加强煤炭资源开发环境影响评价管理的通知》，规定：“矿井水在充分利用后仍有剩余且确需外排的，经处理后拟外排的，除应符合相关法律法规政策外，其相关水质因子值还应满足或优于受纳水体环境功能区划规定的地表水环境质量对应值，含盐量不得超过1 000 mg/L，且不得影响上下游相关河段水功能需求。”膜浓缩液排放不仅面临进一步脱盐问题，还潜在有机物等污染物超标问题。在膜浓缩液高盐基质条件下，采用生物、高级氧化法去除有机物，面临盐度抑制生物及猝灭自由基的问题。适用于高盐条件的高效去除有机物的生物及高级氧化法已开展诸多研究，未来需结合矿井水水质特征进一步获得对机理、工艺及运行参数的深度认识，以期达到指导工程实践的目的。

在当前提出的“零排放”模式中，不仅涉及膜脱盐，而且包含膜浓缩液蒸发、结晶环节，废盐处置路径复杂及成本高是普遍问题。通过纳滤膜分盐后再行结晶，理论上可实现浓缩液分盐资源化，利用煤炭企业高品位余热蒸发结晶并分离回收一价、二价盐的资源化路径，具备技术经济可行性。

2.4 酸性矿井水处理

酸性矿井水的处理采用中和方法，投加价廉的石灰回调矿井水pH是工程实践中的可行方法。石灰中和的主要问题在于物化污泥量较大；另，中和后矿化度升高的问题，亦引发后续脱盐问题，脱盐问题见2.3章节部分论述。关于污泥量较大的问题，笔者曾探索污泥经水热处理后再次回用于中和的循环利用途径，发现水热后污泥可使原水的pH由3.5上升至7.8~7.9，可回用替代部分外加石灰；水热碱化污泥回用可降低石灰投加量及最终污泥产量。就目前研究，污泥在水热条件下，经历脱羧、脱水、解聚、芳构化等一系列复杂的化学反应，水热产物表面生成丰富的羟基（—OH）、氨基（—NH ₂ ）等碱性官能团，可与水中H ⁺ 结合，使溶液pH升高。矿井水污泥以无机质为主，其在水热反应中的具体碱化过程尚需进一步研究。

酸性矿井水除投加药剂中和的主动处理方法之外，还可借助天然介质（如石灰岩），形成自然中和的被动修复系统。地层铁锰元素及煤炭黄铁矿（FeS ₂ ）中铁硫元素浸出，形成含铁锰的酸性矿井水。含铁锰酸性矿井水首先需通过中和调整pH，再与曝气充氧、除铁除锰过滤组合，无疑增加了工艺复杂程度及处理成本。研发铁锰共存酸性矿井水短流程处理工艺是未来发展方向。值得注意的是，酸性矿井水中含有的硫酸、金属和稀土元素等属可资源化利用的潜在资源，在水回用的基础上整合硫酸、金属和稀土元素资源化利用，可充分发挥矿井水治理效益，但需重点研究经济可行、无二次污染的资源提取技术。

2.5 污泥处理处置及资源化

含悬浮物、含铁锰及酸性矿井水处理过程中产生大量沉淀或混凝物化污泥。目前虽无确切的污泥泥质、组分特征数据，但从理论上分析，煤矿矿井水污泥组分以无机质为主。

煤矿矿井水初沉或混凝污泥主要通过浓缩、脱水实现减量化。压滤或离心脱水可将污泥含水率降至80%左右，高压板框脱水则可将污泥含水率降至60%~70%，而热干化可将污泥含水率降至30%的低水平，使污泥量大幅度降低。热干化的成本主要在于热源消耗，如将煤矿瓦斯电厂、空压风机等高品位余热用于污泥热干化，则可实现污泥的低碳减量。

污泥资源化是污泥处理处置的重要方向。含悬浮物矿井水预沉或混凝污泥中往往含有大量煤渣、煤粉，可作为低品位燃料回收利用。对于初沉或混凝沉淀预处理回收煤泥后的含铁锰或酸性矿井水，在后续混凝沉淀处理中产生的污泥热值偏低，难以作为低品位燃料焚烧或掺烧，其产量大的特征使其填埋亦面临无地可施的问题。就目前的研究，无机混凝污泥的资源化路径主要包括建材利用、制备环境功能材料及土壤利用等。

矿井水混凝污泥重金属含量相对较低，用于制作路基材料、生态多孔砖及步道砖等非住宅民用建筑材料途径时，无需高强度固化处理，可降低制作成本。含铁锰矿井水混凝污泥含有铁、铝及锰氧化物，可通过絮凝过程改善土壤的凝聚程度并吸附富集重金属。混凝污泥烧结制备的陶粒材料，可用于污水生物滤池强化脱氮除磷。探寻适合于地域特征及需求的矿井水污泥资源化方法及途径，是提高污泥资源化效率的关键措施。

矿井水水量大、水质污染轻，可作为缺水地区非常规水资源的重要补充。因此，矿井水的治理应遵循“综合利用为主，排放为辅”的技术路线。

矿井水经处理后企业内就地消纳利用，是目前煤矿矿井水的主要综合利用模式。必须重视的是，矿井水涌水量大且持续产生，企业内回用难以完全消纳，导致大量处理后的矿井水难以贮存，最终仅能排放；同时，矿井水资源化用于外部工农业、杂用水等路径尚不明确。上述因素致使矿井水的资源化利用率难以提升，亦使“零排放”模式难以在工程应用中实现。

针对大量新生矿井水在企业内难以完全消纳、企业外部利用途径不明的问题，需探索以矿井水为原水的集中处理厂的思路。集中处理厂建设及运营模式类似给水处理厂，由政府主导建设及运营，采用市场化运作模式。煤矿企业将内部难以资源化就地消纳利用的矿井水输送至集中处理厂，由集中处理厂处理后分质、分类输送，并按需资源化用于企业外部工农业、杂用水、灌溉等用途。建立企业内、集中处理厂、外部用户之间的市场运行模式及体制，以“疏导”的方式，解决矿井水“壅堵”于企业内部的现实问题。

煤矿矿井水水量大，同时来源于封闭地层的洁净煤矿矿井水，污染程度轻，基本不含有机质及重金属，且含有钙镁等对人体有益的矿质元素，具备制备优质饮用水的水量及水质特征。长期以来，工程界已开展大量以煤矿矿井水为原水的饮用水处理工程探索及实践。例如，2006年1月，我国最大的矿井水处理后作为饮用水的工程投入运行，设计处理能力50 000 m ³ /d，处理后可用于生活饮用水、锅炉用水、电厂用水等多种途径。为获得高品质的安全饮用水，以煤矿矿井水制备饮用水往往采用反渗透组合工艺。

不可否认，反渗透去离子工艺可确保水质安全，但存在操作压力及能耗高的显著问题。目前经济发达地区开展的优质饮用水处理实践，可为建设以矿井水为水源的优质饮用水处理厂提供借鉴。优质饮用水处理工程整体工艺采用混凝沉淀、臭氧生物炭、纳滤膜分离组合工艺，不仅能去除水中有毒有害物质，而且利用纳滤膜的部分脱盐特性，使处理后水保留部分矿质元素，整体上符合健康饮用水要求；纳滤膜操作压力及电耗远低于反渗透膜，可降低制水成本。

鉴于煤矿矿井水的不同污染特征，在其用作饮用水水源时，需严格甄别、筛选并论证其作为饮用水水源的可能性，并充分论证处理工艺的技术经济可行性。同时，低成本优质饮用水制备工艺及配套供水管网系统的建设，以及完善的供水系统市场化运作模式，是矿井水替代饮用水水源的可持续运行保障。

完善的煤矿矿井水排放及资源化标准体系，是煤矿矿井水科学治理的理论及技术支撑。经多年实践及总结，煤矿矿井水治理在排放标准、综合利用技术导则方面获得一定进展，但未来依然需加强、完善标准体系构建工作。

1）完善矿井水排放指标体系，研究稳定达标技术的经济可行性，制定适用于煤矿矿井水的专一性排放标准。

《煤炭工业污染物排放标准》（GB 20426—2006）中4.4.1规定：“对于高矿化度采煤废水，除执行表2限值外，还应根据实际情况深度处理和综合利用。高矿化度采煤废水用作农田灌溉时，应达到GB 5084规定的限值要求。”为严格管控矿井水排放，目前部分地方生态环境管理部门规定矿井水排放执行《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准，例如山西省地方标准《绿色矿山建设规范 煤矿》（DB 14∕T 2976—2024）9.4.2中明确规定：“矿井水应全部进行污水处理，处理后宜全部回用，如确需排放，应处理后达到地表水Ⅲ类水标准。”

对比上述相关标准，存在如下问题：①氮、磷及一类污染物控制指标不明确，《煤炭工业污染物排放标准》（GB 20426—2006）仅涉及高矿化度采煤废水，且仅包含pH、SS、COD、石油类、总铁、总锰等6项指标，未涉及对水生态环境影响较大的氮、磷及一类污染物指标，指标体系不完善，难以全面反映排放水质的安全性；同时，《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准中氮、磷指标要求高（TN≤1.0 mg/L，TP≤0.2 mg/L），达标排放技术经济可行性不明确。②指标限制差异较大，对比《煤炭工业污染物排放标准》（GB 20426—2006）与《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准，在COD、石油类、总铁、总锰指标方面存在显著差异，且《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准未规定SS指标限值。③直接、间接排放不明确，目前执行的《煤炭工业污染物排放标准》（GB 20426—2006）与《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅲ类标准，适用于就地直接排放；对于矿井水脱盐产生的浓缩液等，执行直接排放难度及成本较高，如对浓缩液采用蒸发结晶实施零排放，则存在回用水难以完全消纳及大量废盐处置难题，需进一步探索其间接排放的路径、可行性及标准限值。

2）加强矿井水资源化可行模式、路径及技术方案研究，补充发展煤矿矿井水资源化及综合利用技术规范，科学指导煤矿矿井水的全量化资源利用。

目前已制定的矿井水资源化及综合利用技术规范类标准包括《煤矿矿井水分类》（GB/T 19223—2015）、《煤矿矿井水利用技术导则》（GB/T 31392—2022）、《高矿化度矿井水处理与回用技术导则》（GB/T 37758—2019）、《酸性矿井水处理与回用技术导则》（GB/T 37764—2019）、《矿井水综合利用技术导则》（GB/T 41019—2021）等。

上述标准作为矿井水资源化综合利用的上位标准，指明了综合利用的原则、方向和回用水参照水质要求。但就具体工程实施，难以依据上述标准确定具体的综合利用模式及技术路线、处理工艺及参数。需进一步补充制定矿井水资源化综合利用技术规程、规范等下位标准，因地制宜科学指导、引导企业制定综合利用技术模式及方案、处理工艺及参数，明确回用水水量及消纳途径，达到产水量与回用水量、处理工艺与回用水水质的适配，提出切实可行的工程技术方案。

3）加强矿井水混凝污泥泥质组分特征解析，构建污泥资源化利用技术体系及模式，制定污泥处理处置和资源化技术规范。

目前，针对污泥的不同资源化途径，制定了各类泥质标准，包括《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》（GB/T 23486—2009）、《城镇污水处理厂污泥处置 混合填埋用泥质》（GB/T 23485—2009）、《城镇污水处理厂污泥处置 土地改良用泥质》（GB/T 24600—2009）、《城镇污水处理厂污泥处置 单独焚烧用泥质》（GB/T 24602—2009）、《城镇污水处理厂污泥处置 制砖用泥质》（GB/T 25031—2010）、《农用污泥污染物控制标准》（GB 4284—2018）、《污泥陶粒》（JC/T 2621—2021）、《城镇生活污水处理厂污泥 土地利用污泥质量控制规范》（DB 5301/T 86—2023）。

从矿井水混凝污泥来源分析，组分主要以无机质为主，但目前尚缺乏泥质组分的科学界定分析，进而难以判别矿井水混凝污泥的适用性资源化路径。同时，污泥资源化可行路径和模式的确定，应结合当地实际情况确定消纳量及可行的资源化路径。制定相应矿井水污泥处理处置及资源化技术规范，是科学引导矿井水污泥建材利用、土地利用、制备功能材料及掺烧焚烧等多途径资源化的技术基石。

我国产煤大省多属北方缺水地区，煤炭在开采过程中产生水量巨大的煤矿矿井水。尽管煤矿矿井水水质污染相对较轻，但资源化利用率低，在煤炭行业及产煤省份、区域形成“富煤贫水”的巨大反差，严重制约煤炭行业的可持续发展。

矿井水资源化利用率低问题的形成涵盖技术、模式及标准多方面原因。转变“富煤贫水”现状并实现“煤水共赢”，需联动、驱动低碳低成本资源化综合利用技术研发、开源性资源化利用途径及模式探索、排放及综合利用标准体系构建等关键环节创新，方可从根本上改变煤矿矿井水资源化利用率低的现状。同时，需实时跟踪国家煤炭行业发展战略需求，推动煤矿矿井水低碳治理技术、资源化综合利用模式的持续优化、提升，并前瞻性保持标准体系的恒久引领作用，是煤矿矿井水科学治理及资源化的重要举措。

（来源：《工业水处理》2025年第1期 第一作者/通讯作者：薛罡  东华大学）

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