寶日希勒露天煤礦水資源綜合利用優(yōu)化配置研究

吳慧光 徐蕓 陶玲 王海棠 王曉雷 曹志國

（1 國能寶日希勒能源有限公司 內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000 2 國家能源集團(tuán)北京低碳清潔能源研究院 北京 102209 3 煤炭開采水資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102209）

1 概述

煤炭開采產(chǎn)生的礦井水是一種寶貴的水資源，大量的礦井水未經(jīng)處理直接排放，既浪費(fèi)寶貴的水資源又污染了周邊環(huán)境。如果將礦井水經(jīng)過處理后回用，不僅可以極大地降低企業(yè)用水成本，還可以保護(hù)自然環(huán)境［1-2］。

寶日希勒露天煤礦屬于國能雁寶能源集團(tuán)，2022年煤炭生產(chǎn)能力為2 459 萬t/a。2014 年1 月，國家煤炭安監(jiān)局對露天礦的生產(chǎn)能力進(jìn)行了核定及文件批復(fù)，生產(chǎn)能力增加至3 500 萬t/a，預(yù)計(jì)2025 年達(dá)產(chǎn)。隨著煤炭開采量的增加，礦坑涌水量也隨之增加，2022 年涌水量為145 萬t/a。2025 年礦區(qū)內(nèi)礦坑水經(jīng)處理后80%左右的水量用于土地復(fù)墾種植用水，其他途徑用水如沖洗用水、道路噴灑用水等得不到有效分配和利用，導(dǎo)致整個(gè)礦區(qū)水資源利用率低、配置不均衡。因此，從企業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展角度出發(fā)，有必要對未來礦區(qū)水資源的水量及供需平衡進(jìn)行測試分析，探索出合理的水資源配置方案及可行性節(jié)水建議。

該礦生產(chǎn)取水水源為露天煤礦自身礦坑涌水排水。露天礦坑內(nèi)的匯水主要為礦坑匯水區(qū)的降水徑流量和煤層含水層的地下水2 部分。礦坑疏干排水系統(tǒng)采用坑底儲水、半固定泵站排水方式將積水從采坑內(nèi)分2 次提升排出。礦坑內(nèi)沿道路邊緣設(shè)排水溝，將采掘面涌水導(dǎo)流至礦坑底部蓄水池沉積，將蓄水池內(nèi)積水加壓提升后用于企業(yè)生產(chǎn)用水［3-6］。

2 水資源綜合利用情況分析

在寶日希勒露天煤礦未來供、需水量預(yù)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合水處理工藝特點(diǎn)和能力，按照不同用水途徑和水質(zhì)需求，開展水資源供需平衡分析和優(yōu)化配置研究。本著開源節(jié)流、分質(zhì)利用的原則，分析水資源現(xiàn)狀，建立現(xiàn)有水資源供需平衡體系。礦坑涌水、礦坑水處理系統(tǒng)進(jìn)水、出水水質(zhì)分析測試如表1 所示。

表1 水質(zhì)分析表

本次取樣的礦坑涌水濁度不高、TDS＜600 mg/L，COD 在30 mg/L 左右，硬度低，總體水質(zhì)很好，滿足《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 20426—2006）。圖1 是礦坑涌水處理站工藝流程，坑內(nèi)排水經(jīng)沉砂調(diào)節(jié)池匯聚在集水池，經(jīng)廢水提升泵入凈水器凈化，泥濃縮經(jīng)脫水機(jī)、輸送機(jī)排出。

圖1 礦坑涌水處理站工藝流程圖

寶日希勒礦坑水經(jīng)測試得到的2022 年水平衡如圖2所示，夏季用水量大、冬季水量小，礦坑水經(jīng)1 號蓄水池進(jìn)入排水泵站，再進(jìn)入老觀禮臺蓄水池和地面檢修蓄水池，然后抽出當(dāng)作坑底降塵用水、土方剝離和排土場降塵用水。礦坑涌水處理站處理后的礦坑水用于消防或進(jìn)入720、715、735 平臺，再供復(fù)墾種植、復(fù)墾灌溉用水，也可供輸煤廊橋、廠區(qū)灑水降塵、廠區(qū)綠化用水，礦坑水全部利用。市政取自來水用于生活用水、食堂用水、浴室用水、洗衣房用水、單身宿舍用水、汽車沖洗用水等。

3 優(yōu)化配置研究

3.1 優(yōu)化配置基本原則與途徑

對礦井水進(jìn)行優(yōu)化配置的目的就是要提高礦井水的利用率，從時(shí)間、空間、用途及水量4 個(gè)方面進(jìn)行配置，同時(shí)還要保護(hù)環(huán)境，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。為了礦井水能夠順利地實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，按高效利用、工業(yè)生產(chǎn)用水優(yōu)先、總量控制、國家鼓勵(lì)原則實(shí)施［7］。

根據(jù)2022 年現(xiàn)狀年水量平衡數(shù)據(jù)折算2025 年達(dá)產(chǎn)工況下露天礦供需水量情況。其中生活用水和工業(yè)場地道路用水量、輸煤廊橋沖洗用水量和車輛沖洗用水量維持現(xiàn)狀不變，采坑灑水量、排土場降塵水量、綠化水量按廠區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)面積及現(xiàn)狀用水定額進(jìn)行計(jì)算。

按照 《煤炭工業(yè)給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50810—2012）（以下簡稱“GB 50810—2012”）和《內(nèi)蒙古自治區(qū)行業(yè)用水定額》（DB15/T 385-2020）（以下簡稱“行業(yè)用水定額”）中規(guī)定的相關(guān)用水定額，對2025 年達(dá)產(chǎn)工況下用水水量進(jìn)行核定優(yōu)化。核定前沖洗用水量指標(biāo)5.41 L/（m2·次），日用水指標(biāo)為16.23 L/（m2·d），優(yōu)化核定后輸煤廊橋沖洗用水量361.86 m3/d，比原配置節(jié)約水量227.25 m3/d。優(yōu)化后礦區(qū)生產(chǎn)用水比例如圖3 所示。優(yōu)化后主要用水途徑為排土場表土噴灑、復(fù)墾種植用水、坑底降塵用水，分別占比41.10%、24.45%、23.89%，用水比例趨向配置合理，是寶日希勒礦坑水主要利用途徑［7］。

圖3 優(yōu)化后礦區(qū)生產(chǎn)用水比例

3.2 礦坑水工藝優(yōu)化

根據(jù)礦區(qū)情況及國內(nèi)礦井水主流處理工藝，建議采用“活性炭過濾器+膜處理+消毒”的工藝路線。具體工藝流程見圖4。

圖4 礦坑涌水深度處理工藝流程圖

礦坑涌水處理站出口清水池由泵提升至活性炭過濾器，在活性炭過濾器中，可對礦坑廢水中的COD 及懸浮物有效去除。活性炭過濾器出水進(jìn)入后續(xù)超濾和反滲透膜系統(tǒng)，用于降低礦坑廢水中的TDS，起到軟化水質(zhì)的作用。反滲透系統(tǒng)共設(shè)計(jì)2 級：一級反滲透系統(tǒng)產(chǎn)生的濃水用于煤場灑水降塵；一級反滲透產(chǎn)水水質(zhì)較好，一部分可用于廠區(qū)綠化用水、沖洗系統(tǒng)用水、排土場復(fù)墾種植用水及沖廁用水。剩余部分則進(jìn)入二級反滲透膜系統(tǒng)進(jìn)行二次軟化，二級反滲透膜系統(tǒng)產(chǎn)水經(jīng)加氯消毒后能夠滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2022），并入生活管網(wǎng)用來供應(yīng)礦區(qū)生活用水。

3.3 智慧水務(wù)

2019 年4 月，國家發(fā)展改革委和水利部聯(lián)合發(fā)布了《國家節(jié)水行動(dòng)方案》（發(fā)改環(huán)資規(guī)〔2019〕695 號），針對工業(yè)節(jié)水減排，提出了要“完善供用水計(jì)量體系和在線監(jiān)測系統(tǒng)，強(qiáng)化生產(chǎn)用水管理”。礦區(qū)部分管路缺少取水計(jì)量儀器儀表，建議在各計(jì)量點(diǎn)增加流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控。建設(shè)項(xiàng)目用水系統(tǒng)及流量計(jì)安裝位置如圖5 所示。

圖5 建設(shè)項(xiàng)目用水系統(tǒng)及流量計(jì)安裝位置圖

圖6 MES 分析系統(tǒng)九大功能板框

后期可考慮按照三級用水體系（裝置、中心、公司）、多水種分類，開發(fā)水平衡測試分析軟件平臺，充分利用“互聯(lián)網(wǎng)+”和信息化手段，建立比較完善的水平衡測試分析及在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水平衡測試工作的信息化和日常供、用水系統(tǒng)監(jiān)測的信息化。以MES 分析軟件平臺為例，計(jì)量儀表在線監(jiān)測數(shù)據(jù)可上傳到平臺上，并繪制用水網(wǎng)絡(luò)圖，公司和部門領(lǐng)導(dǎo)對礦區(qū)用水情況就可以進(jìn)行日常監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。同時(shí)，該平臺還可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)庫保存、與上年度用水量對比、節(jié)水潛力分析、異常用水量報(bào)警提示等功能，便于企業(yè)在日常管理中及時(shí)追蹤分析公司用水情況。

引入智能灌溉控制系統(tǒng)，智能灌溉能夠?qū)χ悄芟到y(tǒng)做出科學(xué)應(yīng)用，利用水分傳感器獲取土壤水分情況，將監(jiān)測信息交由監(jiān)控器或計(jì)算機(jī)分析處理，對植物不同生長時(shí)期對水分的需求量進(jìn)行檢測和測算，控制噴灌系統(tǒng)的啟停，從而使土壤含水率保持在某一設(shè)定值附近，提高水利用效率，減少用水量。針對需水量相對較多、灌溉頻率相對較低的植物，采取輸水型灌溉方法，使得灌溉效率得到明顯增加，還能夠有效節(jié)約灌溉水源。單次灌溉完成后，系統(tǒng)便可將綜合信息存儲至系統(tǒng)內(nèi)。特殊條件下，工作人員可參考存儲信息數(shù)據(jù)，通過手動(dòng)控制完成灌溉，有效增強(qiáng)灌溉管理效率，大大節(jié)省人工成本。

同時(shí)，礦區(qū)應(yīng)加強(qiáng)日常綠化用水管理啟動(dòng)第三方監(jiān)管，隨時(shí)對日常綠化用水情況進(jìn)行監(jiān)督，并將用水管理情況納入年度考評體系。加強(qiáng)綠化用水管理，加大巡查檢查力度，杜絕作業(yè)中“跑冒滴漏”問題的發(fā)生，避免雨天灌溉灑水、高溫天氣中午灌溉灑水。建議礦區(qū)能夠調(diào)整綠化時(shí)間，控制夜間噴灌可減少蒸發(fā)損失8%～10%，采用滴灌系統(tǒng)預(yù)計(jì)可節(jié)約水量10%～15%。

3.4 完善用水制度和經(jīng)濟(jì)管理機(jī)制

國能寶日希勒能源有限公司作為國有大型能源企業(yè)，建議進(jìn)一步完善用水制度及經(jīng)濟(jì)管理機(jī)制，做節(jié)水型企業(yè)的領(lǐng)頭羊和主力軍，在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展創(chuàng)造良好社會(huì)環(huán)境效益方面發(fā)揮表率作用。從組織建設(shè)、制度建設(shè)等方面優(yōu)化管理，開展節(jié)約用水、保護(hù)水資源的公益活動(dòng)；充分利用網(wǎng)絡(luò)、廣播等媒體，開展節(jié)約用水宣傳教育活動(dòng)；企業(yè)管理部門計(jì)量中心負(fù)責(zé)按照測量體系要求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)督各單位計(jì)量器具的安裝配備情況，做好計(jì)量器具的建賬、檢驗(yàn)、校準(zhǔn)等工作，為監(jiān)督考核提供可靠依據(jù)；相關(guān)運(yùn)行管理單位按照劃定的責(zé)任范圍，負(fù)責(zé)供用水配套設(shè)施的維護(hù)和節(jié)約用水工作的日常管理，采取防滲、防漏措施，加強(qiáng)地面所有供用水配套設(shè)施的檢查與維護(hù)，確保管網(wǎng)漏損率控制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。明確主體責(zé)任部門，完善各項(xiàng)管理及考核制度；開展定額管理、獎(jiǎng)懲和考核措施；大力開展用水管理制度宣貫和節(jié)水意識宣傳工作。

4 結(jié)語

礦坑水是寶貴的非常規(guī)水資源。開展礦坑水資源綜合利用研究，根據(jù)不同的用水需要重復(fù)利用礦坑內(nèi)存有的水資源，既能滿足煤礦生產(chǎn)需要，提高企業(yè)效益，減少污水對環(huán)境的影響，又能充分利用好現(xiàn)有的水資源，對緩解礦區(qū)水資源供需矛盾，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境、防止水污染具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文對寶日希勒露天礦礦坑水水質(zhì)、水資源綜合利用情況進(jìn)行分析，開展礦坑水優(yōu)化配置研究，從優(yōu)化配置基本原則與途徑、礦坑水工藝優(yōu)化、智慧水務(wù)、完善用水制度和經(jīng)濟(jì)管理機(jī)制等5 個(gè)方面進(jìn)行研究。建議寶日希勒煤礦優(yōu)化水處理工藝，建設(shè)精準(zhǔn)計(jì)量系統(tǒng)、智慧水務(wù)，從加強(qiáng)用水制度和經(jīng)濟(jì)管理機(jī)制等角度提高對礦區(qū)水資源的利用率。