利用改进型地下储水设施原位同时去除煤矿水中的浊度和硬度：一项试点规模研究

《ACS Omega》：In-Situ Co-Removal of Turbidity and Hardness from Coal Mine Water Using an Enhanced Underground Reservoir: A Pilot-Scale Study

煤矿废水处理通过增强地下储水技术实现浊度与硬度协同去除，集成自动投加系统与煤矸石过滤介质，利用悬浮颗粒表面负电势促进异质成核析出碳酸钙，经530小时连续运行去除率达94.9%（Ca2?）、83.1%（Mg2?）、90%（浊度）。PHREEQC模型验证孔隙率下降6%、渗透率降低超20%，化学成本减少35%。

　　
煤矿废水处理是当前工业废水治理中的重点难点问题。传统处理工艺存在能耗高、占地大、化学药剂成本高等固有缺陷，难以适应现代化工生产集约化发展的需求。针对这一行业痛点，研究人员创新性地提出"增强型地下储水技术"，通过整合自动化加药系统与地下矿层天然过滤介质，构建了兼具环境友好性与经济可行性的新型水处理体系。该技术已在鄂尔多斯矿区开展530小时的连续中试实验，取得了突破性研究成果。

技术原理方面，研究团队揭示了多物理化学协同作用机制。通过向原水中投加石灰乳预处理，将总硬度从283mg/L降至120-180mg/L，同时悬浮颗粒浓度与浊度去除效率呈现显著正相关。实验发现，煤矸石颗粒表面带有强负电荷（zeta电位-25mV），这种特性使颗粒成为异质形核的优质基底，促使CaCO3快速沉淀。通过对比"清洁系统"与"含悬浮物系统"的沉淀形态，SEM图像显示后者形成粒径更小（50-100μm）、分布更均匀的沉淀结构，其孔隙率降低6%的同时，硬水去除效率提升至95%以上。

工程验证方面，实验系统采用3.5米宽、0.7米深的混凝土储罐，填充煤矸石介质，设置21个采样点进行全流程监测。数据显示，在首米处理段浊度去除率达98%，总硬度去除率超过80%。经过530小时连续运行，系统保持稳定运行状态，出水浊度稳定在20NTU以下，总硬度稳定在37mg/L，化学药剂成本降低35%。值得注意的是，储层前段5米区域形成了明显的沉淀层，孔隙率下降6%，渗透系数降低22%，这为后续工程优化提供了重要数据支撑。

模型构建方面，研究团队开发了PHREEQC动态模拟系统，成功预测了污染物迁移规律。模型显示，Ca2?去除呈现"快速截留-渐进沉淀"特征，首3米去除率达82%，随后在10米处稳定在94%；Mg2?去除则呈现渐进式特征，整体去除率维持在83%。通过对比模拟与实测数据，发现RMS误差控制在10%以内，验证了模型的有效性。研究特别指出，当储层初始孔隙率低于0.3时，渗透系数下降幅度将超过30%，这为地下储水设施的设计提供了关键参数。

经济性评估显示，传统工艺每立方米水处理成本为0.191元（含PAC 0.05元、PAM 0.016元），而新型技术仅需0.125元，主要节省了絮凝剂费用。按鄂尔多斯矿区日均排水量10万吨计算，年化学药剂成本可减少360万元。同时，该技术省去了日处理10万吨水所需的土地面积（传统工艺需5-8公顷，地下储水仅需0.2公顷），设备投资降低40%，且避免了长距离输水造成的能耗（日省电3.2万度）。

技术优势体现在三个方面：其一，构建了"预处理+地下过滤"的集成系统，解决了传统工艺分段处理造成的二次污染问题；其二，开发了基于PHREEQC的智能预警模型，可提前3-5天预测储层堵塞风险，为维护管理提供决策支持；其三，形成可复制的模块化设计，每个处理单元可配置3-5个独立运行模块，实现产能弹性调整。

在环境效益方面，研究证实该技术可同步去除悬浮物（COD）和硬度（TDS），出水达到GB5084-2005农田灌溉标准。现场监测显示，处理后的水在土壤中的渗透速度提高1.8倍，植物生长指数提升至0.92，较传统工艺出水提升40%。特别在重金属去除方面，虽然未直接测试，但煤矸石吸附机理可推测对Fe2?、Mn2?等重金属去除率超过75%，这为后续研究提供了方向。

当前技术仍面临两大挑战：储层堵塞累积效应和长期运行稳定性。实验数据显示，储层前5米区域每年沉积量约0.8kg/m3，当储层初始孔隙率低于0.25时，渗透系数将在200天后下降50%以上。针对此问题，研究团队提出了"三阶段维护"策略：日常通过PHREEQC模型监控孔隙率变化，每月进行人工清淤，每季度进行化学清洗。模拟显示该策略可使储层寿命延长至8年以上，维护成本控制在初期投资的5%以内。

未来发展方向包括：①开发智能感知系统，集成在线浊度、硬度、pH传感器，实现自动调控加药量；②研究不同地质条件下储层效能差异，建立区域适应性设计指南；③探索与光伏发电结合的能源自给系统，形成"废水处理-清洁能源-土壤修复"的闭环生态。这些创新方向有望使该技术处理成本降至0.08元/m3，达到完全商业化应用水平。

该研究不仅为煤矿废水治理提供了新方案，更开创了工业废水处理的地下系统化处理模式。其核心价值在于将传统地表处理流程转化为地下原位处理，通过介质优化与智能控制实现水处理效能与运行成本的同步提升。这种"藏于地下"的处理方式，既避免了地表设施维护难题，又可以利用地下恒温环境稳定处理工艺，对干旱缺水地区的水处理具有重要推广价值。