关于一种新型高盐度煤矿水处理技术可持续发展的观点

《Desalination and Water Treatment》：Perspective on the sustainable development of a novel high-salinity coal mine water treatment technology

高盐度矿井水经CSRE工艺处理后出水符合III类标准，电导率、总溶解固形物和硬度降低超80%，兼具灌溉和畜牧 reuse潜力。生命周期评估与成本分析表明，碱耗和电耗是主要环境与经济负担，光伏替代可显著减排，药剂优化与能源结构协同可提升可持续性。

　　

周沈|邹晓彤|李依莎|卢瑞|向麦琪|徐凯伟

绍兴大学生命与环境科学学院，中国绍兴，312000

摘要

在中国西部，煤炭开采过程中会产生大量高盐度矿井水。如果处理不当，这些矿井水可能引发土壤盐碱化和水污染问题。然而，通过有效的淡化处理，它们可以成为干旱矿区的宝贵非常规水资源。本研究调查了中国西部的一个全规模高盐度矿井水处理系统，并建立了一个结合生命周期评估（LCA）和生命周期成本（LCC）的综合性可持续性评估框架，以评估一种新型混凝-沉淀-反渗透-电渗析（CSRE）混合工艺的环境和经济效益。结果表明，CSRE工艺显著提高了出水质量，使有机物和营养物质的含量达到III类标准，同时将电导率、总溶解固体和硬度降低了80%以上，表明其在干旱矿区具有很高的非饮用再利用潜力。与传统处理方案相比，该系统满足了SW-III排放标准，并提高了用于灌溉和畜牧业的适用性。生命周期评估和成本分析显示，由于Na?CO?和NaOH的消耗量大，软化单元在环境影响和内部成本中占主导地位；而反渗透和电渗析主要受电力需求驱动；光伏发电替代显著降低了全球变暖潜力。值得注意的是，再生水的利用提高了整体经济可行性。多目标优化进一步表明，协调调整NaOH和Na?CO?的用量可以同时提升出水质量、减少碳排放并改善成本效益。总体而言，本研究为设计低碳、资源高效的矿井水处理系统提供了实际指导。

引言

中国的资源特征决定了煤炭在能源结构中的主导地位。尽管向更清洁的一次能源过渡正在加速，但以煤炭和石油为主的消费模式尚未根本改变，2024年煤炭仍占总能源消耗的53.2%。煤炭开采过程中会产生大量矿井水，其中相当一部分具有高盐度，且随着开采深度的增加，盐度水平也会升高[1]。高盐度矿井水（也称为高矿化矿井水或微咸水，HSMW）通常定义为总盐度超过1000 mg/L的水，在中国西部的一些煤矿基地，盐度浓度可高达12,000 mg/L[2]。如果不经过处理直接排放，这种含盐矿井水会导致土壤盐碱化、地下水污染和植被退化[3]。另一方面，矿井水也是煤炭开采的副产品，如果经过适当处理和淡化，它可以作为一种非常规水资源，缓解西部矿区的水资源短缺问题，并支持煤炭和煤化工产业的可持续发展[2][4][5]。

目前，无论在中国还是国外，高矿化矿井水的处理通常依赖于预处理、膜分离和蒸发/结晶的组合方法，以实现污染控制和水资源回收[6][7][8][9]。预处理单元（如混凝-沉淀、过滤和软化/脱硅）主要用于去除悬浮固体和结垢前体，从而确保后续工艺的稳定性[10]。对于高矿化矿井水，广泛使用大量碱性试剂（如NaOH和Na?CO?）来去除Ca2?/Mg2?硬度并减轻碳酸盐结垢，这一点在矿井水膜蒸馏和高盐度反渗透浓缩液处理的试点和全规模研究中得到了验证[7][11]。膜分离单元（包括反渗透（RO）、纳滤（NF）和电渗析（ED）是主要的淡化阶段，能够在广泛的水质范围内实现显著的盐分去除[12][13]。对于高浓度盐水，多效蒸馏和机械蒸汽压缩被广泛用于进一步浓缩和盐结晶，实现接近零的液体排放[14][15]。实际上，这些单元过程通常以多级配置的形式结合使用，以确保水质达标和资源回收。然而，许多研究表明，这类系统在长期运行中仍面临诸多挑战，包括高能耗、大量化学试剂需求、副产物盐类的经济价值有限以及系统运行和维护的复杂性[16]。这些问题不仅增加了运营成本，还削弱了矿井水处理的整体环境和经济可持续性。

先前的研究表明，生命周期评估（LCA）是量化海水淡化系统环境性能、识别关键运营热点和支持工艺优化的有效工具[17][18]。在不同淡化技术中，环境影响主要受运行阶段的电力消耗影响，碳足迹对区域能源结构非常敏感[19][20]。因此，降低特定能耗和整合可再生能源被广泛视为提高淡化系统可持续性的主要策略。然而，越来越多的证据表明，仅降低一次能源消耗并不能保证生命周期尺度上的优异环境性能[21][22][23]。混合和多级配置（如NF-RO和RO-ED系统）通常能实现更高的水回收率或更好的本地能源效率。同时，它们往往会增加膜消耗、化学药剂用量和盐管理需求。从全生命周期的角度来看，这些额外负担可能会抵消预期的环境效益[24][25]。总的来说，这些发现表明，淡化系统的可持续性受多种相互作用因素的影响，而不仅仅是能源效率。

尽管取得了这些进展，大多数现有的LCA研究仍集中在海水淡化场景上。它们通常假设进水成分相对稳定，以氯化物盐为主，并主要针对饮用水生产[26][27]。相比之下，高盐度矿井水处理涉及高度异质的化学成分，通常含有多种价态离子和硬度成分。这类系统通常需要强化预处理和软化工艺。其目标不仅限于淡水生产，还包括合规性、工业再利用和盐资源回收[5]。这些特点意味着环境负担的来源有根本不同。因此，直接套用海水淡化导向的LCA框架可能会低估化学消耗、工艺耦合以及矿井水处理中的运行和维护活动的影响。

基于这些考虑，在现实工程条件下，高盐度矿井水处理生命周期评估方面仍存在明显的研究空白。特别是，系统量化各单元过程的贡献及其与经济性能的权衡仍缺乏。为填补这一空白，本研究对中国的一个全规模高盐度矿井水处理系统进行了调查，并建立了一个综合的生命周期环境和经济评估框架，用于评估混凝-沉淀-反渗透-电渗析（CSRE）工艺。进一步进行了情景分析，以评估可再生能源渗透和化学药剂用量优化对系统整体可持续性的影响。研究结果旨在提供定量见解，以支持高盐度矿井水处理技术的低碳优化和可持续升级。

方法与材料

本研究旨在从水质、环境影响和经济性的角度，全面评估使用新型CSRE技术处理高盐度矿井水（HSMW）的效果。作为一种废水处理技术，CSRE有望产生符合最低质量标准的出水，同时将环境和经济负担降到最低。通过评估处理后的水质，建立了处理工艺配置的框架。随后，对相关环境影响进行了分析

出水质量评估

为了全面评估处理工艺的性能，根据有机污染控制、营养物质去除和盐负荷管理的相关性，选择了具有代表性的物理化学参数。虽然BOD?、COD、总磷（TP）和NH??等传统指标被广泛用于表征有机物质和营养物质水平，但本研究还特别关注了电导率（EC）、总溶解固体（TDS）、总硬度和硫酸盐（SO?2?）

结论

本研究通过一种名为CSRE的新技术研究了高盐度矿井水（HSMW）的处理效果，出水质量分析表明该技术有效去除了总溶解固体（TDS）。得益于其集成设计，CSRE技术即使在高盐度和矿井水化学成分高度变化的条件下也能保持稳定的性能。从生命周期的角度评估这一全规模工艺，研究结果加深了人们对复杂条件下降盐性能的理解

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了新疆维吾尔自治区重大科技专项（项目编号：2025A01004）、国家自然科学基金（项目编号：22408289）、山西省基础研究计划（项目编号：202203021222226）以及中国山西省奖学金委员会（项目编号：2023-109）的资助