煤矿矿井水水处理与水利用.ppt

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1、 汇报：王新富汇报：王新富20182018年年年年0404月月月月1919日日日日 煤矿矿井水水处理煤矿矿井水水处理 与水利用与水利用矿井水水质特征矿井水水质特征1水处理技术发展水处理技术发展3矿井水资源利用矿井水资源利用4汇报提纲汇报提纲矿井水水处理矿井水水处理2工程实例分析工程实例分析5研究背景研究背景 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一(胡筱敏等，2000)。20082009年，我国的原煤产量已达29亿t。随着国民经济高速发展，对煤炭的需求量还将进一步增长。在我国一次能源消费构成中，煤炭约占70%左右，而且预计这种局面在今后相当长时间亦不会

2、有根本性的改变。目前，全国约75%的工业燃料和动力、70%以上的发电能源、80%左右的民用商品能源以及近60%的化工原料均依靠煤炭。研究背景研究背景 o 矿井水，是指在煤矿采掘过程中所有充入井下采掘空间的水，是煤矿开采过程中受污染的地下水。为保证安全生产和良好的作业环境，开采过程中必须进行矿井排水。据不完全统计，全国平均吨煤涌水量24m3，全国每年外排矿井水30亿m3左右，约占全国地下水开采量的5%，为我国城市年生活用水量的40%(徐智敏.2007)。o 由于自然地理和地下水水文地质条件的不同，我国各地矿井排水量差异较大。中国煤炭工业协会和中国矿业大学(北京)水污染控制工程研究所对我国22个省

3、、市、自治区136个煤矿的调查统计，结果表明，全国平均每采1 t煤即排放矿井水2.1m3(统计基准年为2005年)。2005年全国煤炭产量约为20亿t、矿井水排放量约为42亿田3(何绪文等，2008)。研究背景研究背景水是社会文明、经济发展和人类生存必不可少的自然资源。我国淡水资源人均占有量只相当于世界人均的1/4，在全国600多座城市中，有400多座城市缺水。煤矿区所在城市缺水状况更为严重。矿井水处理及资源化的必要性矿井水处理及资源化的必要性据统计，我国煤矿平均吨煤排放水量为2.02.5吨。2005年全国煤炭矿井水排放量约为42亿m3。矿井水利用量约为11亿m3，全国矿井水利用率约为26.2

4、%，近几年有所提高。国家层面：国家对矿井水的综合利用高度重视 环保部已于2015年颁发了现代煤化工建设项目环境准入条件(试行)。文件中要求，“现代煤化工发展，必须要强化节水措施，减少新鲜水用量。在具备条件的地区，倡导优先使用矿井疏干水、再生水，禁止取用地下水作为生产用水。”行业层面：矿井水利用是煤炭生产安全与可持续发展重要保证煤炭工业污染物排放标准煤炭工业污染物排放标准GB 20426-2006规定：规定：新建煤矿设计中应优先选择矿井水作为生产水源，用于煤炭洗选、井下生产用水、消防用水和绿化用水等。建设燃煤电厂、低热值燃料综合利用电厂，应优先选择矿井水作为供水水源优选方案。矿井水来源及污染源矿

5、井水来源及污染源大气降水01地表水02含水层水03断层水04采空区水05来来来来源源源源污染源污染源井下粪便污染煤、岩尘污染废坑木腐烂污染废机油、废酸液污染乳化炸药污染井下洒水和防火灌浆水污染矿井水污染机理矿井水污染机理物理作用物理作用 矿井水的污染机理是很复杂的，通常情况下是由物理、化学、和矿井水的污染机理是很复杂的，通常情况下是由物理、化学、和生物化学综合作用的结果。生物化学综合作用的结果。指污染物进入矿井水中只改变其物理性状而不指污染物进入矿井水中只改变其物理性状而不改变其化学性质，不参与生物作用过程。改变其化学性质，不参与生物作用过程。煤矿床的矿物组分通常含有一定的硫化物或硫酸盐，在空

6、气和煤矿床的矿物组分通常含有一定的硫化物或硫酸盐，在空气和水作用下常发生氧化、水解和溶滤作用而形成酸性水。水作用下常发生氧化、水解和溶滤作用而形成酸性水。化学作用化学作用矿井水概念矿井水概念洁净矿井水井水酸性酸性矿井水井水主要主要矿井水井水类型分型分类含含悬浮物浮物矿井水井水高高矿化化矿井水井水 从本质上讲，矿井水实际上就是矿区所采煤层及开拓从本质上讲，矿井水实际上就是矿区所采煤层及开拓巷道附近地下水。按水质类型分为巷道附近地下水。按水质类型分为5 类类。含有害有含有害有毒元素毒元素矿井水井水矿井水的分类及特征矿井水的分类及特征水质较好、pH值为中性，低矿化度，基本不含SS。各类水质指标符合生

7、活饮用水卫生标准（GB57492006），只需稍加处理和消毒即可饮用 矿井水的分类及特征矿井水的分类及特征矿井水的分类及特征矿井水的分类及特征矿井水处理及资源化技术 近年来，针对不同类型矿井水，根据不同用近年来，针对不同类型矿井水，根据不同用途采取不同的处理技术，在实践中形成了很多途采取不同的处理技术，在实践中形成了很多具有推广意义的实用技术和工艺，取得了理想具有推广意义的实用技术和工艺，取得了理想效果。特别是效果。特别是矿井水的深度处理、含特殊污染矿井水的深度处理、含特殊污染物矿井水处理技术研究和高效混凝剂的研发物矿井水处理技术研究和高效混凝剂的研发，已经取得了重要进展。已经取得了重要进展。

8、从目前已有的矿井水处理技术和工艺来看，从目前已有的矿井水处理技术和工艺来看，矿井水处理技术可以矿井水处理技术可以按地点、水质状况和技术按地点、水质状况和技术原理进行分类。原理进行分类。矿井水处理及资源化技术矿井水处理及资源化技术 井下处理；井下处理；地面处理。地面处理。按矿井水处理地点分类按矿井水处理地点分类按矿并水水质类型分类按矿并水水质类型分类按技术原理分类按技术原理分类洁净矿井水处理；洁净矿井水处理；含悬浮物矿井水处理；含悬浮物矿井水处理；高矿高矿化度矿井水处理；化度矿井水处理；酸性矿井水处理；酸性矿井水处理；含特殊污染含特殊污染物矿井水处理物矿井水处理。重力沉淀、混凝澄清等物理方法处理

9、；重力沉淀、混凝澄清等物理方法处理；化学沉淀、化学沉淀、化学中和、离子交换等化学方法处理；化学中和、离子交换等化学方法处理；电渗析、反渗电渗析、反渗透、纳滤等膜分离法处理；透、纳滤等膜分离法处理；其他方法处理，如湿地法其他方法处理，如湿地法处理、微生物法处理等。处理、微生物法处理等。矿井水处理及资源化技术含悬浮物矿井水的处理 128个矿矿井水的个矿矿井水的SS含量统计表含量统计表混凝剂:聚合氯化铝(PAC)、聚合氯化铁(PFC)、硫酸铝等助凝剂：聚丙烯酰胺(PAM)含悬浮物矿井水的处理 反应池：反应池：机械反应、网格反应、折板反应 沉淀池：沉淀池：平流式、竖流式、幅流式、斜管沉淀池 澄清池：澄

10、清池：机械加速澄清池、水力循环澄清池 过滤池：过滤池：普通快滤池、重力式无阀滤池 滤料：滤料：无烟煤、石英砂、锰砂、陶粒、瓷砂。消毒剂：消毒剂：二氧化氯、次氯酸钠、液氯、紫外线、臭氧。含悬浮物矿井水的处理含悬浮物矿井水的处理含悬浮物矿井水的处理无阀重力滤池无阀重力滤池含悬浮物矿井水的处理含悬浮物矿井水的处理 煤矿开采后经常出现大面积塌陷塘煤矿开采后经常出现大面积塌陷塘(区区)，可将，可将塌陷塌陷塘塘(区区)改造成氧化塘改造成氧化塘，利用自然条件下的，利用自然条件下的生物处理原理生物处理原理处理含悬浮物矿井水。氧化塘水面还可放养水生生物和处理含悬浮物矿井水。氧化塘水面还可放养水生生物和种植水面作

11、物，种植水面作物，利用氧化塘提高所处理矿井水的水质利用氧化塘提高所处理矿井水的水质，使出水水质达到渔业水域及农灌用水要求，同时使出水水质达到渔业水域及农灌用水要求，同时增加经增加经济效益济效益。含悬浮物矿井水的处理 从处理工艺本身看，目前全国各地煤矿很多均使用从处理工艺本身看，目前全国各地煤矿很多均使用一体一体化净水器化净水器处理含悬浮物矿井水。该工艺集处理含悬浮物矿井水。该工艺集混凝、沉淀、过滤混凝、沉淀、过滤于一体，采用钢制结构，具有于一体，采用钢制结构，具有结构紧凑、占地面积小、建设结构紧凑、占地面积小、建设周期短、投资省、易于室内布置、便于冬季保暖和平时维护周期短、投资省、易于室内布置

12、、便于冬季保暖和平时维护的特点。的特点。高矿化度矿井水资源化技术关键技术是除盐，主要方法有：蒸馏：传统蒸馏、多级闪蒸、多效蒸馏离子交换：阳床、阴床、混床、双层床电渗析：发展为电去离子（EDI）反渗透（reverse osmosis，RO）：主流技术 高矿化度矿井水资源化技术 电渗析法电渗析法(ED法法)是一种是一种利用电能进行膜分离利用电能进行膜分离的方法。是的方法。是指在直流电场作用下，指在直流电场作用下，利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、利用阴、阳离子交换膜对溶液中阴、阳离子的选择透过性阳离子的选择透过性，而使溶液中的溶质与水分离的一种，而使溶液中的溶质与水分离的一种物理化学过程。物理化学过

13、程。高矿化度矿井水资源化技术 ED法具有可连续出水、工艺系统简单、设备少等优点，但法具有可连续出水、工艺系统简单、设备少等优点，但缺点也是明显的，如缺点也是明显的，如对原水的预处理要求较高；电耗较大、对原水的预处理要求较高；电耗较大、易结垢和膜寿命短；易结垢和膜寿命短；电渗析本体由塑料件组成，因此电渗析本体由塑料件组成，因此塑料老塑料老化化成为增加电渗析维修费用的主要因素。成为增加电渗析维修费用的主要因素。电渗析操作电流、电压直接受原水水质、水量影响，电渗析操作电流、电压直接受原水水质、水量影响，过过程稳定性差程稳定性差，容易出现性能恶化且，容易出现性能恶化且水回收率低水回收率低(一般为一般为

14、5O%左右左右)，采用浓水循环工艺虽可使水回收率提高，但其，采用浓水循环工艺虽可使水回收率提高，但其循环循环方法和控垢药剂的投加目前尚缺乏成熟的经验方法和控垢药剂的投加目前尚缺乏成熟的经验。反渗透概念高矿化度矿井水资源化技术纯水和盐水被理想半透膜隔开，纯水和盐水被理想半透膜隔开，半透膜只允许水分子通过，此时半透膜只允许水分子通过，此时纯水侧的水会自发地通过半透膜纯水侧的水会自发地通过半透膜流入盐水一侧，这种现象称为流入盐水一侧，这种现象称为渗渗透透，若在盐水侧，若在盐水侧施加压力施加压力，那么，那么水的自发流动将受到抑制而减慢，水的自发流动将受到抑制而减慢，当施加在膜盐水侧的当施加在膜盐水侧的

15、压力大于渗压力大于渗透压力透压力时，水的流向就会逆转，时，水的流向就会逆转，此时，盐水中的水将流入纯水侧，此时，盐水中的水将流入纯水侧，这种现象就是水的反渗透这种现象就是水的反渗透（RO）处理的基本原理。）处理的基本原理。相比较而言，反渗透法对相比较而言，反渗透法对进水水质要求比电渗析法进水水质要求比电渗析法还要高还要高，高矿化度矿井水进人及渗透之前，除必要的，高矿化度矿井水进人及渗透之前，除必要的预处理外，还应做预处理外，还应做软化处理软化处理，防止由于，防止由于Ca2+、Mg2+形形成反成反渗透膜化学性结垢渗透膜化学性结垢而造成膜堵塞。而造成膜堵塞。另外还要另外还要严格控制进水严格控制进水

16、pH值值，以，以防止膜水解防止膜水解。反渗。反渗透脱盐处理可以有效地去除水中无机盐类、低分子有透脱盐处理可以有效地去除水中无机盐类、低分子有机物、胶体、病毒和细菌等，是一种机物、胶体、病毒和细菌等，是一种高效、低耗、无高效、低耗、无污染水处理技术污染水处理技术，适用于，适用于全盐量大于全盐量大于4 000 mg/L上的水上的水的脱盐处理，更适用于高矿化度矿井水的脱盐，其一的脱盐处理，更适用于高矿化度矿井水的脱盐，其一般工艺如图所示。般工艺如图所示。高矿化度矿井水资源化技术高矿化度矿井水资源化技术高矿化度矿井水资源化技术酸性矿井水资源化技术酸性矿井水处理的方法主要有：中和法酸性矿井水处理的方法主

17、要有：中和法、微生物法、微生物法、人工湿地法、粉煤灰吸附法等等。人工湿地法、粉煤灰吸附法等等。中和法的作用机理：中和法的作用机理：向酸性矿井废水中投加碱性中向酸性矿井废水中投加碱性中和剂和剂,利用中和反应增加废水的利用中和反应增加废水的pH值，使废水中的值，使废水中的金属离子形成溶解度小的氢氧化物或碳酸盐沉淀而净金属离子形成溶解度小的氢氧化物或碳酸盐沉淀而净化污水。化污水。常用的中和剂有：常用的中和剂有：石灰石灰(CaO)、碳酸钙、高炉渣、白、碳酸钙、高炉渣、白云石、云石、Na2CO3、NaOH等等。酸性矿井水资源化技术酸性矿井水资源化技术 通常情况下，酸性矿井水全盐量均比较高。通常情况下，酸

18、性矿井水全盐量均比较高。吴东升吴东升(2008)以汾西矿业集团公司某矿的高盐、高铁酸性矿井以汾西矿业集团公司某矿的高盐、高铁酸性矿井水为研究对象，通过水为研究对象，通过”中和中和曝气曝气反渗透反渗透连用技术，连用技术，为为高盐、高铁酸性矿井水污染治理和回收再利用高盐、高铁酸性矿井水污染治理和回收再利用探索了探索了一条经济可行之路。一条经济可行之路。矿井水的排放量为矿井水的排放量为1800 t/d，为间隙性排水，矿井水，为间隙性排水，矿井水pH值为值为2.63。根据矿井水水质、水量和水处理要求，结。根据矿井水水质、水量和水处理要求，结合矿区实际情况，采用的水处理工艺如图所示合矿区实际情况，采用的

19、水处理工艺如图所示。酸性矿井水资源化技术生物化学处理生物化学处理法法利用氧化铁硫杆菌，利用氧化铁硫杆菌，酸性条件下将酸性条件下将2价价Fe升成升成3价价，在石灰石，在石灰石中和处理。中和处理。湿地生态工程湿地生态工程利用自然生态系统中的利用自然生态系统中的物理的、物理的、化学的、生物的化学的、生物的三重协同作用，三重协同作用，通过通过过滤、吸附、沉淀、离子交过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解换、植物吸收和微生物分解而实而实现对污水的高效净化。现对污水的高效净化。酸性矿井水资源化技术PRB法法02漏斗通道系统漏斗通道系统01连续墙系统连续墙系统03GeoSiphon/GeoFlow

20、单元单元 可渗透反应墙可渗透反应墙(PRB(PRB法法)：是一种原位去除污染地下水中：是一种原位去除污染地下水中污染组分的新方法。原理是在矿山地下水流的下游方向，污染组分的新方法。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定义一个被动的反应材料的原位处理区。酸性矿井水资源化技术使呈溶解状态的重使呈溶解状态的重金属转变为不溶的金属转变为不溶的重金属沉淀物，经重金属沉淀物，经沉淀从废水中去除。沉淀从废水中去除。具体方法有中和法、具体方法有中和法、硫化法、还原法、氧硫化法、还原法、氧化法、离子交换法、化法、离子交换法、活性炭吸附法、电解活性炭吸附法、电解法和隔膜电解法等法和隔

21、膜电解法等。浓缩和分离浓缩和分离具体方法有反渗具体方法有反渗透法、电渗析法、透法、电渗析法、蒸发浓缩法等蒸发浓缩法等含特殊污染物矿井水含特殊污染物矿井水 含某些重金属、有毒有害微量元素及放射性等矿井水必含某些重金属、有毒有害微量元素及放射性等矿井水必须进行处理才能排放和利用须进行处理才能排放和利用。重金属废水的处重金属废水的处理方法可分为两理方法可分为两大类大类!含特殊污染物矿井水含特殊污染物矿井水部分工艺流程井下水处理 工作原理：工作原理：矿井水经过井下水仓收集，进入调节池均匀水质、水量，再进入化学预沉池，同时投加混/絮凝剂，完成混凝、沉淀、澄清后，上清液进入自动过滤器，过滤后进入清水池，再

22、由井下供水管网输送给各供水单元。中小型污水处理机Page 40特点：特点：环保、无废弃物排出占地面积小，传统方式的1/10投资少，传统方式的1/5 模式化设计，可根据需要并列使用扩大处理能力。井下水处理中小型污水处理机工作原理：工作原理：污水进入水箱进行水量和水质的调节，再进入高性能水处理机，经过搅拌、沉淀后，清水进入环保型水箱，供用户使用。Page 41矿井水处理技术的发展微滤和纳滤膜技术矿井水处理技术的发展微滤和纳滤膜技术 聂锦旭等研究了微混凝过滤纳滤膜处理矿井水，实验采用了美国Trisep公司生产的T5804040纳滤膜，通过强化微混凝和纳滤膜过滤，取得了较好的水处理效果。矿井水处理技术

23、的发展光氧化和光催化技术 经过光化学氧化后，矿井水中有机物大分子破裂，有经过光化学氧化后，矿井水中有机物大分子破裂，有利于活性炭吸附处理，从而使矿井水中有机物去除率达利于活性炭吸附处理，从而使矿井水中有机物去除率达95%以上。以上。矿井水处理技术的发展高密度沉降技术 通过加入高密度介质，同时加药，使矿井水中的悬通过加入高密度介质，同时加药，使矿井水中的悬浮物形成大絮凝体，较大的絮凝体具有大的密度和半径，浮物形成大絮凝体，较大的絮凝体具有大的密度和半径，从而增加沉降速度，相同处理量下沉淀池体积大为减小。从而增加沉降速度，相同处理量下沉淀池体积大为减小。矿井水处理技术的发展高超磁分离技术 含有磁性

24、絮凝体颗粒的水体经过超磁分离机时，含有磁性絮凝体颗粒的水体经过超磁分离机时，超磁分离机的永磁强磁性磁盘能产生大于重力的磁超磁分离机的永磁强磁性磁盘能产生大于重力的磁力，瞬间将磁性絮凝体吸附，实现水质净化。力，瞬间将磁性絮凝体吸附，实现水质净化。矿井水处理技术的发展 采空区过滤技术 与高密度沉降技术和超磁分离技术不同，采空区过滤技术与高密度沉降技术和超磁分离技术不同，采空区过滤技术不需不需要专门的水处理设备和药剂要专门的水处理设备和药剂，仅利用煤炭开采过程形成的采空区，仅利用煤炭开采过程形成的采空区进行矿井水过滤去除悬浮物，该技术进行矿井水过滤去除悬浮物，该技术处理成本低，也不会形成二处理成本低

25、，也不会形成二次污染次污染。目前大部分井工矿都采用全部目前大部分井工矿都采用全部垮落法垮落法处理顶板，煤层的上附岩处理顶板，煤层的上附岩层主要由层主要由砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩和中砂岩砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩和中砂岩组成。采空区的组成。采空区的填填充物主要是煤层顶板和少量残煤充物主要是煤层顶板和少量残煤，在开采扰动和重力的作用下，在开采扰动和重力的作用下，填充物形成密实的高孔隙率的岩石滤体。填充物形成密实的高孔隙率的岩石滤体。将含悬浮物的矿井水从采空区水平标高较高的地方送入采空区将含悬浮物的矿井水从采空区水平标高较高的地方送入采空区后，在后，在重力作用重力作用下水体渗透过填充物流向低洼处，而下

26、水体渗透过填充物流向低洼处，而悬浮物被截悬浮物被截留留，实现悬浮物的去除。此外，煤层顶底板中还含有一些，实现悬浮物的去除。此外，煤层顶底板中还含有一些黏土矿黏土矿物物，可以，可以吸附矿井水中的油脂吸附矿井水中的油脂，并，并对水中的钙镁离子进行吸附交对水中的钙镁离子进行吸附交换换，降低水的硬度。，降低水的硬度。矿井水处理技术的发展曝气絮凝沉淀V型滤池工艺矿井水资源利用 将处理后的矿井水进行活用，最大限度的提高水资源利用率，体将处理后的矿井水进行活用，最大限度的提高水资源利用率，体现现代矿山的绿色环保、高效节能的特点，使矿区环境实现现现代矿山的绿色环保、高效节能的特点，使矿区环境实现“洁、净、洁、

27、净、美美”。供工业用水供工业用水主要是用于提供矿山的生产用水（井下洒水、消防用水、洗煤厂生产用水、煤主要是用于提供矿山的生产用水（井下洒水、消防用水、洗煤厂生产用水、煤厂控尘用水等），这样做在提高水资源利用率的基础上又具有较大的经济利益。厂控尘用水等），这样做在提高水资源利用率的基础上又具有较大的经济利益。矿井水热能利用 利用处理后的矿井水的低温热能，用于建筑供暖、井筒防冻、利用处理后的矿井水的低温热能，用于建筑供暖、井筒防冻、洗浴热水等、减少或取消燃煤锅炉，达到节能减排的目标。洗浴热水等、减少或取消燃煤锅炉，达到节能减排的目标。矿区景观水利用对于富余的矿井水用于矿山的绿化用水、景观用水等，努

28、力建设对于富余的矿井水用于矿山的绿化用水、景观用水等，努力建设绿色矿山、生态矿山，实现经济与环境的和谐发展。绿色矿山、生态矿山，实现经济与环境的和谐发展。山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程 该矿是一座大型的现代化矿井，产生的废水主要是该矿是一座大型的现代化矿井，产生的废水主要是煤炭开采煤炭开采过程中渗入井下采掘空间的水。过程中渗入井下采掘空间的水。现有矿井水处理站出水水质不能达到国家淮河流域污染防治现有矿井水处理站出水水质不能达到国家淮河流域污染防治规划中对企业外排废水水质的要求，并且随着矿井水涌水量规划中对企业外排废水水质的要求，并且随着矿井水涌水量不断增多，出水水质不稳定。不断增

29、多，出水水质不稳定。本着资源综合利用的原则，将深度处理后的矿井水回用作本着资源综合利用的原则，将深度处理后的矿井水回用作洗洗煤用水、电厂循煤用水、电厂循环冷却水、注浆用水、井下生产用水、工厂环冷却水、注浆用水、井下生产用水、工厂洒水降尘、绿化及冲厕等，其余排入附近河流。洒水降尘、绿化及冲厕等，其余排入附近河流。项目特点山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程工艺流程山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程流程控制系统投资总额：789.26万元 1.矿井水的处理成本0.2元/m3，年处理费用224.31万元；2.污水处理回收效益：a.工业用水采用水源井水的成本：0.65水资源费0.10电

30、费=0.75元/吨，按矿区内日回用量7000 m3，年节省水源井水成本费：191.63万元；b.年节省排污费75.25万元 则年产生经济效益为：191.63+75.25-224.31=42.57万元 整个工程投资789.26万元，年收益42.57+26.3168.88万元，投资回收期789.26/68.8811.45年。环境及社会效益分析环境及社会效益分析 年减排年减排COD 898COD 898吨吨 年减排悬浮物年减排悬浮物558558吨吨 山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程经济效益分析山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程山东某矿矿井水处理工程