煤礦酸性水綜合治理研究

霍祥志，周 科，趙俊昌，王子諾

（中煤地華盛水文地質(zhì)勘察有限公司 環(huán)境分公司，河北 邯鄲 056004）

0 引言

目前世界各地的河湖生態(tài)系統(tǒng)普遍出現(xiàn)了水污染以及河湖生態(tài)功能退化等問題，對經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴重影響。同時造成水污染的原因也越來越呈現(xiàn)出復雜性、多重性的特征。

如何進行河流復雜性污染綜合治理，推進水生態(tài)系統(tǒng)保護與修復，維持河湖健康美麗城市，建設(shè)美麗鄉(xiāng)村是新時期賦予我們的重要職責與重大任務(wù)。

以山西省陽泉市山底河為例，對北方缺水地區(qū)煤礦酸性水復雜性污染綜合治理關(guān)鍵技術(shù)進行研究，以期為類似地區(qū)河流復雜性污染綜合治理提供治水新思路、新模式。

1 流域污染現(xiàn)狀

1.1 山底河污染現(xiàn)狀

山底河全長約11.87 km，流域面積58.4 km2。山底河河道自寨垴村東處起開始變黃，中下游水質(zhì)呈現(xiàn)酸性，顏色呈渾濁黃色。山底河的上、中、下游的主要污染源權(quán)重均不同。

山底河上游自曹家掌村至寨腦村以生活污水、工業(yè)廢水（洗煤廢水）污染為主；

中游自寨腦村至小溝村以礦渣、煤矸石、露天礦污染為主；

下游山底村至武家莊以關(guān)閉煤礦酸性老窯水污染為主。其中老窯水污染最甚。

山底河流域煤炭資源豐富，主要分布有3 號、6 號、8 號、9 號、12 號、15 號煤層，在2009 年進行兼并重組，整合后剩下8 個煤礦。通過收集近10 a 的衛(wèi)星影像資料可知，煤礦酸性水于2009 年開始逐漸聚集溢出污染地表水，這與2009 年資源整合，小煤窯關(guān)閉在時間上是一致的。

山底河污染現(xiàn)狀分布如圖1 所示。

圖1 山底河污染現(xiàn)狀分布Fig.1 Current pollution distribution of Shandi river

1.2 不同煤層礦井水水質(zhì)特征

山底河流域具有多層煤層開采特征，不同煤層煤質(zhì)不同，所產(chǎn)生的酸性礦井水也具有不同的水質(zhì)特征。以下以12 號和15 號煤層為例進行說明。

12 號煤層：在太原組中部，局部可采，頂部為砂質(zhì)泥巖、頁巖等，底部為砂質(zhì)泥巖等。厚度0.35～2.60 m，含0～1 層，個別2 層夾矸。

15 號煤層又稱丈八煤：在太原組下部，可以開采，結(jié)構(gòu)較為復雜，頂部為石灰?guī)r或泥巖，底部為泥巖、砂質(zhì)泥巖，厚度5.68～10.21 m，一般含1～3 層矸石，最多可含4 層，每層厚0.1～1 m。

煤層不同，其所形成、排出的礦井水水質(zhì)也存在較大差異，通過對比12 號和15 號煤層采空區(qū)形成、溢出的礦井水可以發(fā)現(xiàn)15 號煤層采空區(qū)積水來源于K2 灰?guī)r，pH 值呈現(xiàn)中性特征，是可以直接利用的水源，而12 號煤層由于其屬于高硫煤，采空區(qū)積水呈現(xiàn)強酸性特征，是不可以直接利用的有害水源，見表1。

表1 不同煤層采空區(qū)積水水質(zhì)特征Table 1 Water quality characteristics of different coal seams in goaf

同時研究發(fā)現(xiàn)，山底河流域煤層礦井水普遍存在氨氮超標現(xiàn)象，這與其他地區(qū)煤層采空區(qū)外排水是迥然不同，以12 號煤層采空區(qū)積水為例，氨氮高達171 mg/L，超出地表Ⅴ類水質(zhì)標準84.5 倍。研究認為是因為水中的硫化物抑制了硝化反應(yīng)，水體反硝化反應(yīng)增強，亞硝酸鹽、硝酸鹽在反硝化細菌的作用下分解而產(chǎn)生氨氮。

同時研究發(fā)現(xiàn)，山底河流域煤層礦井水普遍存在氨氮超標現(xiàn)象，這與其他地區(qū)煤層采空區(qū)外排水是迥然不同，以12 號煤層采空區(qū)積水為例，氨氮高達171 mg/L，超出地表Ⅴ類水質(zhì)標準84.5 倍。研究認為是因為水中的硫化物抑制了硝化反應(yīng)，水體反硝化反應(yīng)增強，亞硝酸鹽、硝酸鹽在反硝化細菌的作用下分解而產(chǎn)生氨氮。

2 煤礦酸性水形成機理

2.1 煤礦酸性水簡介

煤礦酸性水是指pH＜6 的礦井排水，pH 值一般介于2.3～5.7（個別地區(qū)pH 值甚至<2），水中含有SO42-、Fe2+、Fe3+、Mn2+及其他金屬離子，SO42-的濃度較高;酸性礦井水的礦化度與硬度隨pH 值的降低而增高。酸性礦井水具有化學組成極不穩(wěn)定的特點，其組成可隨季節(jié)甚至晝夜的變化而變化。根據(jù)酸性礦井水中所含侵蝕性CO2和SO42-的濃度大小,可分為強侵蝕性水、弱侵蝕性水和無侵蝕性水3種類型。

礦井水侵蝕性強弱類型見表2。

表2 礦井水侵蝕性強弱類型Table 2 The table of strong and weak types of mine water erosion

據(jù)統(tǒng)計僅全國重點煤礦每年外排的礦井水約22 億m3，平均1 t 原煤排放2 m3廢水，而其中大約有10%的水是酸性水。

2.2 煤礦酸性水形成原因

煤礦酸性水形成的原因如下。

（1）硫元素的氧化。

構(gòu)成煤的元素主要是碳元素，但是除碳之外，還含有一定量硫、磷、砷、鐵、錳等成份，其中硫元素主要是以黃鐵礦(FeS)的形態(tài)存在于煤層中。由于煤層的開采破壞了煤層原有的還原環(huán)境，而變?yōu)檠趸h(huán)境，這些還原態(tài)的黃鐵礦(FeS)被氧化而生成酸，進而溶于水后使礦井水呈酸性，當煤中的黃鐵礦含量較高時，會生成較強的酸性水。

反應(yīng)式如下：

一般認為煤中含硫量>3%時就能產(chǎn)生酸性水，而認為含堿量>5%時就不產(chǎn)生酸性水。氧化產(chǎn)酸以及酸堿中和的共同作用決定了礦井水的化學性狀。另外礦井水水質(zhì)還與水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、充水條件、涌水量以及環(huán)境因素有關(guān)。環(huán)境因素包括礦井的密閉狀態(tài)、空氣流通狀況、溫度以及微生物的種類和數(shù)量等。

（2）其他元素加重了酸性水的污染。

地下水在礦井中涌出后，所處的水化學環(huán)境發(fā)生了改變。在酸性條件下，不斷溶解煤層的各種可溶性物質(zhì)，總礦化度及某些有害組分的濃度不斷增加，甚至嚴重超標，水質(zhì)大為惡化。在封閉的采空區(qū)環(huán)境中，微生物在礦井水變酸的過程中也起到了重要作用，很多學者也在研究生物學領(lǐng)域抑制酸性水形成的可行性。

（3）地面矸石堆放對地表水體的酸化。

污染煤礦或多或少都會有煤矸石在地面堆放。當煤矸石中硫的含量較高時，可發(fā)生自燃，在雨水或其他來水的作用下，也可以產(chǎn)生大量的酸性水。另外，部分煤矸石含有多種有毒重金屬元素，經(jīng)降雨淋溶后，并在酸性水的作用下，溶解性重金屬元素下滲，遷移進入土壤，造成土壤和地下水的嚴重污染。

3 復雜性污染綜合治理關(guān)鍵技術(shù)研究

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查和已有數(shù)據(jù)分析可知，以山底河為代表的北方缺水地區(qū)煤礦酸性水污染具有以下特征：①多以廢棄礦井采空酸性廢水溢出為主，酸性水流經(jīng)區(qū)域形成二次疊加污染；②缺少清水源，水量不足，河流自凈能力由于酸性水污染而大大減弱甚至完全喪失；③酸性老窯水、礦排水、工業(yè)廢水、生活污水等多污染權(quán)重并存，污染因素變化較為復雜。

根據(jù)河流污染現(xiàn)狀，綜合考慮各項污染源分布狀況及主要污染物排放情況，確定以下治理思路：以“循序漸進、系統(tǒng)治理、生態(tài)發(fā)展”為總體治理思路；堅持“流域統(tǒng)籌、一河一策、智能監(jiān)測、經(jīng)濟合理”的原則；實施“源頭減排（減污水量、減污染物），分段削減（支流，河流分段），分類處理（酸性水，氨氮）”的技術(shù)路線。

3.1 源頭減排

源頭減排主要包括減少污水量和污染物的排放，流域內(nèi)主要分布有3 號、6 號、8 號、9 號、12 號、15 號等煤層，屬多煤層可采區(qū)域，采空區(qū)導高帶已經(jīng)發(fā)育到地表，可采取帷幕注漿阻攔方式進行源頭治理，減少大氣降水、裂隙水、巖溶水等優(yōu)質(zhì)水源對采空區(qū)的補給量，從源頭上進行減量。

減少污染物主要指對沿河附近堆放的矸石進行清理、減量，減少矸石因淋濾作用產(chǎn)生有毒有害金屬物質(zhì)對河流的污染程度。

3.2 分段削減

對各支流、不同河段以及各排污口采取不同治理措施。在支流匯入干流前及各個入河排污口處修建生態(tài)攔截帶，通過坡種草、岸種柳、溝塘種植水生植物和設(shè)置多級攔截壩來固定坡、岸泥沙，大大降低水體中的氮、磷含量，達到“三清除”（清除垃圾、淤泥、雜草）和“三攔截”（攔截污水、泥沙、漂浮物）的作用。

3.3 分類處理

分類處理主要指針對鐵、錳離子和氨氮等不同水質(zhì)因子超標現(xiàn)象要采取有針對性的措施。針對鐵、錳離子超標現(xiàn)象可在提升pH 值（pH 值提升至5 以上）的基礎(chǔ)上，采用電化學的原理加以去除。針對氨氮超標則以生物處理法為主，采用投加微生物、搭建高效生態(tài)浮島輔以曝氣復氧等措施降低水中氨氮含量，且不會產(chǎn)生二次污染。

4 結(jié)語

（1）山底河污染呈現(xiàn)以煤礦酸性水為主要污染源同時混合有生活污水、矸石山、工業(yè)廢水、畜禽養(yǎng)殖等多污染源交叉污染的復雜性特征。

（2）因為水中的硫化物抑制了硝化反應(yīng)，水體反硝化反應(yīng)增強，亞硝酸鹽、硝酸鹽在反硝化細菌的作用下分解而產(chǎn)生氨氮，進而導致山底河流域煤層礦井水普遍存在氨氮超標現(xiàn)象。

（3）15 號煤層采空區(qū)積水來源于K2灰?guī)r，pH 值呈現(xiàn)中性特征，是可以直接利用的水源，而12 號煤層由于其屬于高硫煤，采空區(qū)積水呈現(xiàn)強酸性特征，是不可以直接利用的有害水源。

根據(jù)河流污染的現(xiàn)狀，綜合考慮各項污染源的分布狀況及主要污染物排放情況，建議采取以下治理措施。

（1）帷幕注漿，源頭減量。采取帷幕注漿阻攔的方式進行源頭治理，減少大氣降水、裂隙水、巖溶水等優(yōu)質(zhì)水源對采空區(qū)的補給量，同時清理河流沿岸無序堆放的煤矸石、礦渣等，從源頭上進行減量。

（2）分段削減，生物優(yōu)先。在支流匯入口及各入河排污口修建生態(tài)攔截帶，達到清除垃圾、淤泥、雜草，攔截污水、泥沙、漂浮物的作用。

（3）分類治理，有的放矢。鐵、錳等金屬離子在提升水體pH 的基礎(chǔ)上采用電化學技術(shù)進行去除、降低，對氨氮的去除則以無二次污染的生物方法為主。