陽泉市煤礦老窖水污染治理措施及建議

王桃良

（陽泉市娘子關(guān)泉域管理處，山西 陽泉 045000）

陽泉市煤礦老窖水污染治理措施及建議

王桃良

（陽泉市娘子關(guān)泉域管理處，山西 陽泉 045000）

結(jié)合陽泉市的實(shí)際情況，介紹了三種煤炭酸性礦井水的處理方法，提出了煤礦老窖水污染從3方面進(jìn)行綜合治理的方法，即在補(bǔ)給源頭采取地表防滲措施，最大限度地減少大氣降水和地表水源的補(bǔ)給；在礦井內(nèi)添加中和劑、黃土、粉煤灰、赤泥以及赤泥與黃土、粉煤灰混合物實(shí)施礦井原位處理；在排泄區(qū)采用人工濕地進(jìn)行最后階段的處理。

煤礦老窖水；治理；陽泉市

1 概述

陽泉市是我國最大的無煙煤生產(chǎn)基地，含煤面積1050km2，有近百年的開采歷史，累計(jì)開采煤炭15多億t，與此同時(shí)，煤礦開采對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境造成了難以恢復(fù)的破壞影響。初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)全市因資源枯竭而廢棄的煤礦多達(dá)200座，采空區(qū)面積達(dá)400km2，老窯水蓄積量達(dá)1300萬m3，近年來發(fā)現(xiàn)一些廢棄礦井老窖水已流出地表，對(duì)地表水和地下水都造成了嚴(yán)重的污染。根據(jù)2015年娘子關(guān)泉域（陽泉范圍）巖溶地下水污染調(diào)查分析結(jié)果，關(guān)閉煤礦老窖水的出流是造成山底河、溫河流域部分巖溶深井水質(zhì)污染的主要原因，是造成娘子關(guān)泉水源地近年來泉水水質(zhì)中總硬度、硫酸鹽含量逐年升高和超標(biāo)的主要原因，是陽泉市主要河流溫河的最大污染源。

2 煤礦酸性礦井水處理方法

2.1 中和法

中和法是處理酸性礦井水最常用的一種處理方法，其作用機(jī)理就是向酸性礦井廢水中投加堿性中和劑，利用酸堿的中和反應(yīng)提高廢水的pH值，并使重金屬離子與氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)，生成難溶的重金屬氫氧化物沉淀或是硫酸鹽沉淀而凈化污水，常用的中和劑主要是石灰石（CaCO4）、石灰（CaO）、消石灰（Ca（OH）2和石灰乳。根據(jù)工藝流程的不同，中和法大體可分為直接投加石灰法、石灰石中和滾筒法和升流式變?yōu)V速膨脹濾池法，其中后2種處理方法需要把礦井水提升到地面，在地面修建調(diào)節(jié)池及各種處理構(gòu)筑物，對(duì)礦井水進(jìn)行中和處理。

中和法技術(shù)和工藝流程已經(jīng)比較成熟，可處理任何濃度的酸性礦井水，并可除去大部分S042-、Fe等金屬離子，且操作簡(jiǎn)單，管理方便，取材容易，是處理酸性礦坑水的普遍方法，但缺點(diǎn)是治理每噸廢水需要的石灰量較大、處理成本較高；另一方面將產(chǎn)生大量的廢渣，且處置困難，會(huì)造成二次污染。

2.2 人工濕地法

人工濕地法是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新污水處理技術(shù)，它是通過濕地植物的根系，在物理、化學(xué)、生物的共同作用下，通過過濾、吸附、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)污水的凈化。人工濕地處理酸性礦井水在美國和歐洲應(yīng)用比較規(guī)范，如美國有400多處人工濕地被用于處理煤礦酸性礦廢水。在我國對(duì)人工濕地的研究起步較晚，對(duì)人工濕地處理煤礦酸性礦井水的應(yīng)用還處于試驗(yàn)研究階段。該方法工藝流程簡(jiǎn)單，投資少，但存在占地面積大，處理時(shí)間長(zhǎng)，管理與維護(hù)困難等問題，目前我國還沒有在這方面的大規(guī)模實(shí)地應(yīng)用。

2.3 微生物法

微生物法處理酸性礦井水是目前國內(nèi)外研究比較活躍的處理辦法，主要有硫酸鹽還原菌（簡(jiǎn)稱SRB）處理技術(shù)和氧化亞鐵硫桿菌處理技術(shù)，其中利用SRB處理酸性礦井水中硫酸鹽和重金屬離子的研究，取得了一定的效果，已成為處理廢水方面的研究熱點(diǎn)，其原理是利用硫酸鹽還原菌將硫元素還原，硫元素與重金屬離子反應(yīng)生成金屬硫化物沉淀而得以去除。利用該方法處理酸性礦井水，在美國、日本已進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，而我國在這方面的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究階段。由于老窖水化學(xué)成分復(fù)雜且含有Cu、Zn、As、Ca、Hg、Pb等重金屬離子，對(duì)微生物有抑制作用，現(xiàn)場(chǎng)很難控制微生物所適宜生長(zhǎng)的酸堿環(huán)境、溫度、營養(yǎng)等，所以限制了該處理方法的實(shí)地應(yīng)用。但該方法具有處理成本低、無二次污染等優(yōu)勢(shì)，是酸性礦井水處理的研究發(fā)展方向。

2.4 其它處理方法

近年來隨著對(duì)酸性礦井水處理的深入研究及實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)了許多新的處理方法，如利用電廠粉煤灰、氧化鋁廠赤泥、黃土等作為處理酸性礦井水的研究也取得了一定效果，目前這些方法都還處于試驗(yàn)研究階段，在實(shí)地大規(guī)模應(yīng)用還沒有見到這方面的報(bào)道，如能應(yīng)用于實(shí)踐，將達(dá)到“以廢治廢”的目的，具有較好的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 陽泉市煤礦老窯水治理方法及建議

3.1 補(bǔ)給源頭地表防滲

3.1.1 煤礦采空區(qū)防滲

利用當(dāng)?shù)胤植紡V泛的黃土和紅粘土作為回填材料，充填煤礦采空區(qū)裂縫，回填塌陷區(qū)，堵塞降雨入滲通道。對(duì)于雨季容易積水的低洼地，應(yīng)開挖排水溝渠排泄。對(duì)排水不暢的排洪溝、排水渠、河道進(jìn)行疏通排水。

3.1.2 河道防滲

河流在流經(jīng)采空區(qū)時(shí)一般都與老窯水存在水力聯(lián)系，是老窖水的主要補(bǔ)給水源。因此，需要對(duì)這些河段采取帷幕灌漿，鋪設(shè)土工防滲膜、進(jìn)行混凝土硬化等防滲工程措施，阻斷地表河水滲漏通道。

3.1.3 水利工程防滲

據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)，陽泉市約1/3的水利工程因采煤發(fā)生不同程度的滲漏，成為了煤礦老窖水的一個(gè)補(bǔ)給源。因此，查清工程滲漏位置并進(jìn)行相應(yīng)的防滲處理非常必要。

3.1.4 政策措施

要求在煤礦采空區(qū)、塌陷區(qū)進(jìn)行的所有建設(shè)項(xiàng)目，如土地復(fù)墾、光伏電站等項(xiàng)目，土地、規(guī)劃、建設(shè)等行政審批管理部門應(yīng)要求建設(shè)單位必須配套建設(shè)地表防滲工程和雨水回收利用工程措施。

3.2 礦井內(nèi)原位處理

所謂原位處理就是通過鉆孔直接向礦井內(nèi)投加處理材料，利用井巷及采空區(qū)空間作為處理場(chǎng)所，在老窯水流過時(shí)得到處理。其優(yōu)點(diǎn)是不占用場(chǎng)地，不存在處理后的廢渣處置問題，同時(shí)處理后的廢渣沉積于礦井內(nèi)，能起到封閉硫鐵礦阻止其繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)的作用。但該方法使用的前提條件是必須查清礦井內(nèi)巷道及采空區(qū)分布情況及其水文地質(zhì)條件。

3.2.1 原位中和處理

原位中和法處理方法，就是在地表通過鉆孔向礦井中投放堿性中和劑，如石灰石、石灰、石灰乳（熟石灰）等，也可以把兩種或是兩種以上中和劑混合使用，利用井下巷道及采空區(qū)內(nèi)作為處理場(chǎng)所，在老窖水緩慢流過時(shí)進(jìn)行中和化學(xué)反應(yīng)，從而達(dá)到處理效果。原位中和處理與地面處理比較，其優(yōu)點(diǎn)是不需要在地面修建處理設(shè)施，無二次廢渣處理問題，中和反應(yīng)形成的各種沉淀物填充于巷道或是采空區(qū)內(nèi)，同時(shí)又能起到封閉硫鐵礦的作用。其缺點(diǎn)是中和劑材料投放量大，成本高，處理的效果難于掌握，國內(nèi)還沒有見到大規(guī)模實(shí)地應(yīng)用的報(bào)道，技術(shù)工藝不成熟，經(jīng)驗(yàn)不足。

3.2.2 原位黃土處理

黃土中有機(jī)物和黏土礦物含量高，并含有堿性礦物碳酸鈣和氧化鈣，表面積大，吸附性強(qiáng)，是處理煤礦酸性礦井水的理想材料。據(jù)太原理工大學(xué)對(duì)黃土處理煤礦酸性礦廢水的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明各類黃土都可以提升煤礦酸性廢水的PH值，能夠去除大部分或是一部分污染物，處理效果很顯著。研究認(rèn)為黃土處理酸性礦井水的機(jī)理是，通過物理吸附、絮凝沉淀、離子交換、與堿性礦物化學(xué)中和反應(yīng)，降低酸性水中的硫酸根離子和重金屬離子，并提高PH值，使礦井廢水得到凈化。與此同時(shí)，隨著黃土不斷充填至礦井內(nèi)，又能起到封閉硫鐵礦隔絕氧氣的作用，阻止了硫鐵礦繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)，從根源上去除了老窖水的形成條件。

陽泉市黃土分布廣泛，來源豐富，可就地取材，處理成本低廉，建議盡快開展黃土處理礦井老窖水的實(shí)地應(yīng)用試驗(yàn)，取得經(jīng)驗(yàn)后，在全市推廣應(yīng)用。

3.2.3 原位粉煤灰處理

粉煤灰是燃煤電廠產(chǎn)生的廢棄物，是一種松散固體集和物，具有粒度細(xì)、比表面積大，適合做吸附物，并含有一定的堿性氧化物，對(duì)中和酸性起很大的作用，可以用來中和酸性礦坑水，吸附金屬離子，同時(shí)又能充填煤礦采空區(qū)。據(jù)有關(guān)科研人員研究，粉煤灰用于處理酸性礦井水具有較好的處理效果，是比較有發(fā)展前景的一種處理方法。

目前，把粉煤灰用于填充煤礦采空區(qū)的應(yīng)用較多，如美國用粉煤灰作為礦井回灌工程已有30多年的歷史，一般10～15m設(shè)一灌漿孔，將純粉煤灰灌入，既解決了土地沉陷問題，為利用粉煤灰開辟了新路；陽泉市于20世紀(jì)90年代，開始利用粉煤灰注漿充填煤礦采空區(qū)，用于道路及其它建筑設(shè)施的地基處理，至今已處理采空區(qū)面積100萬m2以上，從近十幾年的地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果看，粉煤灰回灌采空區(qū)對(duì)地下水和地表水水質(zhì)不會(huì)造成影響。

陽泉市是我國重要的能源重化工基地，現(xiàn)有和正在建設(shè)的燃煤電廠裝機(jī)達(dá)460萬kW，按照發(fā)電100萬kW，平均產(chǎn)生100萬t粉煤灰計(jì)算，年產(chǎn)生粉煤灰將達(dá)到460萬噸t，除一部分利用外，大部分粉煤灰排入儲(chǔ)灰場(chǎng)，可見粉煤灰來源穩(wěn)定且量大，而且運(yùn)輸距離近，可利用管道輸送，如果用它處理酸性礦坑水將達(dá)到以污治污目的，將帶來巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

3.2.4 原位赤泥處理以及赤泥與粉煤灰、黃土混合處理

赤泥是制鋁工業(yè)從鋁土礦中提煉氧化鋁后，殘留的一種紅色粉泥狀堿性固體廢料，一般1t氧化鋁將產(chǎn)生0.8～1.5t赤泥，其主要成份是：SiO2，CaO，Al2O3、Fe2O3和Na2O，不屬于對(duì)環(huán)境有特別危害的物質(zhì)，其對(duì)環(huán)境的危害因素主要是堿度較高的赤泥浸出液。根據(jù)有關(guān)科研人員利用赤泥去除酸性礦井水中重金屬的研究，認(rèn)為赤泥是通過物理吸附、表面絡(luò)合吸附、離子交換和絮凝沉淀等能夠去除酸性礦井水的重金屬離子，而且處理效果明顯，同時(shí)建議用赤泥添加黏土、煤渣或是其他廢棄物來提高去除酸性礦井水重金屬離子的能力。

陽泉市建有年產(chǎn)110萬噸規(guī)模的氧化鋁廠，日產(chǎn)赤泥4000多噸，基本上全部在地表堆放處置，不僅占用土地，還對(duì)周邊環(huán)境造成了一定的影響，與此同時(shí)當(dāng)?shù)赜执嬖诿旱V老窖水污染的突出問題，可見陽泉市具有利用赤泥處理酸性礦井水的特有的條件。鑒于國內(nèi)利用赤泥處理酸性礦井水的研究比較薄弱，建議在陽泉實(shí)地開展赤泥以及赤泥添加黃土、粉煤灰處理礦井老窯水的試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)“以廢治廢”的目的，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

3.3 排泄區(qū)最后階段處理

煤礦老窖水在通過地表的防滲和井下原位治理后，仍然會(huì)有一部分老窖水在排泄區(qū)流出地面，因此，需要對(duì)這部分老窖水進(jìn)行處理。由于老窖水排泄區(qū)一般都位于河谷或是低洼地帶，具有建設(shè)人工濕地進(jìn)行處理的地理?xiàng)l件。雖然利用人工濕地法處理酸性礦井水在我國還沒有在實(shí)地大規(guī)模的應(yīng)用，但隨著人工濕地技術(shù)的逐漸成熟和完善，利用人工濕地生態(tài)工程處理酸性礦井水將得到推廣應(yīng)用。

X752

C

1004-7042（2017）07-0031-02

王桃良（1964-），男，1985年畢業(yè)于河北地質(zhì)學(xué)院水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，高級(jí)工程師。

2017-05-17；

2017-06-29