露采煤礦山酸性廢水治理方法
——以福泉市皮隴河煤礦區(qū)為例

丁 丁，楊勝興，周文龍，熊遠(yuǎn)鵬

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局，貴州 貴陽(yáng) 55005)

1 前言

貴州省是煤礦資源大省，以790余億噸的資源儲(chǔ)量位列全國(guó)第五。早期不規(guī)范開(kāi)采情況較為嚴(yán)重，遺留諸多礦山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，諸如露天開(kāi)采煤矸石亂堆亂放、煤礦廢水肆意流淌，造成水體酸化污染、自然景觀破壞等問(wèn)題(唐常源 等，2009；劉騰飛，2013；李忠，2013；梁浩乾 等，2019)。以小流域?yàn)閱卧?，?duì)皮隴河源頭主要水源涵養(yǎng)區(qū)的陸生生態(tài)系統(tǒng)、水生生態(tài)系統(tǒng)、水陸生態(tài)交互生態(tài)系統(tǒng)所存在的礦山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題及水環(huán)境問(wèn)題進(jìn)行綜合治理，對(duì)可自然恢復(fù)的其他生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)，使流域源頭區(qū)“山水林田湖草”整體生態(tài)得到恢復(fù)改善。

2 治理區(qū)概況

皮隴河酸性廢水治理區(qū)大地構(gòu)造位置屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)黔北臺(tái)隆復(fù)雜變形區(qū)，區(qū)域構(gòu)造上位于甕安復(fù)向斜西翼(潘桂棠 等，2009)。治理區(qū)東面有道新高速，遵義-馬場(chǎng)坪省級(jí)公路經(jīng)過(guò)，區(qū)內(nèi)鄉(xiāng)村硬化路連通，交通比較方便。行政區(qū)劃屬福泉市龍昌鎮(zhèn)煤炭灣，是重安江二級(jí)支流皮隴河源頭。作為清水江一級(jí)支流(劉曉靜，2014)，重安江流域是長(zhǎng)江中上游重要的生態(tài)屏障。

表1 地層特征表Table 1 Characteristics of the stratum

露天采礦遭破壞的主要為含煤地層及其上覆地層。治理區(qū)破壞的主要是二疊系中統(tǒng)梁山組(P2l)、上統(tǒng)吳家坪組(P3w)地層。治理區(qū)內(nèi)早在20世紀(jì)八十年代就進(jìn)行了小規(guī)模的煤礦開(kāi)采，開(kāi)采方式主要為露采。由于開(kāi)采沒(méi)有規(guī)劃，淺表煤礦層破壞嚴(yán)重。采礦活動(dòng)致使地下水水質(zhì)、水資源涵養(yǎng)能力、土壤、生物多樣性等受到影響(張偉，2014；王旭琴 等，2015)。產(chǎn)生的大量煤矸石隨意堆放，導(dǎo)致治理區(qū)地質(zhì)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞(如圖1)。

圖1 露天采坑破壞現(xiàn)狀圖Fig.1 Present condition of destroyed open mining pit

煤矸石中含有硫鐵礦(FeS2)與氧氣、水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成硫酸(H2SO4)，酸性廢水主要有以下幾個(gè)來(lái)源：一是大氣降水對(duì)煤矸石淋濾產(chǎn)生酸水；二是廢棄露采坑中殘留高硫煤及硫化礦物與積水作用產(chǎn)生酸性積水；三是采坑邊邦及底板遭破壞裂隙發(fā)育，地下水徑流形式主要表現(xiàn)為隙流(向剛 等，2022)，廢棄露采坑中酸性水通過(guò)下滲對(duì)地下水的污染。此外，還包含部分重金屬離子(劉偉，2012)。據(jù)觀測(cè)及樣品分析，區(qū)內(nèi)水體pH值達(dá)2.64，鐵離子濃度137.5毫克/升，硫酸根離子高達(dá)2 760毫克/升。

3 治理方法及數(shù)據(jù)采集

3.1 治理方法

通過(guò)對(duì)治理區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)特征進(jìn)行調(diào)查和研究，研判治理區(qū)被破壞地層范圍及其特征，結(jié)合酸性廢水特性(楊秀麗 等，2014；盧裴裴 等，2022)，采取以下幾種治理途徑：一是“防止酸性水形成的措施”，包括對(duì)露采坑的防滲及封閉、對(duì)矸石堆的處理及防滲；二是“酸性水的阻斷治理措施”，包括采用堿性物質(zhì)(石灰石等材料)的“中和法”、利用生物吸附和吸收的“濕地法”。

3.1.1 防止酸性水形成的措施

主要針對(duì)露天采坑的防滲及封閉、對(duì)矸石堆的處理及防滲。對(duì)于露天采坑的治理方面，首先使用生石灰對(duì)采坑中酸性廢水進(jìn)行中和，然后在露采坑底部鋪設(shè)粘土層-HPDE膜，對(duì)采場(chǎng)基巖邊坡噴砼進(jìn)行封閉，最后進(jìn)行回填、植被復(fù)綠。通過(guò)上述措施，對(duì)已破壞含煤地層進(jìn)行防滲處理，阻隔煤礦酸性廢水垂向滲漏污染地下水。針對(duì)煤矸石堆的處理，先在矸石堆底部鋪設(shè)粘土層-HPDE膜，然后進(jìn)行清表。值得一提的是，可將煤矸石進(jìn)行包覆回填至露天采坑后，再覆種植土復(fù)綠。(如圖2)

圖2 露天采坑治理示意圖Fig.2 Diagram of open mining pit treatment

具體措施總結(jié)為：采用采坑廢水綜合吸收+被破壞含煤地層覆膜防滲+煤矸石封裝+采坑回填+土地平整+覆土+植被復(fù)綠+排水溝工程

3.1.2 酸性水的阻斷治理措施

主要針對(duì)歷史露天采坑積水、矸石堆下滲污染的水體。參照酸性礦井水的治理(吳濤 等，2010；邢春峰，2010)，采用堿性物質(zhì)(石灰石等材料)的“中和法”、利用生物吸附和吸收的“濕地法”進(jìn)行處理。

酸化水體主要成分為黃鐵礦(FeS2)及其氧化后的產(chǎn)物Fe2+、Fe3+、H+、SO42-，治理設(shè)計(jì)結(jié)合經(jīng)濟(jì)適用、原料易得等原則，就地取材、順勢(shì)而為。通過(guò)多次水體凈化試驗(yàn)結(jié)果，選用不同粒徑的石灰?guī)r為主材(張河民 等，2015)，在隔水地層上，修建梯級(jí)滲透墻、沉淀反應(yīng)池和干砌石滲透反應(yīng)岸(如圖3)；降低水體流速，加速水中固體顆粒原地沉淀；同時(shí)增大煤礦廢水與石灰?guī)r的接觸面積，使酸性物質(zhì)與石灰?guī)r進(jìn)行酸堿中和反應(yīng)：

圖3 酸性廢水凈化系統(tǒng)示意圖Fig.3 Diagram of acid wastewater purification system

2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4

4FeSO4+O2+2H2SO4=2Fe2(SO4)3+2H2O

Fe2(SO4)3+6H2O=2Fe(OH)3+3H2SO4

H2SO4+CaCO3=CaSO4(微溶)+H2O+CO2↑

與此同時(shí)，利用“濕地法”對(duì)經(jīng)生態(tài)沉淀反應(yīng)池綜合過(guò)濾后的水體進(jìn)行生物、化學(xué)的綜合和吸收。濕地區(qū)設(shè)計(jì)為淺水(約0.5 cm)，便于暴氧，底部采用灰?guī)r沙粒鋪設(shè)，便于酸性物質(zhì)綜合，種植適宜植物等，便于漂浮物及部分溶于水體中的重金屬物質(zhì)吸收。煤矸石防滲處理后，覆土種植刺槐等耐酸性植物；生態(tài)濕地內(nèi)種植耐酸性、具重金屬富集能力的水生植物香蒲、菖蒲等，為微生物提供生長(zhǎng)場(chǎng)所，過(guò)濾、截留水中的懸浮物，有效去除水中的酸、鐵、硫化物等；河岸混合種植格?；ā⒐?jié)節(jié)草等美化生態(tài)環(huán)境；投放泥鰍、黃鱔及蛙類(lèi)，擾動(dòng)水體，加速水體氧化。

此外，利用上游滲透墻與下游沉淀反應(yīng)池、生態(tài)濕地的水位差，建造人工噴泉，擾動(dòng)水體以增加曝氧時(shí)間，從而加速酸性水體氧化。經(jīng)物理過(guò)濾、酸堿中和、化學(xué)氧化，實(shí)現(xiàn)自我凈化，有效解決地表水污染問(wèn)題。

具體措施總結(jié)為：生態(tài)沉淀池+滲透墻+植被復(fù)綠+人工濕地+排水溝工程+監(jiān)測(cè)工程。

3.2 數(shù)據(jù)采集

治理區(qū)地層情況、含煤地層的層數(shù)、采礦導(dǎo)致地質(zhì)及生態(tài)環(huán)境破壞狀況、水文地質(zhì)等情況直接引用于皮隴河煤礦區(qū)治理項(xiàng)目資料；礦山酸水pH值、鐵離子及硫酸根離子濃度等水質(zhì)分析數(shù)據(jù)主要采集于項(xiàng)目治理前設(shè)計(jì)階段。除此之外，治理后植被覆蓋、水質(zhì)情況等治理指標(biāo)完成情況則進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查核實(shí)。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

4.1.1 治理方法的可行性

治理實(shí)施后，治理區(qū)內(nèi)被破壞的地貌得以改善，植被覆蓋率提升。從社會(huì)效益方面，從經(jīng)濟(jì)效益方面來(lái)看，土地復(fù)墾、綠化后，耕地或林地面積相應(yīng)增加。本治理區(qū)以附近常見(jiàn)的石灰石作為主要材料有效解決了水體酸化的歷史遺留礦山生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。相較傳統(tǒng)的污水處理廠，具有項(xiàng)目建設(shè)維護(hù)費(fèi)用低、治理成本低、維護(hù)費(fèi)用少、治理效果好等特征。

4.1.2 采用本治理方法需注意的問(wèn)題

采用本方法進(jìn)行礦山酸性廢水治理過(guò)程中，應(yīng)注意以下問(wèn)題。首先是煤矸石堆的處理?？蓪⑵溥M(jìn)行防滲包覆后回填至露天采坑，剩余部分煤矸石底部需鋪設(shè)土工膜，上覆土工膜，防治雨水淋濾造成煤礦酸性廢水垂向滲漏污染地下水。其次是截排水溝施工過(guò)程中需修建沉沙池，且后期要定期進(jìn)行清理。在“濕地法”實(shí)施進(jìn)程中，生物植物及水生動(dòng)植物的選擇應(yīng)遵循“因地制宜，適地適物”的科學(xué)原則。

4.1.3 需要進(jìn)一步研究的方向

一是用于修建梯級(jí)滲透墻、沉淀反應(yīng)池和干砌石滲透反應(yīng)岸的石灰石耐久度問(wèn)題。該方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)室論證可行，工程效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但其尚屬于工程試驗(yàn)，對(duì)于石灰石的使用有效時(shí)限尚無(wú)明確定論。后期需加強(qiáng)治理區(qū)內(nèi)水質(zhì)監(jiān)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。二是該治理方法的適用范圍問(wèn)題。其設(shè)計(jì)原理雖適用于煤礦等具有酸性廢水影響的礦山治理，但對(duì)其他礦種類(lèi)型國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)是否有效未有考證。

4.2 結(jié)論

通過(guò)實(shí)施有效治理措施，使礦山酸性廢水污染現(xiàn)狀得到了控制，皮隴河觀測(cè)點(diǎn)水體斷面pH值上升至6.85，達(dá)到灌溉水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。水生植物得以重建、皮隴河源頭水源涵養(yǎng)功能得以恢復(fù)，周邊生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定程度得到提升，當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境狀況得到明顯改善，達(dá)到了治理目的?？偨Y(jié)如下：

(1)生態(tài)沉淀池+滲透墻+植被復(fù)綠+人工濕地+排水溝工程+監(jiān)測(cè)工程的系列治理措施是行之有效的，對(duì)于存在煤礦酸性廢水污染問(wèn)題的地質(zhì)環(huán)境治理恢復(fù)是切實(shí)可行的。

(2)經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)采用石灰石對(duì)礦山酸性廢水進(jìn)行中和是可行的，經(jīng)過(guò)本礦山治理試驗(yàn)，該材料具有經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等優(yōu)勢(shì)。

(3)該綜合治理方法對(duì)于煤礦山酸性廢水治理的有效性，對(duì)存在酸性廢水污染問(wèn)題的其他礦種礦山進(jìn)行試驗(yàn)。