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        煤礦酸性水綜合治理研究

        2021-02-12 06:28:44霍祥志趙俊昌王子諾
        煤炭與化工 2021年12期
        關(guān)鍵詞:侵蝕性酸性氨氮

        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(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重影響。同時造成水污染的原因也越來越呈現(xiàn)出復(fù)雜性、多重性的特征。

        如何進(jìn)行河流復(fù)雜性污染綜合治理,推進(jìn)水生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù),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(zé)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(fù)雜性污染綜合治理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,以期為類似地區(qū)河流復(fù)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(qiáng)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(biāo)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(dá)171 mg/L,超出地表Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)84.5 倍。研究認(rèn)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(qiáng),亞硝酸鹽、硝酸鹽在反硝化細(xì)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(biāo)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(dá)171 mg/L,超出地表Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)84.5 倍。研究認(rèn)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(qiáng),亞硝酸鹽、硝酸鹽在反硝化細(xì)菌的作用下分解而產(chǎn)生氨氮。

        2 煤礦酸性水形成機(jī)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(xué)組成極不穩(wěn)定的特點,其組成可隨季節(jié)甚至?xí)円沟淖兓兓8鶕?jù)酸性礦井水中所含侵蝕性CO2和SO42-的濃度大小,可分為強(qiáng)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(qiáng)弱類型見表2。

        表2 礦井水侵蝕性強(qiáng)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(jìn)而溶于水后使礦井水呈酸性,當(dāng)煤中的黃鐵礦含量較高時,會生成較強(qiáng)的酸性水。

        反應(yīng)式如下:

        一般認(rèn)為煤中含硫量>3%時就能產(chǎn)生酸性水,而認(rèn)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(xué)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(xué)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(yán)重超標(biāo),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(xué)者也在研究生物學(xué)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(dāng)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(jìn)入土壤,造成土壤和地下水的嚴(yán)重污染。

        3 復(fù)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(fù)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(jìn)、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(jì)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(dǎo)高帶已經(jīng)發(fā)育到地表,可采取帷幕注漿阻攔方式進(jìn)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(bǔ)給量,從源頭上進(jìn)行減量。

        減少污染物主要指對沿河附近堆放的矸石進(jìn)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(dá)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(biāo)現(xiàn)象要采取有針對性的措施。針對鐵、錳離子超標(biāo)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(xué)的原理加以去除。針對氨氮超標(biāo)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(fù)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(fù)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(qiáng),亞硝酸鹽、硝酸鹽在反硝化細(xì)菌的作用下分解而產(chǎn)生氨氮,進(jìn)而導(dǎo)致山底河流域煤層礦井水普遍存在氨氮超標(biāo)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(qiáng)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(jìn)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(bǔ)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(jìn)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(dá)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(xué)技術(shù)進(jìn)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。

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