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)范開采情況較為嚴(yán)重，遺留諸多礦山生態(tài)環(huán)境問題，諸如露天開采煤矸石亂堆亂放、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)境問題及水環(huán)境問題進(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)模的煤礦開采，開采方式主要為露采。由于開采沒有規(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?；?、節(jié)節(jié)草等美化生態(tài)環(huán)境；投放泥鰍、黃鱔及蛙類，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題的其他礦種礦山進(jìn)行試驗(yàn)。