王桃良

（阳泉市娘子关泉域管理处，山西 阳泉 045000）

阳泉市煤矿老窖水污染治理措施及建议

王桃良

（阳泉市娘子关泉域管理处，山西 阳泉 045000）

结合阳泉市的实际情况，介绍了三种煤炭酸性矿井水的处理方法，提出了煤矿老窖水污染从3方面进行综合治理的方法，即在补给源头采取地表防渗措施，最大限度地减少大气降水和地表水源的补给；在矿井内添加中和剂、黄土、粉煤灰、赤泥以及赤泥与黄土、粉煤灰混合物实施矿井原位处理；在排泄区采用人工湿地进行最后阶段的处理。

煤矿老窖水；治理；阳泉市

1 概述

阳泉市是我国最大的无烟煤生产基地，含煤面积1050km2，有近百年的开采历史，累计开采煤炭15多亿t，与此同时，煤矿开采对当地的环境造成了难以恢复的破坏影响。初步调查统计全市因资源枯竭而废弃的煤矿多达200座，采空区面积达400km2，老窑水蓄积量达1300万m3，近年来发现一些废弃矿井老窖水已流出地表，对地表水和地下水都造成了严重的污染。根据2015年娘子关泉域（阳泉范围）岩溶地下水污染调查分析结果，关闭煤矿老窖水的出流是造成山底河、温河流域部分岩溶深井水质污染的主要原因，是造成娘子关泉水源地近年来泉水水质中总硬度、硫酸盐含量逐年升高和超标的主要原因，是阳泉市主要河流温河的最大污染源。

2 煤矿酸性矿井水处理方法

2.1 中和法

中和法是处理酸性矿井水最常用的一种处理方法，其作用机理就是向酸性矿井废水中投加碱性中和剂，利用酸碱的中和反应提高废水的pH值，并使重金属离子与氢氧根离子发生反应，生成难溶的重金属氢氧化物沉淀或是硫酸盐沉淀而净化污水，常用的中和剂主要是石灰石（CaCO4）、石灰（CaO）、消石灰（Ca（OH）2和石灰乳。根据工艺流程的不同，中和法大体可分为直接投加石灰法、石灰石中和滚筒法和升流式变滤速膨胀滤池法，其中后2种处理方法需要把矿井水提升到地面，在地面修建调节池及各种处理构筑物，对矿井水进行中和处理。

中和法技术和工艺流程已经比较成熟，可处理任何浓度的酸性矿井水，并可除去大部分S042-、Fe等金属离子，且操作简单，管理方便，取材容易，是处理酸性矿坑水的普遍方法，但缺点是治理每吨废水需要的石灰量较大、处理成本较高；另一方面将产生大量的废渣，且处置困难，会造成二次污染。

2.2 人工湿地法

人工湿地法是20世纪70年代发展起来的一种新污水处理技术，它是通过湿地植物的根系，在物理、化学、生物的共同作用下，通过过滤、吸附、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现污水的净化。人工湿地处理酸性矿井水在美国和欧洲应用比较规范，如美国有400多处人工湿地被用于处理煤矿酸性矿废水。在我国对人工湿地的研究起步较晚，对人工湿地处理煤矿酸性矿井水的应用还处于试验研究阶段。该方法工艺流程简单，投资少，但存在占地面积大，处理时间长，管理与维护困难等问题，目前我国还没有在这方面的大规模实地应用。

2.3 微生物法

微生物法处理酸性矿井水是目前国内外研究比较活跃的处理办法，主要有硫酸盐还原菌（简称SRB）处理技术和氧化亚铁硫杆菌处理技术，其中利用SRB处理酸性矿井水中硫酸盐和重金属离子的研究，取得了一定的效果，已成为处理废水方面的研究热点，其原理是利用硫酸盐还原菌将硫元素还原，硫元素与重金属离子反应生成金属硫化物沉淀而得以去除。利用该方法处理酸性矿井水，在美国、日本已进行了实际应用，而我国在这方面的研究仍处于实验室试验研究阶段。由于老窖水化学成分复杂且含有Cu、Zn、As、Ca、Hg、Pb等重金属离子，对微生物有抑制作用，现场很难控制微生物所适宜生长的酸碱环境、温度、营养等，所以限制了该处理方法的实地应用。但该方法具有处理成本低、无二次污染等优势，是酸性矿井水处理的研究发展方向。

2.4 其它处理方法

近年来随着对酸性矿井水处理的深入研究及实践，发现了许多新的处理方法，如利用电厂粉煤灰、氧化铝厂赤泥、黄土等作为处理酸性矿井水的研究也取得了一定效果，目前这些方法都还处于试验研究阶段，在实地大规模应用还没有见到这方面的报道，如能应用于实践，将达到“以废治废”的目的，具有较好的环境效益、社会效益和经济效益。

3 阳泉市煤矿老窑水治理方法及建议

3.1 补给源头地表防渗

3.1.1 煤矿采空区防渗

利用当地分布广泛的黄土和红粘土作为回填材料，充填煤矿采空区裂缝，回填塌陷区，堵塞降雨入渗通道。对于雨季容易积水的低洼地，应开挖排水沟渠排泄。对排水不畅的排洪沟、排水渠、河道进行疏通排水。

3.1.2 河道防渗

河流在流经采空区时一般都与老窑水存在水力联系，是老窖水的主要补给水源。因此，需要对这些河段采取帷幕灌浆，铺设土工防渗膜、进行混凝土硬化等防渗工程措施，阻断地表河水渗漏通道。

3.1.3 水利工程防渗

据初步调查统计，阳泉市约1/3的水利工程因采煤发生不同程度的渗漏，成为了煤矿老窖水的一个补给源。因此，查清工程渗漏位置并进行相应的防渗处理非常必要。

3.1.4 政策措施

要求在煤矿采空区、塌陷区进行的所有建设项目，如土地复垦、光伏电站等项目，土地、规划、建设等行政审批管理部门应要求建设单位必须配套建设地表防渗工程和雨水回收利用工程措施。

3.2 矿井内原位处理

所谓原位处理就是通过钻孔直接向矿井内投加处理材料，利用井巷及采空区空间作为处理场所，在老窑水流过时得到处理。其优点是不占用场地，不存在处理后的废渣处置问题，同时处理后的废渣沉积于矿井内，能起到封闭硫铁矿阻止其继续发生氧化反应的作用。但该方法使用的前提条件是必须查清矿井内巷道及采空区分布情况及其水文地质条件。

3.2.1 原位中和处理

原位中和法处理方法，就是在地表通过钻孔向矿井中投放碱性中和剂，如石灰石、石灰、石灰乳（熟石灰）等，也可以把两种或是两种以上中和剂混合使用，利用井下巷道及采空区内作为处理场所，在老窖水缓慢流过时进行中和化学反应，从而达到处理效果。原位中和处理与地面处理比较，其优点是不需要在地面修建处理设施，无二次废渣处理问题，中和反应形成的各种沉淀物填充于巷道或是采空区内，同时又能起到封闭硫铁矿的作用。其缺点是中和剂材料投放量大，成本高，处理的效果难于掌握，国内还没有见到大规模实地应用的报道，技术工艺不成熟，经验不足。

3.2.2 原位黄土处理

黄土中有机物和黏土矿物含量高，并含有碱性矿物碳酸钙和氧化钙，表面积大，吸附性强，是处理煤矿酸性矿井水的理想材料。据太原理工大学对黄土处理煤矿酸性矿废水的实验研究，结果表明各类黄土都可以提升煤矿酸性废水的PH值，能够去除大部分或是一部分污染物，处理效果很显著。研究认为黄土处理酸性矿井水的机理是，通过物理吸附、絮凝沉淀、离子交换、与碱性矿物化学中和反应，降低酸性水中的硫酸根离子和重金属离子，并提高PH值，使矿井废水得到净化。与此同时，随着黄土不断充填至矿井内，又能起到封闭硫铁矿隔绝氧气的作用，阻止了硫铁矿继续发生氧化反应，从根源上去除了老窖水的形成条件。

阳泉市黄土分布广泛，来源丰富，可就地取材，处理成本低廉，建议尽快开展黄土处理矿井老窖水的实地应用试验，取得经验后，在全市推广应用。

3.2.3 原位粉煤灰处理

粉煤灰是燃煤电厂产生的废弃物，是一种松散固体集和物，具有粒度细、比表面积大，适合做吸附物，并含有一定的碱性氧化物，对中和酸性起很大的作用，可以用来中和酸性矿坑水，吸附金属离子，同时又能充填煤矿采空区。据有关科研人员研究，粉煤灰用于处理酸性矿井水具有较好的处理效果，是比较有发展前景的一种处理方法。

目前，把粉煤灰用于填充煤矿采空区的应用较多，如美国用粉煤灰作为矿井回灌工程已有30多年的历史，一般10～15m设一灌浆孔，将纯粉煤灰灌入，既解决了土地沉陷问题，为利用粉煤灰开辟了新路；阳泉市于20世纪90年代，开始利用粉煤灰注浆充填煤矿采空区，用于道路及其它建筑设施的地基处理，至今已处理采空区面积100万m2以上，从近十几年的地下水水质监测结果看，粉煤灰回灌采空区对地下水和地表水水质不会造成影响。

阳泉市是我国重要的能源重化工基地，现有和正在建设的燃煤电厂装机达460万kW，按照发电100万kW，平均产生100万t粉煤灰计算，年产生粉煤灰将达到460万吨t，除一部分利用外，大部分粉煤灰排入储灰场，可见粉煤灰来源稳定且量大，而且运输距离近，可利用管道输送，如果用它处理酸性矿坑水将达到以污治污目的，将带来巨大的社会效益、经济效益和环保效益。

3.2.4 原位赤泥处理以及赤泥与粉煤灰、黄土混合处理

赤泥是制铝工业从铝土矿中提炼氧化铝后，残留的一种红色粉泥状碱性固体废料，一般1t氧化铝将产生0.8～1.5t赤泥，其主要成份是：SiO2，CaO，Al2O3、Fe2O3和Na2O，不属于对环境有特别危害的物质，其对环境的危害因素主要是碱度较高的赤泥浸出液。根据有关科研人员利用赤泥去除酸性矿井水中重金属的研究，认为赤泥是通过物理吸附、表面络合吸附、离子交换和絮凝沉淀等能够去除酸性矿井水的重金属离子，而且处理效果明显，同时建议用赤泥添加黏土、煤渣或是其他废弃物来提高去除酸性矿井水重金属离子的能力。

阳泉市建有年产110万吨规模的氧化铝厂，日产赤泥4000多吨，基本上全部在地表堆放处置，不仅占用土地，还对周边环境造成了一定的影响，与此同时当地又存在煤矿老窖水污染的突出问题，可见阳泉市具有利用赤泥处理酸性矿井水的特有的条件。鉴于国内利用赤泥处理酸性矿井水的研究比较薄弱，建议在阳泉实地开展赤泥以及赤泥添加黄土、粉煤灰处理矿井老窑水的试验研究，实现“以废治废”的目的，具有重大的现实意义。

3.3 排泄区最后阶段处理

煤矿老窖水在通过地表的防渗和井下原位治理后，仍然会有一部分老窖水在排泄区流出地面，因此，需要对这部分老窖水进行处理。由于老窖水排泄区一般都位于河谷或是低洼地带，具有建设人工湿地进行处理的地理条件。虽然利用人工湿地法处理酸性矿井水在我国还没有在实地大规模的应用，但随着人工湿地技术的逐渐成熟和完善，利用人工湿地生态工程处理酸性矿井水将得到推广应用。

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1004-7042（2017）07-0031-02

王桃良（1964-），男，1985年毕业于河北地质学院水文地质与工程地质专业，高级工程师。

2017-05-17；

2017-06-29