杜娟娟

(太原理工大學(xué)，山西 太原 030024)

我國煤炭資源豐富，對經(jīng)濟(jì)增長和社會進(jìn)步的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。我國煤炭資源的開采方式主要是地下開采，煤層埋藏于地下，含硫礦物在天然狀態(tài)下是穩(wěn)定的，而在開采過程中，破壞了原環(huán)境，使所開采的煤層暴露在空氣中，為含硫礦物氧化為硫酸根創(chuàng)造了條件[1]。煤炭開采后多形成采空區(qū)，地下水逐漸聚集，煤層中硫化礦物經(jīng)過一系列物理化學(xué)反應(yīng)，其產(chǎn)物溶于水中，逐步匯聚在老空區(qū)，而呈現(xiàn)出酸性“老窯水”的特征。隨著越來越多的煤礦在沒有適當(dāng)關(guān)閉解決方案的情況下被關(guān)閉，這種現(xiàn)象更加嚴(yán)重。這些大量關(guān)閉的煤礦必然會導(dǎo)致“老窯水”的發(fā)生，從而給水資源和生態(tài)環(huán)境帶來風(fēng)險。

山西省是我國煤炭大省之一，全省劃為六大煤田，年均煤炭產(chǎn)量超過10億t，其中陽泉礦區(qū)位于我國著名的無煙煤生產(chǎn)基地陽泉市[2]，大部分煤礦于2000年煤礦資源整合時關(guān)停。據(jù)初步調(diào)查，陽泉市已有200余座廢棄煤礦，采空區(qū)面積較大，且采空區(qū)內(nèi)蓄積形成的“老窯水”約1300萬m3，目前已在部分區(qū)域出露。未來幾十年，陽泉市大量礦井閉坑，采空區(qū)內(nèi)形成的“老窯水”將會更多，而其水體中含有的硫酸根離子為極不易沉降的組分，會隨著水體進(jìn)行長距離遷移，部分污染物會下滲進(jìn)入地下水中，將會對陽泉地區(qū)地表水水質(zhì)造成嚴(yán)重影響[1]。因此，從陽泉市的生存、發(fā)展以及人民飲水安全著眼，開展“老窯水”的治理對策研究是一項非常迫切的任務(wù)。

1 陽泉地區(qū)“老窯水”成因及影響現(xiàn)狀

1.1 “老窯水”的成因

“老窯水”是高硫煤在開采過程中，煤系地層和圍巖中的硫化礦物、有機(jī)硫在與氧氣和水接觸的條件下，被氧化硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌等微生物催化氧化，生成硫酸根和氫氧化鐵，使水呈現(xiàn)酸性，產(chǎn)生了酸性“老窯水”[2-3]。研究表明，采空區(qū)水的形成需要三個水文地質(zhì)條件：首先是補(bǔ)給來源，一般來自于大氣降水、地表水、基巖裂隙水以及喀斯特水等；其次，充水通道對“老窯水”的形成至關(guān)重要，常見的充水通道包括頂板垮落形成的冒落裂隙通道、裂縫帶、陷落柱、封閉性差的鉆孔等；第三，聚水空間是造成采空區(qū)水形成的另一個重要因素[1,4]。

1.2 陽泉地區(qū)“老窯水”影響現(xiàn)狀

陽泉市娘子關(guān)泉水化學(xué)組分含量自2010年前就有緩慢增長趨勢，到2010年后為快速增長期，泉水中的硫酸根超出國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，在2003—2014年期間，泉水中來自煤系地層的硫含量年增長率在2.07%～6.14%，對泉域造成了明顯的影響[5]。另外，陽泉地區(qū)山底河流域受“老窯水”影響，區(qū)域的水質(zhì)狀況較差。根據(jù)中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所、太原理工大學(xué)、山西大學(xué)等相關(guān)單位研究成果可知：2014年4—12月，山底河煤礦“老窯水”pH值為2.67～5.26，硫酸根逐月平均值為3570mg/L，水質(zhì)評價結(jié)果有11項指標(biāo)超國家地下水Ⅲ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)；2018年進(jìn)行取樣分析，硫酸根的平均濃度約為5200mg/L，pH值約為3.39；2020年，在牽牛山煤業(yè)的小溝煤礦和山底煤礦滲出地表的“老窯水”在豐平枯3個時期中，pH值均在3.5以下，枯水期硫酸根濃度可達(dá)10000mg/L以上。由此可見，山底河流域出流“老窯水”水質(zhì)較差，已嚴(yán)重威脅到陽泉地區(qū)生態(tài)環(huán)境。

2 “老窯水”危害

煤礦“老窯水”具有體量大、水質(zhì)差、流動性強(qiáng)的特點(diǎn)，其水化學(xué)特征體現(xiàn)為高硫酸鹽、高總?cè)芙夤腆w和低 pH 值等?！袄细G水”的危害表現(xiàn)在以下幾方面：

a.部分“老窯水”出露地表，如白羊墅煤礦、山底河流域煤礦、小溝煤礦等，在煤礦礦坑內(nèi)“老窯水”蓄滿后，從流域煤系地層出露的最低處溢出地表(見圖1)，對當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)和當(dāng)?shù)鼐用窠】禈?gòu)成威脅。

圖1 陽泉地區(qū)部分“老窯水”出露點(diǎn)

b.“老窯水”直接或間接滲入喀斯特含水層，導(dǎo)致跨層污染，給娘子關(guān)泉域的水質(zhì)帶來持久性影響，威脅群眾的飲水安全和當(dāng)?shù)亓己玫乃鷳B(tài)環(huán)境。

c.“老窯水”的出露和下滲不僅導(dǎo)致陽泉地區(qū)河流酸化、金屬離子濃度升高，污染娘子關(guān)泉域喀斯特水，而且經(jīng)“老窯水”污染的河水灌溉后會使得重金屬和硫酸鹽等組分在土壤中富集，嚴(yán)重威脅著區(qū)域農(nóng)作物生長及人群健康；同時，也會使“老窯水”中的金屬離子進(jìn)入河床基質(zhì)中，對河流水生植物和水生動物造成一定的影響。

3 治理對策探究

目前對“老窯水”的處理方式包括末端治理(常見的處理方法有化學(xué)處理法、物理處理法、生物處理法等)和源頭控制。末端治理具有見效快、可一次性獲得滿意效果的優(yōu)點(diǎn)，但存在流量與污染物含量動態(tài)變化較大時處理難于控制、處理后大量沉淀物的處置以及運(yùn)行成本高等問題。而源頭治理起效慢，前期投入大，難于一次性處理達(dá)標(biāo)，但其占地少，運(yùn)行成本低，處理時長靈活。比較而言，末端治理是污水處理，重點(diǎn)考慮處理工藝；而源頭治理需要考慮的因素要復(fù)雜得多，包括影響酸化的因素，“老窯水”集水區(qū)及氧化、還原區(qū)的空間分布，其質(zhì)、量動態(tài)特征，水的補(bǔ)、徑、蓄、 排循環(huán)條件，處理方法的選取、工藝流程等。

本次研究針對陽泉“老窯水”現(xiàn)狀和現(xiàn)場實際情況，按照分類制定、綜合施策的原則，提出了“源頭控、末端治”有效結(jié)合的治理方案。

3.1 源頭治理

3.1.1 減源

硫化礦物被氧化硫桿菌、氧化亞鐵硫桿菌等微生物催化氧化而形成“老窯水”，而這些細(xì)菌在“老窯水”的形成過程中起到了十分關(guān)鍵的催化氧化作用。因此，在井下或者是已經(jīng)廢棄的封閉井巷內(nèi)投放適量的抑菌劑，可有效抑制氧化細(xì)菌的活性或者減少水中微生物的數(shù)量，有效降低“老窯水”的生成。

3.1.2 封閉處理

封堵閉坑礦井與外部的各種通道(其中包括形成串層污染的廢舊鉆孔)，并對煤礦采空區(qū)地表采取黃土回填、覆蓋、碾壓、復(fù)墾等防滲措施，阻止大氣降水入滲補(bǔ)給，從源頭上徹底截斷礦坑水的補(bǔ)給源。對采空區(qū)上部加大植樹造林的力度，通過植物根系閉合坑道上覆地層裂隙。

3.2 末端治理

源頭治理工程一般布置在“老窯水”的出露點(diǎn)或者井口處。目前，研究較為廣泛的方法為中和法、微生物法、可滲透反應(yīng)墻以及人工濕地法等。各處理技術(shù)均有不足之處，因此，單一的處理方法并不適用于處理高濃度的酸性“老窯水”，在綜合陽泉市水務(wù)局、中國地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)研究所、太原理工大學(xué)等相關(guān)單位研究成果的基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的治理方案，包括露天礦以及坑下水的處理，并根據(jù)不同地區(qū)的水質(zhì)、水量及循環(huán)特征選取不同的處理方案。

3.2.1 缺氧石灰石溝法-人工濕地系統(tǒng)

對于酸性濃度不高且區(qū)域出露場地，可將石灰石埋在地下溝渠中，進(jìn)行中和反應(yīng)(見圖2)。為了保證石灰石的溶解效率，進(jìn)水流量不宜過快，出水截流后污水進(jìn)一步進(jìn)入人工濕地處理。人工濕地系統(tǒng)中的水生植物以及微生物可將“老窯水”中的有機(jī)物降解，有效削減外排。人工濕地示意見圖3。

圖2 缺氧石灰石溝法示意圖

圖3 人工濕地示意圖

該處理方法工藝簡單，成本較低，但僅適合于酸性濃度較低且有出露場地可以利用的“老窯水”治理。

3.2.2 可滲透反應(yīng)墻-人工濕地系統(tǒng)

當(dāng)廢棄的礦井巷道可被利用時，在礦井的井口附近布置可滲透反應(yīng)墻裝置(見圖4)。當(dāng)水體流經(jīng)墻體時，裝置中的活性材料通過一系列的物理、化學(xué)、生物等反應(yīng)，使水中污染物降解。同時在出水口附近建設(shè)人工濕地處理系統(tǒng)，有效去除出水體中的有機(jī)物、鐵、錳等物質(zhì)。

圖4 可滲透反應(yīng)墻示意圖

該處理方法無須外加動力，可以充分利用廢棄礦井通道，較為經(jīng)濟(jì)便捷，但可滲透反應(yīng)墻隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，會出現(xiàn)一定的堵塞，因此在實際運(yùn)行過程中需根據(jù)處理能力定期更換相應(yīng)的填充材料。

3.2.3 可滲透反應(yīng)墻-連續(xù)堿反應(yīng)系統(tǒng)-人工濕地系統(tǒng)

綜合現(xiàn)階段“老窯水”處理技術(shù)現(xiàn)狀，若該區(qū)域“老窯水”酸性較大且處理量較大時，可采用可滲透反應(yīng)墻-連續(xù)堿反應(yīng)系統(tǒng)-人工濕地系統(tǒng)對“老窯水”進(jìn)行治理，即在廢棄的礦井井口附近布置可滲透反應(yīng)墻處理裝置(見圖5)。同時在出水口附近建設(shè)連續(xù)堿-人工濕地處理系統(tǒng)，有效去除出水中的酸及鐵、錳等物質(zhì)。

圖5 連續(xù)堿反應(yīng)系統(tǒng)示意圖

4 結(jié) 語

陽泉地區(qū)煤炭資源豐富，近幾年隨著煤炭資源的整合，大量礦井關(guān)閉，在采空區(qū)內(nèi)形成的“老窯水”水量較大，且“老窯水”水質(zhì)差、流動性強(qiáng)，已對陽泉地區(qū)地表水和地下水水質(zhì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。因此，從陽泉市的生存、發(fā)展以及人民飲水安全著眼，開展“老窯水”的治理對策研究是一項迫切的任務(wù)。在制定治理方案時，要因地制宜，處理工藝簡單實用，尊重科學(xué)但不一味追求學(xué)術(shù)上的“高、精、尖”而犧牲實用性，使得處理成本經(jīng)濟(jì)化，有利于全面持續(xù)推廣。本文按照分類制定、綜合施策的原則，系統(tǒng)地開展了“源頭控、末端治”有效結(jié)合的治理方案的探究，可為當(dāng)?shù)亍袄细G水”治理提供依據(jù)，為其他類似地區(qū)的“老窯水”治理提供借鑒。