煤矸石用于人工濕地處理酸性礦井水的研究

邵 武

(中國礦業大學 (北京)化學與環境工程學院,北京市海淀區,100083)

★節能與環保 ★

煤矸石用于人工濕地處理酸性礦井水的研究

邵 武

(中國礦業大學 (北京)化學與環境工程學院,北京市海淀區,100083)

闡述了利用煤矸石作為人工濕地填料處理酸性礦井水的技術研究,對煤矸石的綜合利用、酸性礦井水的回用以及礦區生態環境的綜合治理都有重要意義。

煤矸石 煤矸石利用 酸性礦井水 人工濕地

AbstractThe application of coal gangue as a filling material in acid mine water treatment in artificial wetland plays a positive role in the comprehensive utilization of coal gangue refuse,acid mine water recycling as well as an overall rehabilitation of the ecological environment in coal mining areas.

Key wordscoal gangue,acid mine drainage,man-made wetland

在我國許多煤礦,尤其是開采多年的老礦井,由于煤層所處地質構造富含大量礦物質,與礦井水長期溶蝕產生一系列化學和生物化學反應生成酸性礦井水。酸性礦井水對井下的金屬設備有很強的腐蝕性;如果不經處理排放到地面,會造成環境污染,直接影響生態環境。所以酸性礦井水的治理是我國采礦業急需解決的問題。

1 酸性礦井水的形成

酸性礦井水的生成是一個非常復雜的過程,是由物理、化學及微生物三者共同作用的結果。我國酸性礦井水的生成主要來源于3部分。

(1)煤層和頂、底板中含硫化合物在氧氣、水存在的條件下氧化生成的游離態的硫酸:

(2)碳酸和鐵、錳等金屬的硫酸鹽水解生成酸。

(3)另外,有一些來自煤中的有機硫被氧化后也會生成酸。對于酸性礦井水中酸的生成量與煤中的含硫量、煤層的賦存條件、采煤方法、井下涌水量、空氣量以及微生物的種類和數量等都有密切關系。

2 處理酸性礦井水方法比較

目前對酸性礦井水常用的處理方法有酸堿中和法、微生物處理法和人工濕地生態系統處理法以及反滲透處理法。反滲透處理法出水水質很好,但其投資和運行成本太高,該方法的應用受到一定制約。

2.1 石灰中和法

不同地區酸性礦井水的物理和化學性質有較大差異,但其都具有的共同特征是礦井水的酸堿度值較低,一般p H值在2～5之間。因此,酸堿中和法在我國應用較早。此方法采用石灰做中和劑,與酸性礦井水中的 H2SO4產生反應,生成CaSO4沉淀,同時還生成 Fe(OH)3沉淀等副產物。酸堿中和法具有投資較少、管理相對簡便的特點。然而,隨著時代的發展和科技的進步,人們逐步認識到,使用酸堿中和法必然產生大量沉淀物,并且這些沉淀物幾乎沒有可利用價值,會對環境造成嚴重的二次污染,此方法正逐漸被淘汰。

2.2 微生物法

微生物法是目前國內外研究比較多的處理方法,在美國、日本等國家已進行了實際應用。其原理是利用氧化亞鐵硫桿菌和硫酸鹽還原菌在酸性條件下將水中的 Fe2+氧化成 Fe3+,以去除酸性礦井水中的鐵、錳等金屬離子,經處理后的水可以回用,沉積物可以用來生產氧化鐵紅和聚合硫酸鐵,變廢為寶,綜合利用,所以生物處理技術具有較好的經濟效益和應用前景。當然,微生物法存在處理速度慢很多,要求反應器的體積相應增大,導致投資增加、管理很復雜等弊端。此外,由于酸性礦井水成分復雜,常含有一些對微生物具有抑制作用的重金屬離子,如Pb2+、Zn2+等,從而造成利用該方法處理酸性礦井水時生物單元系統運行困難。該方法推廣應用比較困難。

2.3 人工濕地處理法

人工濕地生態工程處理法 (簡稱人工濕地法)是近期發展起來的一種污水處理技術,具有投資省、運行費用低、易于管理等突出優點,在歐美一些國家已有近千處用于實際煤礦酸性廢水的處理。人工濕地是利用自然生態系統中的物理、化學和生物的三重協同作用來實現對污水的凈化作用的?？梢杂行Ц纳骗h境,綜合利用污水資源。

3 煤矸石的性能

煤矸石作為煤炭生產過程中的副產物,其產生量約占煤炭開采量的10%～25%。目前,全國煤礦儲存的矸石約計有40億 t以上,占地近2億m3。隨著煤炭生產的不斷發展,礦山的矸石排出量與日俱增。以排矸量占原煤生產的20%計算,每年新增加外排的煤矸石有3億t以上,其中只有大約1/5得到綜合利用。因此,煤矸石的綜合利用與開發一直受到國內外的廣泛重視。

3.1 煤矸石的成分

煤矸石成分比較復雜,不同地區的矸石成分也不盡相同。一般煤矸石是由無機質和少量有機質組成的混合物。無機質中主要包括礦物質和水。構成煤矸石礦物質成分的元素多達數10種之多,一般以硅鋁為主要成分,另外含有數量不等的 Fe2O3、CaO、MgO、SO3、K2O、Na2O、P2O3等無機物,以及微量的稀有金屬 (如鈦、釩、鈷、鎵等)。煤矸石中的有機質隨矸石中含煤量的增加而增高,它主要包括碳、氫、氧、氮和硫等。

3.2 中國煤矸石的綜合利用現狀

我國有極少部分煤矸石得以綜合利用,主要包括制磚、發電、塌陷區回填、制化肥以及做化工原料等,占煤矸石總量極為有限,絕大多數則是以露天堆放為主,在礦區形成矸石山。長期露天堆放的煤矸石,經風化、淋溶、氧化、自燃等物理化學作用,對環境造成嚴重污染。我國大部分煤礦都有大小不等的矸石山,已成為礦區標志性景象。

4 煤矸石作為填料的人工濕地生態系統

自然濕地系統是由濕地植物、動物、微生物等生物要素以及與此相關的陽光、水分、土壤等非生物要素所構成。這些要素組合成了一個獨特的土壤-植物-微生物濕地生態系統。人工濕地是利用自然生態系統中的物理、化學和生物的三重協同作用,通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水的凈化作用的。土壤是濕地基質,也是濕地植物和微生物的載體。

根據畢銀麗等人試驗研究的結果,從堆放10余年矸石山深層3 m以下采集的煤矸石,經強化水浸后,其浸提液呈強堿性,在連續浸提8～10 d后,浸提液的p H值逐漸趨于中性。依據煤矸石的這一特點,可以將其進行更廣泛的開發利用。利用現有采掘塌陷區自然形成的廢坑及池塘,用矸石山深層矸石作為人工濕地的土壤的填充料,建成人工濕地生態系統。按照煤矸石浸提液p H值的變化規律,將酸性礦井廢水流經人工濕地,酸性礦井水與煤矸石浸溶,其水質的p H值得到提高,同時在濕地系統中的植物和微生物的共同作用下,酸性礦井水中的鐵、錳、硫酸根、鈣、鎂等離子經過濾、吸附、沉淀得到有效地去除,另外,酸性礦井水中的BOD和NH3-N通過植物的吸收和微生物的消化和反硝化作用得到去除。

煤矸石中含有少量的有機成分,可以為濕地中水生植物生長和微生物群落的附著生長提供界面,加快濕地系統的形成。人工濕地對 Cu2+,Fe2+, Mn2+,Zn2+,Mg2+等金屬離子和 SO2-4具有較高的去除率。當這些離子進水濃度分別為:SO2-425000 mg/l,Cu2+74.1 mg/l,Fe2+386.2 mg/l, Mn2+184.5 mg/l,Zn2+18.8 mg/l,Mg2+1372.0 mg/l時,對應的去除率分別為83.0%,97.8%, 86.6%,56.0%,87.4%,63.2%。當進水p H值為3.5～5.8,停留時間為5～10 d時,出水p H值可達6.18～7.07,完全符合國家一級排放標準。

研究表明,人工濕地生態系統在不同水力負荷時,運行周期一般在8～15 d,與深層煤矸石的水浸提液p H值變化周期基本吻合,因此,可以把用煤矸石作為填料的人工濕地處理系統的運行周期定為10 d左右,使濕地運行能夠達到最佳的處理酸性礦井水的效果。

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(責任編輯 康淑云)

On the application of coal gangue in acid mine water treatment in artificial wetland

Shao Wu
(School of Chemical and Environmental Engineering,China University of Mining &Technology Beijing Campus,Beijing 100083,China)

TD994

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邵武 (1963-),男,碩士、工程師,中國礦業大學 (北京)化學與環境工程學院,主要研究方向:環境工程。