浅析酸性矿井水研究现状及防治措施

浅析酸性矿井水研究现状及防治措施
摘要：酸性矿井水主要是矿井中硫铁矿与空气、水接触, 在微生物作用下经过一系列较为复杂的地球化学反应产生的一种危害矿井生产、破坏生态环境的有害水体。

本文由酸性矿井水成因出发,阐述了国内外对酸性矿井水研究现状及一系列针对性防治措施。

关键词：酸性矿井水；酸性矿井水成因；研究现状；防治措施
1引言
矿井酸性水是指pH小于6.5的矿井水，一般pH在3.0～6.5之间，酸度较高。

世界上主要及几个产煤国都存在着酸性矿井水问题。

美国东北部的宾夕法尼亚、俄亥俄、西弗吉尼亚、肯塔基以及西部的科罗拉多、内华达州、英国的达拉默盆地、德国的鲁尔、劳济茨矿区、西班牙的加力西亚地区、南非的MPumalanga省、加拿大的不列颠哥伦比亚省、魁北克省等,酸性矿井水问题尤为突出[1]。

我国矿井水酸性水主要分布在南方矿区，如广东梅田、福建永定、龙岩、浙江长广、江苏川埠、湖北黄石、松宜、湖南涟邵、资兴等，北方分布较少，但在一些海陆交相沉积或浅海相沉积的石炭二叠统太原统煤层的煤矿，酸性矿井水的灾害仍相对较为严重，比如陕西铜川、宁夏石嘴山等矿区[2]
2酸性矿井水的成因
酸性矿井水的形成主要是人类采掘的造成的。

人来采矿过程促使原本深埋地下的还原性的矿石（如黄铁矿FeS2 ）长期暴露在空气中，并在采掘过程中大量无规划的使用水，使得矿石与氧气和水接触。

首先随着采掘工作的进行该矿石不断被氧化生成三价铁离子、硫酸根离子和大量的氢离子。

而三价铁离子进一步水解生成氢氧化铁，使酸性增强。

并使水体呈现黄褐色；其次硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌、氧化铁硫杆菌、氧化铁的金属菌、嗜热嗜酸硫球菌及硫磺细菌等, 对硫酸和高价铁离子的形成有促进作用, 它们在一定的pH和温度范围内有较强的催化氧化活力, 在常温下能使硫铁矿的氧化速率提高几十倍,进而使矿井酸性水害加
剧；另外在采空区出水和巷道墙壁渗水中存在着饱和或超饱和形式的CO2，这些游离的气体形成的酸度也不能够忽略，随着水的流动CO2将不断逸出,酸度降低,pH值升高，导致一些如Al3+、Fe3+等金属离子发生水解，研究表明，由这些金属硫酸盐水解形成的酸性水酸度相当大。

3酸性矿井水的危害
3.1腐蚀金属
当矿井酸性水酸度值较低时，对金属产生较为强烈的腐蚀作用，进而降低矿井的重金属设备的使用寿命，对煤矿安全生产构成很大威胁。

3.2危害井下工人的健康
矿工长期接触酸性矿井水会导致手脚皮肤开裂、眼睛疼痒。

酸性矿井水在向深部排泄过程中，一般会放生脱硫酸作用，生成毒性很强的H2S气体，其含量达万分之一时，就能闻到难闻的气味；达万分之二时，人的眼睛、喉头就会受到严重刺激;达千分之一时,就会导致死亡。

3.3对水资源造成污染
随着酸度增高,矿井水中的某些重金属离子由不溶性化合物变为可溶性离子状态,毒性增大。

当这些未经处理的酸性矿井水排至地面水体后, 由于酸性矿井水中通常含有Fe2+离子,Fe2+离子氧化时消耗水中的溶解氧, 导致鱼类、藻类、浮游生物等绝大多数水生生物死亡,从而降低了水体的自净能力和利用价值。

3.4污染矿区周围环境
硫铁矿氧化生成的Fe(OH)3红褐色沉淀，使周围水土变成红褐色，破坏了当地的自然景观。

同时若利用该水体灌溉，则会使土壤板结，破坏土壤团粒结构，农作物枯黄，最后死亡。

4矿井酸性水研究及治理措施
4.1国外研究现状
酸性矿井水的产生是由硫化物矿物氧化引起的，据此国外的学者对硫化矿物，特别是黄铁矿氧化机制进行了研究，具有代表性的如Singer 等人于1970年
在《科学》杂志上发表的题为《酸性矿井水：决定速度的因素》论文，一些专著《宾夕法尼亚煤矿排水的预测和污染防治》[4]他们详细探讨了脱硫微生物、碳酸盐类矿物、氧气扩散速率等影响黄铁矿氧化的因素。

酸性水形成和转移过程与周围环境发生水-岩相互作用，通过对此研究能够确定酸性水来源，从而预防酸性水形成和发展。

目前有学者利用稀土元素（REE）及放射性同位素Sr的元素示踪法[5]，来预测定和量化围岩对酸性矿井水组分的影响[6]等。

4.2国内研究现状
我国煤矿区水体的检测大多限于常规水文地球化学指标，部分学者对淄博矿区酸性水体问题进行了初步分析，主要成果包括:(l)张建立[7]等对淄博夏庄煤矿矿井排水进行了水质分析,同时利用PHREEQC软件计算了水中主要矿物的饱和指数,揭示了在酸性水的流动过程中,Fe、Al等离子的变化趋势。

(2)吴耀国、沈照理、钟佐棠等[8]针对淄博矿区的酸性矿井水问题通过数值模拟,认为该矿区酸性矿井水的硫酸根源于黄铁矿氧化,钙、镁离子不是来自通常认为的方解石和白云石,而是方解石和绿泥石"(3)钟佐矣、汤鸣皋等[9]在研究淄博矿区排水时,为揭
2-离
示地下水污染的原理,进行了现场土柱模拟,认为由于直接排放酸性!高SO
4
子、高硬度和较高矿化度(TDS)的矿坑水导致地表水体及地下水污染。

我国尚不能对酸性矿井水的产生进行有效的预测和预防，而根据国外经验，在酸性矿井水产生后再进行被动处理，必然会造成一定的负面影响，而且需要花费更大的费用。

5防范措施
我国针对矿井酸性水防治的方法，主要采用“预防为主、防治结合、综合治理”的方法，其中预防方法有矿坑封闭法、矿坑水补给源的控制法、地下水疏干系统、检选和利用酸性造岩矿物以及减少矿井水在井下的停留时间添加抑菌剂[10]等
5.1矿坑封闭法
矿坑封闭法是通过构筑封闭墙来防止硫化矿与空气接触，抑制硫的氧化反应形成，哈利伯尔顿将速凝硅酸钠和膨胀水泥结合起来使用将矿井巷道完全封闭[11]，具体做法：前后隔壁墙采用速凝水泥砂浆灌成，中间隔以膨胀水泥填料，
在集水压力下封闭了平巷。

关键问题是怎样能够保证封闭严密，控制和防止泄露。

所以实施相对比较困难。

5.2矿坑补给源控制法
矿坑补给源控制法是通过采取必要措施，减少地下水、地表水及大气降水对矿井水的补给，进而能够从源头上减少酸性矿井水的产生量，达到治理矿井酸性水的目的。

爱达华大学的研究人员与矿山公司合作，曾对爱达华北部的邦克-希尔矿山地下巷道的酸性废水进行研究[12]。

主要针对性的采取灌浆、抽吸等方法，使矿坑的补给量接近于零，这样降低每年流入矿坑的绝大部分水流，从而减少了矿井水中重金属含量，降低了治理费用。

该方法需建立在对地下水进行非常详细的调查的基础上，能否广泛应用有待进一步检验，在新矿井中很有发展前景。

5.3地下水疏干系统
地下水疏干系统是在地下水流入矿坑之前，就将这些地下水排至地表，从而减少和避免了酸性矿井水的形成。

该方法在采中和采后，均可以实施，是一种相对成熟和经济的矿井酸性水防治方法，该方法适用条件：煤层上覆或下伏很薄的透水岩层，在蓄水层和需开采层的矿层之间有较高的水位差，并且渗透和补给率很有限，抽水之后，必须将含水层疏干，或者抽水量大于或等于含水层的补给量。

5.4其他方法
从水源出处预防矿井酸性水还包括：检选和利用酸性造岩矿物、及时排出多余矿井水以及添加抑菌剂等[13]选用时要结合矿井实际情况，本着科学经济合理的原则综合考虑，合理选择。

6治理方法
当只从源头预防无法解决酸性水问题时，我们应当考虑其他治理方法，目前矿井酸性水治理方法主要包括：中和法、微生物法、湿地生态工程处理法、酸性水综合利用法等
6.1中和法
中和法利用酸碱中和原理，在酸性水中投放碱性的中和剂，使酸性水pH值达到可排放标准，并利用碱性中和剂使重金属离子生成难溶于水的氢氧化物沉淀，进而达到消除重金属离子的目的，邵坤等[14]人使用两段中和法处理来改进中和
法处理效果，先用矿物或废渣做中和剂，然后用石灰乳进行中和，取得很好效果。

该方法主要缺点是：中和过程中产生的固体弃物硫酸钙比较难处理，容易造成二次污染；国内外利用中和法处理酸性矿井水大都采用建造污水处理厂，而将污水引至处理厂属于移位复修，缺乏时效性，污泥造成二次污染，而且难以管理；基建工程投资大、运行费用高、耗能大，小企业很难负担。

6.2微生物法
该方法利用氧化亚铁硫杆菌在酸性条件下将水中的Fe2+氧化成Fe3+，最终三价铁离子形成沉淀，而氧化亚铁硫杆菌能够从Fe2+的氧化反应中获的自身生存的能量，无须添加任何营养液。

李亚新[15]等对此做了研究，生物化学法在常温条件下对Fe2+ 具有很高的氧化率. 在含量不高于40 mg/ L时, 其氧化率可达100% ; 当Fe2+含量增高到300 mg/ L时, 仍能维持在95% 以上. 处理后的沉淀物可综合利用, 用于制取铁红、聚合硫酸铁(PTS) , 解决了常规石灰乳中和处理法由于反应不完全而产生大量污泥造成的二次污染, 而且为矿山企业的多种经营开辟了一条新路子, 生化处理后的水可以回用.该方法缺点：处理速度较慢，而且要求反应器体积相应增大，投资增加，同时矿井酸性水成分复杂，常含有一些对微生物有抑制作用的离子，如Pb2+、Zn2+等，从而造成矿井酸性水处理困难。

6.3湿地生态工程处理法
湿地生态工程法的基本原理是建造人工湿地单元, 利用特定植物在湿地中能降低酸性水中的金属离子的作用, 让酸性水缓慢流经人为的植物群落, 达到活体过滤的目的. 同时, 湿地也可为微生物群落的附着生长提供界面, 缓慢的水流与人工湿地单元基质发生一定的中和作用. 在国外已用于实际酸性水处理.如美国已在煤矿系统建设了400多座人工湿地处理系统, 出水pH值提高到6~ 9, 平均总铁含量不大于3 mg/ L[16]，湿地法具有投资少、运行费用低、易于管理、抗冲击力强的优点。

该方法主要缺点：湿地工程要求引入水的pH高于4.0，但煤矿酸性水的pH不稳定，需要改善基质，这项技术工艺稍微复杂，其次湿地生态系统处理酸性水速度慢，停留时间长，一般在5～10d，因而需要占用大量面积，投资大，管理维护困难。

6.4其他方法
酸性水中一般都含有NH3-N、H2S及CO2等有害物质，采用酸性水汽提装置能够有效将酸性水中的这些有害物资提取出来，并综合利用，能够有效的防治矿井酸性水对大气的危害。

张敏华 等人对酸性水汽提注碱工艺进行有效研究，研究表明，当温度高于1150C时，酸性水水解出NH3、H2S及CO2的量迅速增加，进而实现污水的净化。

酸性水从提气塔中部供入，富含NH3-N、H2S和CO2的气体从塔顶排出，塔底得到净化水，该工艺流程简单、投资少、能耗较低。

缺点是：不能回收氨，只适用于处理低浓度的硫污水，不适合大范围使用。

7结论
我国矿井酸性水分布广泛，成分较为复杂，而且处理困难，污染和危害严重，已经成为影响矿区正常生产和破坏生态环境的严重问题，必须要有行之有效的处理办法，针对矿井酸性水治理问题，各矿区应当结合实际情况，考虑处理方法的优缺点，做到“防治结合、综合治理”科学合理的选用治理方法。

参考文献
[1]蒋群，煤矿酸性矿井水特征、机理实验及防治研究 [D].合肥：安徽理工大学，2007.6
[2]胡立峰，煤矿酸性矿井水成因及其处理方法 [J].煤田地质与勘探，2005,（33）：1-2
[3] Philip C.Singer,wemer stumm. Acidic Mine Drainage: The Rate-Department
Step[J].Science,1970,167;1121~1123
[4] Rose A.W, C.A.Cravotta.Geoehemistry of coal mine drainage[M].DePartment of Environmental
Protection,Harrisburg,PA,1998
[5]刘普灵；田均良；周佩华等、土壤侵蚀稀土元素示踪法操作技术研究[J].土壤学
[6] RosemaryC.CaPo,OliverA.Chadwick.Sources of strontium and caleiun in desert soil and calerete[J].Earth and Planetary Seience Letters,1999,170(1-2):61~72
[7]张建立,潘憋,钟佐秦,汤鸣皋.淄博煤矿矿坑排水对孝妇何水质影响及机理分析[J].北
京人学学报(然科学版),2002,38(6):779-784
[8]吴耀国,沈照理等.淄博煤矿区矿井水的化学形成及其模拟[J].环境科学学报,2000,
20(4):401~405
[9]钟佐案,汤鸣皋,张建立.淄博煤矿矿坑排水对地表水体的污染及对地卜水水质影响的
研究[J].地学前缘,1995,6(增刊):238-244
[10]毕大国，尹国勋.酸性矿井水防治现状与发展趋势[N].焦作工学院学报，2003.1(22)
[11] Halliburton. The metho ds to cure the acid mine drainage in some American state, Wat. Sci.
Tech, 1970: 5 ( 3) .
[12]毕大国，尹国勋.酸性矿井水防治现状与发展趋势[N].焦作工学院学报，2003.1(22)
[13]尹国勋, 邓寅生, 李栋臣, 张玉贵. 煤矿环境地质灾害与防治[M] . 北京: 煤炭工业出版社, 1997.
[14]邵坤，靳辉. 尾矿库酸性废水处理研究［J］. 环境保护与循环经济，2009，29（9）:63-65.
[15]李亚新, 药宝宝. 微生物法处理含硫酸盐酸性矿井水[ J] . 煤矿环境保护, 2000, 14 ( 1) : 17- 22.
[16]吴晓磊. 人工湿地废水处理机制[J] . 环境科学, 1994, 16 ( 3) : 83- 86.
[17]张敏华，李涛，乔杰锋. 酸性水汽提注碱工艺研究[J]. 广东化工，2013,17（40）：259。