贵州煤矿酸性废水_被动处理_技术的新方法探讨

( 1) 15F e2+ + 2SO24- +
( 2)
F e2+ +
1 4
O2
+
H+
F e3+ +
1 2
H
2
O
( 3)
这些硫化 矿物 在空 气、水和 细菌 的共 同作 用
下, 形成硫酸 ~ 硫酸高铁溶液, 并溶出多 种金属离
子, 从而产生含有 F e、Mn、Cu、Cr、P b、Cd、As 等的
酸性矿山废水[ 2] 。贵州省煤矿资源含硫量( 主要是
黄铁矿) 较高, 开 采过程中导致含煤地层 中硫化物
的赋存环境发生变化而自发进行氧化还原反应, 从
而产生硫酸盐及 重金属含量较高的酸性 矿山废水
( AMD) 。通常, A MD 具有低 pH 值和高矿化度特
征, 有很强的 侵蚀性, 因此 可携带大量的 重金属及
有害化学物质进入环境, 对环境与生态系统造成严
地 球与环境
2010 年第 38 卷第 2 期
25 0
EARTH AND ENVIR ONMENT
Vol . 38. No. 2, 2010
贵州煤矿酸性废水/ 被动处理0技术的新方法探讨
张瑞雪, 吴 攀* , 杨 艳, 顾尚义
( 贵州大学资源与环境工程学院, 贵阳 550003)
摘 要: 论文在综述国内外有关酸性矿山废水治理的现 行技术 和方法 的基础 上, 围绕贵州 煤矿废 水排放 的现状 及特点, 把贵 州煤矿废水归纳为两种主要类型, 并针对性地 提出两种预防和治理矿山酸性排水的方 法: 对 正在开采矿 山实行碳 酸盐岩充填 采空区技术, 避免酸性矿山水外排; 对废弃矿 山排 水采取 坑口/ ( 有氧/ 缺氧 ) 垂向折 流式 反应池0 技术, 对 酸性废 水进 行有效 治理。 关键词: 酸性矿山排水; 被动处理方法; 碳酸盐岩介质 中图分类号: X703 文献标识码: A 文章编号: 167229250( 2010) 0220250205
极强浸取能力的 酸性矿山水能将煤中有 害微量元
素溶蚀出来, 使得贵州矿山排水中重金属元素含量
较高。
( 3) 矿山规模偏小, 分布面广, 导致废水排放分
散、持久等, 对山区水环境的污染相当严重, 很多影
响到矿山排水下游的 灌溉用水; 另外, 由 于贵州矿
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地球 与 环 境
2010 年
山多分布于岩溶地区, 酸性矿山排水已经不同程度 的影响了当地的岩溶地下水。同时, 矿山排水对河 流( 溪流) 水生生态系统影响严重, 河床覆盖的含铁 沉积物严重影响人们的视觉景观感受。
1 酸性矿山排水的形成
关于酸性矿山废水的形成过程和原因, 已有大 量的研究和文献记载。通常, 矿山环境中硫化物氧 化作用的氧化过程主要包括以下 3 个反应( 以黄铁 矿为例) [ 1] :
F eS2 +
7 2
Leabharlann Baidu
O2+
H2O
F e2+
+
2
SO
24
+
2H +
F eS2 + 14 Fe3+ + 8H 2 O 16H +
对于贵州酸性矿山排水的治理, 目前采用的方 法主要是/ 主动处理0技术, 如石灰中和+ 絮凝沉淀 过滤法、石灰中和+ 曝气沉淀过滤法等。由于历史 原因, 当地居民采矿活 动频繁, 小煤矿 ( 窑) 分布 广 泛。随着国家对矿业开发管理的加强, 矿业活动向 有序化和规 模化开 发转变, 大 量小煤 矿( 窑) 被 关 停。通常, 这些废弃矿井排放的废水未经任何处理 都直接进入环境。对分布在水源 保护区和一些 重 要水域( 如贵阳市/ 两湖 一库0 和都匀市剑 江上游) 内的煤矿酸性 废水, 当地 政府采 取修 建石 灰投 加 站, 人工投加石灰进行处理。但这种方法存在管理 困难、易产生二次污染 ( 污泥) 等严重 弊端, 难以 保 证达标排放。而其它更多的灭失 矿山主体的小 煤 矿( 窑) 酸性废 水则没 有经任 何处理 就任 意排放。 随着人们环保 意识的 提高 和管理 体制 的完 善, 目 前, 新建和正在开采的煤矿基本上均建有废水处理 站, 废水经中和池中和 后, 进入高 效絮凝沉淀池 沉 淀后排放, 但根据现场 调查, 由于 该种方法运行 成 本较高, 多数矿山企业的煤矿废水处理站修建后不 运行, 或者运行不正常( 出水不达标) 。
3 贵州煤矿酸性废水排放的特征及 治理现状
贵州是中国煤炭资源最丰富的省份之一, 高硫
含量是贵州煤的特征[ 12] , 煤中平均含硫量均接近或
高于 3% , 其中以黄铁矿硫为主[ 13] 。煤矿在开采过
程中, 因含煤地层中所含硫化物( 主要为黄铁矿) 的
赋存 环 境 变 化 而 自 发 进 行 氧 化 还 原 反 应 产 生
国外/ 被动治理0技术处理酸性矿山废水的主 要方法有[ 6] : 好氧 ) 表面流人工湿地、厌氧 ) 垂直流 人工 湿地、SAP S 法 ( Successive Alkalinit y P rodu2 cing Syst ems ) 、PRBs ( P er meable React ive Barri2 ers) 、A LDs( Anoxic Limestone Drains) 等。利用人 工湿地处理矿山废水在美 国、英国 等地发展迅速, 英国 Newcast le 大学的 Younger 等[ 7] 曾对人工湿地 处理 AMD 进行大量的实验与研究, 并建立多处示 范基 地, 如 Durham、Cumbria 和 Nort humberland 煤矿区; SA PS 法 ( Successive A lkalinit y Pr oducing Syst ems) 处理矿 山废水始于 1994 年[ 8] , 由 Kepler 和 McClear y 首次提出并申 请专利, 该技术在构 造 和污染物去 除机理上类似于 厌氧 ) 垂直流人工 湿 地, 分为三层, 最 上层为 流动水 层( 以 保证 厌氧 状 态) , 中间层为有机质层, 最下层为石 灰石颗粒; 可 渗透反应墙 PRBs( P ermeable React ive Barriers) [9] 是目前在欧美等发达国家新兴的 用于原位去除 地 下水中污染物质的方法, 其原理是结合物理、化学、 生物的共同 作用来 达到去 除水 中污 染物的 目的, PRB 处理 AMD 始于 1995 年, 相对于传统的 AMD
处理方法, P RB 法具有作用时间长、处理能力强、投 资和运行费用 低等优点; 厌氧石 灰石沟渠( ALDs) 是为了避免石灰石 被包裹、增 加石灰石溶解 速率、 提高废水碱度而设计一种的 AMD 处理方法[ 10] , 通 常经 ALDs 系统处理后出水需进入沉淀池或湿地, 从而使废水中的重金属得以沉淀而从系统中去除。
第2期
张瑞雪等: 贵州煤矿酸性废水/ 被动处理0 技术的新方法探讨
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动治理0法[ 3] 。/ 主动治理0主要有中和法、硫化物沉 淀法、曝气 氧化过滤法等。其中, 中和法作为一 种 简便可靠的方法被广泛应用于我国 AMD 处理中, 常用的中和剂有石灰石, 碳酸钙, 氢氧化钙, 苛性钠 等, 但是中和过程产生 的大量污泥( 含有大量重 金 属及有毒有害物质) 极易对环境造成 二次污染, 同 时运行成本和管理成本高; 硫化物沉淀法是通过向 污水中投加硫化试剂, 使污水中的金属离子形成硫 化物沉淀, 常 用的 硫化剂 主要 有: 硫化 钠、硫氢 化 钠、硫化氢、硫 化钙、硫 化铁等, 采 用硫化沉淀法 对 重金属离子的去除率高, 处理废水的 适应性强, 并 且有利于重金属的回收利用, 但 pH 值难以控制, 处 理成本高, 当温度控制不好时容易产生硫化氢气体 污染空气; 曝 气氧化 过滤 法对去 除酸 性废 水中 的 Fe、Mn 等重金属有很好效果[ 4] , 但其处理构筑物多 ( 需预处理) , 动力消耗大, 维护成本较高。因此, 由 于/ 主动治理0方法存在的诸多缺陷, 使得国内外许 多专家学者开始寻求一种更经济有效的 AMD 处理 技术。/ 被动治理0技术就是在人为控制的环境中, 利用自然界发生的生物化学反应 去除水中的污 染 物。国外应用被 动处理技术处理 AMD 在 过去 20 年间有了很大发展, 并已从实验室规模发展到大规 模地工程应用[ 5] 。
煤炭是贵州省的优势矿产之一, 煤炭工业在贵 州省经济社会发展 中发挥了极大作 用。但煤矿 在 开采过程中, 由于煤矿及其煤矸石中伴生有硫化矿 物( 如 F eS2 ) , 硫化矿物的氧化作用则形成酸性矿山 废水。煤矿酸性废水由于其具有污染时间长, 对环 境和生态危害严重, 加上废水水质、水量波动较大, 处理困难等特点, 因此成为许多国家关注和研究的 焦点。贵州 省煤炭 开发特 别是 在国 家/ 西 部大 开 发0战略实施后得到了很大程度的发 展, 一些规 模 偏小的煤矿在多次合并重组过程中被废弃。另外, 贵州省的煤中含硫量较高, 很多丧失矿山主体的废 弃煤矿产生的 酸性废 水源 源不断 的向 外排 放, 点 多、面广而分散。煤矿开采过程中及闭坑后产生的 酸性废水排放已成为贵州省一个 突出的水环境 污 染问题。因此, 开发一种适合贵州山区的经济而有 效的煤矿废水处理综合技术迫在眉睫。
重污染和破坏。
2 国内外酸性矿山排水的治理技术
对于矿山酸性废水的污染问题人们早有认识, 各国环保工作者 多年来为根治矿山酸性 废水做了 大 量 的 研 究 工 作。 国 内 外 治 理 酸 性 矿 山 排 水 ( AMD) 的方法很多, 大体可分为/ 主动治理0和/ 被
收稿日期: 2009210216; 改回日期: 20102 03225 基金项目: 贵州省教育厅自然科学研究项目( 黔教科( 2008) 006 号) ; 贵州省科技计划项目( 社会发展攻关) (黔科合 SY 字[ 2009] 3059) 第一作者简介: 张瑞雪( 1979- ) , 女, 硕士, 讲师, 研究方向为水污染控制理论与技术。E2 mai l: zhangxuer7908@ 126. com * 通讯作者: 吴攀( 1973- ) , 男, 贵州黎平县人, 博士, 教授, E2m ail: pwu@ gzu. edu. cn
4 贵州煤矿酸性矿山排水/ 被动治 理0 方法研究与探讨
如前所述, 结合贵州煤矿分布的特点、废水排 放特征和治理现状, 我 们提出: 贵 州煤矿废水的 治 理技术应该采用/ 被动处理0方法, 从源头上加以预 防和治理, 进而从根本上解决贵州省煤矿废水污染 问题。
( 1) 碳酸盐岩充填采空区避免酸性矿山水外排 技术
对于正在开采的矿井而言, 由于矿井生产的需 要, 矿井排水通常被 业主用作循环 水用于生产中, 外排水体较少 ( 矿井涌水量 较大的矿井除外) 。同 时由于含在煤层或顶底板中的硫 化物没有充分 时 间氧化, 使得水体没有 明显酸化, 金属含量也不 会 很高, 外排水体中的主要污染物以 SS 为主。因此, 矿井排水一般只要采取絮凝沉淀即可回用或外排。
目前, 国外利用/ 被动处理0技术治理 AMD 已 相对成熟, 并 且有很多成功的应 用实例, 尤其在美 国、英国、加拿 大等地得到普 遍采用。国 内对于酸 性矿山排水的治理还主要停留在/ 主动处理0阶段, 如: 石灰石中和法、硫化物沉淀法、曝气氧化过滤法 等[ 11] 。/ 被动处理0技术在中国应用很少, 除人工湿 地有部分工程应用外, 其它用于治理 AMD 的很多 方法 还 处 于 起 步 和 实 验 研 究 阶 段, 如, SAP S、 PRBs 等。
物,
而废弃矿山排水中
F
e、M
n
、SO
24
等含量较高。
对含硫量较高的煤矿, 随着开采 年限的增加, 矿山
排水类型会 由高 SS 含量型 逐渐转化 为低 pH 、高
F e、Mn 等重金属含量型。
( 2) 酸性矿山废水中污染物种类与煤矿分布及
煤质特征有关。贵州省煤中除含 S、Fe 外, 还富集 Cu、As、H g、Cd 等元素, 且存在于硫铁矿中[ 14] , 具有
AMD。由于贵州省煤矿开采主要以小煤窑为主, 高
产的大型矿井较少, 导致酸性矿山排水成为贵州省
突出的环 境 问 题。 全 省煤 矿 矿 山 排 水具 有 如 下
特点:
( 1) 贵州省矿山酸性废水的排放主要有两种类
型: 高 SS 含量型和低 pH 、高 F e、Mn 等重金属含量
型。通常, 正在开采的煤矿废水 以 SS 为 主要污染