煤矸石用于人工湿地处理酸性矿井水的研究

邵 武

(中国矿业大学 (北京)化学与环境工程学院,北京市海淀区,100083)

★节能与环保 ★

煤矸石用于人工湿地处理酸性矿井水的研究

邵 武

(中国矿业大学 (北京)化学与环境工程学院,北京市海淀区,100083)

阐述了利用煤矸石作为人工湿地填料处理酸性矿井水的技术研究,对煤矸石的综合利用、酸性矿井水的回用以及矿区生态环境的综合治理都有重要意义。

煤矸石 煤矸石利用 酸性矿井水 人工湿地

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

在我国许多煤矿,尤其是开采多年的老矿井,由于煤层所处地质构造富含大量矿物质,与矿井水长期溶蚀产生一系列化学和生物化学反应生成酸性矿井水。酸性矿井水对井下的金属设备有很强的腐蚀性;如果不经处理排放到地面,会造成环境污染,直接影响生态环境。所以酸性矿井水的治理是我国采矿业急需解决的问题。

1 酸性矿井水的形成

酸性矿井水的生成是一个非常复杂的过程,是由物理、化学及微生物三者共同作用的结果。我国酸性矿井水的生成主要来源于3部分。

(1)煤层和顶、底板中含硫化合物在氧气、水存在的条件下氧化生成的游离态的硫酸:

(2)碳酸和铁、锰等金属的硫酸盐水解生成酸。

(3)另外,有一些来自煤中的有机硫被氧化后也会生成酸。对于酸性矿井水中酸的生成量与煤中的含硫量、煤层的赋存条件、采煤方法、井下涌水量、空气量以及微生物的种类和数量等都有密切关系。

2 处理酸性矿井水方法比较

目前对酸性矿井水常用的处理方法有酸碱中和法、微生物处理法和人工湿地生态系统处理法以及反渗透处理法。反渗透处理法出水水质很好,但其投资和运行成本太高,该方法的应用受到一定制约。

2.1 石灰中和法

不同地区酸性矿井水的物理和化学性质有较大差异,但其都具有的共同特征是矿井水的酸碱度值较低,一般p H值在2～5之间。因此,酸碱中和法在我国应用较早。此方法采用石灰做中和剂,与酸性矿井水中的 H2SO4产生反应,生成CaSO4沉淀,同时还生成 Fe(OH)3沉淀等副产物。酸碱中和法具有投资较少、管理相对简便的特点。然而,随着时代的发展和科技的进步,人们逐步认识到,使用酸碱中和法必然产生大量沉淀物,并且这些沉淀物几乎没有可利用价值,会对环境造成严重的二次污染,此方法正逐渐被淘汰。

2.2 微生物法

微生物法是目前国内外研究比较多的处理方法,在美国、日本等国家已进行了实际应用。其原理是利用氧化亚铁硫杆菌和硫酸盐还原菌在酸性条件下将水中的 Fe2+氧化成 Fe3+,以去除酸性矿井水中的铁、锰等金属离子,经处理后的水可以回用,沉积物可以用来生产氧化铁红和聚合硫酸铁,变废为宝,综合利用,所以生物处理技术具有较好的经济效益和应用前景。当然,微生物法存在处理速度慢很多,要求反应器的体积相应增大,导致投资增加、管理很复杂等弊端。此外,由于酸性矿井水成分复杂,常含有一些对微生物具有抑制作用的重金属离子,如Pb2+、Zn2+等,从而造成利用该方法处理酸性矿井水时生物单元系统运行困难。该方法推广应用比较困难。

2.3 人工湿地处理法

人工湿地生态工程处理法 (简称人工湿地法)是近期发展起来的一种污水处理技术,具有投资省、运行费用低、易于管理等突出优点,在欧美一些国家已有近千处用于实际煤矿酸性废水的处理。人工湿地是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水的净化作用的。可以有效改善环境,综合利用污水资源。

3 煤矸石的性能

煤矸石作为煤炭生产过程中的副产物,其产生量约占煤炭开采量的10%～25%。目前,全国煤矿储存的矸石约计有40亿 t以上,占地近2亿m3。随着煤炭生产的不断发展,矿山的矸石排出量与日俱增。以排矸量占原煤生产的20%计算,每年新增加外排的煤矸石有3亿t以上,其中只有大约1/5得到综合利用。因此,煤矸石的综合利用与开发一直受到国内外的广泛重视。

3.1 煤矸石的成分

煤矸石成分比较复杂,不同地区的矸石成分也不尽相同。一般煤矸石是由无机质和少量有机质组成的混合物。无机质中主要包括矿物质和水。构成煤矸石矿物质成分的元素多达数10种之多,一般以硅铝为主要成分,另外含有数量不等的 Fe2O3、CaO、MgO、SO3、K2O、Na2O、P2O3等无机物,以及微量的稀有金属 (如钛、钒、钴、镓等)。煤矸石中的有机质随矸石中含煤量的增加而增高,它主要包括碳、氢、氧、氮和硫等。

3.2 中国煤矸石的综合利用现状

我国有极少部分煤矸石得以综合利用,主要包括制砖、发电、塌陷区回填、制化肥以及做化工原料等,占煤矸石总量极为有限,绝大多数则是以露天堆放为主,在矿区形成矸石山。长期露天堆放的煤矸石,经风化、淋溶、氧化、自燃等物理化学作用,对环境造成严重污染。我国大部分煤矿都有大小不等的矸石山,已成为矿区标志性景象。

4 煤矸石作为填料的人工湿地生态系统

自然湿地系统是由湿地植物、动物、微生物等生物要素以及与此相关的阳光、水分、土壤等非生物要素所构成。这些要素组合成了一个独特的土壤-植物-微生物湿地生态系统。人工湿地是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用,通过过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的净化作用的。土壤是湿地基质,也是湿地植物和微生物的载体。

根据毕银丽等人试验研究的结果,从堆放10余年矸石山深层3 m以下采集的煤矸石,经强化水浸后,其浸提液呈强碱性,在连续浸提8～10 d后,浸提液的p H值逐渐趋于中性。依据煤矸石的这一特点,可以将其进行更广泛的开发利用。利用现有采掘塌陷区自然形成的废坑及池塘,用矸石山深层矸石作为人工湿地的土壤的填充料,建成人工湿地生态系统。按照煤矸石浸提液p H值的变化规律,将酸性矿井废水流经人工湿地,酸性矿井水与煤矸石浸溶,其水质的p H值得到提高,同时在湿地系统中的植物和微生物的共同作用下,酸性矿井水中的铁、锰、硫酸根、钙、镁等离子经过滤、吸附、沉淀得到有效地去除,另外,酸性矿井水中的BOD和NH3-N通过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机成分,可以为湿地中水生植物生长和微生物群落的附着生长提供界面,加快湿地系统的形成。人工湿地对 Cu2+,Fe2+, Mn2+,Zn2+,Mg2+等金属离子和 SO2-4具有较高的去除率。当这些离子进水浓度分别为: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时,对应的去除率分别为83.0%,97.8%, 86.6%,56.0%,87.4%,63.2%。当进水p H值为3.5～5.8,停留时间为5～10 d时,出水p H值可达6.18～7.07,完全符合国家一级排放标准。

研究表明,人工湿地生态系统在不同水力负荷时,运行周期一般在8～15 d,与深层煤矸石的水浸提液p H值变化周期基本吻合,因此,可以把用煤矸石作为填料的人工湿地处理系统的运行周期定为10 d左右,使湿地运行能够达到最佳的处理酸性矿井水的效果。

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(责任编辑 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,硕士、工程师,中国矿业大学 (北京)化学与环境工程学院,主要研究方向:环境工程。