利用人工水坝治理受煤矿废水污染河流——以都匀市杨柳街河为例

胡长春 宋 威 雷 宇

(黔南生态环境监测中心, 贵州 都匀 558000)

煤矿中往往伴生有硫铁矿等杂质，致使煤矿开采易产生含铁浓度较高的废水。这种高含铁的煤矿废水未经处理或处理效果不佳就排入天然河流，会对河流造成污染，受污染河水因含有较高的Fe2O3，使河水及部分河床多呈现黄色、深黄色(一般水中总铁浓度大于1.0 mg/L后水就会呈现出黄色)，因此又被称为锈水河[1]。都匀市杨柳街河就是这样一条饱受严重污染多年的河流，直到2016年在河流下游建成大龙井水坝并蓄水之后，水坝库区及以下河段水质才有了明显改善。

1 杨柳街河污染及治理历程

杨柳街河属长江流域洞庭湖水系沅江上游清水江(都匀市区段也称剑江)在都匀市区上游汇入的一条支流，河全长21 km，流域面积91 km2，年径流总量约6000万m3。杨柳街河小流域内曾经煤矿(以小煤窑为主)众多，流域内的煤矿主要分布在菠萝冲、张家山、铁冲、金银山、乌龟破等地，各煤矿废水或直接流入菠萝冲以下的杨柳街河干流河段，或先流入其支流砂锅厂小河、铁冲小河等然后再汇入杨柳街河中下游[1-2]。多年来高含铁的煤矿废水给河流带来了严重的污染。杨柳街河流域图见图1。

2002年前，对杨柳街河流域内少量煤矿废水有过零散的治理。从2003年起，开始了对杨柳街河水污染的大规模治理。2004到2005年，都匀市政府相关部门牵头，菠萝冲、张家山等几家被许可生产的煤矿企业投资上百万建成了废水处理站并负责运行，同时也进行河道清淤等；但由于废水处理站管理不善和运行不稳定，河水仅仅短暂好转几个月之后就又恢复铁锈黄色而且逐渐加重。2008年又投入大量财力物力对这几家煤矿废水治理设施进行技术改造和提升，同时还开展了对废弃煤矿区植树造林等活动。此轮治理与上次几乎相同原因，导致治理仍未见任何效果。相反在随后几年里因煤炭市场向好、煤矿开采力度加大等原因而使杨柳街河受污染更加严重。

在这两轮治理中，治理方案主要采用污染源末端治理方式，虽然建成了煤矿废水处理站并且从技术上是能将煤矿废水处理后达标的，但污染治理设施因其正常运转需要成本投入，而与此同时违法成本又很低，从而导致了产生污染的煤矿企业普遍对治理并无动力和积极性，而相关部门的监管能力有限，致使一些煤矿废水处理站建成之后基本上没有运行，形同虚设[3]；另外，一些煤矿废水处理站由于负荷达不到煤矿废水排水量要求，即使经常运转但也仅处理了煤矿中的少量废水，大多数废水直接外排最后进入杨柳街河中。

几轮治理之后，受煤矿废水影响的杨柳街河及剑江河段水质仍未好转，河水中总铁浓度不降反升，杨柳街河水质变得更差：杨柳街中游下坝桥断面总铁浓度从2001年的2.15 mg/L增加到2010年的7.69 mg/L[4]和2012年的9.64 mg/L[2]，高于GB20426-2006《煤炭工业污染物排放标准》7 mg/L的限值，更远远高于地表水环境质量标准GB3838-2002表2中0.3 mg/L的标准。杨柳街河口断面总铁浓度2010年亦为4.02 mg/L，2012年则达6.25 mg/L。而在杨柳街河未曾受到污染的菠萝冲上游的高桥断面，总铁浓度只有0.003 mg/L，远低于地表水环境质量标准的限值。

从2004年的第一轮治理开始，在进行废水治理工程的同时还对杨柳街河流域内的煤矿(小煤窑)加之以关闭封停等措施。2004年，查封了无证开采的小煤窑，到2014年底则彻底关闭了流域内的全部煤矿。但由于和全国多数地区一样，不少关停废弃煤矿依然产生矿坑废水并外流[5-6]，尽管矿坑废水水量有所降低，但还是对河流持续造成污染。

2015年，因杨柳街河的前几轮治理基本无效，在河中修筑多级小水坝，利用河流天然河段及水坝坝顶溢流跌水的治理方案被采纳，同年，杨柳河下游河段上的大龙井水坝开工建设，2016年初完成建设投入使用。

2 大龙井水坝及其效果分析

2.1 方法原理

煤矿中伴生的硫铁矿等杂质使得煤矿废水中含较高的铁、硫化合物，在地表经自然曝气氧化等作用逐步转化为单质硫、亚硫酸、硫酸及其盐类，以及氢氧化亚铁、氧化亚铁、氢氧化铁、氧化铁等形态，其中铁污染物最终转化为氧化铁(Fe2O3)。Fe2O3呈悬移质形态，在静水、缓流水中很易于沉淀。因此，可使煤矿高含铁废水及受其污染的河水先曝气氧化，再在人工修建的水坝内缓流沉淀，经曝气─沉淀─曝气─沉淀多级反复处理后，铁污染物逐渐转化后沉淀于河底，以降低下游河段污染负荷，从而提升水质[4]。

2.2 水坝概况

大龙井水坝位于杨柳街河下游河段的大龙井，上游距离马坡2.2 km，下游距离杨柳街河口1.2 km，设计坝型为混凝土砌石重力坝，坝顶长度50 m，最大坝高17 m，最大高程830 m，采用溢流堰，溢流段长23 m，堰顶高程820 m，工程投资300余万。大龙井水坝建成后，形成总库容18.6万m3，回水长约700 m的小微型水库库区。

2.3 水坝效果

大龙井水坝建成后，在2020年8月经监测，水中总铁浓度由尚未沉淀的水坝库尾前的5.13 mg/L，经过沉淀之后到达水坝坝后时浓度大幅度下降到了0.63 mg/L，降幅达87.7%(见表1)，颜色由深黄变为较清亮的浅黄绿，监测期间该段河水流量约为2 m3/s。大坝上下游其他几个河流断面在水坝未曾修建的2012年7—8月和建成后的2020年8月总铁浓度变化也见表1。

表1 水质总铁监测结果表 单位：mg/L

2020年，水坝库尾上游的下坝桥、马坡断面总铁浓度比2012年虽有一定的下降，但下降幅度有限，分别为17.4%和42%，这从一个侧面证明关闭全流域煤矿对降低杨柳街河的污染有一定作用，但作用有限。而水坝建成后，在大龙井水坝下游的河口断面，总铁浓度从建坝前2012年的6.25 mg/L下降到建坝后2020年的0.50 mg/L，下降幅度达92%。在杨柳街河汇入后的剑江，因杨柳街河水质好转，以及剑江干流上建成的三江堰水坝共同的沉淀作用，剑江桥头堡断面总铁浓度从2012年的4.19 mg/L下降到2020年的0.13 mg/L，下降幅度更高达96.9%。

2.4 人工水坝治理方法特点

由于筑坝之前杨柳街河污染严重，河流水生生态系统已遭受严重破坏，河流水生动植物数量稀少，水生态功能基本丧失。所以建水坝尽管改变了该河段的流速与流态，但对河流水生生态系统的影响可以忽略。此外，水坝修筑点与水库回水末端之间河床比降较大，回水区沿河两岸无居民居住区，水坝建成后虽减缓了水流速度，但增加了氧化时间，达到了大幅降低污染物浓度的目的。

与其他常规方法相比，该方法属静态治理方案，即除水坝建筑之外不需要其他机电设备、不耗电、无须投加化学药品、无须专人维护[7]，一次建成之后能长期发挥作用，在运行期运行成本与能耗方面与常规治理方法相比具有显著优势。

综上所述，经过修建水坝，使杨柳街河最下游近2 km的河段河水中总铁浓度大大降低，水由黄基本变清，水质显著改善。采用该治理方法是有效的。

3 后续治理浅议

单一的一道水坝只能解决一部分河段的水污染问题，而从水坝回水末端上溯到菠萝冲的8 km河段则依然呈黄色。此外，在丰水期前后，河水流量较大，河水在水坝中停留时间太短，则单个这样的小水坝的效果就有限，同时由于没有上一级水坝的坝顶溢流曝气增氧的作用，促使更多的含铁化合物充分氧化变为Fe2O3，下一级水坝的沉淀作用也要打折扣[8]。目前尽管杨柳街河从大龙井水坝到河口段水质变好，但与地表水环境质量标准GB3838-2002表2中0.3 mg/L的标准值相对照还是稍偏高。若要达标，全河段的治理应以多级水坝为宜。

此外，煤矿废水入河河段建设水坝应留出适当的曝气距离，以便使曝气更为充分，从而增加沉淀效果。因此，后期多级水坝的设置应根据排口位置和曝气距离合理设置，并非越多越好。

最后，河段内沉积氧化铁在河流水质缓冲性能及其它参数发生变化时，存在二次污染河段的风险。因此，应首先编制长期的监测计划，对河流水质变化进行观测。此外，应结合水坝的疏浚计划，合理安排底泥的清理，或采取其它生物生化手段，以降低底泥回溯产生二次污染的风险。

4 结论

作为一种静态治理方式，利用河流自然曝气和水坝的加速沉淀作用，能使受煤矿废水污染的河流河水中以铁为主的污染物浓度大幅度降低，水质得到有效的改善。此种治理方案与传统治理方案相比，具有低运行维护投入和低运行物耗、能耗的优点。但同时也可看到，此种治理方案也存在一定的短板。首先，就本案例而言，下游河段水生态功能已基本丧失，作为一种抢救性的治理手段，此方案具备一定的合理性。但对于水生态功能并未完全丧失的河段，则需对筑坝改变流态、流量对下游水生态功能影响进行综合评估后，视评估情况决定是否采取这样的手段；其次，使用此方案，尽管相关水质指标有了显著提升，但尚未达到相关水质标准，因此后续治理需根据实际情况采取包括多级水坝及其它一些补充措施在内的综合治理手段；此外，应用此方法存在底泥回溯造成二次污染的风险，因此，一方面应对河流水质参数制定长期监测计划；另一方面，应结合水坝的疏浚计划，合理安排底泥的清理，或采取其它生物生化手段，以降低底泥回溯产生二次污染的风险。