阳泉地区“老窑水”现状及治理对策探究

杜娟娟

(太原理工大学，山西 太原 030024)

我国煤炭资源丰富，对经济增长和社会进步的发展起着至关重要的作用。我国煤炭资源的开采方式主要是地下开采，煤层埋藏于地下，含硫矿物在天然状态下是稳定的，而在开采过程中，破坏了原环境，使所开采的煤层暴露在空气中，为含硫矿物氧化为硫酸根创造了条件[1]。煤炭开采后多形成采空区，地下水逐渐聚集，煤层中硫化矿物经过一系列物理化学反应，其产物溶于水中，逐步汇聚在老空区，而呈现出酸性“老窑水”的特征。随着越来越多的煤矿在没有适当关闭解决方案的情况下被关闭，这种现象更加严重。这些大量关闭的煤矿必然会导致“老窑水”的发生，从而给水资源和生态环境带来风险。

山西省是我国煤炭大省之一，全省划为六大煤田，年均煤炭产量超过10亿t，其中阳泉矿区位于我国著名的无烟煤生产基地阳泉市[2]，大部分煤矿于2000年煤矿资源整合时关停。据初步调查，阳泉市已有200余座废弃煤矿，采空区面积较大，且采空区内蓄积形成的“老窑水”约1300万m3，目前已在部分区域出露。未来几十年，阳泉市大量矿井闭坑，采空区内形成的“老窑水”将会更多，而其水体中含有的硫酸根离子为极不易沉降的组分，会随着水体进行长距离迁移，部分污染物会下渗进入地下水中，将会对阳泉地区地表水水质造成严重影响[1]。因此，从阳泉市的生存、发展以及人民饮水安全着眼，开展“老窑水”的治理对策研究是一项非常迫切的任务。

1 阳泉地区“老窑水”成因及影响现状

1.1 “老窑水”的成因

“老窑水”是高硫煤在开采过程中，煤系地层和围岩中的硫化矿物、有机硫在与氧气和水接触的条件下，被氧化硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等微生物催化氧化，生成硫酸根和氢氧化铁，使水呈现酸性，产生了酸性“老窑水”[2-3]。研究表明，采空区水的形成需要三个水文地质条件：首先是补给来源，一般来自于大气降水、地表水、基岩裂隙水以及喀斯特水等；其次，充水通道对“老窑水”的形成至关重要，常见的充水通道包括顶板垮落形成的冒落裂隙通道、裂缝带、陷落柱、封闭性差的钻孔等；第三，聚水空间是造成采空区水形成的另一个重要因素[1,4]。

1.2 阳泉地区“老窑水”影响现状

阳泉市娘子关泉水化学组分含量自2010年前就有缓慢增长趋势，到2010年后为快速增长期，泉水中的硫酸根超出国家饮用水水质标准，在2003—2014年期间，泉水中来自煤系地层的硫含量年增长率在2.07%～6.14%，对泉域造成了明显的影响[5]。另外，阳泉地区山底河流域受“老窑水”影响，区域的水质状况较差。根据中国地质科学院岩溶地质研究所、太原理工大学、山西大学等相关单位研究成果可知：2014年4—12月，山底河煤矿“老窑水”pH值为2.67～5.26，硫酸根逐月平均值为3570mg/L，水质评价结果有11项指标超国家地下水Ⅲ类水水质标准；2018年进行取样分析，硫酸根的平均浓度约为5200mg/L，pH值约为3.39；2020年，在牵牛山煤业的小沟煤矿和山底煤矿渗出地表的“老窑水”在丰平枯3个时期中，pH值均在3.5以下，枯水期硫酸根浓度可达10000mg/L以上。由此可见，山底河流域出流“老窑水”水质较差，已严重威胁到阳泉地区生态环境。

2 “老窑水”危害

煤矿“老窑水”具有体量大、水质差、流动性强的特点，其水化学特征体现为高硫酸盐、高总溶解固体和低 pH 值等。“老窑水”的危害表现在以下几方面：

a.部分“老窑水”出露地表，如白羊墅煤矿、山底河流域煤矿、小沟煤矿等，在煤矿矿坑内“老窑水”蓄满后，从流域煤系地层出露的最低处溢出地表(见图1)，对当地水生态系统和当地居民健康构成威胁。

图1 阳泉地区部分“老窑水”出露点

b.“老窑水”直接或间接渗入喀斯特含水层，导致跨层污染，给娘子关泉域的水质带来持久性影响，威胁群众的饮水安全和当地良好的水生态环境。

c.“老窑水”的出露和下渗不仅导致阳泉地区河流酸化、金属离子浓度升高，污染娘子关泉域喀斯特水，而且经“老窑水”污染的河水灌溉后会使得重金属和硫酸盐等组分在土壤中富集，严重威胁着区域农作物生长及人群健康；同时，也会使“老窑水”中的金属离子进入河床基质中，对河流水生植物和水生动物造成一定的影响。

3 治理对策探究

目前对“老窑水”的处理方式包括末端治理(常见的处理方法有化学处理法、物理处理法、生物处理法等)和源头控制。末端治理具有见效快、可一次性获得满意效果的优点，但存在流量与污染物含量动态变化较大时处理难于控制、处理后大量沉淀物的处置以及运行成本高等问题。而源头治理起效慢，前期投入大，难于一次性处理达标，但其占地少，运行成本低，处理时长灵活。比较而言，末端治理是污水处理，重点考虑处理工艺；而源头治理需要考虑的因素要复杂得多，包括影响酸化的因素，“老窑水”集水区及氧化、还原区的空间分布，其质、量动态特征，水的补、径、蓄、 排循环条件，处理方法的选取、工艺流程等。

本次研究针对阳泉“老窑水”现状和现场实际情况，按照分类制定、综合施策的原则，提出了“源头控、末端治”有效结合的治理方案。

3.1 源头治理

3.1.1 减源

硫化矿物被氧化硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等微生物催化氧化而形成“老窑水”，而这些细菌在“老窑水”的形成过程中起到了十分关键的催化氧化作用。因此，在井下或者是已经废弃的封闭井巷内投放适量的抑菌剂，可有效抑制氧化细菌的活性或者减少水中微生物的数量，有效降低“老窑水”的生成。

3.1.2 封闭处理

封堵闭坑矿井与外部的各种通道(其中包括形成串层污染的废旧钻孔)，并对煤矿采空区地表采取黄土回填、覆盖、碾压、复垦等防渗措施，阻止大气降水入渗补给，从源头上彻底截断矿坑水的补给源。对采空区上部加大植树造林的力度，通过植物根系闭合坑道上覆地层裂隙。

3.2 末端治理

源头治理工程一般布置在“老窑水”的出露点或者井口处。目前，研究较为广泛的方法为中和法、微生物法、可渗透反应墙以及人工湿地法等。各处理技术均有不足之处，因此，单一的处理方法并不适用于处理高浓度的酸性“老窑水”，在综合阳泉市水务局、中国地质科学院岩溶地质研究所、太原理工大学等相关单位研究成果的基础上，提出相应的治理方案，包括露天矿以及坑下水的处理，并根据不同地区的水质、水量及循环特征选取不同的处理方案。

3.2.1 缺氧石灰石沟法-人工湿地系统

对于酸性浓度不高且区域出露场地，可将石灰石埋在地下沟渠中，进行中和反应(见图2)。为了保证石灰石的溶解效率，进水流量不宜过快，出水截流后污水进一步进入人工湿地处理。人工湿地系统中的水生植物以及微生物可将“老窑水”中的有机物降解，有效削减外排。人工湿地示意见图3。

图2 缺氧石灰石沟法示意图

图3 人工湿地示意图

该处理方法工艺简单，成本较低，但仅适合于酸性浓度较低且有出露场地可以利用的“老窑水”治理。

3.2.2 可渗透反应墙-人工湿地系统

当废弃的矿井巷道可被利用时，在矿井的井口附近布置可渗透反应墙装置(见图4)。当水体流经墙体时，装置中的活性材料通过一系列的物理、化学、生物等反应，使水中污染物降解。同时在出水口附近建设人工湿地处理系统，有效去除出水体中的有机物、铁、锰等物质。

图4 可渗透反应墙示意图

该处理方法无须外加动力，可以充分利用废弃矿井通道，较为经济便捷，但可渗透反应墙随着系统的运行，会出现一定的堵塞，因此在实际运行过程中需根据处理能力定期更换相应的填充材料。

3.2.3 可渗透反应墙-连续碱反应系统-人工湿地系统

综合现阶段“老窑水”处理技术现状，若该区域“老窑水”酸性较大且处理量较大时，可采用可渗透反应墙-连续碱反应系统-人工湿地系统对“老窑水”进行治理，即在废弃的矿井井口附近布置可渗透反应墙处理装置(见图5)。同时在出水口附近建设连续碱-人工湿地处理系统，有效去除出水中的酸及铁、锰等物质。

图5 连续碱反应系统示意图

4 结 语

阳泉地区煤炭资源丰富，近几年随着煤炭资源的整合，大量矿井关闭，在采空区内形成的“老窑水”水量较大，且“老窑水”水质差、流动性强，已对阳泉地区地表水和地下水水质产生了深远的影响。因此，从阳泉市的生存、发展以及人民饮水安全着眼，开展“老窑水”的治理对策研究是一项迫切的任务。在制定治理方案时，要因地制宜，处理工艺简单实用，尊重科学但不一味追求学术上的“高、精、尖”而牺牲实用性，使得处理成本经济化，有利于全面持续推广。本文按照分类制定、综合施策的原则，系统地开展了“源头控、末端治”有效结合的治理方案的探究，可为当地“老窑水”治理提供依据，为其他类似地区的“老窑水”治理提供借鉴。