煤礦塌陷區人工濕地處理污水的可行性研究＊

鄭 濤 黃少鵬

(安徽財經大學經濟發展研究中心,安徽省蚌埠市,233041)

1 問題的提出

煤炭資源型城市是伴隨著煤炭資源的開發而發展起來的一類具有特殊性質的城市。在我國的118個資源型城市中,煤炭資源城市有63個。這些城市為國家的經濟建設做出了巨大貢獻,然而,隨著礦區的建設和煤炭的開采,也留下了許多生態環境問題。

(1)煤炭地下開采形成大量的塌陷區,使得地形地貌和生態環境遭到很大破壞。土地的塌陷和水源地的改變,對原生地的物種生長、生物鏈、水系循環造成嚴重影響,旱系生態環境向濕地生態環境轉變。根據煤田地質結構的不同,每開采萬噸原煤可形成0.1～0.3 hm2的塌陷區。據不完全統計,全國煤炭地下開采歷年形成的塌陷區已達40萬hm2,平均每年形成塌陷土地1.5～2.0萬hm2,其中耕地占30%。淮北市形成的38處共1.5萬hm2塌陷區中,大部分成了濕地。淮南市塌陷區面積達1.328萬hm2,約占全市國土面積的5.1%。

(2)礦區水污染嚴重,水資源短缺。礦區污水主要有生產過程中外排的井下水和不斷擴大的礦區居民所產生的生活污水兩個來源。煤炭資源型城市布局呈現點多、線長、面廣的特征,每個礦井即形成一個獨立的社區,加大了治理的難度。許多煤炭資源型城市位于缺水地區,例如淮北市人均占有水資源量不足500 m3/a。抽排礦井水進一步降低了地下水位,同時礦區生產、生活大量用水加劇了水資源的短缺,致使許多資源型城市用水更加緊張。

(3)固體廢棄物難以處理,大量占用耕地。固體廢棄物主要來源于煤炭開采的煤矸石和火力發電廠所產生的粉煤灰,屬于大宗工業固體廢棄物。據測算,每采出1億t煤產生煤矸石可達1500萬t,發1000萬kWh的電可產粉煤灰800 t,煤矸石和粉煤灰的堆放不但增加企業運行成本,同時擠占土地,破壞環境,給企業和生態環境帶來巨大的負擔和影響,也浪費了資源。

針對上述礦區的生態環境問題,在傳統的治理過程中基本是以分別治理為主,成本投入大而收效低。遵循循環經濟的理念,充分利用難以復墾,也不適合構造景觀的積水洼地塌陷區,構造凈化型人工濕地處理污水,變分而治之為綜合治理,可以大大提升經濟效益和生態環境效益,是一種很好的人工與自然生態復合的治理模式。

2 人工濕地處理系統的比較優勢

2.1 傳統技術對礦區污水處理的弊端

傳統廢水處理方法分為物化處理和生化處理,它們的造價比較高,各有優缺點。以活性污泥法為例,目前這種處理工藝的造價按處理能力計算為每噸污水1500元,其對礦區生活污水中總氮和總磷的去除率只能達到30%,處理效果不夠理想。同時還會產生大量污泥,一般處理1000 t污水會產生1 t污泥,污泥的處理費用也比較高。針對傳統方法的弊端,許多煤炭資源型城市結合自身條件進行了積極的探索和改進。例如淮南礦業集團采用先進工藝處理礦區礦井水及生活污水,將處理后的污水和底泥進行資源化利用,為企業節約了運行成本,為社會創造了環境效益。

但這些城市在運用傳統工藝處理污水的過程中也存在一些缺陷:對礦井水和生活污水進行的是分類處理而不能集中處理;沒有能夠利用礦區自身的物質優勢和地理優勢,因地制宜地對礦區生態環境進行綜合治理;運行成本比較高。因此,針對礦區的特殊環境,傳統污水處理工藝顯然不是最佳方案。

2.2 人工濕地對礦區污水處理的優點

人工濕地是一種新型的生態治理污水技術,可處理多種污水。它由人工建造和監督控制,利用系統中基質—水生植物—微生物的物理、化學、生物的三者協同作用,通過基質過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現對污水的高效凈化,能夠處理包括化工、紙漿、印染等各類廢水。與傳統的污水處理技術相比較,它具有工藝設備簡單、運行費用低廉、維護管理方便、凈化效果明顯等優點,越來越受到人們的青睞。煤炭資源型城市粉煤灰非常豐富,可以被選作濕地基質,再栽種某些適宜的水生植物即可組成人工濕地,這種因地制宜修復利用塌陷地的途徑代價低、效果好,不僅可以很好地處理礦區污水,還可以將處理過的水用以農作物灌溉或處理回用,同時還能實現粉煤灰的資源化利用,達到以廢治廢的目的。如果選擇有經濟利用價值的水生植物進行養殖,不僅可美化和改善區域環境,還可產生經濟效益。這種模式有利于實現塌陷區水、土資源的優化配置,改善礦區城市的生態環境,推進了采煤塌陷土地綜合效益的發揮。

3 塌陷區人工濕地處理污水的可行性分析

煤炭塌陷區分為坡地、淺水濕地和深水濕地3種類型,深淺不一,形式多樣。在符合條件的塌陷區基礎上構造人工濕地處理礦區污水具有技術可行性和經濟可行性,同時還能取得多重效益。

3.1 技術可行性分析

(1)處理過程。礦區污水主要有兩個來源,一是生產過程中外排的井下水,其成分是煤塵、巖粒和一定量的細菌;二是礦區居民所產生的生活污水,其主要成分是有機污染物、氮、磷、固體懸浮物(SS)和病原體等。可見,無需進行特殊工藝處理,構建塌陷區人工濕地采用生態自然處理法就能夠對礦區污水進行有效處理。污染物的去除見表1。

表1 污染物的去除過程

塌陷區人工濕地系統應按照設計處理能力和當地自然條件進行適當改造后投入使用。在具有一定長寬比及底面坡度的塌陷洼地中,由土壤和粉煤灰混合組成填料床,污水可以在床體的填料縫隙中曲折地流動,或在床體表面流動。在床體的表面種植蘆葦等具有處理性能好、成活率高、抗水性強的水生植物,形成一個獨特的動植物生態環境,對污水進行處理。濕地系統成熟后,填料表面和植物根系將由于大量微生物的生長而形成生物膜。廢水流經生物膜時,大量的固體懸浮物被填料和植物根系阻擋截留,有機污染物則通過生物膜的吸收、同化及異化作用而被除去。濕地系統中因植物根系對氧的傳遞釋放,使其周圍的環境中依次出現好氧、缺氧、厭氧狀態,保證了廢水中的氮、磷不僅能通過植物和微生物作為營養吸收,而且其化合物還可以通過硝化、反硝化作用被除去,最后濕地系統通過更換填料或收割栽種植物將污染物除去。

(2)凈化效果。人工濕地分為兩種類型:自由水面人工濕地(簡稱FWS)和潛流型人工濕地(簡稱SFS)。FWS系統中,廢水在濕地的土壤表層流動,水深較淺,處理效果不夠明顯。而SFS系統,污水在濕地床的表面下流動,處理能力強,不易受影響,衛生條件好。人工濕地去除的污染物范圍廣泛,包括氮、磷、固體懸浮物、有機物、微量元素和病原體等,利用該方法處理生活污水和工業有機廢水,效果很好。有關研究結果表明,廢水中大部分有機物作為易養微生物的有機養分,最終會被轉化為微生物細胞、二氧化碳和水。在進水濃度較低的條件下,人工濕地對5日生物需氧量(BOD5)的去除率可達85%～95%,出水的生化需氧量(BOD)能達到10 mg/L以下,化學需氧量(COD)去除率可達80%以上,出水的COD能達到30 mg/L以下,SS小于20 mg/L,一般生活污水經過濕地處理后,總磷和總氮的去除率分別可達到70%和90%以上,遠優于國家排放標準,可以達到地面水三級標準。從我國已經建成的人工濕地的運行結果表明(見表2),出水水質完全滿足《城市雜用水水質標準》的要求。

表2 國內人工濕地正式工程運行效果

3.2 經濟可行性分析

(1)改造費用。煤礦塌陷區形成的洼地是良好的人工濕地雛形,選取淺水區域進行適當改造后即可投入使用。坑口電廠有大量的粉煤灰可以作為基質,它是一種多孔性松散固體聚合物。研究表明,粉煤灰對氨、氮的吸附能力與活性炭、細煤渣相近,對總磷的吸附能力大于活性炭和細煤渣。基質無需外購,這是在礦區構建人工濕地系統的成本優勢,同時實現粉煤灰的資源化利用。傳統生化處理技術的造價都很高,比如活性污泥法的造價為每噸污水1500元。相比之下,人工濕地兩種類型造價都比較低:FWS系統的造價為每噸污水150～300元;SFS系統的造價為每噸污水800元左右。在塌陷區構造人工濕地能夠充分利用當地自然資源和物質條件,造價比普通人工濕地低,更是遠低于常規處理技術。

(2)運行費用。由于人工濕地是利用基質過濾、吸附、植物吸收和微生物分解等作用對污水進行高效凈化,不需要投加化學藥劑和曝氣充氧等,所以與傳統的污水處理技術相比,它具有工藝設備簡單,運行費用低廉,維護管理方便等優點。人工濕地的處理費用一般為每噸污水0.1～0.2元,而活性污泥法為每噸污水為0.5～1元。由于基質的吸附能力降低、堵塞和淤積等,會導致凈化效果退化,一般人工濕地的使用壽命為15～20年。對于達到使用年限的人工濕地,可以采取兩種處理方法:一種是重新建設人工濕地系統,在這種情況下,廢棄的人工濕地可以復墾為肥沃的農田來使用。另一種是重新更換底部基質,恢復處理能力,這種方法只要將底部的基質掏出用作肥料,將新的粉煤灰加入,就可重新恢復人工濕地系統的工作能力。

3.3 塌陷區人工濕地價值分析

(1)生態環境價值。煤炭資源型城市同時存在水體污染和大氣污染等環境問題。人工濕地系統不但能很好地處理礦區污水,而且對大氣有一定凈化作用。濕地中的水生植物(蘆葦、水芹、浮萍、睡蓮等)對空氣粉塵具有很好的吸附、過濾和凈化效果,這對大氣污染尤為突出的煤炭資源型城市意義重大。人工濕地還能夠保護生物多樣性,具有資源價值。資源價值還體現在資源循環利用方面,塌陷區的人工濕地構造用其特有的粉煤灰等作為基質,實現了資源的高效利用和循環利用,體現了資源化、再循環的特點,這種形式將廢棄物的綜合利用與廢水的凈化處理有機結合起來,本質上是一種生態經濟。此外,人工濕地還具有改善氣候、改善土壤和調洪蓄水等生態功能。

(2)經濟社會價值。在塌陷區人工濕地種植有經濟利用價值的植物可以取得經濟效益。許多水生植物具有經濟價值,比如可以將塌陷地修復為蘆葦濕地,產品蘆葦為造紙業提供優良的原材料,濕地系統用來處理造紙廢水。從而實現葦紙生態產業化和造紙廢水的資源化利用,帶動當地經濟的發展。煤炭資源型城市選煤產業會消耗大量水資源,污水經過人工濕地處理后可以達到地面水三級標準,其出水可以用于選煤,也可用于沖廁、灌溉、景觀用水和澆灑道路等。如果在嚴重缺水的礦區,還可以將人工濕地出水進一步處理后作生活飲用水,實現廢水資源化利用,緩解地區水資源短缺矛盾。另外,由于粉煤灰能夠改善土壤結構,提高土壤肥力,所以廢棄后的人工濕地可以作為肥沃的農用地使用,種植經濟作物,獲得經濟效益。這些都符合循環經濟和可持續發展的理念和要求。

4 結論

煤炭資源型城市經濟社會發展造成了嚴重的環境污染:礦井水和生活污水導致水體污染;粉煤灰和飛灰導致大氣污染;煤礦開采導致出現大量塌陷地。要解決這一系列的環境問題,必須全面考慮,綜合治理。利用煤礦塌陷區構造人工濕地是一種很好的生態綜合治理模式,它不僅具有普通人工濕地凈化污水等諸多優點,還具有自身的獨特優勢:改造塌陷區,合理使用土地;利用粉煤灰,實現廢物資源化;改善土壤,增加復墾面積;栽種植物,凈化城市空氣。

需要指出的是,在應用該模式時,應當特別注意防止二次污染和對周圍環境產生影響。人工濕地還可以與傳統污水處理方法配合使用,比如在污水處理廠的附近建造人工濕地,將其出水引入,加強處理,提高水質。當然,人工濕地系統也有缺點,比如易受病蟲害影響和氣候溫度影響等,但這些問題可以在運行過程中得到解決。

總之,無論是在技術層面還是在經濟層面,利用煤礦塌陷區構造人工濕地處理污水是完全可行的,同時還可以獲得生態環境效益和經濟社會效益。在實際應用中,不同煤炭資源型城市應當根據當地的氣候條件和經濟水平選擇合適的系統模式,因地制宜、統籌兼顧、整體規劃、改善優化,促進區域的可持續發展。

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