利用人工水壩治理受煤礦廢水污染河流
——以都勻市楊柳街河為例

胡長春 宋 威 雷 宇

(黔南生態環境監測中心, 貴州 都勻 558000)

煤礦中往往伴生有硫鐵礦等雜質，致使煤礦開采易產生含鐵濃度較高的廢水。這種高含鐵的煤礦廢水未經處理或處理效果不佳就排入天然河流，會對河流造成污染，受污染河水因含有較高的Fe2O3，使河水及部分河床多呈現黃色、深黃色(一般水中總鐵濃度大于1.0 mg/L后水就會呈現出黃色)，因此又被稱為銹水河[1]。都勻市楊柳街河就是這樣一條飽受嚴重污染多年的河流，直到2016年在河流下游建成大龍井水壩并蓄水之后，水壩庫區及以下河段水質才有了明顯改善。

1 楊柳街河污染及治理歷程

楊柳街河屬長江流域洞庭湖水系沅江上游清水江(都勻市區段也稱劍江)在都勻市區上游匯入的一條支流，河全長21 km，流域面積91 km2，年徑流總量約6000萬m3。楊柳街河小流域內曾經煤礦(以小煤窯為主)眾多，流域內的煤礦主要分布在菠蘿沖、張家山、鐵沖、金銀山、烏龜破等地，各煤礦廢水或直接流入菠蘿沖以下的楊柳街河干流河段，或先流入其支流砂鍋廠小河、鐵沖小河等然后再匯入楊柳街河中下游[1-2]。多年來高含鐵的煤礦廢水給河流帶來了嚴重的污染。楊柳街河流域圖見圖1。

2002年前，對楊柳街河流域內少量煤礦廢水有過零散的治理。從2003年起，開始了對楊柳街河水污染的大規模治理。2004到2005年，都勻市政府相關部門牽頭，菠蘿沖、張家山等幾家被許可生產的煤礦企業投資上百萬建成了廢水處理站并負責運行，同時也進行河道清淤等；但由于廢水處理站管理不善和運行不穩定，河水僅僅短暫好轉幾個月之后就又恢復鐵銹黃色而且逐漸加重。2008年又投入大量財力物力對這幾家煤礦廢水治理設施進行技術改造和提升，同時還開展了對廢棄煤礦區植樹造林等活動。此輪治理與上次幾乎相同原因，導致治理仍未見任何效果。相反在隨后幾年里因煤炭市場向好、煤礦開采力度加大等原因而使楊柳街河受污染更加嚴重。

在這兩輪治理中，治理方案主要采用污染源末端治理方式，雖然建成了煤礦廢水處理站并且從技術上是能將煤礦廢水處理后達標的，但污染治理設施因其正常運轉需要成本投入，而與此同時違法成本又很低，從而導致了產生污染的煤礦企業普遍對治理并無動力和積極性，而相關部門的監管能力有限，致使一些煤礦廢水處理站建成之后基本上沒有運行，形同虛設[3]；另外，一些煤礦廢水處理站由于負荷達不到煤礦廢水排水量要求，即使經常運轉但也僅處理了煤礦中的少量廢水，大多數廢水直接外排最后進入楊柳街河中。

幾輪治理之后，受煤礦廢水影響的楊柳街河及劍江河段水質仍未好轉，河水中總鐵濃度不降反升，楊柳街河水質變得更差：楊柳街中游下壩橋斷面總鐵濃度從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《煤炭工業污染物排放標準》7 mg/L的限值，更遠遠高于地表水環境質量標準GB3838-2002表2中0.3 mg/L的標準。楊柳街河口斷面總鐵濃度2010年亦為4.02 mg/L，2012年則達6.25 mg/L。而在楊柳街河未曾受到污染的菠蘿沖上游的高橋斷面，總鐵濃度只有0.003 mg/L，遠低于地表水環境質量標準的限值。

從2004年的第一輪治理開始，在進行廢水治理工程的同時還對楊柳街河流域內的煤礦(小煤窯)加之以關閉封停等措施。2004年，查封了無證開采的小煤窯，到2014年底則徹底關閉了流域內的全部煤礦。但由于和全國多數地區一樣，不少關停廢棄煤礦依然產生礦坑廢水并外流[5-6]，盡管礦坑廢水水量有所降低，但還是對河流持續造成污染。

2015年，因楊柳街河的前幾輪治理基本無效，在河中修筑多級小水壩，利用河流天然河段及水壩壩頂溢流跌水的治理方案被采納，同年，楊柳河下游河段上的大龍井水壩開工建設，2016年初完成建設投入使用。

2 大龍井水壩及其效果分析

2.1 方法原理

煤礦中伴生的硫鐵礦等雜質使得煤礦廢水中含較高的鐵、硫化合物，在地表經自然曝氣氧化等作用逐步轉化為單質硫、亞硫酸、硫酸及其鹽類，以及氫氧化亞鐵、氧化亞鐵、氫氧化鐵、氧化鐵等形態，其中鐵污染物最終轉化為氧化鐵(Fe2O3)。Fe2O3呈懸移質形態，在靜水、緩流水中很易于沉淀。因此，可使煤礦高含鐵廢水及受其污染的河水先曝氣氧化，再在人工修建的水壩內緩流沉淀，經曝氣─沉淀─曝氣─沉淀多級反復處理后，鐵污染物逐漸轉化后沉淀于河底，以降低下游河段污染負荷，從而提升水質[4]。

2.2 水壩概況

大龍井水壩位于楊柳街河下游河段的大龍井，上游距離馬坡2.2 km，下游距離楊柳街河口1.2 km，設計壩型為混凝土砌石重力壩，壩頂長度50 m，最大壩高17 m，最大高程830 m，采用溢流堰，溢流段長23 m，堰頂高程820 m，工程投資300余萬。大龍井水壩建成后，形成總庫容18.6萬m3，回水長約700 m的小微型水庫庫區。

2.3 水壩效果

大龍井水壩建成后，在2020年8月經監測，水中總鐵濃度由尚未沉淀的水壩庫尾前的5.13 mg/L，經過沉淀之后到達水壩壩后時濃度大幅度下降到了0.63 mg/L，降幅達87.7%(見表1)，顏色由深黃變為較清亮的淺黃綠，監測期間該段河水流量約為2 m3/s。大壩上下游其他幾個河流斷面在水壩未曾修建的2012年7—8月和建成后的2020年8月總鐵濃度變化也見表1。

表1 水質總鐵監測結果表 單位：mg/L

2020年，水壩庫尾上游的下壩橋、馬坡斷面總鐵濃度比2012年雖有一定的下降，但下降幅度有限，分別為17.4%和42%，這從一個側面證明關閉全流域煤礦對降低楊柳街河的污染有一定作用，但作用有限。而水壩建成后，在大龍井水壩下游的河口斷面，總鐵濃度從建壩前2012年的6.25 mg/L下降到建壩后2020年的0.50 mg/L，下降幅度達92%。在楊柳街河匯入后的劍江，因楊柳街河水質好轉，以及劍江干流上建成的三江堰水壩共同的沉淀作用，劍江橋頭堡斷面總鐵濃度從2012年的4.19 mg/L下降到2020年的0.13 mg/L，下降幅度更高達96.9%。

2.4 人工水壩治理方法特點

由于筑壩之前楊柳街河污染嚴重，河流水生生態系統已遭受嚴重破壞，河流水生動植物數量稀少，水生態功能基本喪失。所以建水壩盡管改變了該河段的流速與流態，但對河流水生生態系統的影響可以忽略。此外，水壩修筑點與水庫回水末端之間河床比降較大，回水區沿河兩岸無居民居住區，水壩建成后雖減緩了水流速度，但增加了氧化時間，達到了大幅降低污染物濃度的目的。

與其他常規方法相比，該方法屬靜態治理方案，即除水壩建筑之外不需要其他機電設備、不耗電、無須投加化學藥品、無須專人維護[7]，一次建成之后能長期發揮作用，在運行期運行成本與能耗方面與常規治理方法相比具有顯著優勢。

綜上所述，經過修建水壩，使楊柳街河最下游近2 km的河段河水中總鐵濃度大大降低，水由黃基本變清，水質顯著改善。采用該治理方法是有效的。

3 后續治理淺議

單一的一道水壩只能解決一部分河段的水污染問題，而從水壩回水末端上溯到菠蘿沖的8 km河段則依然呈黃色。此外，在豐水期前后，河水流量較大，河水在水壩中停留時間太短，則單個這樣的小水壩的效果就有限，同時由于沒有上一級水壩的壩頂溢流曝氣增氧的作用，促使更多的含鐵化合物充分氧化變為Fe2O3，下一級水壩的沉淀作用也要打折扣[8]。目前盡管楊柳街河從大龍井水壩到河口段水質變好，但與地表水環境質量標準GB3838-2002表2中0.3 mg/L的標準值相對照還是稍偏高。若要達標，全河段的治理應以多級水壩為宜。

此外，煤礦廢水入河河段建設水壩應留出適當的曝氣距離，以便使曝氣更為充分，從而增加沉淀效果。因此，后期多級水壩的設置應根據排口位置和曝氣距離合理設置，并非越多越好。

最后，河段內沉積氧化鐵在河流水質緩沖性能及其它參數發生變化時，存在二次污染河段的風險。因此，應首先編制長期的監測計劃，對河流水質變化進行觀測。此外，應結合水壩的疏浚計劃，合理安排底泥的清理，或采取其它生物生化手段，以降低底泥回溯產生二次污染的風險。

4 結論

作為一種靜態治理方式，利用河流自然曝氣和水壩的加速沉淀作用，能使受煤礦廢水污染的河流河水中以鐵為主的污染物濃度大幅度降低，水質得到有效的改善。此種治理方案與傳統治理方案相比，具有低運行維護投入和低運行物耗、能耗的優點。但同時也可看到，此種治理方案也存在一定的短板。首先，就本案例而言，下游河段水生態功能已基本喪失，作為一種搶救性的治理手段，此方案具備一定的合理性。但對于水生態功能并未完全喪失的河段，則需對筑壩改變流態、流量對下游水生態功能影響進行綜合評估后，視評估情況決定是否采取這樣的手段；其次，使用此方案，盡管相關水質指標有了顯著提升，但尚未達到相關水質標準，因此后續治理需根據實際情況采取包括多級水壩及其它一些補充措施在內的綜合治理手段；此外，應用此方法存在底泥回溯造成二次污染的風險，因此，一方面應對河流水質參數制定長期監測計劃；另一方面，應結合水壩的疏浚計劃，合理安排底泥的清理，或采取其它生物生化手段，以降低底泥回溯產生二次污染的風險。