礦井地下水污染機理及治理綜述

朱藝娜，王沙沙，宋寶來，張 玥，余小林

（龍巖學院 資源工程學院，福建 龍巖 364012）

煤礦開采過程中會造成地下水污染，并在停采后進一步擴散演化。當前我國礦井導致的地下水污染的防控還處于初步階段，很多地區缺乏重視污染防控的意識及防控污染體系的建設，造成很多地下水污染的相關問題。本文在煤礦區污染場地和地下水污染場地單元基礎上，敘述了目前煤礦區地下水污染的原因與影響。

1 礦井地下水污染問題概述

在開采煤礦的過程中，都會遇到的一個比較嚴重的問題，就是酸性礦井水的產生。在我國北方的部分相關數據報道中，地下水受到的污染是較為嚴重的。在開采煤礦的作業過程中產生的一系列垃圾堆積在礦井中產生了很多有害的微生物。這個問題已經引起了國家的關注，希望在開采資源的過程中，一定要保護好地下水資源，不然飲用水將會面臨嚴重的短缺問題。相對全國各地而言，北方是污染較為嚴重的地區，并不是其他地方就沒有受到污染，其他地方也是受到了一定程度的污染。除此之外，礦井水長期與地下礦井水接觸的儀器，比如排水管道，閥門等，日積月累下容易使儀器發生腐蝕，如果沒有及時得到維護和修理，極有可能發生水災事故。所以在進行采礦的時候，一定要處理好排水的問題[1-2]。

另外，一些地質專家和環境專家同樣開展了相關污染問題研究工作，在有關報道中，可以看到有些地質學家已經在努力地研究更好的方案來改善酸性礦井水的污染問題。

2 煤礦開采對地下水的影響

2.1 地下水污染誘因

從古至今，在開采煤礦的時候，很少有人會重視煤礦地下環境問題，尤其是煤礦開采過程中對水資源的污染。目前從一些監控的地下水資源來看，許多城市的地下水已經受到了嚴重的污染。在地下水資源減少的情況下，人類還需要更多的地下水，所以一定要解決這個嚴重問題。

在全國各地，地下水污染的情況還是比較嚴重的。尤其是北方地區尤為突出。污染嚴重的地區大多也是水資源匱乏的地區。在一些經濟落后、自然環境惡劣的地區，人們喝的水大多為地表水，并且沒有通過檢測，就這樣一直惡性地循環，若不制止的話，污染就會變得越來越嚴重，污染范圍也會越來越大[2]。

基于這樣的情況，必須要做點什么來改變這樣的現狀，首先需要有一個研究團隊，然后再從各個方面突破防治地下水污染的問題，讓更多的人可以喝到健康的飲用水，讓礦井工人在一個舒適的環境下工作，對他們的健康是很重要的。

2.2 具有腐蝕性的酸性礦井水產生機理

當地下水pH小于6時是酸性水，這種酸性水會腐蝕金屬，損壞設備。如果pH小于4則為強酸性地下水，腐蝕程度進一步加大，會損壞像鋼絲一類的材料，這類金屬材料設備一旦斷裂，就有可能造成嚴重的事故。黃鐵礦被氧化形成的產物會和地下水結合，形成酸性的地下水。黃鐵礦的氧化包含2個過程，一個是化學氧化，另一個是生物氧化。這2個過程中，比較起作用的生物氧化過程是一個極為重要的過程[3]。

化學氧化過程是硫鐵礦在水和氧氣的條件下被氧化。它的氧化過程包含3個，分別是：O2和FeS氧化成Fe2+和SO42-；O2和Fe氧化成Fe2+；Fe2+和黃鐵礦被氧化成Fe2+和SO42-[4]。

經過一系列的實驗可以發現，對于這些反應，只要改變一下溫度，其反應速度就會發生改變，當溫度增加到一定程度，反應速度將會比原來的速度更加地快。

在生物氧化的過程中，起著關鍵作用的是氧化亞鐵硫桿菌，其發生氧化的過程主要是將低價的亞鐵氧化，獲得自身生存和繁殖所需要的能量。經過很多次的實驗，發現這個氧化亞鐵硫桿菌在氧化反應中，起著一個關鍵的作用，可以促進氧化反應，加快氧化反應的速度，就像高錳酸鉀一樣，氧化性非常強。雖然通過提高高錳酸鉀的環境溫度，也可以加快氧化的速度，但是比起氧化亞鐵硫桿菌，還是沒有其作用強。在很多的氧化反應中，一般都需要加入氧化劑，使化學反應更加地迅速，以便進行觀察和研究[5]。

2.3 酸性礦井水帶來的影響

2.3.1 對煤礦安全的影響

煤礦中的礦井水開始是原始的地下水，當開采煤礦時候，煤礦中的一些化學物質會與地下水產生化學和生物化學反應，從而形成礦井水。礦井水與成煤地質環境和煤系地層礦物的化學成分中的含硫量有關:在普遍條件下，煤中含硫量大于3%時就會產生酸性水，只要含堿量大于5%時就不產生酸性水。

通過氧化產生的酸和堿，兩者發生中和反應產生的含酸量直接決定了礦井水的化學含量成分。礦井水的水質還與礦區水文地質條件、地質構造、礦井涌水量及環境因素有關。環境因素主要包括礦井的密封狀態、空氣流通的狀況，溫度和微生物的種類與數量有關等。

酸性礦井水對金屬設備產生一定腐蝕，使金屬設備的使用壽命很大程度降低，造成嚴重的安全生產隱患，影響礦井建設和正常的生產。

2.3.2 增加煤礦的生產成本

酸性礦井水會與金屬設備、支架等一系列金屬產品發生化學反應，直接腐蝕損壞本身。在影響礦井安全生產的同時，還減少了生產設備使用壽命，生產成本大幅度增加，給礦井管理方面也帶來了很大的資金問題。

2.3.3 加大對環境的污染

在酸性的礦井水下，頂板會被腐蝕，導致工作的環境極差。長期在這樣的環境下工作，會影響工人們的身體健康和在礦井里的工作效率。如果將這些酸性的礦井水外排，可能會對環境造成更大范圍的污染，所以在處理礦井水時，一定要注意用合理的方法去處理。

對于酸性礦井水的研究，希望得到更多的成果，然后設計出合理的方案，從而達到科學處理好礦井水的排放問題。其實可以設計出一款利用化學反應的酸堿中和反應減去或綜合掉礦井水中的酸。當然，具體的實施環節還有待去研究和發現。

2.4 地下水污染對生物及人體健康造成危害

礦井產生的地下廢水會以泄流的形式流進江河中，污染水會直接導致江河生物大量死亡，與江河相靠近的土壤酸堿性也會被破壞，影響植物生長，人們要是食用了污染過的食物將會出現皮膚過敏等癥狀，甚至死亡，危害人體健康。

首先，礦物廢水對于人體的危害是比較嚴重的，在人們飲用這些帶有毒素的水后，可能會出現一系列的身體反應，例如，嘔吐、頭暈目眩、食欲不振等癥狀，影響人們的身體健康。如果這個問題不解決，將會產生可怕的后果，這些有害的水在進入人體后嚴重的可導致死亡，所以地下水污染是一個非常嚴重的、必須要改善的問題。

其次，飲用了有毒的污染水，人們可能會出現失明等情況。剛開始人體并沒有察覺到有什么不一樣的地方，但當到達一定濃度后，就可能會表現出某些癥狀，例如出現嘔吐的情況，嚴重的會導致眼睛失明。雖然在正常的環境中水的污染濃度很低，但是在長期污染的情況下，污染水還會導致人類抵抗力下降之類的問題。

最后，在地下水中也生活著許多生物。在地下水沒有受到污染時，這些生物都是生存在適宜的環境里。但在煤礦開采的過程中，這種適宜的環境受到破壞，生物出現成批死亡的現象；毒素堆積在生物體內，之后人類又去食用這些帶有毒素的生物，毒素就會進入到人體中，對人體傷害很大，影響人的身體健康。可見礦井水的污染后果還是比較嚴重的，對于這個問題需要進一步的研究解決。

3 防治方法進展

隨著科技的不斷發展，治理礦井地下水的方法也逐漸增多，但是無論是傳統方法還是新型技術，都存在著一定的缺陷，所以在處理地下礦井水問題時，需要結合當地的技術及經濟條件，地理環境等來處理。

3.1 污染源識別技術

要進行污染物的防治，前提是找到污染源位置，并確定污染物的種類。目前識別污染源的方法有同位素追蹤等地球化學方法、數學模型統計計算機模擬等。硝酸鹽、硫酸鹽同位素應用廣泛，配合其他方法可以提高污染源的識別精度。

地下水動力學方法也可以用來識別污染源，同時也可以確定地下水污染物的擴散途徑和方向。例如，污染物在地下水中受彌散和對流的共同作用會呈現污染羽的形態。實際工作中可以根據污染羽的形態，即污染羽尖端和橢圓端的分布判定污染源的位置和遷移方向，如圖1所示。

圖1 地下水污染羽形成示意圖

另外，污水污染源識別過程中，理想狀態下可以用一種代表性的因子指示污染物的特征和來源，其中同位素也常被用來作為特征因子。但是實際操作中因子和特征組分應選擇多個，才能提高預測分析的精度。篩選出特征因子，剔除重復影響并分析這些因子之間的耦合關系，以及確定對污染作用和污染水體污染特征的貢獻率是分析的關鍵。各種因子之間的聯合使用是目前最常用的做法，如主成分分析、模糊聚類、矩陣分析等，可通過spss、matlab、GIS等軟件來實現，同時各種方法的合理聯合使用也可以進一步篩選特征因子的重復信息，并且一定程度上保留有用信息，實現定性甚至半定量分析識別的目的。

3.2 傳統處理礦井水技術

化學混凝技術和氣浮技術都是傳統處理礦井水的主要方式。另外，膜分離技術與人工濕地處理技術都為新型處理技術，特別是膜分離技術，已經在處理礦井水等方面廣泛應用。

化學混凝技術要針對當地礦井水的化學成分和組成來選擇相應的混凝劑，同時需要滿足保證不會影響水質，價格低廉，而且要產生大量、相對重且強的礬花，貨源要充足的條件。目前，在處理礦井水中主要采用的是無機高分子絮凝劑聚合氯化鋁與有機高分子絮凝劑聚丙烯酰胺同時結合使用的方法。

氣浮法是指將氣泡通入地下礦井水，與懸浮的物質粘附形成氣浮體，因為密度小于水，在浮力作用下，浮出液面。通常氣浮處理技術用于處理污水中密度較小的懸浮物質，但氣浮技術的缺點是需要精密儀器，基礎條件與操作技術要求較高，處理工藝技術較多，能源消耗較大等。

3.3 新型處理礦井水技術

膜分離技術是通過選擇性透過的膜，在外力作用條件下進行分離。當下在礦井水的處理中采用最多的是電滲析和反滲透技術，電滲析設備操作簡單且不需要添加其他藥劑，但回收率大約只有50%，耗能大。而反滲透技術則相反，原水回收率能達到80%，但是需要較高的操作技術，同時設備也比較復雜，投資大。

人工濕地處理技術通過天然環境的自我凈化能力，加上現有技術來處理污水，在構建人工濕地會選擇相應植物來增加凈化能力，且濕地的黏土、礫石等也可以對懸浮物等進行一定程度的凈化，這種處理技術操作簡單，費用低，但占地面積大，持續時間長，而且受自然環境影響較大[5]。

滲透性反應墻也是目前應用比較成熟的前沿技術。在確定污染源的位置和污染水體徑流方向的基礎上，利用特殊材料在污染水體擴散方向上埋設反應介質。此技術將生物降解、化學分解和物理吸附功能集中于一體，將上游來的污染水體凈化達標后，再向下游排放。這種被動的原位處理技術的核心是特殊材料，例如之所以能實現物理吸附，是因為墻體中含有黏土等細粒物質，顆粒細小，比表面積大，再加上黏土表面帶電荷，吸附能力強[6]。而墻體中的有機材料除了能物理吸附，還能發生化學反應，從而實現化學分解成無毒無害物質的目的，如圖2所示。

圖2 滲透性反應墻作用原理示意圖

不同的地區地下水成分不同，地質環境不同，經濟條件也不同，雖然處理礦井地下水的方法都存在一定的缺點，但是結合實際，以及科技不斷進步，相信技術也會不斷更新，在未來會獲得更好的環境效益和經濟效益。

4 結束語

生物圈都是息息相關的，一旦淡水資源被污染，那么被污染的水將會通過生物鏈進入人類的生活環境，這樣既破壞環境又影響自身健康。探討研究煤礦地下問題和形成水污染的原因，從污染機理到污染防治技術研究進展的總結，為開采煤礦的過程中能夠發現更多有效治理礦井地下水污染的方法，對于減少對地下水及環境的污染，有一定借鑒參考的意義。