煤礦區地下水污染修復技術研究進展

魯敬姑 周華 歐陽光明 劉朝暉

(湖南省和清環境科技有限公司 湖南長沙 410000)

煤炭是我國的重要能源，在我國工業生產中長期占主導地位。據統計，我國目前探明的煤炭資源儲量為1 500 億t，我國煤炭資源可開采儲量排行全球第四[1]，且是全球最大的煤炭生產國。而全國平均每采1 t煤，排放礦井水2.1 t[2]。同時大規模高強度煤炭開采伴隨著礦區地下水pH大幅度下降，地下水水位降低以及重金屬離子（如鐵、錳）超標等問題，對周邊環境及生態造成嚴重的危害。20 世紀90 年代我國煤礦數量多達約10萬個[3]，因對煤礦產業大力度整改，隨著我國眾多小型礦山淺部資源逐漸枯竭、能源供給結構改革、淘汰落后產能等政策的實施，截至2020 年，我國煤礦數量已減少至不足5 000 處[4]，廢棄煤礦是煤礦生命周期的最后階段，閉坑礦山的存在，會形成劣質礦井水，污染地下水與地表水，危害城鄉供水，造成地表二次塌陷與山體滑坡，影響高層建筑地基穩定或致建筑物破裂等負效應等。因此，閉坑礦井的區域水環境演化、修復治理已然成為煤礦區地下水污染治理的重要組成部分。近年來，我國的地下水污染治理工作逐漸引起主管部門的關注，地下水污染治理的相關標準規范和治理體系逐步形成了較規范的流程，并取得了不錯的進展[5]。但是煤礦區地下水污染問題是近數十年才引起較大關注[6]。該文旨在通過闡述及分析礦坑封閉后的地下水污染問題類型及其相應的治理技術，為規范煤礦區地下水污染治理與防治技術提供技術支撐，對未來煤礦區地下水污染治理方向提出進一步的思考。

1 煤礦區場地的污染類型及特點

1.1 煤礦區場地礦井水污染類型

礦山開采期間，在井田中的斷層構造，底板采動裂隙，人為施工的各類井孔等會成為污染通道，對地下含水層或地表水產生威脅。目前，礦井水污染類型主要有六大類型，分別為高懸濁物、高氟離子、高硫酸鹽、高礦化度、高酸性礦井水以及含特殊污染物組分的礦井水（主要是鐵離子、錳離子）。在實際場地中，上述六類污染類型存在交叉重疊，這使問題變得更加復雜。因此，明確煤礦區地下水污染的形成機理，是有效治理實際的地下水污染的前提。目前，對礦井生產和閉坑階段的地下水情況，煤礦開采過程中產生的地下水污染上述6 種類型都可能發生。硫化物、黃鐵礦等礦物是造成上述污染的重要原因，而各地區煤系地層中含量不同，其產生的礦井水化學類型也不同。通常來說，在寧東、山西、魯西和新疆礦區等北方地區，高礦化度地下水占比相對較高，而西南地區的云貴礦區鐵錳礦井水、酸性水比較普遍。

1.2 煤礦區的地下水污染模式

1.2.1 淺層地下水污染模式

目前，煤礦區的地下水污染大部分在地表淋濾-塌陷坑水和地下含水層的水壓差補充淺層地下水的過程中發生的。當礦井降雨水時使得淺層地下水位上升，在伏隔帶的污染物會隨即進入地下含水層。而煤炭開采過程中或礦坑關閉后，礦坑塌陷的積水會不斷增加，則淺層水位持續上升以彌補污染潛水，導致污染更深的地下含水層，造成更為嚴重的污染問題。

1.2.2 深層地下水污染模式

含水層本身相互補給和各含水層串層是造成深層地下水污染的主要原因。煤炭中的有害元素在水中與空氣發生氧化還原反應，由于斷裂場和滲流場的影響，可進一步污染含水層。另外，水壓的變化使問題更為復雜。采礦活動以及采礦伴隨的裂縫結構（斷層塌陷柱）等，含水層會低于初始水頭，使得水壓高的含水層能得到補充，隨即改變之前的補充路線，破壞原有的水化學場，改變水體污染煤層中各含水層底板，頂板以及地面含水層位置，造成跨層污染。一般來說深部礦井關閉后分兩種形式：（1）當先被污染的淺層含水層，在礦井關閉后地下水位回升，當水位高于底部封閉水頭時，被污染的礦井和淺層含水層通過防水層的天窗向底部封閉水供應；（2）當先被污染的是底層承壓水時，淺層含水層低于承壓水水位，特別是礦井關閉后，通過水渠污染淺層水體由于礦井水無法排出，會堆積在礦井水在廢棄的井口或回泉處。而被污染的水體通過廢棄的礦坑裂隙結構等渠道供給水層、溢流面，甚至造成更大范圍的污染。

2 煤礦區地下水污染治理關鍵技術

煤礦區地下水污染的研究應包括污染的形成和污染物來源渠道的遷移和擴散路徑。以閉坑礦井為例，煤礦區地下水污染過程見圖1。從減少礦井水流入和污染負荷排放看，治理方法有堵源、堵道、減程、末端治理、含水層保護、資源利用等。從空間角度分析，煤礦地下水治理也需科學地實現地下全空間聯動防治。針對礦井閉坑問題，在查明礦井污染源、污染通道，結合計算水質演化特征的基礎上，采用通道阻截注漿工藝，可有效實現對地下水污染通道阻斷—原位修復—抽出處理。

圖1 閉坑礦井地下水污染過程示意

以酸性礦井排水為代表的煤礦區地下水污染治理可分為主動處理和被動處理兩大類，具體見圖2。主動治理技術是利用物理或化學手段去除水中污染物的技術，常用于大規模污水處理中，包括中和法、阻隔技術、硫化物沉淀法、硫酸鹽還原菌反應器等，目前國內最常用的是中和法，常用的中和材料有石灰石、粉煤灰和赤泥等。被動處理技術依靠化學和生物作用降低水中的酸度，主要包括阻隔技術、抽出處理技術、人工濕地、開放石灰石溝、缺氧石灰石溝、石灰轉換井、連續產堿系統和可滲透反應墻。研究表明，采用混凝沉淀+過濾工藝處理高懸濁物礦井水可取得較好效果。PAC與PAM的配合施用對礦井水中懸浮物的去除作用明顯。而針對非酸性含鐵錳礦井水，則偏向于使用混凝沉淀+錳砂過濾工藝，其中錳砂過濾對鐵錳離子去除效果較好。以下詳細介紹幾種治理技術。

圖2 礦井地下水治理技術

2.1 物化修復

2.1.1 膜分離技術

目前，最常用的膜分離技術是反滲透技術和電滲析技術。借助于半透膜的作用，反滲透法在壓力為30～70 kg/cm2的條件下，對低分子有機物、無機鹽類、細菌和病毒等物質進行有效分離和去除。近年來，生產中常用的是電滲析技術，是指在外加電場的作用下，利用陰陽離子交換膜的選擇透過性，將溶質和溶劑分離。該技術在1991 年前蘇聯頓涅茨等煤礦中用來淡化礦井水。

2.1.2 藥劑法

對水質較好的礦井水斷面采用井下預處理方法（老礦區通過添加吸附材料微生物進行緩沖）。例如：將堿石灰、高爐渣、粉煤灰等堿性中和劑以及PAM 助凝劑等投放到地下礦井中，在礦井水酸化過程中進行中和、絮凝沉淀，降低礦井水pH值、硫酸鹽以及鈣離子含量。對水質較差的斷面則需要配合分段提取技術，將污染水體抽提后在地表借助化學藥劑進行深度處理。崔鵬飛[7]將原來的煤礦地下污水池改造成添加10%PAC和5%PAM混凝沉淀池，處理后的礦井水濁度為2.8 NTU，懸浮物濃度為4.9 mg/L，完全滿足地下水水質要求。根據煤礦的實際情況和水質要求以及井下技術經濟分析，井下用礦泉水處理的新工藝每年可節約資金約30 萬～40 萬元。狄軍貞等人[8]通過添加無煙煤和鋼渣、石英砂、沸石等活性材料有效治理有機物，氮、磷和重金屬離子污染的礦井地下水。研究表明，投放物化材料或藥劑是源頭控制的有效手段，但一般在短期內較為有效。長時間的防控效果會有所減弱甚至逐漸投加的藥劑不增加則會失效。

2.2 阻隔技術

利用灌漿材料在煤礦區周圍建立阻隔簾。對于地下礦井水的污染，首先，杜絕污染源。在保證礦井水與外界水力聯系的基礎上，使用能夠降解和吸附污染物的材料。針對封礦區跨床污染井的特殊情況，應選擇適當的注漿材料和注漿技術，自下而上地阻斷污染礦井水，同時切斷污染礦井水與其他含水層的聯系。最后，通過壓水試驗確認堵漏后的堵漏效果，再采用原地修復以及不同分段提取技術，對污染水體進行處理。其中，灌漿材料是關鍵。目前，市面上常見的灌漿材料主要有無機類灌漿材料（以水玻璃類和水泥類為主）和有機高分子類灌漿材料（以丙烯酸鹽類、環氧樹脂類、木質素類、聚氨酯類為主）。另外，新型膨脹吸附類灌漿材料以及可在井下轉化礦井水中污染物的微生物材料是當前的研究熱點。

2.3 原位生物修復

原位生物修復（ISB）融合了微生物學、化學、水文地質學和工程學的知識，為煤礦區地下水污染治理提供了策略。針對酸性礦井水，除了傳統的治理技術如人工濕地、厭氧硫酸鹽還原生物反應器、缺氧石灰石排水、開放式石灰石通道、石灰石浸出床和礦渣浸出床外，還提出新興的治理處理技術，比如植物修復等。

3 煤礦區地下水污染防控技術發展方向

煤礦區場地地下水污染治理已成為當前環保行業的熱點和難點。針對保水開采、閉坑礦井地下水治理以及采煤塌陷區積水處理等技術的研究得到國家的日益重視。而中東部閉坑礦井數量增多使得閉坑礦井地下水污染問題日益突出。因此，研究和闡明礦井閉坑過程中地下水污染演變規律刻不容緩。閉坑礦井地下水污染關鍵技術也成為制約我國經濟發展的關鍵瓶頸。未來相關工作者需要從封礦區地下水酸性、高鹽度等污染源控制方法出發，提出煤礦區地下水污染防控技術發展方向：（1）重點開發源頭物性轉化封存和分離源頭技術；（2）深入分析鐵、錳、硫酸根離子等污染特征離子的污染歸趨，并結合地下水水力學模型，闡明地下水污染反應屏障的過程和位置的構效關系，以開發高效的滲透性反應屏障阻隔技術；（3）將煤礦區地表及地下水污染濕地生態工程、微生物注氣投菌原位修復方法相結合，形成高效的閉坑礦井地下水污染生態修復技術。

隨著科學技術的進步，煤礦區地下水污染治理技術將得到進一步創新，其處理效果也將得到提高。而在過去的煤礦區地下水污染處理技術研究中，雖然很多研究機構都取得了很大的突破，但它們之間的聯系比較薄弱，處于獨立研究的狀態。因此，在今后的發展中，應加強各研究領域的整合與聯系，形成技術研究的統一整體。同時，政府應發揮引導作用，制定相關政策，促進和支持煤礦區地下水污染治理技術的研究。