貴州省廢棄煤礦酸性廢水調查研究

劉坤云

(貴州省生態環境監測中心,貴陽 550081)

煤礦酸性廢水是在煤礦開采過程中,含硫化物的煤礦床被氧化而產生的pH值低于6的礦井水,其主要特點為pH較低,一般在4～6,含有高濃度的硫酸鹽以及多種可溶性的重金屬離子,如Fe2+、Mn2+等[1]。煤炭是我國重要的支柱能源,2005年、2021年、2023年國家統計局《國民經濟和社會發展統計公報》顯示,近年來,我國煤炭生產和消費量隨經濟社會快速發展而大幅增長,能源消費總量由2005年的26.1億噸標準煤增至2021年的52.4億噸標準煤,2021全年煤炭消費量占能源消費總量的56.0%。煤炭資源的大規模、高強度開發,煤矸石、煤礦瓦斯等副產物也急劇增長,特別是煤炭在開采過程中形成的大量煤礦酸性廢水,導致礦區生態環境壓力日益加大。酸性廢水的直接排放不僅造成水資源的浪費,而且污染水資源、生態環境及土地資源,危害農作物、水生生物和人體健康。煤礦酸性廢水量大、面廣、污染嚴重、治理難度大[2]。

貴州省煤炭資源位列全國第五位,素有“西南煤海”之稱。全省含煤面積約7.75萬km2,占全省總面積的44%。貴州省煤礦含硫量較高,含硫在1%～4%之間,中硫-富硫煤較多[3],以黃鐵礦含硫為主[4],煤礦在開采過程中,因含煤地層中所含硫化物(主要為黃鐵礦)的賦存環境變化而自發進行氧化還原反應產生煤礦酸性廢水[1]。煤礦礦井水通常在人為作用下被抽出(大多生產礦井)或自然流出礦硐(大多廢棄礦井)。由于貴州省煤礦開采主要以小煤礦為主,礦井水及煤矸石排放無序,導致煤礦酸性廢水排放成為突出的環境問題[5]。

1 廢棄煤礦廢水調查分析方法

1.1 資料收集

通過向能源、自然資源、生態環境等部門和省內高校及科研院所專家收集廢棄煤礦廢水有關資料,通過分析,初步掌握全省廢棄煤礦分布及排水情況。

1.2 現場踏勘

通過前期資料分析情況,確定重點調查區域及廢棄煤礦名單,進行現場踏勘,查看排水情況,現場測定排水量,同時采集水樣。現場采用pH計測定pH,采用三角堰法測定廢棄煤礦廢水水量。

1.3 實驗室分析

送具有CMA資質認定的實驗室檢測水樣,采用火焰原子吸收分光光度法測定總鐵和總錳2個特征污染指標濃度。

2 貴州省廢棄礦井現狀分析

2.1 廢棄煤礦數量及出水量分析

通過向能源、自然資源等行業主管部門收集全省廢棄煤礦信息,向省內有關方面專家咨詢并結合現場調查,根據天氣情況及項目安排,確定調查時間為2023年3月至6月。本次調查共發現廢棄煤礦909個,其中3月份對六盤水市開展調查,共發現廢棄煤礦107個;5月份對遵義市、安順市、畢節市、銅仁市開展調查,共發現廢棄煤礦472個;6月份對貴陽市、黔東南州、黔南州、黔西南州開展調查,共發現廢棄煤礦330個,調查主要集中在豐水期。分布于我省9個市州,出水的廢棄煤礦數為200個,出水的廢棄煤礦占比為22%。廢棄煤礦分布及出水情況詳見表1、圖1、圖2。

表1 廢棄煤礦出水情況統計表

圖1 貴州省出水的廢棄煤礦分布數及比例圖

圖2 貴州省出水廢棄煤礦出水量(m3/d)及占比

2.2 廢棄煤礦出水分析

根據各地廢棄煤礦排水狀況,結合廢棄煤礦對周邊水環境污染情況,對出水水量較大,通過視覺反映污染較重的99家廢棄煤礦出水進行采樣分析。測定指標為pH、總鐵和總錳3個指標。測定結果詳見表2、圖3。

表2 各市(州)廢棄煤礦出水礦均pH、總鐵、總錳情況統計表

圖3 廢棄煤礦廢水中礦均pH、總鐵、總錳含量分布

3 貴州省廢棄礦井現狀分析結果

3.1 廢棄煤礦數量及出水量分析結果

我省廢棄煤礦數量從多到少排列順序為:畢節市>遵義市>黔南州>六盤水市>貴陽市>安順市>黔東南州>黔西南州>銅仁市。出水的廢棄煤礦個數比例排序依次為:黔東南州>貴陽市>遵義市>黔西南州>六盤水市>黔南州>銅仁市>安順市>畢節市。煤礦的排水總量順序依次為:黔東南州>貴陽市>遵義市>畢節市>黔西南州>黔南州>銅仁市>六盤水市>安順市。從排水總量上看,我省廢棄煤礦廢水治理壓力最大的為黔東南州,其次為貴陽市和畢節市。廢棄煤礦廢水壓力相對較小的為安順市、六盤水市和銅仁市。

3.2 廢棄煤礦出水分析

根據檢測結果及現場收集的數據資料統計分析,黔東南州出水廢棄煤礦礦均含鐵量最高,達305 mg/L;其次是遵義市與黔南州,分別達236.5 mg/L與231.7 mg/L;含量最低的為六盤水市和銅仁市,分別為0.47 mg/L與6.83 mg/L。從總鐵污染負荷來看,黔東南州出水廢棄煤礦總鐵污染負荷最高,達30.033 t/d;其次為遵義市和黔南州,分別達3.944 t/d、2.646 t/d;安順市、銅仁市較低,最低為六盤水市,達0.001 t/d。

出水廢棄煤礦礦均總錳含量中,黔東南州出水廢棄煤礦礦均含錳量最高,達10 mg/L;其次是遵義市和貴陽市,分別為8.13 mg/L和6.64 mg/L;其余市州含量相對較低。從總錳污染負荷來看,黔東南州出水廢棄煤礦總錳污染負荷最高,達0.985 t/d;其次為貴陽市和遵義市,分別達0.208 t/d、0.139 t/d;其余市(州)均較低,最低為六盤水市,達0.0001 t/d。

出水廢棄煤礦礦均pH中,由低到高依次為黔西南州<安順市<黔東南州<黔南州<貴陽市<畢節市<遵義市<銅仁市<六盤水市。

4 貴州省廢棄礦井廢水治理現狀

貴州省廢棄煤礦廢水治理主要采取以下2種模式。

(1)采取末端治理,大多數采用建設污水處理設施進行控制,普遍使用傳統的中和沉淀法、吸附法或酸性礦山廢水處置組合工藝。中和沉淀法是酸堿中和處理技術,應用最為廣泛,在酸性廢水中加入堿性中和劑以提高廢水的pH值。在堿性條件下,金屬離子生成氫氧化物沉淀并從廢水中去除,常用的中和劑有石灰、石灰石、碳酸鈉、氫氧化鈉等。吸附法是通過多孔材料去除水中金屬離子,常用的吸附劑有活性炭、錳砂、沸石、高嶺土、膨潤土、粉煤灰、殼聚糖質素等。調研發現采取末端治理普遍治理成本偏高,污泥產生量大,缺乏可持續性,如遵義市仁懷市桂花煤礦采用“曝氣+中和+沉淀”工藝處理酸性煤礦廢水;同時調查發現黔東南魚洞河流域、織金丫罵河流域及安順西秀區部分煤礦因處理設施后期的持續投入而停運。

(2)采取“源頭區域治理+井下封堵”相結合的治理技術模式,如2021年黔東南州啟動采用該模式在魚洞河流域實施酸性煤礦廢水治理,已完成黃壩煤礦和龍場煤礦平路河井井下封堵治理,正在實施魚洞監獄煤礦斜井、江禾煤礦、里仁煤礦、大貓山煤礦和順發煤礦7#井封堵治理工程。目前,已取得了一定成效。

5 結論和建議

5.1 結論

(1)廢棄煤礦出水總鐵六盤水市最低,黔西南州、黔南州、遵義市、黔東南州較高。

(2)廢棄煤礦出水總錳六盤水市最低,貴陽市、遵義市、黔東南州較高。

(3)廢棄煤礦出水pH中,六盤水市廢棄煤礦出水最高,黔西南州最低,安順市、黔東南州、黔南州、貴陽市較高。廢棄煤礦總鐵、總錳和pH調查結果與貴州省能源局2017年發布的《貴州省礦井水及煤矸石綜合利用研究報告》(因當時黔東北、黔東南、黔南地區生產礦井少,調研范圍未涵蓋上述區域)中的結論基本吻合,即六盤水煤田區煤礦廢水總鐵、總錳含量最低;六盤水煤田煤礦廢水pH最高,貴陽煤田區煤礦廢水pH最低。

(4)廢棄煤礦出水量最大為黔東南州,其次為貴陽市和畢節市。廢棄煤礦廢出水量較小為安順市、六盤水市和銅仁市。

(5)黔東南州采用“源頭區域治理+井下封堵”的技術模式,將煤礦廢水治理技術應用到實際工作中,轉變以往高成本、低效率、浪費水資源的末端治理的模式,不僅能達到標本兼治的效果,而且工程實施可充分結合南方山區地形地貌條件,場地安排靈活、利用井口空間,同時,治理后期運行成本低、利于維護。應用“源頭區域治理+井下封堵”,不僅具有先進的新技術特點,而且具有明顯的環境效益、生態效益。因此,“源頭區域治理+井下封堵”治理模式等新技術的應用,可為貴州省酸性廢水治理提供一種新的技術和方法。

5.2 建議

(1)建立完善閉礦環境管理及后評價體系

明確閉礦環境管理驗收程序,閉礦環境治理要求和驗收標準。閉礦前對可能出現的環境風險進行評估,制定和落實相應的防范方案;閉礦程序完成后,對已完成的閉礦善后工作進行核驗,確保閉礦環境驗收達到標準,并進行閉礦后評價。

(2)加強閉礦后的環境管理和生態治理工作

加強閉礦后的環境管理和生態修復,加強酸性煤礦廢水治理、規范關閉礦洞、持續水質監測等。當前大多數廢棄煤礦廢水治理責任主體為地方人民政府,除持續開展廢棄煤礦廢水污染問題排查整治外,還需加強煤礦周邊水環境監測,定期巡查,建立廢棄煤礦水環境風險預警制度,防止嚴重環境損害事件的發生。

(3)建立地區廢棄煤礦環境風險分級分類管控制度

充分考慮酸性煤礦廢水危害程度、技術方案成本等因素,采取科學的治理工藝,分級分類實施整治。對含有有毒污染物的應優先進行治理控制,防止對周邊群眾造成不可逆的人身損害。對位于飲用水源保護區、自然保護區、基本農田保護區等敏感區域或者對居民生產生活造成影響的,也應優先進行治理。

(4)拓寬廢棄礦井水治理融資渠道

建立多元化的資金投入保障機制,運用市場機制,推行合同節水等管理模式,鼓勵社會力量、社會資本參與礦井水處理工程建設和運營管理。探索建立礦井水治理綠色信貸支持機制;探索開展項目收益權、特許經營權等質押融資擔保。

(5)加強廢棄煤礦廢水治理與新技術研究

加快研究污染治理技術,支持、鼓勵各科研機構、企業等在酸性煤礦廢水治理新技術方法的研究,探索科學有效、成本低的污水治理工藝技術,降低污染治理資金投入。