煤矿矿区废水的人工湿地治理模式初探

程丽芬

(山西省林业科学研究院，山西 太原 030012)

人工湿地是一种新型污水处理技术，由非生物(透水性基质)和生物(生产者、消费者和分解者)组成，通过物理、化学及生物协同作用实现对污水的净化作用。利用人工湿地处理污水研究始于20世纪80年代，最初应用于西德的Othfrensen，我国首例采用人工湿地处理污水的研究是1988年至1990年在北京昌平进行的表面流人工湿地。目前，对人工湿地处理废水的研究主要集中在对生活废水的处理上，对人工湿地处理煤矿废水的研究很少。广东韶关市利用香蒲净化铅锌矿废水效果非常好，COD，固体悬浮物及Zn，Cu和Cd的去除率分别为92.19%，99.62%，97.02%，96.87% 和 96.39%;唐述虞等人采用人工湿地技术处理铁矿排放废水后，酸性废水 pH值由2.16升高到6.11，Cu，Fe，Mn 3种金属离子去除率达70.19% ～99.18%，其含量均达到国家允许排放标准，且湿地中的植物生长茂盛。美国佛罗里达州的HiddenRiver雨水湿地处理系统的SO去除率达到53%.以上研究表明，针对煤矿废水酸度低、有机质和重金属含量高的特点，应用人工湿地治理的可行性较大。目前，处理煤矿废水的主要方法有中和沉淀法、硫化沉淀法和微生物法等。通过研究人工湿地系统布水方式、填充基质、植物品种的配置，形成多种治理模式，根据煤矿矿区不同的污水来源和特点进行分类处理，达到净化水质的目的。

1 煤矿矿区废水的分类

煤矿废水是矿区环境污染的主要来源之一，其中又以酸性废水的危害最为严重。多数小煤矿废水一般不进行循环利用，直接排入河流、湖泊等水体，造成污染。煤矿废水种类繁多，不同煤质产生的污水类型差别较大，按废水来源可分为煤矸石淋滤水、矿坑水、洗煤水和矿区居民的生活污水4类。

2 煤矿矿区废水的人工湿地治理模式

2.1 煤矸石淋滤水治理模式

2.1.1 煤矸石淋滤水特点

煤矸石富含碱金属(钠)、碱土金属(钙、镁)、硫化物及部分有机物，是构成无机盐类污染的物质基础。大气降水淋溶了煤矸石中的无机盐类污染物质，随淋溶水从矸石山漫流至地表，以矸石山为中心，四周区域被大面积污染。煤矸石淋滤水通常呈酸性，属于面源污染，涉及面积大，流速、流量变化大，难以集中处理，是矿区治理的难点。

2.1.2 治理模式

针对煤矸石淋滤水直接进入地表水、地下水和土壤，造成大面积的面源污染，缓冲湿地带是理想的治理技术。缓冲湿地带指在地表汇流区和流经地区种植条带状植被的区域，也称为植被缓冲带。缓冲湿地带吸收污染物质、改善水质的能力主要受湿地与污水面积之比、水在湿地中滞留时间及湿地位置3个因素的影响。因为微生物对污染物的分解需要足够的面积，同时也需要一定的时间。湿地与污染面积之比越大(最好为 1∶46至 1∶100，1∶333至1∶5 000是改善水质的最底线)，湿地吸收污染物、改善废水水质的能力越强。水在湿地中滞留的时间越长，湿地越能有效地吸收水中的污染物。为有效地改善水质，水在湿地中至少要滞留1周。植被缓冲带的宽度取决于当地污染物的最大浓度，为达到改善整个流域水质的目的，植被缓冲带应位于能最大量拦截径流的位置。

该模式包括缓冲草带和复合带，草本在缓冲、滞留沉积物方面具有独特的优势。在此基础上，配置乔灌花卉，不仅可以改善水质，缓减煤矸石燃烧造成的风干粉尘污染，同时兼有景观效果。煤矸石可作为潜流式湿地的填充基质，通过废物利用降低治理成本。

2.2 矿坑水治理模式

2.2.1 矿坑水特点

矿坑水主要来源于生产过程中外排的井下水，在矿区废水中占的比例最大，是引起矿区水资源短缺的重要原因。排出的矿坑水在地表形成小溪或小河进入低洼地，成分为煤尘、岩粒和一定量的细菌。

2.2.2 治理模式

低洼地大多属于矿区的闲置土地，具有天然的人工湿地雏形，只要对它进行适当的加工，即可构建成一个简单的人工湿地，将其称之为“汇”湿地。从地质生态学角度讲，在煤矿区内，采煤活动将埋藏在地下的各种元素迅速搬运到地表，参与到现代地球表面的物质、能量循环系统。输送到地表的“古物质”对现代天然水土运动和生物活动造成强烈的干扰和冲击，各种元素分布的新格局影响了人们的正常生产和生活，这就是矿坑水污染产生的本质。在一定区域内，“汇”湿地作为一个汇区存在，聚集着来自上游的各种元素，在湿地内通过过滤、吸附、共沉、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对废水不断的沉积、埋藏、压密，甚至固结成岩。香蒲对该类废水处理效果显著，可以作为优势物种栽植在低洼地。该模式不仅利用了闲置土地，且投入低，节约了成本。

2.3 洗煤水治理模式

2.3.1 洗煤水特点

洗煤方法分为干法和湿法2类，绝大多数选煤厂采用湿法选煤。在湿法选煤工艺中，水是不可缺少的。一般来说，洗选1 t原煤用水量为4.0 m3.其中，清水耗量约0.5 m3～1.5 m3.洗煤废水的特点是:颗粒表面带有较强的负电荷，是一种弱碱性的胶体体系;SS，COD，Cr浓度均很高;细小颗粒含量高，粘度大;污泥比阻大，过滤性能差。

2.3.2 治理模式

洗煤水不仅具有悬浊液的特征，还带有胶体的性质，细煤泥颗粒、粘土颗粒等粒度非常小，不易静沉，宜采用絮凝剂+纯人工湿地的治理模式。首先，对洗煤废水进行闭路循环，采用无机盐类絮凝剂或有机高分子絮凝剂进行预处理，絮凝体形成快、活性高、沉性高、沉淀快，因而对悬浊液和胶体的初步净化效果显著。纯人工湿地一般面积较小，处理效率高。我国第1个植物碎石床人工湿地——白泥坑人工湿地水利负荷0.37 m3/(m2·d)，即每处理1 t污水需要2.7 m2.汪俊三教授研究的示范工程显示，人工湿地的水利负荷提高到1.0 m3/(m2·d)，即每处理1 t污水占地面积仅为1 m2～2 m2.

纯人工湿地系统种类繁多，根据水体流动的方式通常将人工湿地分为3类:表面流人工湿地、水平潜流人工湿地、垂直流人工湿地。在运行过程中往往将3者进行排列组合，或串联或并联，针对不同污染物类型采用不同的水生植物，选用不同的基质。目前，大部分人工湿地采用芦苇、香蒲、藨草和水葱等，缺乏针对性。对洗煤水具有特定去除效果的植物几乎没有，仍需要进行进一步筛选和研究。

2.4 生活污水治理模式

2.4.1 生活污水特点

矿区居民所产生的生活污水的主要成分是有机污染物、氮、磷、SS和病原体等，主要来源于煤矿居民区和工业区的浴室、办公楼、单身宿舍、洗衣房、锅炉房等用水场所。其浴室排水的比重较大，占到40% ～60%，浓度低。煤矿生活用水量偏大，经济成分单一，具有一般生活污水所具有的有机污染物，但在其污染物浓度上又有别于一般生活污水。

2.4.2 治理模式

目前，国内外人工湿地的研究主要集中在生活污水处理模式，在基质和植物选取方面取得了一些成果。页岩的吸附容量最高，达到730 mg/kg填料;其次为矾土，达到355 mg/kg填料;Maerl(一种海草的石灰质体)、浮石土和沸石矿的应用增加了湿地填料的种类。水生植物除芦苇等常见植物外，灯芯草、蒲草、美人蕉、风车草和再力花等应用也较多。且国内有很多示范基地，如，广东省沙田人工湿地、广东省白泥坑人工湿地、北京市永定河人工湿地等。

3 讨论

湿地作为一个特殊的生态系统有其自身的复杂性，加之废水类型的复杂多样，具体的情况千差万别。所以，在利用湿地净化废水，特别是煤矿山废水，还有着诸多问题亟待解决。前人所研究的各个湿地的环境，包括气候、底泥、面积、植物种类、数量等，以及所排放废水的性质、水量、pH值、硫酸根浓度、COD等都差异较大。因此，在对具体某处湿地进行研究时，应实地展开调查取样，针对不同类型的污水水源及特点，采用不同的湿地水流方式、植物配置、基质类型。关于人工湿地在各类污水治理的报道很多，而在煤矿废水的应用报道仅限于矿山酸性废水。人工湿地在煤矿废水中的应用缺乏针对性，造成该技术不能充分发挥其优势。因此，湿地净化废水的深入研究对促进矿区实现煤矿废水资源化具有实际意义。

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