露采煤矿山酸性废水治理方法
——以福泉市皮陇河煤矿区为例

丁 丁，杨胜兴，周文龙，熊远鹏

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局，贵州 贵阳 55005)

1 前言

贵州省是煤矿资源大省，以790余亿吨的资源储量位列全国第五。早期不规范开采情况较为严重，遗留诸多矿山生态环境问题，诸如露天开采煤矸石乱堆乱放、煤矿废水肆意流淌，造成水体酸化污染、自然景观破坏等问题(唐常源 等，2009；刘腾飞，2013；李忠，2013；梁浩乾 等，2019)。以小流域为单元，对皮陇河源头主要水源涵养区的陆生生态系统、水生生态系统、水陆生态交互生态系统所存在的矿山生态环境问题及水环境问题进行综合治理，对可自然恢复的其他生态系统进行保护，使流域源头区“山水林田湖草”整体生态得到恢复改善。

2 治理区概况

皮陇河酸性废水治理区大地构造位置属扬子准地台黔北台隆复杂变形区，区域构造上位于瓮安复向斜西翼(潘桂棠 等，2009)。治理区东面有道新高速，遵义-马场坪省级公路经过，区内乡村硬化路连通，交通比较方便。行政区划属福泉市龙昌镇煤炭湾，是重安江二级支流皮陇河源头。作为清水江一级支流(刘晓静，2014)，重安江流域是长江中上游重要的生态屏障。

表1 地层特征表Table 1 Characteristics of the stratum

露天采矿遭破坏的主要为含煤地层及其上覆地层。治理区破坏的主要是二叠系中统梁山组(P2l)、上统吴家坪组(P3w)地层。治理区内早在20世纪八十年代就进行了小规模的煤矿开采，开采方式主要为露采。由于开采没有规划，浅表煤矿层破坏严重。采矿活动致使地下水水质、水资源涵养能力、土壤、生物多样性等受到影响(张伟，2014；王旭琴 等，2015)。产生的大量煤矸石随意堆放，导致治理区地质环境遭到严重破坏(如图1)。

图1 露天采坑破坏现状图Fig.1 Present condition of destroyed open mining pit

煤矸石中含有硫铁矿(FeS2)与氧气、水发生化学反应而形成硫酸(H2SO4)，酸性废水主要有以下几个来源：一是大气降水对煤矸石淋滤产生酸水；二是废弃露采坑中残留高硫煤及硫化矿物与积水作用产生酸性积水；三是采坑边邦及底板遭破坏裂隙发育，地下水径流形式主要表现为隙流(向刚 等，2022)，废弃露采坑中酸性水通过下渗对地下水的污染。此外，还包含部分重金属离子(刘伟，2012)。据观测及样品分析，区内水体pH值达2.64，铁离子浓度137.5毫克/升，硫酸根离子高达2 760毫克/升。

3 治理方法及数据采集

3.1 治理方法

通过对治理区地层岩性、地质构造、水文地质特征进行调查和研究，研判治理区被破坏地层范围及其特征，结合酸性废水特性(杨秀丽 等，2014；卢裴裴 等，2022)，采取以下几种治理途径：一是“防止酸性水形成的措施”，包括对露采坑的防渗及封闭、对矸石堆的处理及防渗；二是“酸性水的阻断治理措施”，包括采用碱性物质(石灰石等材料)的“中和法”、利用生物吸附和吸收的“湿地法”。

3.1.1 防止酸性水形成的措施

主要针对露天采坑的防渗及封闭、对矸石堆的处理及防渗。对于露天采坑的治理方面，首先使用生石灰对采坑中酸性废水进行中和，然后在露采坑底部铺设粘土层-HPDE膜，对采场基岩边坡喷砼进行封闭，最后进行回填、植被复绿。通过上述措施，对已破坏含煤地层进行防渗处理，阻隔煤矿酸性废水垂向渗漏污染地下水。针对煤矸石堆的处理，先在矸石堆底部铺设粘土层-HPDE膜，然后进行清表。值得一提的是，可将煤矸石进行包覆回填至露天采坑后，再覆种植土复绿。(如图2)

图2 露天采坑治理示意图Fig.2 Diagram of open mining pit treatment

具体措施总结为：采用采坑废水综合吸收+被破坏含煤地层覆膜防渗+煤矸石封装+采坑回填+土地平整+覆土+植被复绿+排水沟工程

3.1.2 酸性水的阻断治理措施

主要针对历史露天采坑积水、矸石堆下渗污染的水体。参照酸性矿井水的治理(吴涛 等，2010；邢春峰，2010)，采用碱性物质(石灰石等材料)的“中和法”、利用生物吸附和吸收的“湿地法”进行处理。

酸化水体主要成分为黄铁矿(FeS2)及其氧化后的产物Fe2+、Fe3+、H+、SO42-，治理设计结合经济适用、原料易得等原则，就地取材、顺势而为。通过多次水体净化试验结果，选用不同粒径的石灰岩为主材(张河民 等，2015)，在隔水地层上，修建梯级渗透墙、沉淀反应池和干砌石渗透反应岸(如图3)；降低水体流速，加速水中固体颗粒原地沉淀；同时增大煤矿废水与石灰岩的接触面积，使酸性物质与石灰岩进行酸碱中和反应：

图3 酸性废水净化系统示意图Fig.3 Diagram of acid wastewater purification system

2FeS2+7O2+2H2O=2FeSO4+2H2SO4

4FeSO4+O2+2H2SO4=2Fe2(SO4)3+2H2O

Fe2(SO4)3+6H2O=2Fe(OH)3+3H2SO4

H2SO4+CaCO3=CaSO4(微溶)+H2O+CO2↑

与此同时，利用“湿地法”对经生态沉淀反应池综合过滤后的水体进行生物、化学的综合和吸收。湿地区设计为浅水(约0.5 cm)，便于暴氧，底部采用灰岩沙粒铺设，便于酸性物质综合，种植适宜植物等，便于漂浮物及部分溶于水体中的重金属物质吸收。煤矸石防渗处理后，覆土种植刺槐等耐酸性植物；生态湿地内种植耐酸性、具重金属富集能力的水生植物香蒲、菖蒲等，为微生物提供生长场所，过滤、截留水中的悬浮物，有效去除水中的酸、铁、硫化物等；河岸混合种植格桑花、节节草等美化生态环境；投放泥鳅、黄鳝及蛙类，扰动水体，加速水体氧化。

此外，利用上游渗透墙与下游沉淀反应池、生态湿地的水位差，建造人工喷泉，扰动水体以增加曝氧时间，从而加速酸性水体氧化。经物理过滤、酸碱中和、化学氧化，实现自我净化，有效解决地表水污染问题。

具体措施总结为：生态沉淀池+渗透墙+植被复绿+人工湿地+排水沟工程+监测工程。

3.2 数据采集

治理区地层情况、含煤地层的层数、采矿导致地质及生态环境破坏状况、水文地质等情况直接引用于皮陇河煤矿区治理项目资料；矿山酸水pH值、铁离子及硫酸根离子浓度等水质分析数据主要采集于项目治理前设计阶段。除此之外，治理后植被覆盖、水质情况等治理指标完成情况则进行现场调查核实。

4 讨论与结论

4.1 讨论

4.1.1 治理方法的可行性

治理实施后，治理区内被破坏的地貌得以改善，植被覆盖率提升。从社会效益方面，从经济效益方面来看，土地复垦、绿化后，耕地或林地面积相应增加。本治理区以附近常见的石灰石作为主要材料有效解决了水体酸化的历史遗留矿山生态环境问题。相较传统的污水处理厂，具有项目建设维护费用低、治理成本低、维护费用少、治理效果好等特征。

4.1.2 采用本治理方法需注意的问题

采用本方法进行矿山酸性废水治理过程中，应注意以下问题。首先是煤矸石堆的处理。可将其进行防渗包覆后回填至露天采坑，剩余部分煤矸石底部需铺设土工膜，上覆土工膜，防治雨水淋滤造成煤矿酸性废水垂向渗漏污染地下水。其次是截排水沟施工过程中需修建沉沙池，且后期要定期进行清理。在“湿地法”实施进程中，生物植物及水生动植物的选择应遵循“因地制宜，适地适物”的科学原则。

4.1.3 需要进一步研究的方向

一是用于修建梯级渗透墙、沉淀反应池和干砌石渗透反应岸的石灰石耐久度问题。该方法经实验室论证可行，工程效果达到设计要求，但其尚属于工程试验，对于石灰石的使用有效时限尚无明确定论。后期需加强治理区内水质监测进行验证。二是该治理方法的适用范围问题。其设计原理虽适用于煤矿等具有酸性废水影响的矿山治理，但对其他矿种类型国土空间生态修复是否有效未有考证。

4.2 结论

通过实施有效治理措施，使矿山酸性废水污染现状得到了控制，皮陇河观测点水体断面pH值上升至6.85，达到灌溉水水质标准。水生植物得以重建、皮陇河源头水源涵养功能得以恢复，周边生态环境稳定程度得到提升，当地生态环境状况得到明显改善，达到了治理目的。总结如下：

(1)生态沉淀池+渗透墙+植被复绿+人工湿地+排水沟工程+监测工程的系列治理措施是行之有效的，对于存在煤矿酸性废水污染问题的地质环境治理恢复是切实可行的。

(2)经过室内试验采用石灰石对矿山酸性废水进行中和是可行的，经过本矿山治理试验，该材料具有经济、实用等优势。

(3)该综合治理方法对于煤矿山酸性废水治理的有效性，对存在酸性废水污染问题的其他矿种矿山进行试验。