酸性矿井水处理及其利用

Posted 2023-01-14 酸性

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摘要：在我国，煤矿开采过程中产生大量的酸性矿井水，若直接排放势必会对环境造成严重的污染。文章描述了酸性矿井水的产生原因、危害，并介绍了处理方法及合理化利用。

关键词：酸性矿井水；危害；处理；利用

概述

我国煤炭资源丰富，煤炭是我国生产生活的主要能源之一。在煤炭的开采过程中，由于矿区复杂的水文地质条件，势必会遇到地下水的问题，而在其中，酸性地下水(Acid Mine Drainage，AMD)约占50%以上。大量的酸性地下水被排出，既不能解决矿区的严重缺水问题，还会对环境造成污染。

1.酸性矿井水的形成机制

酸性矿井水主要指PH<6的地下水。地下水流经煤矿区煤系底层时，由于硫在氧化环境中被氧化溶解于地下水中，使得水中的SO42-含量增高，成为地下水中的主要阴离子，阳离子主要为H+和Fe2+、Fe3+、Mn2+等金属离子。当煤层及其围岩中含有黄铁矿时，由于地下水中的氧化物的氧化作用，使得黄铁矿被氧化，具体过程如下[1]：

1.1 2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4

1.2黄铁矿在含氧气的地下水中氧化为FeS- O4和H2SO4，含有大量Fe2+并具有酸性，但是FeS- O4只是氧化过程中的中间产物，很不稳定，在酸性水中还要进一步氧化。

4FeSO4+2H2SO4+O2→2Fe2(SO4)3+2H2O

1.3生成的Fe2(SO4)3较FeSO4稳定得多，但在弱酸性水中还要进一步氧化。

Fe2(SO4)3+6H2O→2Fe(OH)3+3H2SO4

Fe2(SO4)3水解的结果生成H2SO4，使水的PH 进一步减少。新生成的Fe(OH)3失水后，生成不溶于水的黄褐色褐铁矿沉淀，即所谓的“铁帽”。加上微生物细菌的作用，更加加快了黄铁矿的氧化速度。

2.酸性矿井水的危害

2.1酸性矿井水对地下水、地表水的影响

由于酸性矿井水中高含量的SO42-、Fe2+、 Fe3+、Mn2+等离子，当含水层之间发生水力联系时，会对其它含水层的地下水造成严重的污染。由于地下水一经污染很难恢复，所以由此造成的后果尤为严重。

当酸性矿井水未经处理直接排出，进入地表水体以后，会造成水质恶化。由于Fe2+的作用使得水体中氧的消耗量显著增加，造成鱼类、浮游生物、藻类等大量死亡。Fe3+结合OH-生成Fe（OH）3红褐色沉淀，使得水体底部以及两岸呈现红色，影响美观。

2.2 酸性矿井水对设备的影响

酸性矿井水具有强烈的腐蚀作用，矿山排水设备、钢轨、以及其他附属设备等被不断腐蚀，降低了使用寿命，增加了工程投资成本。此外，酸性矿井水还使钢筋混凝土结构疏松，受压受拉强度降低，影响煤矿开采的安全。

2.3 酸性矿井水对生产生活的影响

在地下，由于矿工长期接触酸性矿井水，会腐蚀身体皮肤，造成手脚开裂等，影响身体健康。未经处理的酸性矿井水被排出后，进入地表水体，当这部分水体被作为灌溉用水进入农田时，破坏土壤结构，使得土壤板结，抑制了农作物的生长，严重时会造成农作物大面积的死亡，造成粮食减产。

3 酸性矿井水的治理

根据酸性矿井水的处理工艺的不同，可以分为中和法、微生物法、人工湿地法等。

3.1 中和法

中和法主要包括石灰石中和法、石灰乳中和法以及石灰石———石灰联合中和法3种[2，]其中应用最广泛的是石灰乳中和法。

石灰乳中和法是利用酸碱中和反应的原理降低酸性矿井水中H+的浓度。目前运用较多的是直接投入石灰乳。石灰乳的价钱便宜，且能降低矿井水中的Fe2+、Fe3+以及SO42-的浓度。具体反应如下：

Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4↓+2H2O

Ca(OH)2+Fe2++SO42-=CaSO4↓+Fe(OH)2↓

3Ca(OH)2+2Fe3++3SO42-=3CaSO4↓+2Fe (OH)3↓

4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3↓

中和法对设备的要求较为简单，对水质水量的适应能力强，操作方便，在我国大部分煤矿采用此法处理酸性矿井水。适用于处理酸性较强、涌水量较小的矿井水,但对石灰石的消耗量较大，且对铁的去除效果较差。

3.2微生物法

微生物处理酸性矿井水是国外研究的热点之一，在我国尚处于实验室研究阶段，未得到广泛应用。微生物法是利用微生物———氧化亚铁硫杆菌在充分供氧的酸性条件下不断将亚铁氧化，并利用此反应产生的能量进行繁殖，从而达到去除铁的目的 3[] 。然后通过投入石灰乳进行中和，再通过沉淀、过滤等方式，最终达到水处理的目的。

该方法简单易行，成本低廉，不仅容易回收铁元素，而且可以有效去除水中的N、P等营养物质，解决了二次污染问题，达到高效率低能耗的效果，在我国有广泛的发展前景。但是微生物对PH，温度等条件要求较高，所以还要进行更深入的研究。

3.3人工湿地法

人工湿地(Constructed Wetlands)法是20世纪就在国外得到广泛应用的一种酸性矿井水处理方法。其基本原理为：建造人工湿地单元，即简称一个个的不透水的塘，在其中填充各种砂石、土壤等介质，并种植有特定除污效果的水生植物。让酸性矿井水缓慢流过介质表面，或以渗流的形式，在介质中流动，穿过介质和植物的根系，利用植物在人工湿地中吸收、吸附污水中的金属离子的功能，达到净化的目的。最后进行中和反应，中和水中的 H+。

该方法需要将多个人工湿地串联，是生物、化学、物理方法的综合利用。但人工湿地占地面积较大，处理速度较慢，且对湿地的控制较困难，尤其在寒冷地区该方法仍有极大的局限性。

3.4其他方法

近年来，对酸性矿井水的处理开展了更深入的研究，发现了许多新的处理方法，主要有粉煤灰法、赤泥法处理以及使用碱性纸浆废液、硼泥等代替石灰乳，以废治废，综合利用，可大幅度降低处理成本，达到经济效益、社会效益、环境效益的有机统一4[。]

4 酸性矿井水的应用

在我国，矿井排水量极大，导致煤炭开采过程中的排水费用大幅度提高，而煤矿开采本身需要大量的水。矿井水的排放一方面加大了煤炭企业的经济负担，另一方面又浪费了宝贵的水资源。大规模的排水还会使得地下水位明显下降，更进一步加大了矿区的供水紧张。所以矿井水的有效利用，实行排供结合会很好的解决这一问题。所谓的排供结合就是从排水、供水并关注生态环保三方面考虑[5]将处理过的矿井水，根据处理的程度用于各种目的的供水，达到合理规划、合理利用的目的。

酸性矿井水经过初步处理后，达到国家规定的排放标准后合理排放，处理效果较好的可以作为供水水源，用于工业、农业以及生活用水中。a.工业用水：工业用水对水质的要求标准不高，经过初步处理后，可以用于矿区的绿化、井下灌浆、采煤工作面的降尘用水、洗煤厂洗煤、冷却用水等，缓解排供矛盾。b.农业用水：我国煤矿大部分分布于干旱与半干旱地区，矿区附近的农田灌溉可引用处理过的矿井水，有效缓解农田灌溉压力。c.生活用水：矿区生活用水对水质的要求标准较高，对于处理较好的，可以作为饮用水源。对于多余的水量，可向市区供水，合理定价，既解决城市用水紧张的问题，又合理的利用了矿井水，增加了收入，降低了成本。

5 结论

煤层地系大多数处于还原环境中，由于人工开采而变成氧化环境，导致了大量酸性矿井水的产生。故酸性矿井水的处理与应用在我国有广泛的发展前景，在加大科技资金投入的基础上，学习国外先进的生产经验，综合各方面因素，因地制宜制定有效的措施，对现有水资源进行合理规划管理，对更好的改善煤矿经济效益、环境效益有极大的促进作用。

参考文献
[1]章至洁，韩宝平，张月华.水文地质学基础[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.
[2]徐友宁，袁汉春，刘瑞平.酸性矿井水治理方案灰局势决策择优法[J].环境工程学报2007年3月第1 卷第3期.
[3]胡立峰.煤矿酸性矿井水成因及其处理方法.煤田地质与勘探,2005年8月第33卷增刊.
[4]尹国勋，王宇，许华，欧睿.环境科学与管理. 2008年9月第33卷第9期.
[5]国家煤矿安全监察局人事培训司.矿井水灾防治 [M].徐州：中国矿业大学出版社，2002：149-151. 作者: 王任超杨小芳李红超