煤矿塌陷区人工湿地处理污水的可行性研究＊

郑 涛 黄少鹏

(安徽财经大学经济发展研究中心,安徽省蚌埠市,233041)

1 问题的提出

煤炭资源型城市是伴随着煤炭资源的开发而发展起来的一类具有特殊性质的城市。在我国的118个资源型城市中,煤炭资源城市有63个。这些城市为国家的经济建设做出了巨大贡献,然而,随着矿区的建设和煤炭的开采,也留下了许多生态环境问题。

(1)煤炭地下开采形成大量的塌陷区,使得地形地貌和生态环境遭到很大破坏。土地的塌陷和水源地的改变,对原生地的物种生长、生物链、水系循环造成严重影响,旱系生态环境向湿地生态环境转变。根据煤田地质结构的不同,每开采万吨原煤可形成0.1～0.3 hm2的塌陷区。据不完全统计,全国煤炭地下开采历年形成的塌陷区已达40万hm2,平均每年形成塌陷土地1.5～2.0万hm2,其中耕地占30%。淮北市形成的38处共1.5万hm2塌陷区中,大部分成了湿地。淮南市塌陷区面积达1.328万hm2,约占全市国土面积的5.1%。

(2)矿区水污染严重,水资源短缺。矿区污水主要有生产过程中外排的井下水和不断扩大的矿区居民所产生的生活污水两个来源。煤炭资源型城市布局呈现点多、线长、面广的特征,每个矿井即形成一个独立的社区,加大了治理的难度。许多煤炭资源型城市位于缺水地区,例如淮北市人均占有水资源量不足500 m3/a。抽排矿井水进一步降低了地下水位,同时矿区生产、生活大量用水加剧了水资源的短缺,致使许多资源型城市用水更加紧张。

(3)固体废弃物难以处理,大量占用耕地。固体废弃物主要来源于煤炭开采的煤矸石和火力发电厂所产生的粉煤灰,属于大宗工业固体废弃物。据测算,每采出1亿t煤产生煤矸石可达1500万t,发1000万kWh的电可产粉煤灰800 t,煤矸石和粉煤灰的堆放不但增加企业运行成本,同时挤占土地,破坏环境,给企业和生态环境带来巨大的负担和影响,也浪费了资源。

针对上述矿区的生态环境问题,在传统的治理过程中基本是以分别治理为主,成本投入大而收效低。遵循循环经济的理念,充分利用难以复垦,也不适合构造景观的积水洼地塌陷区,构造净化型人工湿地处理污水,变分而治之为综合治理,可以大大提升经济效益和生态环境效益,是一种很好的人工与自然生态复合的治理模式。

2 人工湿地处理系统的比较优势

2.1 传统技术对矿区污水处理的弊端

传统废水处理方法分为物化处理和生化处理,它们的造价比较高,各有优缺点。以活性污泥法为例,目前这种处理工艺的造价按处理能力计算为每吨污水1500元,其对矿区生活污水中总氮和总磷的去除率只能达到30%,处理效果不够理想。同时还会产生大量污泥,一般处理1000 t污水会产生1 t污泥,污泥的处理费用也比较高。针对传统方法的弊端,许多煤炭资源型城市结合自身条件进行了积极的探索和改进。例如淮南矿业集团采用先进工艺处理矿区矿井水及生活污水,将处理后的污水和底泥进行资源化利用,为企业节约了运行成本,为社会创造了环境效益。

但这些城市在运用传统工艺处理污水的过程中也存在一些缺陷:对矿井水和生活污水进行的是分类处理而不能集中处理;没有能够利用矿区自身的物质优势和地理优势,因地制宜地对矿区生态环境进行综合治理;运行成本比较高。因此,针对矿区的特殊环境,传统污水处理工艺显然不是最佳方案。

2.2 人工湿地对矿区污水处理的优点

人工湿地是一种新型的生态治理污水技术,可处理多种污水。它由人工建造和监督控制,利用系统中基质—水生植物—微生物的物理、化学、生物的三者协同作用,通过基质过滤、吸附、沉淀、离子交换、植物吸收和微生物分解来实现对污水的高效净化,能够处理包括化工、纸浆、印染等各类废水。与传统的污水处理技术相比较,它具有工艺设备简单、运行费用低廉、维护管理方便、净化效果明显等优点,越来越受到人们的青睐。煤炭资源型城市粉煤灰非常丰富,可以被选作湿地基质,再栽种某些适宜的水生植物即可组成人工湿地,这种因地制宜修复利用塌陷地的途径代价低、效果好,不仅可以很好地处理矿区污水,还可以将处理过的水用以农作物灌溉或处理回用,同时还能实现粉煤灰的资源化利用,达到以废治废的目的。如果选择有经济利用价值的水生植物进行养殖,不仅可美化和改善区域环境,还可产生经济效益。这种模式有利于实现塌陷区水、土资源的优化配置,改善矿区城市的生态环境,推进了采煤塌陷土地综合效益的发挥。

3 塌陷区人工湿地处理污水的可行性分析

煤炭塌陷区分为坡地、浅水湿地和深水湿地3种类型,深浅不一,形式多样。在符合条件的塌陷区基础上构造人工湿地处理矿区污水具有技术可行性和经济可行性,同时还能取得多重效益。

3.1 技术可行性分析

(1)处理过程。矿区污水主要有两个来源,一是生产过程中外排的井下水,其成分是煤尘、岩粒和一定量的细菌;二是矿区居民所产生的生活污水,其主要成分是有机污染物、氮、磷、固体悬浮物(SS)和病原体等。可见,无需进行特殊工艺处理,构建塌陷区人工湿地采用生态自然处理法就能够对矿区污水进行有效处理。污染物的去除见表1。

表1 污染物的去除过程

塌陷区人工湿地系统应按照设计处理能力和当地自然条件进行适当改造后投入使用。在具有一定长宽比及底面坡度的塌陷洼地中,由土壤和粉煤灰混合组成填料床,污水可以在床体的填料缝隙中曲折地流动,或在床体表面流动。在床体的表面种植芦苇等具有处理性能好、成活率高、抗水性强的水生植物,形成一个独特的动植物生态环境,对污水进行处理。湿地系统成熟后,填料表面和植物根系将由于大量微生物的生长而形成生物膜。废水流经生物膜时,大量的固体悬浮物被填料和植物根系阻挡截留,有机污染物则通过生物膜的吸收、同化及异化作用而被除去。湿地系统中因植物根系对氧的传递释放,使其周围的环境中依次出现好氧、缺氧、厌氧状态,保证了废水中的氮、磷不仅能通过植物和微生物作为营养吸收,而且其化合物还可以通过硝化、反硝化作用被除去,最后湿地系统通过更换填料或收割栽种植物将污染物除去。

(2)净化效果。人工湿地分为两种类型:自由水面人工湿地(简称FWS)和潜流型人工湿地(简称SFS)。FWS系统中,废水在湿地的土壤表层流动,水深较浅,处理效果不够明显。而SFS系统,污水在湿地床的表面下流动,处理能力强,不易受影响,卫生条件好。人工湿地去除的污染物范围广泛,包括氮、磷、固体悬浮物、有机物、微量元素和病原体等,利用该方法处理生活污水和工业有机废水,效果很好。有关研究结果表明,废水中大部分有机物作为易养微生物的有机养分,最终会被转化为微生物细胞、二氧化碳和水。在进水浓度较低的条件下,人工湿地对5日生物需氧量(BOD5)的去除率可达85%～95%,出水的生化需氧量(BOD)能达到10 mg/L以下,化学需氧量(COD)去除率可达80%以上,出水的COD能达到30 mg/L以下,SS小于20 mg/L,一般生活污水经过湿地处理后,总磷和总氮的去除率分别可达到70%和90%以上,远优于国家排放标准,可以达到地面水三级标准。从我国已经建成的人工湿地的运行结果表明(见表2),出水水质完全满足《城市杂用水水质标准》的要求。

表2 国内人工湿地正式工程运行效果

3.2 经济可行性分析

(1)改造费用。煤矿塌陷区形成的洼地是良好的人工湿地雏形,选取浅水区域进行适当改造后即可投入使用。坑口电厂有大量的粉煤灰可以作为基质,它是一种多孔性松散固体聚合物。研究表明,粉煤灰对氨、氮的吸附能力与活性炭、细煤渣相近,对总磷的吸附能力大于活性炭和细煤渣。基质无需外购,这是在矿区构建人工湿地系统的成本优势,同时实现粉煤灰的资源化利用。传统生化处理技术的造价都很高,比如活性污泥法的造价为每吨污水1500元。相比之下,人工湿地两种类型造价都比较低:FWS系统的造价为每吨污水150～300元;SFS系统的造价为每吨污水800元左右。在塌陷区构造人工湿地能够充分利用当地自然资源和物质条件,造价比普通人工湿地低,更是远低于常规处理技术。

(2)运行费用。由于人工湿地是利用基质过滤、吸附、植物吸收和微生物分解等作用对污水进行高效净化,不需要投加化学药剂和曝气充氧等,所以与传统的污水处理技术相比,它具有工艺设备简单,运行费用低廉,维护管理方便等优点。人工湿地的处理费用一般为每吨污水0.1～0.2元,而活性污泥法为每吨污水为0.5～1元。由于基质的吸附能力降低、堵塞和淤积等,会导致净化效果退化,一般人工湿地的使用寿命为15～20年。对于达到使用年限的人工湿地,可以采取两种处理方法:一种是重新建设人工湿地系统,在这种情况下,废弃的人工湿地可以复垦为肥沃的农田来使用。另一种是重新更换底部基质,恢复处理能力,这种方法只要将底部的基质掏出用作肥料,将新的粉煤灰加入,就可重新恢复人工湿地系统的工作能力。

3.3 塌陷区人工湿地价值分析

(1)生态环境价值。煤炭资源型城市同时存在水体污染和大气污染等环境问题。人工湿地系统不但能很好地处理矿区污水,而且对大气有一定净化作用。湿地中的水生植物(芦苇、水芹、浮萍、睡莲等)对空气粉尘具有很好的吸附、过滤和净化效果,这对大气污染尤为突出的煤炭资源型城市意义重大。人工湿地还能够保护生物多样性,具有资源价值。资源价值还体现在资源循环利用方面,塌陷区的人工湿地构造用其特有的粉煤灰等作为基质,实现了资源的高效利用和循环利用,体现了资源化、再循环的特点,这种形式将废弃物的综合利用与废水的净化处理有机结合起来,本质上是一种生态经济。此外,人工湿地还具有改善气候、改善土壤和调洪蓄水等生态功能。

(2)经济社会价值。在塌陷区人工湿地种植有经济利用价值的植物可以取得经济效益。许多水生植物具有经济价值,比如可以将塌陷地修复为芦苇湿地,产品芦苇为造纸业提供优良的原材料,湿地系统用来处理造纸废水。从而实现苇纸生态产业化和造纸废水的资源化利用,带动当地经济的发展。煤炭资源型城市选煤产业会消耗大量水资源,污水经过人工湿地处理后可以达到地面水三级标准,其出水可以用于选煤,也可用于冲厕、灌溉、景观用水和浇洒道路等。如果在严重缺水的矿区,还可以将人工湿地出水进一步处理后作生活饮用水,实现废水资源化利用,缓解地区水资源短缺矛盾。另外,由于粉煤灰能够改善土壤结构,提高土壤肥力,所以废弃后的人工湿地可以作为肥沃的农用地使用,种植经济作物,获得经济效益。这些都符合循环经济和可持续发展的理念和要求。

4 结论

煤炭资源型城市经济社会发展造成了严重的环境污染:矿井水和生活污水导致水体污染;粉煤灰和飞灰导致大气污染;煤矿开采导致出现大量塌陷地。要解决这一系列的环境问题,必须全面考虑,综合治理。利用煤矿塌陷区构造人工湿地是一种很好的生态综合治理模式,它不仅具有普通人工湿地净化污水等诸多优点,还具有自身的独特优势:改造塌陷区,合理使用土地;利用粉煤灰,实现废物资源化;改善土壤,增加复垦面积;栽种植物,净化城市空气。

需要指出的是,在应用该模式时,应当特别注意防止二次污染和对周围环境产生影响。人工湿地还可以与传统污水处理方法配合使用,比如在污水处理厂的附近建造人工湿地,将其出水引入,加强处理,提高水质。当然,人工湿地系统也有缺点,比如易受病虫害影响和气候温度影响等,但这些问题可以在运行过程中得到解决。

总之,无论是在技术层面还是在经济层面,利用煤矿塌陷区构造人工湿地处理污水是完全可行的,同时还可以获得生态环境效益和经济社会效益。在实际应用中,不同煤炭资源型城市应当根据当地的气候条件和经济水平选择合适的系统模式,因地制宜、统筹兼顾、整体规划、改善优化,促进区域的可持续发展。

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