矿井水地下回灌过程中主要污染组分迁移转化规律研究

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710054)

矿井水是伴随煤炭开采产生的地下涌水。我国煤炭以井工开采为主，约占整个煤炭产量的97%[1]，由于含煤地层一般在地下含水层之下，在采煤过程中，为确保煤矿井下安全生产，必须排出大量矿井涌水，即矿井水[2][3]。然而，正在建设的全国十四个大型煤炭基地，除云贵基地、两淮基地、蒙东(东北)基地水资源相对丰富外，其余的十一个基地都存在不同程度的严重缺水。尤其是晋陕蒙宁新等地区水资源最为匮乏，煤炭产量占全国的60%以上，水资源占有量不足全国总量的20%，水资源缺乏是矿区发展的最主要制约因素。另外，由于受井下采矿和人为活动的影响，矿井水极易受到污染，含有大量矿粉、岩石粉尘等杂质，悬浮物浓度较高，并含有少量有机物和微生物，如不经处理直接排放，既污染矿区水源，又破坏矿区生态环境[4][5][6]。

将矿井水净化处理为符合回灌标准的再生矿井水(即处理后矿井水)并安全回灌补给地下水，构建人工地下水库：(1)具有一定的库容，能够存储水资源；(2)有人工增储干预，如修坝、建渗井等；(3)能够实现调蓄功能，以丰补歉。这对于实现矿井水资源化、含水层恢复、缓解煤矿区水资源供需矛盾和环境污染态势具有重要意义[7]。矿井水在回灌补给地下水的过程中，经土壤-含水层系统(soil aquifer treatment，SAT)的自然净化，水质可进一步改善，同时可增加含水层的补给量和储存量；回灌到含水层的地下水经过一段时间后，可以回采用于不同用途的供水[8]。因此，对矿井水进行回灌，经过自然净化，实现矿井水资源化，既能减轻对于生态环境的危害，又能有效缓解矿区水资源供需矛盾、最大限度地满足生产和生活及生态用水。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料与装置

采集鄂尔多盆地蒙陕接壤区的地表风积沙，过5mm尼龙筛备用；采集神府矿区浅埋煤层开采过程中产生的井下矿井水，经初级沉淀过滤处理，运回实验室4℃冷藏备用。

由于矿井水回灌经过土壤层(包气带)和含水层(饱和带)过程中，氧化还原环境不同，导致污染组分的去除也存在明显差异。因此搭建了模拟包气带和饱和带的矿井水地下回灌模拟运移装置(图1)：竖立的土壤柱为包气带模拟柱，上端留设进样口和排气口，下端留设NO.1取样口(设置三通装置)；横卧的土壤柱为饱和带模拟柱，左上端进样口与包气带模拟柱的取样口(即出水口)三通相连，右下端为No.2取样口。两个模拟柱均为内径11 cm、长100 cm有机玻璃柱，内部充填毛乌素沙漠的风积沙，两端各加3.0 cm厚的粗粒石英砂，起到滤砂和均匀布液的作用，下端用滤布作为反滤层以防止风积沙堵塞出水孔。实验过程中以供液瓶和蠕动泵作为供水装置，以保证形成稳定流量(0.8～1.0 mL/min)。

图1 实验装置

1.2 检测方法与仪器

水样中总有机碳(TOC)的测试采用multi N/C 2100专家型总有机碳/总氮分析仪(德国耶拿分析仪器股份公司)，水样经0.45 μm滤膜过滤后检测TOC含量；UV254的测试采用Evolution 60紫外可见光度计(德国Thermo Fisher Scientific公司)；pH的测试采用FG2-FK型pH计(瑞士梅特勒公司)；主要阴阳离子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-等)的测试采用ICS2100离子色谱仪(美国戴安公司)；NH4+采用纳氏试剂光度法(A)和vis-723型可见分光光度计(北京瑞利分析仪器公司)检测。

2 结果与讨论

2.1 回灌矿井水水质特征

根据《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中水质常规指标(35项)，对神府矿区某煤矿的井下中央水仓排水进行了检测，超标的项目有TDS、CODcr、Cl、F、总大肠菌群、大肠埃希氏菌以及肉眼可见物，另外，SO4、NH4、NO3等指标的浓度也较高。矿井水回灌前，肉眼可见物通过简单的沉淀过滤即可去除，回灌过程中总大肠菌群和大肠埃希氏菌均未检出，F离子浓度基本没有变化，因此矿井水地下回灌模拟实验过程中，主要针对盐分(TDS、SO4)、有机物(UV254、TOC)、氮素(NH4、NO3)开展迁移转化规律研究。

2.2 盐分变化规律

由于矿井水来自侏罗系基岩含水层，水中往往含有浓度较高的盐分(TDS)，且难以通过常规水处理手段去除。矿井水地下回灌过程中，随着实验的进行，包气带和饱和带出水中TDS浓度都逐渐增加(图2)，特别是实验前期(0～56 d)的浓度增加较显著，包气带出水中TDS浓度从1 190.0 mg/L增加至1 256 mg/L；饱和带出水中TDS浓度从1 198.0 mg/L增加至1 289 mg/L。之后的两个出水口TDS浓度则基本稳定。

表1 矿井水水质特征

图2 TDS随回灌时间的变化

SO4浓度也逐渐增加，但总体趋势没有TDS明显，其中包气带出水中浓度从237.0 mg/L逐渐增加至244 mg/L；饱和带出水中浓度从235 mg/L逐渐增加至250.0 mg/L(图3)。

图3 SO4随回灌时间的变化

2.3 有机物变化规律

由于矿井水地下回灌过程中，有机物与溶氧、硝酸盐等发生氧化还原反应，导致有机物浓度明显减少(图4)，其中矿井水在包气带运移过程中，主要发生氧化反应，TOC浓度从5.03～8.33 mg/L(平均6.61 mg/L)降至3.96～5.46 mg/L(平均4.74 mg/L)，平均去除率为28.3%；进入饱和带，主要发生还原反应，TOC浓度进一步降至2.76～3.55 mg/L(平均3.2 mg/L)，进一步去除了23.3%。由于UV254反映的是水中天然存在的腐殖质类大分子有机物以及含C=C双键和C=O双键的芳香族化合物的量，从图5可以看出，矿井水地下回灌过程中，大分子有机物会优先去除，包气带和饱和带对UV254的去除率为37.4%和9.4%。

图4 TOC随回灌时间的变化

图5 UV254随回灌时间的变化

2.4 氮素变化规律

氮污染物中氨氮和硝酸盐本身对人体没有直接危害，但通过硝化反硝化反应生成亚硝酸盐，可诱发高铁血红蛋白症、消化系统癌症等疾病而威胁人体健康。从图6和图7可以看出，回灌过程中NH4的去除主要发生在包气带，平均去除率可达73.1%，证明包气带主要发生了硝化反应(公式1)；矿井水中NO3浓度在包气带变化较小，主要的去除反应发生在饱和带，平均去除率为85.7%，证明饱和带主要发生了反硝化反应(公式2)。

2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H+

(1)

5C+2H2O+4NO3-→2N2+4OH-+5CO2

(2)

图6 NH4随回灌时间的变化

图7 NO3随回灌时间的变化

3 结语

(1)神府矿区浅埋煤层开采过程中排出的矿井水，超标的项目有TDS、CODcr、Cl、F、总大肠菌群、大肠埃希氏菌以及肉眼可见物，SO4、NH4、NO3等指标的浓度也较高。

(2)矿井水地下回灌过程中，出水中含盐量在前期逐渐增大，后期基本稳定；氧化还原反应使TOC浓度减少超过50%，其中大分子有机物在包气带环境中被优先去除。

(3)回灌过程中NH4的去除主要发生在包气带，主要发生氧化反应，去除率可达73.1%；NO3去除主要发生在饱和带，平均去除率为85.7%，主要发生了还原反应。