贵州省废弃煤矿酸性废水调查研究

刘坤云

(贵州省生态环境监测中心,贵阳 550081)

煤矿酸性废水是在煤矿开采过程中,含硫化物的煤矿床被氧化而产生的pH值低于6的矿井水,其主要特点为pH较低,一般在4～6,含有高浓度的硫酸盐以及多种可溶性的重金属离子,如Fe2+、Mn2+等[1]。煤炭是我国重要的支柱能源,2005年、2021年、2023年国家统计局《国民经济和社会发展统计公报》显示,近年来,我国煤炭生产和消费量随经济社会快速发展而大幅增长,能源消费总量由2005年的26.1亿吨标准煤增至2021年的52.4亿吨标准煤,2021全年煤炭消费量占能源消费总量的56.0%。煤炭资源的大规模、高强度开发,煤矸石、煤矿瓦斯等副产物也急剧增长,特别是煤炭在开采过程中形成的大量煤矿酸性废水,导致矿区生态环境压力日益加大。酸性废水的直接排放不仅造成水资源的浪费,而且污染水资源、生态环境及土地资源,危害农作物、水生生物和人体健康。煤矿酸性废水量大、面广、污染严重、治理难度大[2]。

贵州省煤炭资源位列全国第五位,素有“西南煤海”之称。全省含煤面积约7.75万km2,占全省总面积的44%。贵州省煤矿含硫量较高,含硫在1%～4%之间,中硫-富硫煤较多[3],以黄铁矿含硫为主[4],煤矿在开采过程中,因含煤地层中所含硫化物(主要为黄铁矿)的赋存环境变化而自发进行氧化还原反应产生煤矿酸性废水[1]。煤矿矿井水通常在人为作用下被抽出(大多生产矿井)或自然流出矿硐(大多废弃矿井)。由于贵州省煤矿开采主要以小煤矿为主,矿井水及煤矸石排放无序,导致煤矿酸性废水排放成为突出的环境问题[5]。

1 废弃煤矿废水调查分析方法

1.1 资料收集

通过向能源、自然资源、生态环境等部门和省内高校及科研院所专家收集废弃煤矿废水有关资料,通过分析,初步掌握全省废弃煤矿分布及排水情况。

1.2 现场踏勘

通过前期资料分析情况,确定重点调查区域及废弃煤矿名单,进行现场踏勘,查看排水情况,现场测定排水量,同时采集水样。现场采用pH计测定pH,采用三角堰法测定废弃煤矿废水水量。

1.3 实验室分析

送具有CMA资质认定的实验室检测水样,采用火焰原子吸收分光光度法测定总铁和总锰2个特征污染指标浓度。

2 贵州省废弃矿井现状分析

2.1 废弃煤矿数量及出水量分析

通过向能源、自然资源等行业主管部门收集全省废弃煤矿信息,向省内有关方面专家咨询并结合现场调查,根据天气情况及项目安排,确定调查时间为2023年3月至6月。本次调查共发现废弃煤矿909个,其中3月份对六盘水市开展调查,共发现废弃煤矿107个;5月份对遵义市、安顺市、毕节市、铜仁市开展调查,共发现废弃煤矿472个;6月份对贵阳市、黔东南州、黔南州、黔西南州开展调查,共发现废弃煤矿330个,调查主要集中在丰水期。分布于我省9个市州,出水的废弃煤矿数为200个,出水的废弃煤矿占比为22%。废弃煤矿分布及出水情况详见表1、图1、图2。

表1 废弃煤矿出水情况统计表

图1 贵州省出水的废弃煤矿分布数及比例图

图2 贵州省出水废弃煤矿出水量(m3/d)及占比

2.2 废弃煤矿出水分析

根据各地废弃煤矿排水状况,结合废弃煤矿对周边水环境污染情况,对出水水量较大,通过视觉反映污染较重的99家废弃煤矿出水进行采样分析。测定指标为pH、总铁和总锰3个指标。测定结果详见表2、图3。

表2 各市(州)废弃煤矿出水矿均pH、总铁、总锰情况统计表

图3 废弃煤矿废水中矿均pH、总铁、总锰含量分布

3 贵州省废弃矿井现状分析结果

3.1 废弃煤矿数量及出水量分析结果

我省废弃煤矿数量从多到少排列顺序为:毕节市>遵义市>黔南州>六盘水市>贵阳市>安顺市>黔东南州>黔西南州>铜仁市。出水的废弃煤矿个数比例排序依次为:黔东南州>贵阳市>遵义市>黔西南州>六盘水市>黔南州>铜仁市>安顺市>毕节市。煤矿的排水总量顺序依次为:黔东南州>贵阳市>遵义市>毕节市>黔西南州>黔南州>铜仁市>六盘水市>安顺市。从排水总量上看,我省废弃煤矿废水治理压力最大的为黔东南州,其次为贵阳市和毕节市。废弃煤矿废水压力相对较小的为安顺市、六盘水市和铜仁市。

3.2 废弃煤矿出水分析

根据检测结果及现场收集的数据资料统计分析,黔东南州出水废弃煤矿矿均含铁量最高,达305 mg/L;其次是遵义市与黔南州,分别达236.5 mg/L与231.7 mg/L;含量最低的为六盘水市和铜仁市,分别为0.47 mg/L与6.83 mg/L。从总铁污染负荷来看,黔东南州出水废弃煤矿总铁污染负荷最高,达30.033 t/d;其次为遵义市和黔南州,分别达3.944 t/d、2.646 t/d;安顺市、铜仁市较低,最低为六盘水市,达0.001 t/d。

出水废弃煤矿矿均总锰含量中,黔东南州出水废弃煤矿矿均含锰量最高,达10 mg/L;其次是遵义市和贵阳市,分别为8.13 mg/L和6.64 mg/L;其余市州含量相对较低。从总锰污染负荷来看,黔东南州出水废弃煤矿总锰污染负荷最高,达0.985 t/d;其次为贵阳市和遵义市,分别达0.208 t/d、0.139 t/d;其余市(州)均较低,最低为六盘水市,达0.0001 t/d。

出水废弃煤矿矿均pH中,由低到高依次为黔西南州<安顺市<黔东南州<黔南州<贵阳市<毕节市<遵义市<铜仁市<六盘水市。

4 贵州省废弃矿井废水治理现状

贵州省废弃煤矿废水治理主要采取以下2种模式。

(1)采取末端治理,大多数采用建设污水处理设施进行控制,普遍使用传统的中和沉淀法、吸附法或酸性矿山废水处置组合工艺。中和沉淀法是酸碱中和处理技术,应用最为广泛,在酸性废水中加入碱性中和剂以提高废水的pH值。在碱性条件下,金属离子生成氢氧化物沉淀并从废水中去除,常用的中和剂有石灰、石灰石、碳酸钠、氢氧化钠等。吸附法是通过多孔材料去除水中金属离子,常用的吸附剂有活性炭、锰砂、沸石、高岭土、膨润土、粉煤灰、壳聚糖质素等。调研发现采取末端治理普遍治理成本偏高,污泥产生量大,缺乏可持续性,如遵义市仁怀市桂花煤矿采用“曝气+中和+沉淀”工艺处理酸性煤矿废水;同时调查发现黔东南鱼洞河流域、织金丫骂河流域及安顺西秀区部分煤矿因处理设施后期的持续投入而停运。

(2)采取“源头区域治理+井下封堵”相结合的治理技术模式,如2021年黔东南州启动采用该模式在鱼洞河流域实施酸性煤矿废水治理,已完成黄坝煤矿和龙场煤矿平路河井井下封堵治理,正在实施鱼洞监狱煤矿斜井、江禾煤矿、里仁煤矿、大猫山煤矿和顺发煤矿7#井封堵治理工程。目前,已取得了一定成效。

5 结论和建议

5.1 结论

(1)废弃煤矿出水总铁六盘水市最低,黔西南州、黔南州、遵义市、黔东南州较高。

(2)废弃煤矿出水总锰六盘水市最低,贵阳市、遵义市、黔东南州较高。

(3)废弃煤矿出水pH中,六盘水市废弃煤矿出水最高,黔西南州最低,安顺市、黔东南州、黔南州、贵阳市较高。废弃煤矿总铁、总锰和pH调查结果与贵州省能源局2017年发布的《贵州省矿井水及煤矸石综合利用研究报告》(因当时黔东北、黔东南、黔南地区生产矿井少,调研范围未涵盖上述区域)中的结论基本吻合,即六盘水煤田区煤矿废水总铁、总锰含量最低;六盘水煤田煤矿废水pH最高,贵阳煤田区煤矿废水pH最低。

(4)废弃煤矿出水量最大为黔东南州,其次为贵阳市和毕节市。废弃煤矿废出水量较小为安顺市、六盘水市和铜仁市。

(5)黔东南州采用“源头区域治理+井下封堵”的技术模式,将煤矿废水治理技术应用到实际工作中,转变以往高成本、低效率、浪费水资源的末端治理的模式,不仅能达到标本兼治的效果,而且工程实施可充分结合南方山区地形地貌条件,场地安排灵活、利用井口空间,同时,治理后期运行成本低、利于维护。应用“源头区域治理+井下封堵”,不仅具有先进的新技术特点,而且具有明显的环境效益、生态效益。因此,“源头区域治理+井下封堵”治理模式等新技术的应用,可为贵州省酸性废水治理提供一种新的技术和方法。

5.2 建议

(1)建立完善闭矿环境管理及后评价体系

明确闭矿环境管理验收程序,闭矿环境治理要求和验收标准。闭矿前对可能出现的环境风险进行评估,制定和落实相应的防范方案;闭矿程序完成后,对已完成的闭矿善后工作进行核验,确保闭矿环境验收达到标准,并进行闭矿后评价。

(2)加强闭矿后的环境管理和生态治理工作

加强闭矿后的环境管理和生态修复,加强酸性煤矿废水治理、规范关闭矿洞、持续水质监测等。当前大多数废弃煤矿废水治理责任主体为地方人民政府,除持续开展废弃煤矿废水污染问题排查整治外,还需加强煤矿周边水环境监测,定期巡查,建立废弃煤矿水环境风险预警制度,防止严重环境损害事件的发生。

(3)建立地区废弃煤矿环境风险分级分类管控制度

充分考虑酸性煤矿废水危害程度、技术方案成本等因素,采取科学的治理工艺,分级分类实施整治。对含有有毒污染物的应优先进行治理控制,防止对周边群众造成不可逆的人身损害。对位于饮用水源保护区、自然保护区、基本农田保护区等敏感区域或者对居民生产生活造成影响的,也应优先进行治理。

(4)拓宽废弃矿井水治理融资渠道

建立多元化的资金投入保障机制,运用市场机制,推行合同节水等管理模式,鼓励社会力量、社会资本参与矿井水处理工程建设和运营管理。探索建立矿井水治理绿色信贷支持机制;探索开展项目收益权、特许经营权等质押融资担保。

(5)加强废弃煤矿废水治理与新技术研究

加快研究污染治理技术,支持、鼓励各科研机构、企业等在酸性煤矿废水治理新技术方法的研究,探索科学有效、成本低的污水治理工艺技术,降低污染治理资金投入。