煤礦酸性礦井水的形成及主要處理技術(shù)

1、第33卷第9期2008年9月環(huán)境科學(xué)與管理ENV I R O N M ENTAL SC I ENCE AND M ANAGE M ENT Vol 133No 19Sep.2008收稿日期:2008-05-08作者簡(jiǎn)介:尹國(guó)勛(1952-,男,河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。文章編號(hào):1673-1212(200809-0100-03煤礦酸性礦井水的形成及主要處理技術(shù)尹國(guó)勛,王宇,許華,歐睿(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南焦作454000摘要:酸性礦井水是煤礦區(qū)環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害的一種重要類型。煤礦酸性礦井水是煤礦開采中由于硫鐵礦與空氣、水接觸,在微生物作用下經(jīng)過一系

2、列地球化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的一種危害礦井生產(chǎn)、破壞生態(tài)環(huán)境的有害礦井排水。文章首先分析了酸性礦井水的形成機(jī)理,然后從酸性礦井水的危害入手,分析評(píng)價(jià)酸性礦井水各種處理方法的優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)酸性礦井水的處理技術(shù)進(jìn)行總結(jié),最后展望酸性礦井水處理的未來發(fā)展方向。關(guān)鍵詞:酸性礦井水;形成;處理技術(shù)中圖分類號(hào):X523文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AThe For mati on Mechanis m and Maj or Treat m ent Technol ogy of Acidic M ine W aterYin Guoxun,W ang Yu,Xu Hua,Ou Rui(School of Res ources &E

3、nvir on ment,Henan Polytechnic University,J iaozuo 454000,China Abstract:Acidic m ine water is an i m portant kind of geol ogical disasters in the m ining areas .Acidic m ine water is a result of the pyrites with air and water,which passes thr ough a series of geoche m ical reacti ons of the effect

4、of m icr oorganis m s .Thr ough an 2alyzing the for mati on mechanis m and the hazard of the acidic water,the advantages and disadvantages of the vari ous treat m ents are evaluated and su mmarized .Finally,the future devel opment directi on of treat m ent technol ogy of acid m ine water is put f or

5、 ward .Key words:acidic m ine water;f or mati on;treat m technol ogy煤炭開采過程中,一方面為保證采礦安全,需要對(duì)礦井排水和對(duì)地下含水層進(jìn)行預(yù)先的人工疏干;另一方面采用形成的導(dǎo)水裂隙帶會(huì)對(duì)煤系含水層產(chǎn)生自然疏干,這就造成水資源的浪費(fèi)1。煤礦酸性礦井水是煤礦開采過程中的一大污染源。據(jù)報(bào)導(dǎo),目前中國(guó)煤炭生產(chǎn)過程中,每年至少排出2216億m 3的礦井水,其中北方地區(qū)約占60%。若把pH 值小于615定義為酸性礦井水,則有相當(dāng)數(shù)量的礦井水歸屬此列2。酸性礦井水的直接排放不僅浪費(fèi)了寶貴的水資源,而且還會(huì)對(duì)環(huán)境中的水體、土壤、植物造成污染。

6、因此,如何選擇更為經(jīng)濟(jì)合理且簡(jiǎn)單高效的方法處理酸性礦井水,引起了環(huán)保工作者與社會(huì)的廣泛關(guān)注。本文就酸性礦井水的形成過程展開闡述,進(jìn)而論述了酸性礦井水的主要處理技術(shù)。1酸性礦井水的形成一般認(rèn)為,酸性礦井水的成因是:在煤層及其圍巖中含有硫鐵礦,由于煤炭的開采破壞了煤層原有的還原環(huán)境,提供了氧化這些還原態(tài)硫化物所需的氧,地下水的滲出并與殘留煤柱及煤層頂、底板接觸,促使煤層或者頂?shù)装逯械倪€原態(tài)的硫化物氧化成硫酸,進(jìn)而使礦井水呈酸性。但是,由于酸性礦井水的形成機(jī)理非常復(fù)雜,因而對(duì)其具體的形成過程有著各種不同的看法。以黃鐵礦的氧化為例,有三種代表性的觀點(diǎn):第一種觀點(diǎn)認(rèn)為酸性水的產(chǎn)生是黃鐵礦連續(xù)氧化的過程。

7、具體的過程為:(1在水和氧存在的條件下黃鐵礦(FeS 2被氧化為FeS O 4和H 2S O 4;(2在游離氧存在的條件下FeS O 4不穩(wěn)定,連續(xù)氧化為Fe 2(S O 43;(3Fe 2(S O 43在水中水解產(chǎn)生游離酸和沉淀物。第二種觀點(diǎn)認(rèn)為酸性水的形成反應(yīng)并非單一過程,其中還有三價(jià)鐵的還原及黃鐵礦的水解過程。第三種觀點(diǎn)認(rèn)為酸性水的形成是在微生物的參與下完成的。這個(gè)過程分三個(gè)階段:(1黃鐵礦發(fā)生氧化反應(yīng);001(2細(xì)菌大量繁殖增多使pH值急劇下降;(3在細(xì)菌作用下,氧化反應(yīng)速度大大加快,使產(chǎn)酸速度加快。當(dāng)?shù)V井水中的含硫量>5%7%時(shí),礦井水的pH值為6515;>7%9%時(shí),p

8、H值為515315; >9%11%時(shí),pH值為3;>12%時(shí),pH降至215下。因此,酸性礦井水的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程,是物理、化學(xué)和生物作用的綜合結(jié)果3。2酸性礦井水的主要處理技術(shù)酸性礦井廢水危害巨大,它腐蝕管道、水泵、鋼軌等礦井設(shè)備和混凝土結(jié)構(gòu);外排后作農(nóng)業(yè)灌溉用水,會(huì)使土壤板結(jié),農(nóng)作物枯黃;排入水系因含有Fe2+離子在氧化時(shí)會(huì)消耗水中的溶解氧,降低水的自凈能力,妨礙水生生物生長(zhǎng);當(dāng)水質(zhì)pH值小于4時(shí),會(huì)使魚類死亡;礦區(qū)職工若長(zhǎng)期接觸此類水可使手腳破裂和眼睛疼癢。礦井水中含有大量的重金屬離子,會(huì)對(duì)地表水和地下水產(chǎn)生嚴(yán)重的污染。對(duì)于酸性礦井廢水的處理,國(guó)內(nèi)外學(xué)者和專家進(jìn)行了大量的

9、研究,目前的處理方法主要包括物理化學(xué)處理方法、生物化學(xué)處理方法和濕地生態(tài)學(xué)處理方法等其他方法。2.1物理化學(xué)處理法處理酸性礦井水常用的是石灰或石灰石中和法,普遍采用的典型處理工藝有石灰石中和滾筒法和升流膨脹過濾中和法。此兩種工藝可基本上滿足各類酸性礦井水的處理要求,但各有特點(diǎn),現(xiàn)分述如下。石灰石中和滾筒法和升流膨脹過濾中和法的基本原理均是采用石灰石作中和劑與酸性礦井水中硫酸進(jìn)行中和反應(yīng),產(chǎn)生微溶CaS O4和易分解的H2C O3。由于濾料處于不斷的滾動(dòng)和磨擦狀態(tài),不斷產(chǎn)生新的反應(yīng)表面,使反應(yīng)能夠連續(xù)進(jìn)行。升流式膨脹濾池過濾中和法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單,管理方便,工作環(huán)境良好,處理費(fèi)用較低。缺點(diǎn)主要是

10、在中和反應(yīng)后的出水中,存在著大量的H2CO3,使出水pH值難以達(dá)到中國(guó)污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)69的要求,一般只能維持在515左右,且對(duì)二價(jià)鐵的去除率低。石灰石滾筒中和法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)濾料粒徑無嚴(yán)格要求,操作管理比較方便,處理費(fèi)用低。缺點(diǎn)是設(shè)備龐雜,要求防腐措施。噪聲大,環(huán)境條件差,二次污染嚴(yán)重,反應(yīng)產(chǎn)物Fe(OH3和CaS O4常在滾簡(jiǎn)內(nèi)壁石灰乳中和法和石灰乳井下注入中和法的處理原理是利用石灰(Ca O與酸性水中硫酸產(chǎn)生反應(yīng),生成CaS O4沉淀,酸性水得到中和。石灰中和法的優(yōu)點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單,操作方便。缺點(diǎn)是目前反應(yīng)池一般采用隔板式,且不設(shè)攪料器,石灰乳在反應(yīng)池內(nèi)僅靠水力作用與硫酸反應(yīng),所以混合不均勻,出

11、水pH 值不穩(wěn)定,當(dāng)酸性水SS含量高時(shí),懸浮顆粒與石灰乳包裹在一起,形成較大顆粒沉淀于池底,不但降低石灰的利用率,而且容易造成反應(yīng)池排泥管的堵塞。為了除二價(jià)鐵,需將酸性水的pH值調(diào)至堿性(pH=8.59.0,使Fe短時(shí)間內(nèi)氧化沉淀。因?yàn)槭覂r(jià)格高,投加量大,所以,石灰乳中和法的運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用昂貴。中和沉淀后,生成物為硫酸鈣,氧化鐵以及未完全反應(yīng)的石灰和碳酸鈣的膠狀混合物,所以,再用性小,勢(shì)必造成二次污染。石灰乳井下注入中和法是把石灰消化后,調(diào)配成石灰乳狀液,將該液注入井下酸性水中與硫酸進(jìn)行中和反應(yīng),此法最大優(yōu)點(diǎn)是在井下消耗掉硫酸,避免了酸性水對(duì)排水設(shè)備的腐蝕,但是操作極為困難,因此難以推廣利用。在酸

12、性礦井水物理化學(xué)處理法中,中和劑有時(shí)也采用堿性廢渣,如電石渣,利用這些廢渣作中和劑的優(yōu)點(diǎn)是做到了以廢治廢,降低了處理成本。在工藝上實(shí)現(xiàn)也完全可行。但是,其突出缺點(diǎn)是距酸性水的礦井附近不一定有這些廢渣,即取材不一定方便。顯然,在煤炭系統(tǒng)推廣是困難的。2.2生物化學(xué)處理方法生物化學(xué)法處理含鐵酸性水是目前國(guó)內(nèi)外研究比較活躍的處理方法,在美國(guó)、日本等國(guó)已進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,其最大優(yōu)點(diǎn)在于處理二價(jià)鐵效果好、成本低、實(shí)用性強(qiáng)、操作運(yùn)行管理方便且無二次污染。而中國(guó)在這方面的研究仍處于實(shí)驗(yàn)室摸索階段。生化處理法的優(yōu)點(diǎn)是二價(jià)鐵氧化細(xì)菌無需外界添加任何營(yíng)養(yǎng)液,只以亞鐵作為其生命的能源。在二價(jià)鐵氧化為三價(jià)鐵的過程中,氧

13、化亞鐵硫桿菌從中獲得了能量,這其中的能量是由于Fe2+Fe3+的電子通過生物氧化呼吸鏈中的電子轉(zhuǎn)移系統(tǒng)(ETS而產(chǎn)生ATP。1mol的FeS O4氧化可產(chǎn)生大約334880J的能量。氧化亞鐵硫桿菌等利用這些能量固定空氣中的二氧化碳進(jìn)一步完全合成為細(xì)胞的蛋白質(zhì)、脂肪、核酸、碳水化合物等有機(jī)物,并使其自身繁殖。生物處理實(shí)踐表明,生物化學(xué)處理酸性礦井水比投加石灰乳中和法大約節(jié)省運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用2/3左右。生物處理技術(shù)除運(yùn)行費(fèi)用低、管理方便等優(yōu)點(diǎn)外,其11顯著的特點(diǎn)還在于處理后的沉積物可以用來生產(chǎn)氧化鐵紅和聚合硫酸鐵,變廢為寶,綜合利用,所以生物處理技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景4。2.3人工濕地處理方法人

14、工濕地(Constructed W etlands酸性礦井水處理方法是20世紀(jì)70年代末在國(guó)外發(fā)展起來的一種污水處理方法,它利用自然生態(tài)系統(tǒng)中的物理、化學(xué)和生物的三重協(xié)同作用,通過過濾、吸附、沉淀、離子交換、植物吸收和微生物分解來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的高效凈化,與中和法等傳統(tǒng)的酸性礦井水的處理方法相比,人工濕地處理方法具有出水水質(zhì)穩(wěn)定、對(duì)N,P 等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)去除能力強(qiáng)、基建和運(yùn)行費(fèi)用低、技術(shù)含量低、維護(hù)管理方便、耐沖擊負(fù)荷強(qiáng)、適于處理間歇排放的污水和具有美學(xué)價(jià)值等優(yōu)點(diǎn),因而在北美、歐洲的許多國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用5。中國(guó)是一個(gè)礦產(chǎn)資源大國(guó),礦產(chǎn)開采和利用對(duì)水資源的破壞相當(dāng)嚴(yán)重,酸性礦井水的處理是眾多礦山企業(yè)面

15、臨的主要環(huán)境和生態(tài)問題。人工濕地作為一種有效的酸性礦井水處理方法,在中國(guó)的應(yīng)用將越來越廣泛,其作用將越來越大。顯然,濕地生態(tài)工程處理酸性水在技術(shù)和客觀上均是可能的。2.4其他方法進(jìn)年來,對(duì)酸性礦井水的處理有了更深入的研究,發(fā)現(xiàn)了許多新的處理方法,主要有粉煤灰法、赤泥法處理以及使用堿性紙漿廢液、硼泥等代替石灰乳,以廢治廢,綜合利用,可大幅度降低處理成本。粉煤灰是燃煤電廠排放的固體廢棄物,因其比表面積大,含有一定的活性基團(tuán)而具有很好的吸附性。根據(jù)資料,粉煤灰能吸附有機(jī)污染物、懸浮固體(SS、除臭脫色、去除重金屬離子及其它有毒物質(zhì)如Cr3+、Hg2+、Pb2+、F、酚類等。同時(shí),粉煤灰中還含有一定量

16、的堿性物質(zhì)例如Ca O、Mg O、Na2O、K2O 等,而且這些氧化物在水中易于溶解,因而,粉煤灰又具有中和酸的能力。鑒于粉煤灰的以上特點(diǎn),認(rèn)為粉煤灰具備了處理煤礦酸性礦井水的基本理論條件。粉煤灰不僅可用于中和酸性水,且對(duì)二價(jià)鐵的去除率較好。通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工作,證明該方法是可行的。赤泥(red mud,RM是氧化鋁生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物,赤泥為多孔框架結(jié)構(gòu),比表面積較大,主要化學(xué)成分為A l2O和Fe2O3,所含礦物成分復(fù)雜6。赤泥是通過物理吸附、表面絡(luò)合吸附、離子交換和絮凝沉淀等作用去除酸性礦井水中的重金屬離子。另外,由于赤泥是一種固體廢棄物,把它用于酸性水的處理可以達(dá)到以廢治廢的效果。若此

17、種方法應(yīng)用于實(shí)際,將會(huì)達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益的有機(jī)統(tǒng)一。另外,國(guó)外有人還研究在pH值較低的條件下的幾種去除Fe2+的方法。一是采用投加少量活性炭和通入一氧化氮(NO氣體作為氧化Fe2+離子的催化劑,活性炭對(duì)氧化亞鐵硫桿菌的繁殖有一定的促進(jìn)作用。二是采用反滲透技術(shù),該法對(duì)水質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng),操作管理方便,但一次性投資大,能耗較傳統(tǒng)方法高,并且滲透膜容易被污染,所以限制了它的發(fā)展7-8。3總結(jié)及展望酸性礦井水處理是一項(xiàng)較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程,涉及范圍廣,影響因素多,投資大,從以上各種處理工藝及運(yùn)行結(jié)果看,人工濕地和生物處理酸性礦井水是目前國(guó)際上較為先進(jìn)的處理方法,是發(fā)展方向。對(duì)于酸性礦井水宜堅(jiān)持處理和預(yù)防性控制并重的原則,進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和開采方法,控制空氣、水和硫鐵礦的接觸,可遏制酸性礦井水的生成,減輕處理負(fù)擔(dān)。要根據(jù)不同的水質(zhì)和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際,因地制宜地選擇適當(dāng)?shù)奶幚砉に?才能充分發(fā)揮其工藝特點(diǎn),取得良好的效果?？傊?酸性礦井水及其有害元素造成的環(huán)境影響已成為各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)。研究酸性礦井水及有害元素的形成與轉(zhuǎn)化規(guī)律,有效預(yù)測(cè)和預(yù)防酸性礦井水的發(fā)生,開發(fā)酸性礦井水處理的新工藝,是環(huán)境科學(xué)發(fā)展的迫切要求,也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要。參考文獻(xiàn):1孫海,劉寧.煤礦環(huán)境污染問題研究J.礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2000,4(2:9-13.2胡立峰.酸性礦井水成因及其處理方法J.煤田地