煤矸石山酸性废水污染及源头控制技术_董兴玲.pdf

2020年第12期西部探矿工程 * 收稿日期 2020-06-03修回日期 2020-06-09 基金项目 天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目2018-TD-MS073； 国家自然科学基金项目41907264； 陕西省自然科学基础研究计划 项目 （2019JQ-009） 。 作者简介 董兴玲 （1982-） ， 女 （汉族） ， 山东枣庄人， 助理研究员， 现从事煤矿区水环境保护与生态修复方面的研究工作。 煤矸石山酸性废水污染及源头控制技术 董兴玲*1,2 （1.中煤科工集团西安研究院有限公司， 陕西 西安 710054； 2.陕西省煤矿水害防治技术重点实验室， 陕西 西安 710177） 摘要 分析了煤矸石山酸性废水的产生及污染特性。指出降低煤矸石中硫化矿物的氧化速率可从 源头上控制煤矸石山酸性废水的产生， 综述了国内外常用的源头控制技术 覆盖隔氧、 碱性物质添加 和细菌活性抑制， 并阐述了各种技术的控制机理； 最后提出源头控制技术的广泛应用和煤矸石资源 化利用水平的提高可从根本上解决煤矸石山酸性废水的污染问题。 关键词 煤矸石； 酸性废水； 源头控制； 资源化利用 中图分类号 X703 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202012-0151-03 煤炭开采和洗选过程中产生大量的煤矸石， 其排 放量约占煤炭年产量的10～15。据统计， 我国煤矸 石累积堆存量已超过60108t， 且每年还在以数亿吨的 速度不断增长[1]。国家相关部门出台各种办法鼓励对 煤矸石进行资源化利用， 但限于经济、 技术等因素， 煤 矸石的资源化利用水平不高， 大量未经处理的煤矸石 只能露天堆放。露天堆放的煤矸石， 特别是含硫量高 的煤矸石所含的硫化矿物 （主要是黄铁矿） 在水、 氧气 和微生物的联合作用下发生反应形成酸性废水， 会对 矿区的环境造成严重污染。而煤矸石山酸性废水的产 生和释放是一个漫长的过程， 在巨大的时间跨度内， 要 对其进行持续不断的收集和处理， 无论是在资金投入 和运营管理方面都存在着巨大的困难[2]。目前， 国内外 学者对煤矸石山酸性废水的末端治理技术进行了大量 研究， 而源头污染控制技术研究较少。为此， 本文首先 对煤矸石山酸性废水的产生和污染特性进行了分析， 并对国内外煤矸石山酸性废水的源头控制技术进行了 综述， 以此为基础探讨如何从根本上解决煤矸石山酸 性废水的污染问题。 1煤矸石山酸性废水的产生及污染 煤矸石山酸性废水的产生需满足以下3个条件[3] ①煤矸石中硫化矿物与氧气、 水充分接触； ②煤矸石自 身的酸缓冲能力不足； ③有大量细菌催化反应。如果 满足了上述条件， 煤矸石在长期的风化和淋滤作用下 会发生一系列的反应， 最终形成酸性废水， 其特征是 pH值低、 硫酸盐浓度高以及含有可溶态的重金属元 素， 在降水冲刷作用下， 煤矸石山酸性废水不仅污染矿 区周围的地表水和土壤， 还可以通过各种水力联系进 入地下水， 对矿区周围的地下水造成严重影响， 从而给 矿区周围人民的生产生活、 身体健康带来严重影响和 损害。 2煤矸石山酸性废水源头控制技术 国内外学者针对煤矸石山酸性废水的末端治理技 术进行了大量的研究， 传统的方法是筑坝收集酸性废 水后进行处理， 常用的方法有化学处理法 （如中和法、 离子交换法、 硫化物沉淀法和膜分离法等） 、 微生物处 理法和人工湿地法[4-5]。前两类方法需要在地面建设废 水处理站， 其运行和维护费用较高。而煤矸石酸性废 水污染可以持续几十年甚至更长时间， 在如此长的时 间内进行不间断处理几乎不可能。而采用人工湿地法 则面临场地选择困难、 受气候条件影响大、 处理效果不 稳定等问题。虽然酸性废水的末端处理技术取得了一 定的成效， 但是面对煤矸石的不断积存和酸性废水的 持续排放， 从源头上控制煤矸石山酸性废水的产生是 非常必要的。根据煤矸石酸性废水产生的机理及大量 研究证实从源头上控制煤矸石中硫化矿物的氧化是酸 性废水源头污染控制的关键[6]。目前， 国内外常用的源 头控制技术包括覆盖隔氧技术、 碱性物质添加技术和 151 2020年第12期西部探矿工程 细菌活性抑制技术。 2.1覆盖隔氧技术 覆盖隔氧技术主要是使用覆盖物对煤矸石进行密 封覆盖， 阻止氧气、 水分与煤矸石中硫化物的接触， 降 低其氧化速率进而能够抑制或减少酸性废水的产生。 常用的覆盖材料有城市污泥、 粉煤灰、 水泥窑粉尘、 炉 渣、 堆肥和粘土等。Bussiere （2004） 等人利用水泥窑粉 尘、 炉渣等工业废弃物作为覆盖层来控制煤矸石酸性 废水的产生， 研究发现该覆盖层可以有效减少O2向煤 矸石的传输速率和传输量从而降低煤矸石中硫化物的 氧化速率， 与对照试验相比， 产生的废水pH明显升高 接近中性。马保国 （2014） 等人研究了污泥和粉煤灰覆 盖煤矸石降低酸性废水污染的效果， 结果表明覆盖层 可有效控制氧气进入煤矸石内部并使其淋滤液的pH 值呈中性或微碱性， 可控制煤矸石酸性废水的产生， 其 中SO42-的浓度、 EC和Eh值也显著降低， 有效控制了重 金属的迁移污染。陈胜华 （2014） 等人在黄土覆盖以前 利用粘土和粉煤灰为原料构建了煤矸石山的隔离层， 并动态测量隔离层渗透率， 研究表明该隔离层可有效 阻隔空气， 降低煤矸石中硫化物的氧化速率。张明亮 （2015） 使用粉煤灰和马粪堆肥作为煤矸石的覆盖材料 并通过室内柱状淋溶试验模拟了煤矸石的淋溶过程， 研究发现堆肥在煤矸石酸性废水污染控制方面具有较 大的应用潜力。 2.2碱性物质添加技术 碱性物质添加技术是指将碱性物质与煤矸石混合 或是覆盖在其表层， 进而从源头上控制酸性废水的产 生， 这是因为碱性环境能够有效抑制微生物的活性， 降 低硫化矿物的氧化速率[7]。此外， 接近中性和微碱性的 环境可使黄铁矿中的Fe2生成FeOH3沉淀并包裹在 其表面， 从而抑制煤矸石中的产酸反应。常用的碱性 材料主要有石灰石、 生石灰、 白云石、 NaOH、 Na2CO3、 NaHCO3、 粉煤灰以及碱性污泥等， 其中石灰石的使用 最为广泛[8]。E.mylon （2000） 对石灰石抑制煤矸石中硫 化矿物的氧化速率进行了研究， 结果表明石灰石在一 定程度上减少了酸性废水的产生、 同时矸石中重金属 的浸出也得到了抑制。Potgieter （2006） 使用石灰石、 白 云石等碱性材料作为污染控制替代材料， 试验结果表 明替代材料均能有效控制煤矸石酸性废水的产生。 Abdessadek （2004） 等人使用造纸厂污泥作为覆盖层以 控制煤矸石中硫化物的氧化， 研究结果表明碱性污泥 可以与重金属形成氢氧化物沉淀， 并使pH显著提高， 抑制了煤矸石中酸性废水的产生。 2.3细菌活性抑制技术 煤矸石中硫化矿物的氧化反应是在氧化硫硫杆 菌、 氧化亚铁硫杆菌等细菌作用下进行的， 微生物催化 作用可使硫化矿物的氧化速率提高106倍左右[9]。因 此， 抑制氧化硫硫杆菌、 氧化亚铁硫杆菌等细菌的活性 对于控制煤矸石山酸性废水的产生是非常关键的。常 用的抑菌剂是SDS （十二烷基硫酸钠） ， 其在杀菌效果 和经济成本上都有一定的优势。Kleinmann （1981） 和 Schippers （2001） 等人分别对山梨酸、 苯甲酸、 烷基苯磺 酸钠及SDS的杀菌效果进行了研究， 结果显示十二烷 基硫酸钠的杀菌效果是最好的， 且其本身易被分解， 对 环境危害小。Sing （1988） 等人利用批式培养试验证实 十二烷基硫酸钠可以使氧化亚铁硫杆菌的催化效率降 低70以上。此外， 有机酸类如甲酸、 丙酸、 山梨酸、 草 酸、 苹果酸和柠檬酸等也可以用来作为抑菌剂。针对 抑菌剂存在失效快、 持续效果不理想和环境二次污染 的问题， 国内外学者也在不断研发新的抑菌剂， 如十六 烷基三甲基溴化铵和橄榄油渣等。胡振琪课题组 （2014） 也研发了具有长效作用的缓释杀菌剂， 其对氧 化亚铁硫杆菌的抑制作用更加持久。 3煤矸石资源化利用技术 提高煤矸石的资源化利用水平以减少煤矸石的存 放量被认为是减少煤矸石山酸性废水产生的另外一个 重要途径。根据煤矸石的化学成分、 矿物组分和发热 量的不同选择合适的利用方式， 可有效减少煤矸石的存 放量， 并从源头上减少煤矸石山酸性废水的产生[10]。目 前， 煤矸石资源化利用的主要方向为 ①煤矸石发电； ②煤矸石制造建材 制砖、 制水泥等； ③煤矸石填埋 充 填采空区、 填低洼地和荒地、 建筑回填、 煤矿塌陷区复 垦； ④筑基修路； ⑤煤矸石高附加值利用； ⑥其他 制造 化工产品、 改良土壤、 生产肥料、 提取矿产资源等。虽 然我国在煤矸石资源化利用方面取得了很大的成效， 但是利用方向主要集中于低档次产品， 其综合利用效 率、 利用水平、 经济附加值和有效成分的综合利用都有 待提高。因此， 不断完善和研发煤矸石高端利用的关 键技术， 进一步加快煤矸石高附加值利用的产业化进 程， 对于减少煤矸石的存放量并控制煤矸石山酸性废 水的产生有非常重要的作用。 4结论 （1） 煤矸石山酸性废水是矸石在堆存过程中产生 的， 其会对矿区周围的环境造成严重污染。虽然传统 152 2020年第12期西部探矿工程 的末端处理技术取得了一定的成效， 但是面对煤矸石 的不断产生和酸性废水的持续排放， 考虑从源头上控 制是非常必要的。通过源头控制技术的广泛应用和提 高煤矸石的资源化利用水平以减少存放量可从根本上 解决煤矸石山酸性废水的污染问题， 这对于改善煤矿 区的生态环境是非常有效的。 （2） 各类污染控制技术在应用过程中还存在着一 系列的问题， 为了更加有效地控制煤矸石山酸性废水 的产生， 未来的控制技术应该重点关注以下问题 在氧 化控制技术方面， 应开展无机矿物覆盖层的性能劣化 问题、 外部环境条件对覆盖效果的影响问题并提出相 应的对策、 克服酸碱中和产物的包裹问题、 新型抑菌剂 的研发问题； 在资源化综合利用技术方面， 应提高煤矸 石的综合利用效率， 不断完善和研发煤矸石高端利用 的关键技术， 进一步加快煤矸石高附加值利用的产业 化进程。 参考文献 [1]贾希荣,李林涛,宁建宏,等.煤矿区可持续发展中的环境问题 与对策[J].煤田地质与勘探,2001,29139-42. 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