煤礦塌陷區(qū)人工濕地處理污水的可行性研究＊

鄭 濤 黃少鵬

(安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)經(jīng)濟(jì)發(fā)展研究中心,安徽省蚌埠市,233041)

1 問題的提出

煤炭資源型城市是伴隨著煤炭資源的開發(fā)而發(fā)展起來的一類具有特殊性質(zhì)的城市。在我國的118個(gè)資源型城市中,煤炭資源城市有63個(gè)。這些城市為國家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了巨大貢獻(xiàn),然而,隨著礦區(qū)的建設(shè)和煤炭的開采,也留下了許多生態(tài)環(huán)境問題。

(1)煤炭地下開采形成大量的塌陷區(qū),使得地形地貌和生態(tài)環(huán)境遭到很大破壞。土地的塌陷和水源地的改變,對(duì)原生地的物種生長、生物鏈、水系循環(huán)造成嚴(yán)重影響,旱系生態(tài)環(huán)境向濕地生態(tài)環(huán)境轉(zhuǎn)變。根據(jù)煤田地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同,每開采萬噸原煤可形成0.1～0.3 hm2的塌陷區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全國煤炭地下開采歷年形成的塌陷區(qū)已達(dá)40萬hm2,平均每年形成塌陷土地1.5～2.0萬hm2,其中耕地占30%?；幢笔行纬傻?8處共1.5萬hm2塌陷區(qū)中,大部分成了濕地?；茨鲜兴輩^(qū)面積達(dá)1.328萬hm2,約占全市國土面積的5.1%。

(2)礦區(qū)水污染嚴(yán)重,水資源短缺。礦區(qū)污水主要有生產(chǎn)過程中外排的井下水和不斷擴(kuò)大的礦區(qū)居民所產(chǎn)生的生活污水兩個(gè)來源。煤炭資源型城市布局呈現(xiàn)點(diǎn)多、線長、面廣的特征,每個(gè)礦井即形成一個(gè)獨(dú)立的社區(qū),加大了治理的難度。許多煤炭資源型城市位于缺水地區(qū),例如淮北市人均占有水資源量不足500 m3/a。抽排礦井水進(jìn)一步降低了地下水位,同時(shí)礦區(qū)生產(chǎn)、生活大量用水加劇了水資源的短缺,致使許多資源型城市用水更加緊張。

(3)固體廢棄物難以處理,大量占用耕地。固體廢棄物主要來源于煤炭開采的煤矸石和火力發(fā)電廠所產(chǎn)生的粉煤灰,屬于大宗工業(yè)固體廢棄物。據(jù)測(cè)算,每采出1億t煤產(chǎn)生煤矸石可達(dá)1500萬t,發(fā)1000萬kWh的電可產(chǎn)粉煤灰800 t,煤矸石和粉煤灰的堆放不但增加企業(yè)運(yùn)行成本,同時(shí)擠占土地,破壞環(huán)境,給企業(yè)和生態(tài)環(huán)境帶來巨大的負(fù)擔(dān)和影響,也浪費(fèi)了資源。

針對(duì)上述礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境問題,在傳統(tǒng)的治理過程中基本是以分別治理為主,成本投入大而收效低。遵循循環(huán)經(jīng)濟(jì)的理念,充分利用難以復(fù)墾,也不適合構(gòu)造景觀的積水洼地塌陷區(qū),構(gòu)造凈化型人工濕地處理污水,變分而治之為綜合治理,可以大大提升經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益,是一種很好的人工與自然生態(tài)復(fù)合的治理模式。

2 人工濕地處理系統(tǒng)的比較優(yōu)勢(shì)

2.1 傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)礦區(qū)污水處理的弊端

傳統(tǒng)廢水處理方法分為物化處理和生化處理,它們的造價(jià)比較高,各有優(yōu)缺點(diǎn)。以活性污泥法為例,目前這種處理工藝的造價(jià)按處理能力計(jì)算為每噸污水1500元,其對(duì)礦區(qū)生活污水中總氮和總磷的去除率只能達(dá)到30%,處理效果不夠理想。同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量污泥,一般處理1000 t污水會(huì)產(chǎn)生1 t污泥,污泥的處理費(fèi)用也比較高。針對(duì)傳統(tǒng)方法的弊端,許多煤炭資源型城市結(jié)合自身?xiàng)l件進(jìn)行了積極的探索和改進(jìn)。例如淮南礦業(yè)集團(tuán)采用先進(jìn)工藝處理礦區(qū)礦井水及生活污水,將處理后的污水和底泥進(jìn)行資源化利用,為企業(yè)節(jié)約了運(yùn)行成本,為社會(huì)創(chuàng)造了環(huán)境效益。

但這些城市在運(yùn)用傳統(tǒng)工藝處理污水的過程中也存在一些缺陷:對(duì)礦井水和生活污水進(jìn)行的是分類處理而不能集中處理;沒有能夠利用礦區(qū)自身的物質(zhì)優(yōu)勢(shì)和地理優(yōu)勢(shì),因地制宜地對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)行綜合治理;運(yùn)行成本比較高。因此,針對(duì)礦區(qū)的特殊環(huán)境,傳統(tǒng)污水處理工藝顯然不是最佳方案。

2.2 人工濕地對(duì)礦區(qū)污水處理的優(yōu)點(diǎn)

人工濕地是一種新型的生態(tài)治理污水技術(shù),可處理多種污水。它由人工建造和監(jiān)督控制,利用系統(tǒng)中基質(zhì)—水生植物—微生物的物理、化學(xué)、生物的三者協(xié)同作用,通過基質(zhì)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,能夠處理包括化工、紙漿、印染等各類廢水。與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)相比較,它具有工藝設(shè)備簡單、運(yùn)行費(fèi)用低廉、維護(hù)管理方便、凈化效果明顯等優(yōu)點(diǎn),越來越受到人們的青睞。煤炭資源型城市粉煤灰非常豐富,可以被選作濕地基質(zhì),再栽種某些適宜的水生植物即可組成人工濕地,這種因地制宜修復(fù)利用塌陷地的途徑代價(jià)低、效果好,不僅可以很好地處理礦區(qū)污水,還可以將處理過的水用以農(nóng)作物灌溉或處理回用,同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)粉煤灰的資源化利用,達(dá)到以廢治廢的目的。如果選擇有經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值的水生植物進(jìn)行養(yǎng)殖,不僅可美化和改善區(qū)域環(huán)境,還可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。這種模式有利于實(shí)現(xiàn)塌陷區(qū)水、土資源的優(yōu)化配置,改善礦區(qū)城市的生態(tài)環(huán)境,推進(jìn)了采煤塌陷土地綜合效益的發(fā)揮。

3 塌陷區(qū)人工濕地處理污水的可行性分析

煤炭塌陷區(qū)分為坡地、淺水濕地和深水濕地3種類型,深淺不一,形式多樣。在符合條件的塌陷區(qū)基礎(chǔ)上構(gòu)造人工濕地處理礦區(qū)污水具有技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性,同時(shí)還能取得多重效益。

3.1 技術(shù)可行性分析

(1)處理過程。礦區(qū)污水主要有兩個(gè)來源,一是生產(chǎn)過程中外排的井下水,其成分是煤塵、巖粒和一定量的細(xì)菌;二是礦區(qū)居民所產(chǎn)生的生活污水,其主要成分是有機(jī)污染物、氮、磷、固體懸浮物(SS)和病原體等?？梢?無需進(jìn)行特殊工藝處理,構(gòu)建塌陷區(qū)人工濕地采用生態(tài)自然處理法就能夠?qū)ΦV區(qū)污水進(jìn)行有效處理。污染物的去除見表1。

表1 污染物的去除過程

塌陷區(qū)人工濕地系統(tǒng)應(yīng)按照設(shè)計(jì)處理能力和當(dāng)?shù)刈匀粭l件進(jìn)行適當(dāng)改造后投入使用。在具有一定長寬比及底面坡度的塌陷洼地中,由土壤和粉煤灰混合組成填料床,污水可以在床體的填料縫隙中曲折地流動(dòng),或在床體表面流動(dòng)。在床體的表面種植蘆葦?shù)染哂刑幚硇阅芎?、成活率高、抗水性?qiáng)的水生植物,形成一個(gè)獨(dú)特的動(dòng)植物生態(tài)環(huán)境,對(duì)污水進(jìn)行處理。濕地系統(tǒng)成熟后,填料表面和植物根系將由于大量微生物的生長而形成生物膜。廢水流經(jīng)生物膜時(shí),大量的固體懸浮物被填料和植物根系阻擋截留,有機(jī)污染物則通過生物膜的吸收、同化及異化作用而被除去。濕地系統(tǒng)中因植物根系對(duì)氧的傳遞釋放,使其周圍的環(huán)境中依次出現(xiàn)好氧、缺氧、厭氧狀態(tài),保證了廢水中的氮、磷不僅能通過植物和微生物作為營養(yǎng)吸收,而且其化合物還可以通過硝化、反硝化作用被除去,最后濕地系統(tǒng)通過更換填料或收割栽種植物將污染物除去。

(2)凈化效果。人工濕地分為兩種類型:自由水面人工濕地(簡稱FWS)和潛流型人工濕地(簡稱SFS)。FWS系統(tǒng)中,廢水在濕地的土壤表層流動(dòng),水深較淺,處理效果不夠明顯。而SFS系統(tǒng),污水在濕地床的表面下流動(dòng),處理能力強(qiáng),不易受影響,衛(wèi)生條件好。人工濕地去除的污染物范圍廣泛,包括氮、磷、固體懸浮物、有機(jī)物、微量元素和病原體等,利用該方法處理生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水,效果很好。有關(guān)研究結(jié)果表明,廢水中大部分有機(jī)物作為易養(yǎng)微生物的有機(jī)養(yǎng)分,最終會(huì)被轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞、二氧化碳和水。在進(jìn)水濃度較低的條件下,人工濕地對(duì)5日生物需氧量(BOD5)的去除率可達(dá)85%～95%,出水的生化需氧量(BOD)能達(dá)到10 mg/L以下,化學(xué)需氧量(COD)去除率可達(dá)80%以上,出水的COD能達(dá)到30 mg/L以下,SS小于20 mg/L,一般生活污水經(jīng)過濕地處理后,總磷和總氮的去除率分別可達(dá)到70%和90%以上,遠(yuǎn)優(yōu)于國家排放標(biāo)準(zhǔn),可以達(dá)到地面水三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。從我國已經(jīng)建成的人工濕地的運(yùn)行結(jié)果表明(見表2),出水水質(zhì)完全滿足《城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

表2 國內(nèi)人工濕地正式工程運(yùn)行效果

3.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

(1)改造費(fèi)用。煤礦塌陷區(qū)形成的洼地是良好的人工濕地雛形,選取淺水區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)改造后即可投入使用。坑口電廠有大量的粉煤灰可以作為基質(zhì),它是一種多孔性松散固體聚合物。研究表明,粉煤灰對(duì)氨、氮的吸附能力與活性炭、細(xì)煤渣相近,對(duì)總磷的吸附能力大于活性炭和細(xì)煤渣?；|(zhì)無需外購,這是在礦區(qū)構(gòu)建人工濕地系統(tǒng)的成本優(yōu)勢(shì),同時(shí)實(shí)現(xiàn)粉煤灰的資源化利用。傳統(tǒng)生化處理技術(shù)的造價(jià)都很高,比如活性污泥法的造價(jià)為每噸污水1500元。相比之下,人工濕地兩種類型造價(jià)都比較低:FWS系統(tǒng)的造價(jià)為每噸污水150～300元;SFS系統(tǒng)的造價(jià)為每噸污水800元左右。在塌陷區(qū)構(gòu)造人工濕地能夠充分利用當(dāng)?shù)刈匀毁Y源和物質(zhì)條件,造價(jià)比普通人工濕地低,更是遠(yuǎn)低于常規(guī)處理技術(shù)。

(2)運(yùn)行費(fèi)用。由于人工濕地是利用基質(zhì)過濾、吸附、植物吸收和微生物分解等作用對(duì)污水進(jìn)行高效凈化,不需要投加化學(xué)藥劑和曝氣充氧等,所以與傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)相比,它具有工藝設(shè)備簡單,運(yùn)行費(fèi)用低廉,維護(hù)管理方便等優(yōu)點(diǎn)。人工濕地的處理費(fèi)用一般為每噸污水0.1～0.2元,而活性污泥法為每噸污水為0.5～1元。由于基質(zhì)的吸附能力降低、堵塞和淤積等,會(huì)導(dǎo)致凈化效果退化,一般人工濕地的使用壽命為15～20年。對(duì)于達(dá)到使用年限的人工濕地,可以采取兩種處理方法:一種是重新建設(shè)人工濕地系統(tǒng),在這種情況下,廢棄的人工濕地可以復(fù)墾為肥沃的農(nóng)田來使用。另一種是重新更換底部基質(zhì),恢復(fù)處理能力,這種方法只要將底部的基質(zhì)掏出用作肥料,將新的粉煤灰加入,就可重新恢復(fù)人工濕地系統(tǒng)的工作能力。

3.3 塌陷區(qū)人工濕地價(jià)值分析

(1)生態(tài)環(huán)境價(jià)值。煤炭資源型城市同時(shí)存在水體污染和大氣污染等環(huán)境問題。人工濕地系統(tǒng)不但能很好地處理礦區(qū)污水,而且對(duì)大氣有一定凈化作用。濕地中的水生植物(蘆葦、水芹、浮萍、睡蓮等)對(duì)空氣粉塵具有很好的吸附、過濾和凈化效果,這對(duì)大氣污染尤為突出的煤炭資源型城市意義重大。人工濕地還能夠保護(hù)生物多樣性,具有資源價(jià)值。資源價(jià)值還體現(xiàn)在資源循環(huán)利用方面,塌陷區(qū)的人工濕地構(gòu)造用其特有的粉煤灰等作為基質(zhì),實(shí)現(xiàn)了資源的高效利用和循環(huán)利用,體現(xiàn)了資源化、再循環(huán)的特點(diǎn),這種形式將廢棄物的綜合利用與廢水的凈化處理有機(jī)結(jié)合起來,本質(zhì)上是一種生態(tài)經(jīng)濟(jì)。此外,人工濕地還具有改善氣候、改善土壤和調(diào)洪蓄水等生態(tài)功能。

(2)經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值。在塌陷區(qū)人工濕地種植有經(jīng)濟(jì)利用價(jià)值的植物可以取得經(jīng)濟(jì)效益。許多水生植物具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值,比如可以將塌陷地修復(fù)為蘆葦濕地,產(chǎn)品蘆葦為造紙業(yè)提供優(yōu)良的原材料,濕地系統(tǒng)用來處理造紙廢水。從而實(shí)現(xiàn)葦紙生態(tài)產(chǎn)業(yè)化和造紙廢水的資源化利用,帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。煤炭資源型城市選煤產(chǎn)業(yè)會(huì)消耗大量水資源,污水經(jīng)過人工濕地處理后可以達(dá)到地面水三級(jí)標(biāo)準(zhǔn),其出水可以用于選煤,也可用于沖廁、灌溉、景觀用水和澆灑道路等。如果在嚴(yán)重缺水的礦區(qū),還可以將人工濕地出水進(jìn)一步處理后作生活飲用水,實(shí)現(xiàn)廢水資源化利用,緩解地區(qū)水資源短缺矛盾。另外,由于粉煤灰能夠改善土壤結(jié)構(gòu),提高土壤肥力,所以廢棄后的人工濕地可以作為肥沃的農(nóng)用地使用,種植經(jīng)濟(jì)作物,獲得經(jīng)濟(jì)效益。這些都符合循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的理念和要求。

4 結(jié)論

煤炭資源型城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染:礦井水和生活污水導(dǎo)致水體污染;粉煤灰和飛灰導(dǎo)致大氣污染;煤礦開采導(dǎo)致出現(xiàn)大量塌陷地。要解決這一系列的環(huán)境問題,必須全面考慮,綜合治理。利用煤礦塌陷區(qū)構(gòu)造人工濕地是一種很好的生態(tài)綜合治理模式,它不僅具有普通人工濕地凈化污水等諸多優(yōu)點(diǎn),還具有自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì):改造塌陷區(qū),合理使用土地;利用粉煤灰,實(shí)現(xiàn)廢物資源化;改善土壤,增加復(fù)墾面積;栽種植物,凈化城市空氣。

需要指出的是,在應(yīng)用該模式時(shí),應(yīng)當(dāng)特別注意防止二次污染和對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。人工濕地還可以與傳統(tǒng)污水處理方法配合使用,比如在污水處理廠的附近建造人工濕地,將其出水引入,加強(qiáng)處理,提高水質(zhì)。當(dāng)然,人工濕地系統(tǒng)也有缺點(diǎn),比如易受病蟲害影響和氣候溫度影響等,但這些問題可以在運(yùn)行過程中得到解決。

總之,無論是在技術(shù)層面還是在經(jīng)濟(jì)層面,利用煤礦塌陷區(qū)構(gòu)造人工濕地處理污水是完全可行的,同時(shí)還可以獲得生態(tài)環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。在實(shí)際應(yīng)用中,不同煤炭資源型城市應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和經(jīng)濟(jì)水平選擇合適的系統(tǒng)模式,因地制宜、統(tǒng)籌兼顧、整體規(guī)劃、改善優(yōu)化,促進(jìn)區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。

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