煤礦礦區(qū)廢水的人工濕地治理模式初探

程麗芬

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，山西 太原 030012)

人工濕地是一種新型污水處理技術(shù)，由非生物(透水性基質(zhì))和生物(生產(chǎn)者、消費者和分解者)組成，通過物理、化學(xué)及生物協(xié)同作用實現(xiàn)對污水的凈化作用。利用人工濕地處理污水研究始于20世紀(jì)80年代，最初應(yīng)用于西德的Othfrensen，我國首例采用人工濕地處理污水的研究是1988年至1990年在北京昌平進行的表面流人工濕地。目前，對人工濕地處理廢水的研究主要集中在對生活廢水的處理上，對人工濕地處理煤礦廢水的研究很少。廣東韶關(guān)市利用香蒲凈化鉛鋅礦廢水效果非常好，COD，固體懸浮物及Zn，Cu和Cd的去除率分別為92.19%，99.62%，97.02%，96.87% 和 96.39%;唐述虞等人采用人工濕地技術(shù)處理鐵礦排放廢水后，酸性廢水 pH值由2.16升高到6.11，Cu，F(xiàn)e，Mn 3種金屬離子去除率達70.19% ～99.18%，其含量均達到國家允許排放標(biāo)準(zhǔn)，且濕地中的植物生長茂盛。美國佛羅里達州的HiddenRiver雨水濕地處理系統(tǒng)的SO去除率達到53%.以上研究表明，針對煤礦廢水酸度低、有機質(zhì)和重金屬含量高的特點，應(yīng)用人工濕地治理的可行性較大。目前，處理煤礦廢水的主要方法有中和沉淀法、硫化沉淀法和微生物法等。通過研究人工濕地系統(tǒng)布水方式、填充基質(zhì)、植物品種的配置，形成多種治理模式，根據(jù)煤礦礦區(qū)不同的污水來源和特點進行分類處理，達到凈化水質(zhì)的目的。

1 煤礦礦區(qū)廢水的分類

煤礦廢水是礦區(qū)環(huán)境污染的主要來源之一，其中又以酸性廢水的危害最為嚴重。多數(shù)小煤礦廢水一般不進行循環(huán)利用，直接排入河流、湖泊等水體，造成污染。煤礦廢水種類繁多，不同煤質(zhì)產(chǎn)生的污水類型差別較大，按廢水來源可分為煤矸石淋濾水、礦坑水、洗煤水和礦區(qū)居民的生活污水4類。

2 煤礦礦區(qū)廢水的人工濕地治理模式

2.1 煤矸石淋濾水治理模式

2.1.1 煤矸石淋濾水特點

煤矸石富含堿金屬(鈉)、堿土金屬(鈣、鎂)、硫化物及部分有機物，是構(gòu)成無機鹽類污染的物質(zhì)基礎(chǔ)。大氣降水淋溶了煤矸石中的無機鹽類污染物質(zhì)，隨淋溶水從矸石山漫流至地表，以矸石山為中心，四周區(qū)域被大面積污染。煤矸石淋濾水通常呈酸性，屬于面源污染，涉及面積大，流速、流量變化大，難以集中處理，是礦區(qū)治理的難點。

2.1.2 治理模式

針對煤矸石淋濾水直接進入地表水、地下水和土壤，造成大面積的面源污染，緩沖濕地帶是理想的治理技術(shù)。緩沖濕地帶指在地表匯流區(qū)和流經(jīng)地區(qū)種植條帶狀植被的區(qū)域，也稱為植被緩沖帶。緩沖濕地帶吸收污染物質(zhì)、改善水質(zhì)的能力主要受濕地與污水面積之比、水在濕地中滯留時間及濕地位置3個因素的影響。因為微生物對污染物的分解需要足夠的面積，同時也需要一定的時間。濕地與污染面積之比越大(最好為 1∶46至 1∶100，1∶333至1∶5 000是改善水質(zhì)的最底線)，濕地吸收污染物、改善廢水水質(zhì)的能力越強。水在濕地中滯留的時間越長，濕地越能有效地吸收水中的污染物。為有效地改善水質(zhì)，水在濕地中至少要滯留1周。植被緩沖帶的寬度取決于當(dāng)?shù)匚廴疚锏淖畲鬂舛?，為達到改善整個流域水質(zhì)的目的，植被緩沖帶應(yīng)位于能最大量攔截徑流的位置。

該模式包括緩沖草帶和復(fù)合帶，草本在緩沖、滯留沉積物方面具有獨特的優(yōu)勢。在此基礎(chǔ)上，配置喬灌花卉，不僅可以改善水質(zhì)，緩減煤矸石燃燒造成的風(fēng)干粉塵污染，同時兼有景觀效果。煤矸石可作為潛流式濕地的填充基質(zhì)，通過廢物利用降低治理成本。

2.2 礦坑水治理模式

2.2.1 礦坑水特點

礦坑水主要來源于生產(chǎn)過程中外排的井下水，在礦區(qū)廢水中占的比例最大，是引起礦區(qū)水資源短缺的重要原因。排出的礦坑水在地表形成小溪或小河進入低洼地，成分為煤塵、巖粒和一定量的細菌。

2.2.2 治理模式

低洼地大多屬于礦區(qū)的閑置土地，具有天然的人工濕地雛形，只要對它進行適當(dāng)?shù)募庸?，即可?gòu)建成一個簡單的人工濕地，將其稱之為“匯”濕地。從地質(zhì)生態(tài)學(xué)角度講，在煤礦區(qū)內(nèi)，采煤活動將埋藏在地下的各種元素迅速搬運到地表，參與到現(xiàn)代地球表面的物質(zhì)、能量循環(huán)系統(tǒng)。輸送到地表的“古物質(zhì)”對現(xiàn)代天然水土運動和生物活動造成強烈的干擾和沖擊，各種元素分布的新格局影響了人們的正常生產(chǎn)和生活，這就是礦坑水污染產(chǎn)生的本質(zhì)。在一定區(qū)域內(nèi)，“匯”濕地作為一個匯區(qū)存在，聚集著來自上游的各種元素，在濕地內(nèi)通過過濾、吸附、共沉、離子交換、植物吸收和微生物分解來實現(xiàn)對廢水不斷的沉積、埋藏、壓密，甚至固結(jié)成巖。香蒲對該類廢水處理效果顯著，可以作為優(yōu)勢物種栽植在低洼地。該模式不僅利用了閑置土地，且投入低，節(jié)約了成本。

2.3 洗煤水治理模式

2.3.1 洗煤水特點

洗煤方法分為干法和濕法2類，絕大多數(shù)選煤廠采用濕法選煤。在濕法選煤工藝中，水是不可缺少的。一般來說，洗選1 t原煤用水量為4.0 m3.其中，清水耗量約0.5 m3～1.5 m3.洗煤廢水的特點是:顆粒表面帶有較強的負電荷，是一種弱堿性的膠體體系;SS，COD，Cr濃度均很高;細小顆粒含量高，粘度大;污泥比阻大，過濾性能差。

2.3.2 治理模式

洗煤水不僅具有懸濁液的特征，還帶有膠體的性質(zhì)，細煤泥顆粒、粘土顆粒等粒度非常小，不易靜沉，宜采用絮凝劑+純?nèi)斯竦氐闹卫砟Ｊ?。首先，對洗煤廢水進行閉路循環(huán)，采用無機鹽類絮凝劑或有機高分子絮凝劑進行預(yù)處理，絮凝體形成快、活性高、沉性高、沉淀快，因而對懸濁液和膠體的初步凈化效果顯著。純?nèi)斯竦匾话忝娣e較小，處理效率高。我國第1個植物碎石床人工濕地——白泥坑人工濕地水利負荷0.37 m3/(m2·d)，即每處理1 t污水需要2.7 m2.汪俊三教授研究的示范工程顯示，人工濕地的水利負荷提高到1.0 m3/(m2·d)，即每處理1 t污水占地面積僅為1 m2～2 m2.

純?nèi)斯竦叵到y(tǒng)種類繁多，根據(jù)水體流動的方式通常將人工濕地分為3類:表面流人工濕地、水平潛流人工濕地、垂直流人工濕地。在運行過程中往往將3者進行排列組合，或串聯(lián)或并聯(lián)，針對不同污染物類型采用不同的水生植物，選用不同的基質(zhì)。目前，大部分人工濕地采用蘆葦、香蒲、藨草和水蔥等，缺乏針對性。對洗煤水具有特定去除效果的植物幾乎沒有，仍需要進行進一步篩選和研究。

2.4 生活污水治理模式

2.4.1 生活污水特點

礦區(qū)居民所產(chǎn)生的生活污水的主要成分是有機污染物、氮、磷、SS和病原體等，主要來源于煤礦居民區(qū)和工業(yè)區(qū)的浴室、辦公樓、單身宿舍、洗衣房、鍋爐房等用水場所。其浴室排水的比重較大，占到40% ～60%，濃度低。煤礦生活用水量偏大，經(jīng)濟成分單一，具有一般生活污水所具有的有機污染物，但在其污染物濃度上又有別于一般生活污水。

2.4.2 治理模式

目前，國內(nèi)外人工濕地的研究主要集中在生活污水處理模式，在基質(zhì)和植物選取方面取得了一些成果。頁巖的吸附容量最高，達到730 mg/kg填料;其次為礬土，達到355 mg/kg填料;Maerl(一種海草的石灰質(zhì)體)、浮石土和沸石礦的應(yīng)用增加了濕地填料的種類。水生植物除蘆葦?shù)瘸Ｒ娭参锿?，燈芯草、蒲草、美人蕉、風(fēng)車草和再力花等應(yīng)用也較多。且國內(nèi)有很多示范基地，如，廣東省沙田人工濕地、廣東省白泥坑人工濕地、北京市永定河人工濕地等。

3 討論

濕地作為一個特殊的生態(tài)系統(tǒng)有其自身的復(fù)雜性，加之廢水類型的復(fù)雜多樣，具體的情況千差萬別。所以，在利用濕地凈化廢水，特別是煤礦山廢水，還有著諸多問題亟待解決。前人所研究的各個濕地的環(huán)境，包括氣候、底泥、面積、植物種類、數(shù)量等，以及所排放廢水的性質(zhì)、水量、pH值、硫酸根濃度、COD等都差異較大。因此，在對具體某處濕地進行研究時，應(yīng)實地展開調(diào)查取樣，針對不同類型的污水水源及特點，采用不同的濕地水流方式、植物配置、基質(zhì)類型。關(guān)于人工濕地在各類污水治理的報道很多，而在煤礦廢水的應(yīng)用報道僅限于礦山酸性廢水。人工濕地在煤礦廢水中的應(yīng)用缺乏針對性，造成該技術(shù)不能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。因此，濕地凈化廢水的深入研究對促進礦區(qū)實現(xiàn)煤礦廢水資源化具有實際意義。

［1］ Margarete Kalin，Andrew Fyson，William Nwheeler.The chemistry of eonventional and alternative treatment system was for the neutralization of aeidmine drainage［J］.Seience of the Total Environment，2006，366:395-408.

［2］ 劉自蓮，施永生，李 鵬.人工濕地在污水處理中的應(yīng)用［J］.云南化工，2005，32(6):60-63.

［3］ 籍國東，孫鐵珩，李 順.人工濕地及其在工業(yè)廢水處理中的應(yīng)用［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2002，13(2):224-228.

［4］ 陽承勝，藍崇鈺，束文圣.寬葉香蒲人工濕地對鉛、鋅礦廢水凈化效能的研究［J］.深圳大學(xué)學(xué)報，2000(Z1):51-57.

［5］ 唐述虞.鐵礦酸性排水的人工濕地處理［J］.環(huán)境工程，1996，14(4):3-7.

［6］ 王世和.人工濕地污水處理理論與技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:195-196.

［7］ Antonio Abad Juan JM anclus.Fatemeh M ojarrad.Hapten sythesis and production ofmonoclonal antibodies to DDT and related compounds［J］.Agric Food Chem，1997，45(9):3 694-3 702.

［8］ Juam JM anclus，Jaime Primo，AngelM ontoya，et al.Developmednt of enzyme-linked immunosorbent assays for the insecticide chlorpyrifos.Monoclonal Antibody Production and Immunoassay Design［J］.Agric Food Chem，1996，44(12):4 052-4 062.

［9］ 梁 威，吳振斌.人工濕地對污水中氮磷的去除機制研究進展［J］.環(huán)境科學(xué)動態(tài)，2000(3):32-37.

［10］ 付國楷.人工濕地污水凈化技術(shù)概述［J］.三峽環(huán)境與生態(tài)，2008，1(3):5-9.