礦井水地下回灌過(guò)程中主要污染組分遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710054)

礦井水是伴隨煤炭開(kāi)采產(chǎn)生的地下涌水。我國(guó)煤炭以井工開(kāi)采為主，約占整個(gè)煤炭產(chǎn)量的97%[1]，由于含煤地層一般在地下含水層之下，在采煤過(guò)程中，為確保煤礦井下安全生產(chǎn)，必須排出大量礦井涌水，即礦井水[2][3]。然而，正在建設(shè)的全國(guó)十四個(gè)大型煤炭基地，除云貴基地、兩淮基地、蒙東(東北)基地水資源相對(duì)豐富外，其余的十一個(gè)基地都存在不同程度的嚴(yán)重缺水。尤其是晉陜蒙寧新等地區(qū)水資源最為匱乏，煤炭產(chǎn)量占全國(guó)的60%以上，水資源占有量不足全國(guó)總量的20%，水資源缺乏是礦區(qū)發(fā)展的最主要制約因素。另外，由于受井下采礦和人為活動(dòng)的影響，礦井水極易受到污染，含有大量礦粉、巖石粉塵等雜質(zhì)，懸浮物濃度較高，并含有少量有機(jī)物和微生物，如不經(jīng)處理直接排放，既污染礦區(qū)水源，又破壞礦區(qū)生態(tài)環(huán)境[4][5][6]。

將礦井水凈化處理為符合回灌標(biāo)準(zhǔn)的再生礦井水(即處理后礦井水)并安全回灌補(bǔ)給地下水，構(gòu)建人工地下水庫(kù)：(1)具有一定的庫(kù)容，能夠存儲(chǔ)水資源；(2)有人工增儲(chǔ)干預(yù)，如修壩、建滲井等；(3)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)蓄功能，以豐補(bǔ)歉。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)礦井水資源化、含水層恢復(fù)、緩解煤礦區(qū)水資源供需矛盾和環(huán)境污染態(tài)勢(shì)具有重要意義[7]。礦井水在回灌補(bǔ)給地下水的過(guò)程中，經(jīng)土壤-含水層系統(tǒng)(soil aquifer treatment，SAT)的自然凈化，水質(zhì)可進(jìn)一步改善，同時(shí)可增加含水層的補(bǔ)給量和儲(chǔ)存量；回灌到含水層的地下水經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，可以回采用于不同用途的供水[8]。因此，對(duì)礦井水進(jìn)行回灌，經(jīng)過(guò)自然凈化，實(shí)現(xiàn)礦井水資源化，既能減輕對(duì)于生態(tài)環(huán)境的危害，又能有效緩解礦區(qū)水資源供需矛盾、最大限度地滿(mǎn)足生產(chǎn)和生活及生態(tài)用水。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與裝置

采集鄂爾多盆地蒙陜接壤區(qū)的地表風(fēng)積沙，過(guò)5mm尼龍篩備用；采集神府礦區(qū)淺埋煤層開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的井下礦井水，經(jīng)初級(jí)沉淀過(guò)濾處理，運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室4℃冷藏備用。

由于礦井水回灌經(jīng)過(guò)土壤層(包氣帶)和含水層(飽和帶)過(guò)程中，氧化還原環(huán)境不同，導(dǎo)致污染組分的去除也存在明顯差異。因此搭建了模擬包氣帶和飽和帶的礦井水地下回灌模擬運(yùn)移裝置(圖1)：豎立的土壤柱為包氣帶模擬柱，上端留設(shè)進(jìn)樣口和排氣口，下端留設(shè)NO.1取樣口(設(shè)置三通裝置)；橫臥的土壤柱為飽和帶模擬柱，左上端進(jìn)樣口與包氣帶模擬柱的取樣口(即出水口)三通相連，右下端為No.2取樣口。兩個(gè)模擬柱均為內(nèi)徑11 cm、長(zhǎng)100 cm有機(jī)玻璃柱，內(nèi)部充填毛烏素沙漠的風(fēng)積沙，兩端各加3.0 cm厚的粗粒石英砂，起到濾砂和均勻布液的作用，下端用濾布作為反濾層以防止風(fēng)積沙堵塞出水孔。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中以供液瓶和蠕動(dòng)泵作為供水裝置，以保證形成穩(wěn)定流量(0.8～1.0 mL/min)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 檢測(cè)方法與儀器

水樣中總有機(jī)碳(TOC)的測(cè)試采用multi N/C 2100專(zhuān)家型總有機(jī)碳/總氮分析儀(德國(guó)耶拿分析儀器股份公司)，水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后檢測(cè)TOC含量；UV254的測(cè)試采用Evolution 60紫外可見(jiàn)光度計(jì)(德國(guó)Thermo Fisher Scientific公司)；pH的測(cè)試采用FG2-FK型pH計(jì)(瑞士梅特勒公司)；主要陰陽(yáng)離子(K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、Cl-、NO3-等)的測(cè)試采用ICS2100離子色譜儀(美國(guó)戴安公司)；NH4+采用納氏試劑光度法(A)和vis-723型可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京瑞利分析儀器公司)檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 回灌礦井水水質(zhì)特征

根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中水質(zhì)常規(guī)指標(biāo)(35項(xiàng))，對(duì)神府礦區(qū)某煤礦的井下中央水倉(cāng)排水進(jìn)行了檢測(cè)，超標(biāo)的項(xiàng)目有TDS、CODcr、Cl、F、總大腸菌群、大腸埃希氏菌以及肉眼可見(jiàn)物，另外，SO4、NH4、NO3等指標(biāo)的濃度也較高。礦井水回灌前，肉眼可見(jiàn)物通過(guò)簡(jiǎn)單的沉淀過(guò)濾即可去除，回灌過(guò)程中總大腸菌群和大腸埃希氏菌均未檢出，F(xiàn)離子濃度基本沒(méi)有變化，因此礦井水地下回灌模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主要針對(duì)鹽分(TDS、SO4)、有機(jī)物(UV254、TOC)、氮素(NH4、NO3)開(kāi)展遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究。

2.2 鹽分變化規(guī)律

由于礦井水來(lái)自侏羅系基巖含水層，水中往往含有濃度較高的鹽分(TDS)，且難以通過(guò)常規(guī)水處理手段去除。礦井水地下回灌過(guò)程中，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，包氣帶和飽和帶出水中TDS濃度都逐漸增加(圖2)，特別是實(shí)驗(yàn)前期(0～56 d)的濃度增加較顯著，包氣帶出水中TDS濃度從1 190.0 mg/L增加至1 256 mg/L；飽和帶出水中TDS濃度從1 198.0 mg/L增加至1 289 mg/L。之后的兩個(gè)出水口TDS濃度則基本穩(wěn)定。

表1 礦井水水質(zhì)特征

圖2 TDS隨回灌時(shí)間的變化

SO4濃度也逐漸增加，但總體趨勢(shì)沒(méi)有TDS明顯，其中包氣帶出水中濃度從237.0 mg/L逐漸增加至244 mg/L；飽和帶出水中濃度從235 mg/L逐漸增加至250.0 mg/L(圖3)。

圖3 SO4隨回灌時(shí)間的變化

2.3 有機(jī)物變化規(guī)律

由于礦井水地下回灌過(guò)程中，有機(jī)物與溶氧、硝酸鹽等發(fā)生氧化還原反應(yīng)，導(dǎo)致有機(jī)物濃度明顯減少(圖4)，其中礦井水在包氣帶運(yùn)移過(guò)程中，主要發(fā)生氧化反應(yīng)，TOC濃度從5.03～8.33 mg/L(平均6.61 mg/L)降至3.96～5.46 mg/L(平均4.74 mg/L)，平均去除率為28.3%；進(jìn)入飽和帶，主要發(fā)生還原反應(yīng)，TOC濃度進(jìn)一步降至2.76～3.55 mg/L(平均3.2 mg/L)，進(jìn)一步去除了23.3%。由于UV254反映的是水中天然存在的腐殖質(zhì)類(lèi)大分子有機(jī)物以及含C=C雙鍵和C=O雙鍵的芳香族化合物的量，從圖5可以看出，礦井水地下回灌過(guò)程中，大分子有機(jī)物會(huì)優(yōu)先去除，包氣帶和飽和帶對(duì)UV254的去除率為37.4%和9.4%。

圖4 TOC隨回灌時(shí)間的變化

圖5 UV254隨回灌時(shí)間的變化

2.4 氮素變化規(guī)律

氮污染物中氨氮和硝酸鹽本身對(duì)人體沒(méi)有直接危害，但通過(guò)硝化反硝化反應(yīng)生成亞硝酸鹽，可誘發(fā)高鐵血紅蛋白癥、消化系統(tǒng)癌癥等疾病而威脅人體健康。從圖6和圖7可以看出，回灌過(guò)程中NH4的去除主要發(fā)生在包氣帶，平均去除率可達(dá)73.1%，證明包氣帶主要發(fā)生了硝化反應(yīng)(公式1)；礦井水中NO3濃度在包氣帶變化較小，主要的去除反應(yīng)發(fā)生在飽和帶，平均去除率為85.7%，證明飽和帶主要發(fā)生了反硝化反應(yīng)(公式2)。

2NH4++3O2→2NO2-+2H2O+4H+

(1)

5C+2H2O+4NO3-→2N2+4OH-+5CO2

(2)

圖6 NH4隨回灌時(shí)間的變化

圖7 NO3隨回灌時(shí)間的變化

3 結(jié)語(yǔ)

(1)神府礦區(qū)淺埋煤層開(kāi)采過(guò)程中排出的礦井水，超標(biāo)的項(xiàng)目有TDS、CODcr、Cl、F、總大腸菌群、大腸埃希氏菌以及肉眼可見(jiàn)物，SO4、NH4、NO3等指標(biāo)的濃度也較高。

(2)礦井水地下回灌過(guò)程中，出水中含鹽量在前期逐漸增大，后期基本穩(wěn)定；氧化還原反應(yīng)使TOC濃度減少超過(guò)50%，其中大分子有機(jī)物在包氣帶環(huán)境中被優(yōu)先去除。

(3)回灌過(guò)程中NH4的去除主要發(fā)生在包氣帶，主要發(fā)生氧化反應(yīng)，去除率可達(dá)73.1%；NO3去除主要發(fā)生在飽和帶，平均去除率為85.7%，主要發(fā)生了還原反應(yīng)。