利用人工水壩治理受煤礦廢水污染河流
——以都勻市楊柳街河為例

胡長春 宋 威 雷 宇

(黔南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心, 貴州 都勻 558000)

煤礦中往往伴生有硫鐵礦等雜質(zhì)，致使煤礦開采易產(chǎn)生含鐵濃度較高的廢水。這種高含鐵的煤礦廢水未經(jīng)處理或處理效果不佳就排入天然河流，會(huì)對(duì)河流造成污染，受污染河水因含有較高的Fe2O3，使河水及部分河床多呈現(xiàn)黃色、深黃色(一般水中總鐵濃度大于1.0 mg/L后水就會(huì)呈現(xiàn)出黃色)，因此又被稱為銹水河[1]。都勻市楊柳街河就是這樣一條飽受嚴(yán)重污染多年的河流，直到2016年在河流下游建成大龍井水壩并蓄水之后，水壩庫區(qū)及以下河段水質(zhì)才有了明顯改善。

1 楊柳街河污染及治理歷程

楊柳街河屬長江流域洞庭湖水系沅江上游清水江(都勻市區(qū)段也稱劍江)在都勻市區(qū)上游匯入的一條支流，河全長21 km，流域面積91 km2，年徑流總量約6000萬m3。楊柳街河小流域內(nèi)曾經(jīng)煤礦(以小煤窯為主)眾多，流域內(nèi)的煤礦主要分布在菠蘿沖、張家山、鐵沖、金銀山、烏龜破等地，各煤礦廢水或直接流入菠蘿沖以下的楊柳街河干流河段，或先流入其支流砂鍋廠小河、鐵沖小河等然后再匯入楊柳街河中下游[1-2]。多年來高含鐵的煤礦廢水給河流帶來了嚴(yán)重的污染。楊柳街河流域圖見圖1。

2002年前，對(duì)楊柳街河流域內(nèi)少量煤礦廢水有過零散的治理。從2003年起，開始了對(duì)楊柳街河水污染的大規(guī)模治理。2004到2005年，都勻市政府相關(guān)部門牽頭，菠蘿沖、張家山等幾家被許可生產(chǎn)的煤礦企業(yè)投資上百萬建成了廢水處理站并負(fù)責(zé)運(yùn)行，同時(shí)也進(jìn)行河道清淤等；但由于廢水處理站管理不善和運(yùn)行不穩(wěn)定，河水僅僅短暫好轉(zhuǎn)幾個(gè)月之后就又恢復(fù)鐵銹黃色而且逐漸加重。2008年又投入大量財(cái)力物力對(duì)這幾家煤礦廢水治理設(shè)施進(jìn)行技術(shù)改造和提升，同時(shí)還開展了對(duì)廢棄煤礦區(qū)植樹造林等活動(dòng)。此輪治理與上次幾乎相同原因，導(dǎo)致治理仍未見任何效果。相反在隨后幾年里因煤炭市場(chǎng)向好、煤礦開采力度加大等原因而使楊柳街河受污染更加嚴(yán)重。

在這兩輪治理中，治理方案主要采用污染源末端治理方式，雖然建成了煤礦廢水處理站并且從技術(shù)上是能將煤礦廢水處理后達(dá)標(biāo)的，但污染治理設(shè)施因其正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要成本投入，而與此同時(shí)違法成本又很低，從而導(dǎo)致了產(chǎn)生污染的煤礦企業(yè)普遍對(duì)治理并無動(dòng)力和積極性，而相關(guān)部門的監(jiān)管能力有限，致使一些煤礦廢水處理站建成之后基本上沒有運(yùn)行，形同虛設(shè)[3]；另外，一些煤礦廢水處理站由于負(fù)荷達(dá)不到煤礦廢水排水量要求，即使經(jīng)常運(yùn)轉(zhuǎn)但也僅處理了煤礦中的少量廢水，大多數(shù)廢水直接外排最后進(jìn)入楊柳街河中。

幾輪治理之后，受煤礦廢水影響的楊柳街河及劍江河段水質(zhì)仍未好轉(zhuǎn)，河水中總鐵濃度不降反升，楊柳街河水質(zhì)變得更差：楊柳街中游下壩橋斷面總鐵濃度從2001年的2.15 mg/L增加到2010年的7.69 mg/L[4]和2012年的9.64 mg/L[2]，高于GB20426-2006《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》7 mg/L的限值，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002表2中0.3 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。楊柳街河口斷面總鐵濃度2010年亦為4.02 mg/L，2012年則達(dá)6.25 mg/L。而在楊柳街河未曾受到污染的菠蘿沖上游的高橋斷面，總鐵濃度只有0.003 mg/L，遠(yuǎn)低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的限值。

從2004年的第一輪治理開始，在進(jìn)行廢水治理工程的同時(shí)還對(duì)楊柳街河流域內(nèi)的煤礦(小煤窯)加之以關(guān)閉封停等措施。2004年，查封了無證開采的小煤窯，到2014年底則徹底關(guān)閉了流域內(nèi)的全部煤礦。但由于和全國多數(shù)地區(qū)一樣，不少關(guān)停廢棄煤礦依然產(chǎn)生礦坑廢水并外流[5-6]，盡管礦坑廢水水量有所降低，但還是對(duì)河流持續(xù)造成污染。

2015年，因楊柳街河的前幾輪治理基本無效，在河中修筑多級(jí)小水壩，利用河流天然河段及水壩壩頂溢流跌水的治理方案被采納，同年，楊柳河下游河段上的大龍井水壩開工建設(shè)，2016年初完成建設(shè)投入使用。

2 大龍井水壩及其效果分析

2.1 方法原理

煤礦中伴生的硫鐵礦等雜質(zhì)使得煤礦廢水中含較高的鐵、硫化合物，在地表經(jīng)自然曝氣氧化等作用逐步轉(zhuǎn)化為單質(zhì)硫、亞硫酸、硫酸及其鹽類，以及氫氧化亞鐵、氧化亞鐵、氫氧化鐵、氧化鐵等形態(tài)，其中鐵污染物最終轉(zhuǎn)化為氧化鐵(Fe2O3)。Fe2O3呈懸移質(zhì)形態(tài)，在靜水、緩流水中很易于沉淀。因此，可使煤礦高含鐵廢水及受其污染的河水先曝氣氧化，再在人工修建的水壩內(nèi)緩流沉淀，經(jīng)曝氣─沉淀─曝氣─沉淀多級(jí)反復(fù)處理后，鐵污染物逐漸轉(zhuǎn)化后沉淀于河底，以降低下游河段污染負(fù)荷，從而提升水質(zhì)[4]。

2.2 水壩概況

大龍井水壩位于楊柳街河下游河段的大龍井，上游距離馬坡2.2 km，下游距離楊柳街河口1.2 km，設(shè)計(jì)壩型為混凝土砌石重力壩，壩頂長度50 m，最大壩高17 m，最大高程830 m，采用溢流堰，溢流段長23 m，堰頂高程820 m，工程投資300余萬。大龍井水壩建成后，形成總庫容18.6萬m3，回水長約700 m的小微型水庫庫區(qū)。

2.3 水壩效果

大龍井水壩建成后，在2020年8月經(jīng)監(jiān)測(cè)，水中總鐵濃度由尚未沉淀的水壩庫尾前的5.13 mg/L，經(jīng)過沉淀之后到達(dá)水壩壩后時(shí)濃度大幅度下降到了0.63 mg/L，降幅達(dá)87.7%(見表1)，顏色由深黃變?yōu)檩^清亮的淺黃綠，監(jiān)測(cè)期間該段河水流量約為2 m3/s。大壩上下游其他幾個(gè)河流斷面在水壩未曾修建的2012年7—8月和建成后的2020年8月總鐵濃度變化也見表1。

表1 水質(zhì)總鐵監(jiān)測(cè)結(jié)果表 單位：mg/L

2020年，水壩庫尾上游的下壩橋、馬坡斷面總鐵濃度比2012年雖有一定的下降，但下降幅度有限，分別為17.4%和42%，這從一個(gè)側(cè)面證明關(guān)閉全流域煤礦對(duì)降低楊柳街河的污染有一定作用，但作用有限。而水壩建成后，在大龍井水壩下游的河口斷面，總鐵濃度從建壩前2012年的6.25 mg/L下降到建壩后2020年的0.50 mg/L，下降幅度達(dá)92%。在楊柳街河匯入后的劍江，因楊柳街河水質(zhì)好轉(zhuǎn)，以及劍江干流上建成的三江堰水壩共同的沉淀作用，劍江橋頭堡斷面總鐵濃度從2012年的4.19 mg/L下降到2020年的0.13 mg/L，下降幅度更高達(dá)96.9%。

2.4 人工水壩治理方法特點(diǎn)

由于筑壩之前楊柳街河污染嚴(yán)重，河流水生生態(tài)系統(tǒng)已遭受嚴(yán)重破壞，河流水生動(dòng)植物數(shù)量稀少，水生態(tài)功能基本喪失。所以建水壩盡管改變了該河段的流速與流態(tài)，但對(duì)河流水生生態(tài)系統(tǒng)的影響可以忽略。此外，水壩修筑點(diǎn)與水庫回水末端之間河床比降較大，回水區(qū)沿河兩岸無居民居住區(qū)，水壩建成后雖減緩了水流速度，但增加了氧化時(shí)間，達(dá)到了大幅降低污染物濃度的目的。

與其他常規(guī)方法相比，該方法屬靜態(tài)治理方案，即除水壩建筑之外不需要其他機(jī)電設(shè)備、不耗電、無須投加化學(xué)藥品、無須專人維護(hù)[7]，一次建成之后能長期發(fā)揮作用，在運(yùn)行期運(yùn)行成本與能耗方面與常規(guī)治理方法相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，經(jīng)過修建水壩，使楊柳街河最下游近2 km的河段河水中總鐵濃度大大降低，水由黃基本變清，水質(zhì)顯著改善。采用該治理方法是有效的。

3 后續(xù)治理淺議

單一的一道水壩只能解決一部分河段的水污染問題，而從水壩回水末端上溯到菠蘿沖的8 km河段則依然呈黃色。此外，在豐水期前后，河水流量較大，河水在水壩中停留時(shí)間太短，則單個(gè)這樣的小水壩的效果就有限，同時(shí)由于沒有上一級(jí)水壩的壩頂溢流曝氣增氧的作用，促使更多的含鐵化合物充分氧化變?yōu)镕e2O3，下一級(jí)水壩的沉淀作用也要打折扣[8]。目前盡管楊柳街河從大龍井水壩到河口段水質(zhì)變好，但與地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3838-2002表2中0.3 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)值相對(duì)照還是稍偏高。若要達(dá)標(biāo)，全河段的治理應(yīng)以多級(jí)水壩為宜。

此外，煤礦廢水入河河段建設(shè)水壩應(yīng)留出適當(dāng)?shù)钠貧饩嚯x，以便使曝氣更為充分，從而增加沉淀效果。因此，后期多級(jí)水壩的設(shè)置應(yīng)根據(jù)排口位置和曝氣距離合理設(shè)置，并非越多越好。

最后，河段內(nèi)沉積氧化鐵在河流水質(zhì)緩沖性能及其它參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，存在二次污染河段的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)首先編制長期的監(jiān)測(cè)計(jì)劃，對(duì)河流水質(zhì)變化進(jìn)行觀測(cè)。此外，應(yīng)結(jié)合水壩的疏浚計(jì)劃，合理安排底泥的清理，或采取其它生物生化手段，以降低底泥回溯產(chǎn)生二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

作為一種靜態(tài)治理方式，利用河流自然曝氣和水壩的加速沉淀作用，能使受煤礦廢水污染的河流河水中以鐵為主的污染物濃度大幅度降低，水質(zhì)得到有效的改善。此種治理方案與傳統(tǒng)治理方案相比，具有低運(yùn)行維護(hù)投入和低運(yùn)行物耗、能耗的優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)也可看到，此種治理方案也存在一定的短板。首先，就本案例而言，下游河段水生態(tài)功能已基本喪失，作為一種搶救性的治理手段，此方案具備一定的合理性。但對(duì)于水生態(tài)功能并未完全喪失的河段，則需對(duì)筑壩改變流態(tài)、流量對(duì)下游水生態(tài)功能影響進(jìn)行綜合評(píng)估后，視評(píng)估情況決定是否采取這樣的手段；其次，使用此方案，盡管相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)有了顯著提升，但尚未達(dá)到相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此后續(xù)治理需根據(jù)實(shí)際情況采取包括多級(jí)水壩及其它一些補(bǔ)充措施在內(nèi)的綜合治理手段；此外，應(yīng)用此方法存在底泥回溯造成二次污染的風(fēng)險(xiǎn)，因此，一方面應(yīng)對(duì)河流水質(zhì)參數(shù)制定長期監(jiān)測(cè)計(jì)劃；另一方面，應(yīng)結(jié)合水壩的疏浚計(jì)劃，合理安排底泥的清理，或采取其它生物生化手段，以降低底泥回溯產(chǎn)生二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。