魚洞河流域污水綜合治理規(guī)劃和實(shí)施措施

蔣典成

（貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550000）

煤巖層原生礦物組分多含硫化物。在露天開采的過程中，煤礦床（如黃鐵礦FeS2）含有的硫化物會(huì)暴露于空氣中，經(jīng)過一系列氧化、水解等反應(yīng)會(huì)形成pH值為4～6（小于6）的酸性物質(zhì)，其中含有大量的可溶性鐵離子（Fe2+）與錳離子（Mn2+）等金屬離子，以及高濃度的硫酸鹽（SO42-）。受酸性物質(zhì)污染的煤礦礦井水學(xué)名為煤礦酸性廢水（acid mine drainage，AMD），受污染的礦井水排入地表后會(huì)嚴(yán)重污染周邊的生態(tài)環(huán)境。有研究表明，即使將礦井關(guān)閉并停止排水，也會(huì)因地下水涌入采空區(qū)與殘留污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成AMD[1]。此外，就近露天堆放于礦井口與河道沿岸的廢渣，經(jīng)過降雨淋濾，也會(huì)不斷氧化分解，而形成AMD。此類酸性廢水成分復(fù)雜，容易降低水體的自凈功能并造成水中動(dòng)植物死亡；其污染范圍廣、危害大，污染地表水、破壞土壤結(jié)構(gòu)、阻礙農(nóng)作物生長，并嚴(yán)重威脅居民生命健康。因此，廢棄礦井水污染問題亟須受到高度重視，且需要及時(shí)解決。

魚洞河作為流經(jīng)貴州省凱里市的主要河流之一，該流域及其支流長期存在煤礦廢水污染問題。在2017年，中央環(huán)保督查組對(duì)貴州省開展環(huán)境保護(hù)督查，發(fā)現(xiàn)魚洞河流域的煤礦廢水不僅影響了魚洞河流域水環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)景觀，還影響了長江經(jīng)濟(jì)帶生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作的落實(shí)。因此，為保護(hù)魚洞河流域水環(huán)境，保障人們的身體健康，在堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展的基礎(chǔ)上，凱里市政府下決心解決好魚洞河流域煤礦礦井污水治理和生態(tài)修復(fù)問題。

1 研究區(qū)概況

魚洞河流域起源于貴州省凱里市西北的爐山鎮(zhèn)大坡，流域范圍地理坐標(biāo)為：東經(jīng)107°43′56″～107°58′56″，北緯 26°35′30″～26°44′29″。魚洞河流域總面積為267 km2，全流域處于凱里市境內(nèi)，處于云貴高原與中部丘陵之間的過渡地帶中，總體上西南部的地勢(shì)較高，為海拔近1 230 m的山區(qū)，而東北部的地勢(shì)較低，主要為低矮山地地貌。該流域?qū)賮啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，全年濕潤多雨，多年平均降水量在1 264.7 mm。但該流域的降水存在顯著的季節(jié)特征，5～10月降水量占全年降水量的2/3，多年平均降雨量約為835.7 mm，且多為暴雨。該區(qū)域內(nèi)喀斯特地貌特征顯著，巖溶化程度強(qiáng)烈，巖溶形態(tài)多樣化。

魚洞河流域是凱里市一處煤礦資源富集區(qū)域，自20世紀(jì)80年代以來，先后有百余家大小煤礦公司在此進(jìn)行大規(guī)模露天開采，但為了響應(yīng)國家及貴州省能源政策相關(guān)政策以及受煤炭資源枯竭的現(xiàn)實(shí)條件影響，至今，大部分煤礦已廢棄或關(guān)閉，成為了責(zé)任主體滅失的無主煤礦，而小部分煤礦待兼并重組，目前已全部處于停工狀態(tài)。由于長期對(duì)煤層進(jìn)行無序開采，導(dǎo)致地下形成了大面積的采空區(qū)；且煤礦閉坑后長期無人管理，廢棄煤矸石混合煤泥被隨意露天堆放，所以，經(jīng)大氣降水淋濾所產(chǎn)生的煤礦酸性廢水以及受污染的礦井污水未經(jīng)處理就通過井口、暗河、溶隙直接排入就近河道，造成河水重金屬污染非常嚴(yán)重。除魚洞河受沿河兩岸煤礦嚴(yán)重污染外，其主要支流白水河的上游位于煤礦開采區(qū)，受重金屬污染的河水自西向東流經(jīng)白水河中下游與平路河中下游，最后匯入重安江[2]。由于大氣降水自然下滲進(jìn)入地表下采空區(qū)、巖溶水—礦坑煤層交互作用，以及高硫含量的煤渣長期暴露于空氣中自發(fā)進(jìn)行的氧化還原反應(yīng)，這對(duì)魚洞河流域水體及底泥、沿岸土壤和流域下游的農(nóng)田灌溉用水和居民生活飲用水，均造成了不同程度的重金屬污染。

2 魚洞河流域水污染問題現(xiàn)狀與危害

2.1 水污染問題現(xiàn)狀

魚洞河流域?yàn)殍F（F e）、錳（M n）、鉛（P b）、銅（Cu）、鋅（Zn）、砷（As）等多金屬含硫礦床，因此，采礦所產(chǎn)生的煤矸石煤泥廢渣含有大量的Fe、Mn及相當(dāng)數(shù)量的Pb、Zn、Cu、As等離子，其重金屬含量較高且成分較為復(fù)雜。且該區(qū)域煤層中黃鐵礦含量較高，煤的全硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)4.32%～6.66%，含硫量較高。梁浩乾等[3]對(duì)河流水體、礦井排水以及河流底泥和礦井排水口底泥的pH值與重金屬含量進(jìn)行了采樣測定。

（1）礦井水樣品的檢測結(jié)果表明，魚洞河流域廢棄煤礦礦井水pH值低于《國家地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 14848-1993）限值，超標(biāo)率78.6%，為典型的酸性礦井水；Fe、Mn、Zn的含量均高于《煤炭固廢排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 20426-2006）限值，其中Fe、Mn、Zn的超標(biāo)率分別為85.7%，7.1%和14.3%。

（2）河流水體樣品的檢測結(jié)果表明，各河段上游及重安江水質(zhì)較好，為無污染水體，但受礦井水排入的影響，白水河、平路河的中下游河段以及重安江入江口段的水質(zhì)明顯惡化，為重度污染水體。其中pH值低于國家《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）限值，超標(biāo)率為36.8%，SO42-、Fe、Mn、Cd的含量均高于《煤炭工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 20426-2006）限值，其中SO42-、Fe、Mn、Cd的超標(biāo)率分別為42.1%，57.9%、68.4%和36.8%。

（3）河流底泥和礦井排水口底泥樣品的地累積指數(shù)結(jié)果表明，魚洞河流域河流底泥的Cd、Pb、Fe的含量輕微超出貴州省土壤背景值；而礦井排水口底泥中，這三種重金屬的含量超標(biāo)較為嚴(yán)重。地累積指數(shù)也表明橫石河沿岸的Fe污染最為嚴(yán)重，其次為輕中度的Cd、Pb污染。同時(shí)，距離河道礦井排水口近處底泥的Fe污染相對(duì)較遠(yuǎn)處更為嚴(yán)重。

上述研究表明，魚洞河流域水污染的主要污染源為受污染的礦井水排入河道（包含受污染的地下水），以及露天堆放的煤矸石淋溶液。在一定程度上，這兩類污染源受季節(jié)變化和大氣降雨的影響較大，礦井水與煤矸石淋溶液排放的污水量在豐水期的貢獻(xiàn)率顯著高于枯水期，具體內(nèi)容詳見表1。

2.2 水污染危害

魚洞河為常年性河流，且流域內(nèi)的煤炭礦井大多數(shù)連片分布于沿河兩岸，因而在降雨的沖刷下能夠持續(xù)產(chǎn)生重金屬含量超標(biāo)的酸性廢水，并會(huì)沿礦井口直接排入河流。因此，導(dǎo)致該地區(qū)的重金屬污染和水、土酸化，這對(duì)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境破壞極大，更嚴(yán)重威脅了沿河兩岸居民的生命健康。段江飛等[4]研究結(jié)果表明，魚洞河流域的污染物總量大、濃度高，限制了河流的重金屬污染自凈功能。而流域長度短、面積小、水流湍急的特點(diǎn)，更是將上游的污染物大量匯流至下游，致使流域內(nèi)上游至下游以及入江口的水污染超標(biāo)水平，呈明顯上升趨勢(shì)。李文波等[5]研究結(jié)果顯示，魚洞河流域的水污染嚴(yán)重影響到了沿河的爐山鎮(zhèn)、萬潮鎮(zhèn)、龍場鎮(zhèn)、大風(fēng)洞鎮(zhèn)、灣水鎮(zhèn)，共計(jì)5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)9.6萬居民的飲水健康與灌溉生產(chǎn)問題。

3 魚洞河流域水污染問題成因分析

3.1 煤礦礦井口直接排放廢水

魚洞河流域的煤炭民采風(fēng)潮歷史久遠(yuǎn)，這對(duì)流域的生態(tài)環(huán)境造成了長期且廣泛的影響。由于小煤窯多為沿河分布，且缺乏配套的環(huán)保處理設(shè)施，產(chǎn)生的廢水自礦井口直接排入魚洞河流域內(nèi)。同時(shí)，長期的無序、掠奪式的非法開采方式造成地下形成大面積的煤礦采空區(qū)。尤其在雨季時(shí)，大氣降水下滲至采空區(qū)，礦井內(nèi)廢水水位上升，溢出礦井口，排入魚洞河流域內(nèi)。根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，僅魚洞河、白水河兩岸就有24處廢水排放點(diǎn)，豐水期最高的總排放量約為8 000 m3／h。而酸性廢水直接排入魚洞河流域會(huì)造成河水酸化和重金屬污染。

3.2 通過受污染的溶洞、暗河間接排放廢水

由于魚洞河流域的巖性以碳酸鹽巖為主，地形多為斷層褶皺構(gòu)造，以及常年氣候濕潤多雨，致使地下水溶蝕作用強(qiáng)，煤礦采空區(qū)巖溶化程度高，發(fā)育大量溶洞與地下暗河。巖溶水進(jìn)入煤礦采空區(qū)，與礦渣中的硫、鐵產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生大量的酸，導(dǎo)致流域內(nèi)溶洞與暗河遭受煤礦酸性廢水的污染。

3.3 煤矸石淋濾污染

該區(qū)域內(nèi)有大量的煤矸石、煤泥露天堆積。根據(jù)《環(huán)境現(xiàn)狀調(diào)查專項(xiàng)報(bào)告》中實(shí)地調(diào)查結(jié)果可知，魚洞河流域內(nèi)工業(yè)固廢以煤矸石為主，有28處煤矸石煤泥集中堆放點(diǎn)，共計(jì)376.2 萬 m3（平路河343.8萬m3、白水河32.4萬m3），其中，煤矸石373.46萬m3占煤礦固體廢物總量99.3%，煤泥2.74萬m3占煤礦固體廢物總量0.7%；煤泥主要分布在大貓山煤礦、銳達(dá)洗煤廠、平路河洗煤廠附近，并與洗選矸石混堆。煤矸石煤泥堆場全部未采取任何水土保持和污染治理措施。上述煤矸石、煤泥中部分臨河堆放，方量約為81.28萬m3，這不僅對(duì)河道行洪安全有一定隱患；其經(jīng)歷風(fēng)化淋濾后產(chǎn)生的酸性礦山廢水在雨季時(shí)直接涌入魚洞河流域，更進(jìn)一步加劇了地表水體的水質(zhì)惡化和土壤污染。魚洞河流域煤矸石堆放場地的具體情況詳見表2。

表2 魚洞河流域煤矸石堆放場地的具體情況統(tǒng)計(jì)表

4 魚洞河流域煤礦廢水污染綜合治理應(yīng)用實(shí)例

4.1 總體規(guī)劃

通過調(diào)查矸石山的空間分布、污染特性、污染機(jī)理，結(jié)合水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查成果，本次的專項(xiàng)治理方案遵循“源頭控制、標(biāo)本兼治、一山一策、先行示范”的原則。為確保實(shí)現(xiàn)顯著的治理效果，達(dá)到污染物減排、礦區(qū)生態(tài)環(huán)境快速恢復(fù)的目的，此次專項(xiàng)治理的減排指標(biāo)為①全面完成煤矸石煤泥治理與攔擋工程，確保生態(tài)安全；②基本消除污染物的毒性；③煤矸石煤泥淋溶水減排Fe 1 033.26 t/a、Mn 49.29 t/a；④林草植被恢復(fù)率97%。根據(jù)此目標(biāo)，本方案從污染源、污染過程和污染末端對(duì)魚洞河流域水污染問題進(jìn)行綜合治理。

首先，采取清污分流的方法從源頭上減少污水產(chǎn)生量；其次，采用原位污染控制及無土生態(tài)修復(fù)措施初步恢復(fù)土壤肥力；最后因地制宜結(jié)合傳統(tǒng)鋪膜覆土撒草生態(tài)修復(fù)工藝，進(jìn)行多種類植物的定植，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)魚洞河的“水清、岸綠、景美、河暢”的目標(biāo)。

4.2 清污分流工程措施

清污分流工程共分為三個(gè)階段，主要包括以下內(nèi)容：

（1）搬遷轉(zhuǎn)移矸石堆，聚集統(tǒng)一治理。在此次專項(xiàng)治理過程中，煤矸石搬遷轉(zhuǎn)移共計(jì)92.90萬m3，其中，臨河型矸石場搬遷轉(zhuǎn)移90.07萬m3；非臨河型矸石場搬遷轉(zhuǎn)移2.83萬m3。

（2）修建擋渣墻，并鋪設(shè)擋渣墻排水管與框格梁護(hù)坡；必要時(shí)對(duì)矸石堆削坡減荷。在此次專項(xiàng)治理過程中，修建漿砌石擋渣墻共計(jì)4.19 km，砂卵石格賓石籠擋墻0.11 km，修復(fù)擋墻0.28 km。其中：臨河型矸石場共計(jì)11處，其中3處（PG03、PG04、PG05）因搬遷后需重建新矸石場的漿砌石擋墻共計(jì)0.45 km，1處（PG09）因部分搬遷煤矸石留下煤矸石修建格賓石籠擋墻0.11 km，1處（PG06）因已有擋墻只需修復(fù)原擋墻0.28 km，其余7處因搬遷至其他非臨河矸石場不計(jì)入此項(xiàng)；非臨河型矸石場修建漿砌石擋墻共計(jì)3.74 km。鋪設(shè)擋渣墻排水管共計(jì)10.33 km，其中：臨河型矸石場擋渣墻排水管1.90 km；非臨河型矸石場擋渣墻排水管8.43 km。非臨河型矸石場擋渣墻共鋪設(shè)框格梁護(hù)坡共計(jì)59.66萬m2。臨河型矸石場無原位削坡處理；非臨河型煤矸石及煤泥堆場原位削坡處理共計(jì)63.28萬m3。

（3）修建截水溝、馬道排水溝以及淋溶液收集、應(yīng)急池。在此次專項(xiàng)治理過程中，修建截水溝共計(jì)10.02 km，其中：臨河型矸石場修建截水溝1.69 km；非臨河型矸石場共修建8.33 km。非臨河型矸石場每隔10 m高程設(shè)馬道，馬道內(nèi)側(cè)設(shè)排水溝，共修建0.9 km。修建淋溶液收集、應(yīng)急池共計(jì)33座，其中：臨河型矸石場修建淋溶液收集、應(yīng)急池共計(jì)6座；非臨河型矸石場共修建27座。魚洞河流域清污分流工程措施規(guī)劃布局詳見表3。

表3 魚洞河流域清污分流工程措施規(guī)劃布局表

4.3 生態(tài)修復(fù)措施

（1）原位污染控制及無土生態(tài)修復(fù)。在采取上述清污分流工程措施后，采用原位污染控制及無土生態(tài)修復(fù)措施治理非臨河煤矸石量（含臨河型挖、移）328萬m3，需鐵錳固定劑2 577 551.76 kg，活性硫還原劑2 577 551.76 kg，鈍化劑2 577 551.76 kg等處理劑，需先鋒草本植物喬木、灌木、草本植物各371 002.80株。

（2）傳統(tǒng)鋪膜覆土撒草生態(tài)修復(fù)。在土壤情況初步得到改善后，鋪膜覆土撒草進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，其中納基防滲膜共計(jì)122 603 m2，撒播草籽122 603 m2，耕植土（厚300 mm）共計(jì)36 781 m3，黏土（厚500 mm）共計(jì)61 302 m3。

5 結(jié)論

以往的非法采選礦活動(dòng)對(duì)魚洞河流域造成了極為嚴(yán)重的生態(tài)破壞，而造成魚洞河酸性煤礦廢水嚴(yán)重污染的主要有礦井涌水、受污染的巖溶泉眼、煤矸石煤泥淋溶水。相關(guān)部門自2017年5月接受凱里市水務(wù)局的委托，開展了魚洞河流域污水治理可行性研究項(xiàng)目，針對(duì)研究區(qū)的水污染問題，從污染源、污染過程和污染末端，提出了對(duì)魚洞河流域水污染綜合治理及流域生態(tài)修復(fù)方案，具體措施為：以煤矸石煤泥淋溶水Fe、Mn污染物削減分?jǐn)傊笜?biāo)為方案制定依據(jù)，先后采取清污分流、污染源原位控制與無土快速生態(tài)修復(fù)，以及防滲覆土植被隔離等綜合治理措施。該方案實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)工程治理措施與新興生態(tài)修復(fù)措施有機(jī)結(jié)合，不僅有助于解決魚洞河流域的水污染問題，還對(duì)其他地區(qū)的礦山生態(tài)治理工作具有重大的參考借鑒意義。