酸性礦井水處理及其利用
摘要：在我國，煤礦開采過程中產生大量的酸性礦井水，若直接排放勢必會對環境造成嚴重的污染。文章描述了酸性礦井水的產生原因、危害，并介紹了處理方法及合理化利用。
關鍵詞：酸性礦井水；危害；處理；利用
概述
我國煤炭資源豐富，煤炭是我國生產生活的主要能源之一。在煤炭的開采過程中，由于礦區復 雜的水文地質條件，勢必會遇到地下水的問題，而在其中，酸性地下水(Acid Mine Drainage，AMD)約占50%以上。大量的酸性地下水被排出，既不能解決礦區的嚴重缺水問題，還會對環境造成污染。
1.酸性礦井水的形成機制
酸性礦井水主要指PH<6的地下水。地下水流經煤礦區煤系底層時，由于硫在氧 化環境中被氧化溶解于地下水中，使得水中的SO42-含量增高，成為地下水中的主要陰離子，陽離 子主要為H+和Fe2+、Fe3+、Mn2+等金屬離子。 當煤層及其圍巖中含有黃鐵礦時，由于地下水中的氧化物的氧化作用，使得黃鐵礦被氧化，具體過程如下[1]：
1.1 2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4
1.2黃鐵礦在含氧氣的地下水中氧化為FeS- O4和H2SO4，含有大量Fe2+并具有酸性，但是FeS- O4只是氧化過程中的中間產物，很不穩定，在酸性 水中還要進一步氧化。
4FeSO4+2H2SO4+O2→2Fe2(SO4)3+2H2O
1.3生成的Fe2(SO4)3較FeSO4穩定得多，但在弱酸性水中還要進一步氧化。
Fe2(SO4)3+6H2O→2Fe(OH)3+3H2SO4
Fe2(SO4)3水解的結果生成H2SO4，使水的PH 進一步減少。新生成的Fe(OH)3失水后，生成不溶于 水的黃褐色褐鐵礦沉淀，即所謂的“鐵帽”。加上微 生物細菌的作用，更加加快了黃鐵礦的氧化速度。
2.酸性礦井水的危害
2.1酸性礦井水對地下水、地表水的影響
由于酸性礦井水中高含量的SO42-、Fe2+、 Fe3+、Mn2+等離子，當含水層之間發生水力聯系時， 會對其它含水層的地下水造成嚴重的污染。由于地下水一經污染很難恢復，所以由此造成的后果尤為嚴重。
當酸性礦井水未經處理直接排出，進入地表水體以后，會造成水質惡化。由于Fe2+的作用使得 水體中氧的消耗量顯著增加，造成魚類、浮游生物、藻類等大量死亡。Fe3+結合OH-生成Fe（OH）3紅褐色沉淀，使得水體底部以及兩岸呈現紅色，影響美觀。
2.2 酸性礦井水對設備的影響
酸性礦井水具有強烈的腐蝕作用，礦山排水設備、鋼軌、以及其他附屬設備等被不斷腐蝕，降低了使用壽命，增加了工程投資成本。此外，酸性礦井水還使鋼筋混凝土結構疏松，受壓受拉強度降低，影響煤礦開采的安全。
2.3 酸性礦井水對生產生活的影響
在地下，由于礦工長期接觸酸性礦井水，會腐蝕身體皮膚，造成手腳開裂等，影響身體健康。未經處理的酸性礦井水被排出后，進入地表水體，當這 部分水體被作為灌溉用水進入農田時，破壞土壤結構，使得土壤板結，抑制了農作物的生長，嚴重時會造成農作物大面積的死亡，造成糧食減產。
3 酸性礦井水的治理
根據酸性礦井水的處理工藝的不同，可以分為中和法、微生物法、人工濕地法等。
3.1 中和法
中和法主要包括石灰石中和法、石灰乳中和 法以及石灰石———石灰聯合中和法3種[2，]其中應 用最廣泛的是石灰乳中和法。
石灰乳中和法是利用酸堿中和反應的原理降低酸性礦井水中H+的濃度。目前運用較多的是直接投入石灰乳。石灰乳的價錢便宜，且能降低礦井水中的Fe2+、Fe3+以及SO42-的濃度。具體反應如下：
Ca(OH)2+H2SO4=CaSO4↓+2H2O
Ca(OH)2+Fe2++SO42-=CaSO4↓+Fe(OH)2↓
3Ca(OH)2+2Fe3++3SO42-=3CaSO4↓+2Fe (OH)3↓
4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3↓
中和法對設備的要求較為簡單，對水質水量 的適應能力強，操作方便，在我國大部分煤礦采用 此法處理酸性礦井水。適用于處理酸性較強、涌水 量較小的礦井水,但對石灰石的消耗量較大，且對 鐵的去除效果較差。
3.2微生物法
微生物處理酸性礦井水是國外研究的熱點之 一，在我國尚處于實驗室研究階段，未得到廣泛應 用。微生物法是利用微生物———氧化亞鐵硫桿菌在 充分供氧的酸性條件下不斷將亞鐵氧化，并利用此 反應產生的能量進行繁殖，從而達到去除鐵的目的 3[] 。然后通過投入石灰乳進行中和，再通過沉淀、過 濾等方式，最終達到水處理的目的。
該方法簡單易行，成本低廉，不僅容易回收鐵 元素，而且可以有效去除水中的N、P等營養物質， 解決了二次污染問題，達到高效率低能耗的效果， 在我國有廣泛的發展前景。但是微生物對PH，溫度 等條件要求較高，所以還要進行更深入的研究。
3.3人工濕地法
人工濕地(Constructed Wetlands)法是20世紀就在國外得到廣泛應用的一種酸性礦井水處理 方法。其基本原理為：建造人工濕地單元，即簡稱一個個的不透水的塘，在其中填充各種砂石、土壤等介質，并種植有特定除污效果的水生植物。讓酸性礦井水緩慢流過介質表面，或以滲流的形式，在介 質中流動，穿過介質和植物的根系，利用植物在人 工濕地中吸收、吸附污水中的金屬離子的功能，達到凈化的目的。最后進行中和反應，中和水中的 H+。
該方法需要將多個人工濕地串聯，是生物、化學、物理方法的綜合利用。但人工濕地占地面積較大，處理速度較慢，且對濕地的控制較困難，尤其在寒冷地區該方法仍有極大的局限性。
3.4其他方法
近年來，對酸性礦井水的處理開展了更深入的研究，發現了許多新的處理方法，主要有粉煤灰法、赤泥法處理以及使用堿性紙漿廢液、硼泥等代替石灰乳，以廢治廢，綜合利用，可大幅度降低處理成本，達到經濟效益、社會效益、環境效益的有機統 一4[。]
4 酸性礦井水的應用
在我國，礦井排水量極大，導致煤炭開采過程中的排水費用大幅度提高，而煤礦開采本身需要大量的水。礦井水的排放一方面加大了煤炭企業的經濟負擔，另一方面又浪費了寶貴的水資源。大規模 的排水還會使得地下水位明顯下降，更進一步加大了礦區的供水緊張。所以礦井水的有效利用，實行 排供結合會很好的解決這一問題。所謂的排供結合就是從排水、供水并關注生態環保三方面考慮[5]將處理過的礦井水，根據處理的程度用于各種目的的供水，達到合理規劃、合理利用的目的。
酸性礦井水經過初步處理后，達到國家規定 的排放標準后合理排放，處理效果較好的可以作為 供水水源，用于工業、農業以及生活用水中。a.工業 用水：工業用水對水質的要求標準不高，經過初步 處理后，可以用于礦區的綠化、井下灌漿、采煤工作 面的降塵用水、洗煤廠洗煤、冷卻用水等，緩解排供 矛盾。b.農業用水：我國煤礦大部分分布于干旱與 半干旱地區，礦區附近的農田灌溉可引用處理過的 礦井水，有效緩解農田灌溉壓力。c.生活用水：礦區 生活用水對水質的要求標準較高，對于處理較好 的，可以作為飲用水源。對于多余的水量，可向市區 供水，合理定價，既解決城市用水緊張的問題，又合 理的利用了礦井水，增加了收入，降低了成本。
5 結論
煤層地系大多數處于還原環境中，由于人工開采而變成氧化環境，導致了大量酸性礦井水的產生。故酸性礦井水的處理與應用在我國有廣泛的發展前景，在加大科技資金投入的基礎上，學習國外先進的生產經驗，綜合各方面因素，因地制宜制定有效的措施，對現有水資源進行合理規劃管理，對更好的改善煤礦經濟效益、環境效益有極大的促進 作用。
參考文獻
[1]章至潔，韓寶平，張月華.水文地質學基礎[M].徐 州：中國礦業大學出版社，2007.
[2]徐友寧，袁漢春，劉瑞平.酸性礦井水治理方案灰 局勢決策擇優法[J].環境工程學報2007年3月第1 卷第3期.
[3]胡立峰.煤礦酸性礦井水成因及其處理方法.煤 田地質與勘探,2005年8月第33卷增刊.
[4]尹國勛，王宇，許華，歐睿.環境科學與管理. 2008年9月第33卷第9期.
[5]國家煤礦安全監察局人事培訓司.礦井水災防治 [M].徐州：中國礦業大學出版社，2002：149-151.
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