（水文学及水资源专业论文）黄土净化煤矿酸性废水的物理模拟实验及环境容量研究.pdf

太原理i 人学硕十研究生学何论文 黄土净化煤矿酸性废水的物理模拟实验及环境容量研究 摘要 随着经济的发展、人口的增长，水资源将严重不足，水资源短缺 已经是2 l 世纪人类面临的重大难题。我国煤矿废水资源化利用率仅 在2 0 左右，大量未经处理的矿煤矿废水直接排放，不仅浪费了大量 的矿井水资源，而且还严重污染环境。大部分煤矿区分布在干旱和半 干旱的黄土地区，水资源较贫乏，约2 3 的矿区缺水甚至严重缺水， 生产和生活用水日趋紧张，在相当程度上制约了煤炭生产和矿区经济 的可持续发展。 国内外关于煤矿酸性废水处理方法多采用建立污水处理厂，利用 物理、化学、生物化学方法进行处理，如以化学中和反应为理论基础 的石灰石( c a c o ，) 或石灰为中和剂的中和法。利用污水厂处理煤矿酸 性废水主要是基础工程和设备投资大，运行费用高，耗能大，处理量 小，企业难以负担，尤其是那些分散的乡镇煤矿是很难做到的。因此， 加快研究合理可行的煤矿废水处理技术具有极其重要的意义。 黄土地区是我国重要的能源化工基地，黄土分布面积广大，尤其 在中西部广泛分布着不同地质时代、不同成因的黄土，面积约6 4 万 k m 2 ，厚度约5 0 7 0 m 。矿区因采矿形成地面塌陷、汇水可以形成湿 地，因此，可以充分利用具有天然优势的黄土，人工形成一个“黄土 一湿地植物一微生物生态系统”，此系统可通过物理、化学、生物等 作用净化煤矿废水中的污染物，既能大大降低处理费用，又方便快捷。 i 太原理l ：人学硕士研究生学伉论文 本文选用山西省普遍分布的、具有代表性的上更新统( q 3 ) 马兰黄 土、中更新统( q z ) 离石黄土和下更新统( q 。) 午城黄土作为实验土样， 实验水样取自太原西山矿务局、山西孝义乡镇煤矿所排废水，通过模 拟实验研究黄土净化煤矿酸性废水中的主要污染物。根据黄土的现场 环境状况，分别安装了马兰黄土柱、离石黄土柱、午城黄土柱三个单 一土柱和一个两米分层高柱四个物理模型，进行了物理模拟实验，通 过实验研究可知各种黄土都能净化煤矿酸性废水。实验研究结论如 下： 1 各类黄土都可以提升煤矿酸性废水的p h 值，净化效果显著， 出水p h 值能达到8 左右，满足排放要求，而且黄土的酸性容量很大。 2 各种黄土都能够净化煤矿酸性废水中的污染物，而且不同的黄 土净化能力大小不一，在定量条件下，净化s 0 4 2 一的能力从大到小依 次是：马兰黄土、离石黄土和午城黄土。净化f e 和m n 的能力则午 城黄土最大，马兰黄土次之，离石黄土最小。 3 各种黄土对煤矿酸性废水中的污染物的环境容量和净化能力 基本一致：马兰黄土对煤矿酸性废水的酸陛、硫酸根、铁和锰的环境 容量分别为2 4 5 x 1 0 2 l k g ，8 7 0 9 m g k g 、6 5 3m g k g 、1 1 0 m g k g ，离 石黄土为2 9 1 x 1 0 2 l k g ，2 5 4 2 m g k g 、7 5 0 m g k g 、1 3 2m g k g ，午城 黄土为2 7 2 x 1 0 2 l k g ，6 0 9m g k g 、1 2 2 3m g k g 、2 0 3 m g k g ，综合 高柱的硫酸根的环境容量为4 4 4 3m g k g 。 关键词：黄土，煤矿酸性废水，物理模拟，环境容量 太原理i ：大学硕十研究生学何论文 t h ee n v i r o n m e n tc a p a c i t ya n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho ft h et r e a t m e n t f o ra c i dm i n ed r a i n a g ew l t hl o e s s a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h eg r o w t ho ft h e p o p u l a t i o n ，t h ew a t e rr e s o u r c ew i l lb eb a d l yi ns h o r t ，a n di th a sa l r e a d y b e e na ni m p o r a n ta n dh a r dn u tt oc r a c kf o rt h em a n k i n di nt h e21s t c e n t u r y t h em i n ew a s t e w a t e rt h a ti sr e c y c l e dt ou t i l i z ei so n l ya b o u t2 0 t h eg r e a tq u a n t i t i e so ft h eu n t r e a t e dm i n ew a s t e w a t e ri s d i r e c t l y e x h a u s t e d ，a n di tn o to n l yw a s t e dag r e a td e a lo fm i n eu n d e r g r o u n dw a t e r r e s o u r c e s ，b u ta l s os t i l ls e r i o u s l yp o l l u t e se n v i r o n m e n t a n dt h eg r e a t n u m b e rc o a lm i n ea tt h ed r ya n dt h eh a l fd r yl o e s sr e g i o n t h ew a t e ri si n s h o r ta n ds e r i o u s l ys h o r ti na b o u t2 3o ft h ec o a lm i n er e g i o n a n dp e o p l e a tt h ea r e ai sd i f f i c u l tt ol i v ea n dp r o d u c ef o rt h ew a t e rq u e s t i o n i t r e s t r i c t st h ec o a lp r o d u c ea n dt h ee c o n o m yo fm i n ea r e at oa l o n gk e e po n d e v e l o p m e n ti nt h eg r e a td e g r e e a th o m ea n da b r o a d ，t h em e t h o d s a d o p t e dt o t r e a ta c i dm i n e d r a i n a g ea r em a i n l yb u i l d i n gs e w a g ed i s p o s i t i o nf a c t o r y , a n du s ep h y s i c a l ， c h e m i c a la n db i o c h e m i c a lm e t h o d st ot r e a t ，s u c ha sl i m e s t o n ea n dl i m e i i i 太原理f ：人学硕十研究生! 学位论文 n e u t r a l i z a t i o nr o l l e rf i l t r a t i o nm e t h o db a s e do nt h et h e o r yo fc h e m i c a l n e u t r a l i z a t i o nr e a c t i o n ，i nw h i c hc a c 0 3i su s e da sn e u t r a l i z e r t h em a i n d i s a d v a n t a g e so fu s i n gs e w a g ed i s p o s i t i o nf a c t o r ya r et h a t t h eb a s i c p r o j e c ta n de q u i p m e n tn e e dal a r g ei n v e s t m e n t ，r u n n i n gf e ei sh i g h ，t h e c o n s u m e de n e r g yi sl a r g e ，b u tt h ed i s p o s i t i o na m o u n ti ss m a l l ，w h i c ht h e e n t e r p r i s e sa r eh a r dt oa f f o r d ，e s p e c i a l l yt h o s ed i s p e r s a lc o a lm i n e sa t v i l l a g e sa n dt o w n s i ti se x t r e m e l yi m p o r t a n tt os t u d ya n dd e v e l o pr a p i d l y a nr e a s o n a b l ea n dp r a c t i c a b l et e c h n o l o g yo ft r e a t i n ga c i dm i n ed r a i n a g e i no u rc o u n t r y , t h el o e s sr e g i o ni sa ni m p o r t a n te n e r g ya n dc h e m i c a l e n g i n e e r i n gb a s e ，a n dt h e r ei st h el o e s sw i d e l yd i s t r i b u t i n g p a r t i c u l a r l y , t h e r ei st h eg r e a ta b u n d a n ta n dc h e a pl o e s so fv a r i o u sg e o l o g i c a lp e r i o d s a n da n dt h el o e s sd i s t r i b u t ea r e al a r g em i s c e l l a n e o u sc a u s e so ff o r m a t i o n i nt h e m i d d l ea n dw e s t e r na r e ai no u rc o u n t r y , w h i c hi so fa b o u t0 6 4 m i l l i o nk m 2o ft h et h i c k n e s so f5 0 4 7 0m e t e r s t h ep a r to fm i n ea r e ac a n c o l l a p s e ，g a t h e rw a t e ra n db e c a o m ea l lw e t l a n df o rm i n e a sar e s u l t ， t h e r ec a nb e c o m eam a n m a d el o e s s ，w e t l a n dp l a n ta n dm i c r o o r g a n i s m e c o s y s t e ms y s t e m ，a n di t c a np u r l f ya c i dm i n ed r a i n a g eb yp h y s i c a l ， c h e m i c a la n db i o l o g i c a lf u n c t i o n n o to n l yi tc a nl o w e rt h et r e a t m e n t e x p e n s e s ，b u ta l s oi ti sc o n v e n i e n ta n d f a s t w es e l e c tr e p r e s e n t a t i v el o e s sw i d e l yd i s t r i b u t e di ns h a n x ia st h e s o i ls a m p l ef o re x a m p l e ( q 3 ) m a l a nl o e s s ，( q 2 ) l i s h il o e s s ，a n d ( q 3 ) w u c h e n g l o e s s ，t h ew a t e rs a m p l ed i s c h a r g e df r o mv a u n t m o u n t a i nm i n eo ft a i y u a n i v 太原理i 人学硕十研究生学位论文 x i s h a nm i n e r a lb u r e a ua sw e l la sx i a o y ic o a lm i n ea tt h ev i l l a g e sa n d t o w n s ，s h a n x ii no r d e rt os t u d yo nt h et r e a t m e n to fa c i d i t ya n dm a j o r p o l l u t a n ti na c i dm i n ed r a i n a g eb ye v e r yl o e s s w er e s p e c t i v e l yb u i l du p f o u rp h y s i c a lm o d e l s ，m a l a nl o e s sp i l l a r , l i s h il o e s sp i l l a l w u c h e n gl o e s s p i l l a ra n dt w om e t e r sl a y e r i n gh i g ep i l l a r sa c o r d i n gt ot h ec h e n gj i a y a c r o s ss e c t i o n a f t e rt h en e a t e n i n ga n da n a l y z i n go ft h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，i t v e r i f i e st h a t e v e r yn a t u r a l l o e s sc a np u f f f yt h ei m p o r t a n t p o l l u t a n to nt h ea c i dm i n ed r a i n a g e ，a n di ti sp r a c t i c a b l et h a tl o e s sc a n p a r t i c i p a t ei np u r i l y i n ga c i dm i n ed r a i n a g e w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o n s a sf l o w s 1 e v e r yl o e s sc a l lp u r l f yt h ea c i d i t yo fa c i dm i n ed r a i n a g e ，i m p r o v e p ht oa b o u t 8 a n dt h ee f f e c ti so b v i o u s i ti si m p o r t a n tt h a tt h el o e s s c a p a c i t yi sl a r g e 2 e v e r yl o e s s c a l l p u r l f yt h ei m p o r t a n tp o l l u t a n to fa c i dm i n e d r a i n a g e ，a n dt h et r e a t m e n to fe v e r yl o e s si sd i f f e r e n t u n d e rt h eq u a n t i f y c o n d i t i o n i n ，f o rt h ec a p a c i t yo fp u r i f ys 0 4 2 一m a l a nl o e s si st h eb e s ta n d l i s h il o e s si sb e t t e ra n dw u c h e n gl o e s si st h el a s to n e b u tf o rf ea n dm n ， w u c h e n gi sb e s ta n dm a l a nl o e s si sb e t t e r 3 t h ee n v i r o n m e n tc a p a c i t yo fe v e r yl o e s s t r e a t i n ga c i dm i n e d r a i n g ei sc o n s i s t e n tw i t ht h ep u r i f yc a p a c i t y t h ee n v i r o n m e n tc a p a c i t y o fm a l a nl o e s so fa c i d ，s 0 4 卜，f ea n dm ni s s e p a r a t e l y2 4 5 x 1 0 2 l k g ， 8 7 0 9 m g k g 、6 5 3m g l ( g 、1 1 0 m g k g ；l i s h il o e s si s2 9 1 x 1 0 2 l k g v 太原理i ：大学硕十研究生学位论文 2 5 4 2 m g k g ，7 5 0 m g k g ，1 3 2m g k g ；a n dw u c h e n gl o e s si s2 7 2 1 0 2 l k g ， 6 0 9m g k g ，1 2 2 3m g k g ，2 0 3 m g k g t h ee n v i r o n m e n tc a p a c i t yt h e c o m p r e h e n s i v el o e s so fs 0 2 一i s4 4 4 3m g k g k e yw o r d s ：l o e s s ，a c i dm i n ed r a i n a g e ，p h y s i c a li m i t a t i o n e n v i r o n m e n tc a p a c i t y v i 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：悠丞叵 日期： _ i ，v 1 一 边：尘 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名： 导师签名： 枣巡l b i l l ：鲨丑! ：堕 ” 日期：乏坦z = 二丝二 太原理。人学硕十研究生学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章综述 随着经济的发展，人口的增长，水资源将严重不足，水资源短缺已经是2 l 世纪人 类面i 临的重大难题。我国是一个煤碳大国，煤炭生产过程中，每开采1 吨煤排放废水l 1 5 吨，破坏水资源达2 5 吨左右，2 0 0 4 年我国煤炭废水排放量约为3 8 亿吨，占全国废 水排放总量的9 ，全国工业废水排放总量的1 5 以上。大量未经处理的煤矿废水直接 排放，将再次污染洁净的地表水和地下水资源及土地资源，危害农作物、水生生物和人 体健康。我国的煤矿大多分布在华北和西北地区，这些地区大多属于半干旱或干旱气候 区，多年年均降水量在4 0 0 m m 以下，加上水资源的过度利用，造成严重资源性缺水， 生态环境恶化，在相当程度上制约了煤炭生产和矿区经济的可持续发展。煤矿废水的资 源化与无害化既保护水土环境，又可将废水变成可利用的水资源，能缓解矿区缺水紧 张的状况，保证了矿区工业的正常发展。因此，煤矿废水的净化处理是解决矿区缺水问 题的一条有效途径。但国内外关于煤矿酸性废水的处理多采用建立污水处理厂，利用物 理、化学、生物方法。这些处理方法主要缺点是基建工程和设备投资大，运行费用高， 耗能大，处理量小、相对集中等，一个中等规模的处理厂，投资也需几百万元，每吨水 处理成本达几元至几十元，企业和都难以承受，尤其那些分散的乡镇煤矿是更难做到的。 因此，加快研究开发合理可行的煤矿废水处理利用技术，对改变矿区水污染和缓解矿区 生活、生产用水紧张情况，具有极其重要的意义。 黄土地区是我国重要的能源化工基地，我国黄土分布面积广大，尤其在中西部广泛 分布着不同地质时代、不同成因的黄土，面积约6 4 万k m 2 ，厚度约5 0 7 0 m 。黄土是 一种碱性风化壳，具有特殊物理化学性质和结构，可溶盐主要是c a c 0 3 ，富集空隙中起 胶结作用，p h 值约为8 7 9 2 。黄土中粘土矿物和有机质含量较高，比表面积大、土中 阳离子交换吸附总量高、吸附性强，属中高吸附性和亲水性；黄土具有大空隙、垂直节 理发育，其透水性和透光性良好。矿区因采矿可形成地面塌陷、汇水形成湿地，可以因 地制宜，人工形成一个“黄土一湿地植物一微生物生态系统”，通过利用环境和自然条 件，强化人工调控措施。不仅可取得满意的污水处理效果，还可以充分回收再用废水资 太原理1 人学硕十研究生学付论文 源，大幅度的降低投资、运行费用和能耗。 本文是国家自然科学基金项目“黄土一湿地植物一微生物生态系统处理煤矿酸性废 水”中的子课题，选用具有代表性的上更新统( q 3 ) 马兰黄土、中更新统( q 2 ) 离石黄土、 下更新统( q i ) 午城黄土和位于该区的太原西山矿务局、山西孝义乡镇煤矿所排废水为研 究对象，基于煤矿酸性废水的污染特点及其危害性，本项研究中选用了煤矿酸性废水中 的主要污染因子作为污染介质，来研究各类黄土对它们的净化作用。通过建立物理模型 即土柱淋滤实验，分析煤矿酸性废水淋滤黄土后的变化情况，揭示其净化机理及净化规 律，进一步确定黄土对煤矿酸性废水的环境容量，为如何利用黄土对煤矿酸性废水的净 化机能，建立最优化的“黄土一湿地植物一微生物生态系统”处理煤矿酸性废水打下基 础。 1 2 国内外的研究现状及进展 1 2 1 常规方法” 目前，国内外煤矿酸性废水的处理方法主要是中和法。中和剂是各种碱性物质，一 般采用石灰石或石灰作为中和剂进行处理。 石灰石中和法 石灰石中和法是以石灰石为中和剂的处理工艺有石灰石滚筒中和法和升流式中和 法两种。其原理均是采用石灰石作中和剂，在滤料不断滚动和摩擦状态中与酸性煤矿废 水中的h 2 s 0 4 进行中和反应，产生微溶的c a s 0 4 和易分解的h 2 c 0 3 。其优点是操作简单， 管理方便，处理费用低等。其缺点是处理后出水p h 值经常低于6 0 ，仍含有较高的二价 铁、硫酸根。另外，生成的大量的c a s o 。容易在出水口处产生沉淀，需要经常进行清洗， 增加了劳动量，提高了处理成本。 石灰中和法 石灰的主要化学成分是c a o ，用水调配成石灰乳c a ( o h ) 2 ，与煤矿酸性矿废水中 h 2 s 0 4 产生反应，方法有石灰乳中和法和石灰乳井下注入中和法。其处理原理是利用石 灰( c a o ) 生成的石灰乳c a ( o h ) 2 与煤矿酸性矿废水中h 2 s 0 4 产生反应，生成c a s 0 4 沉淀， 同时还生成沉淀f e ( o h ) 3 等副产物。其优点是工艺简单、操作方便，出水p h 值能达到 标准，除铁效率比石灰石中和法高。其缺点是石灰比石灰石价格高，投加量大，运转费 2 太原理：人学硕十研究生学位论文 昂贵；而且中和沉淀后，生成物硫酸钙、氧化铁以及未完全反应石灰和碳酸钙的胶状混 合物，再用性小，量大，势必造成二次污染。 石灰石一石灰联合中和法 石灰石一石灰联合中和法是中和工艺的优化。该工艺流程是先采用石灰石滚筒法中 和，消耗煤矿酸性水中绝大部分游离态h 2 s 0 4 ，使处理后出水p h 值达到5 5 以上，然 后再用石灰或石灰乳中和，使出水p h 值提高到8 0 左右，这时二价铁离子形成絮状沉 淀，起混凝作用，有利于去除悬浮固体。其缺点是工程投资要高于石灰中和法和石灰石 中和法。 生物化学法 该方法的原理是利用氧化亚铁硫杆菌在酸性条件下将水中的二价铁氧化成三价铁， 然后利用石灰石再进行中和，从而实现煤矿酸性废水的中和及除铁。其优点是充分发挥 了石灰石法处理成本低、操作运行管理方便的优点，提高了对二价铁的去除率，而且二 价铁氧化菌不需要营养液，只以亚铁离子作为其生命能源，处理后的沉淀物可以综合利 用。生物化学法虽然有许多优点，但目前在国内没有得到实际应用，处于实验室的研究 水平，主要原因是该方法存在难以解决的问题，如生化法的处理速度比物化法慢得多， 反应器的体积要相应增大，投资增加。此外，煤矿酸性废水成分复杂，常含有一些对微 生物具有抑制作用的重金属，如铅、锌等。 1 2 2 粉煤灰处理法 粉煤灰中含有c a o 、m n o 等碱性物质，对酸性废水有一定的中和能力，而且价格 低廉，更重要的是粉煤灰所具有很强的吸附能力，能吸附酸性废水中的酸性物质、重金 属和其他有害物质等。用粉煤灰处理煤矿酸性废水达到了以废治废，资源综合利用的效 果。 中国矿业大学张雁秋”1 等人曾初步研究了粉煤灰处理酸性矿井水的工艺方法，研究 结果表明：含碱性氧化物并具有一定吸附特性的粉煤灰不仅可中和酸性废水，而且对酸 性废水中的二价铁离子也有较好的去除率。在p h 值为3 0 和4 0 时，粉煤灰对废水的 f e 2 + 离子的去除率分别可达到9 5 和1 0 0 ；但当p h 值为2 0 时，去除率仅为1 2 9 。 粉煤灰对f c 2 + 饱和去除量可达到4 2 0 m g g 粉煤灰。 马志毅”1 等在用粉煤灰处理煤矿酸性废水方面也取得了不错的效果。刘心中”1 等在 3 太原理i ：人! 学硕十研究生学何论文 此基础上对其进行了进一步的改善，其采用石扶石中和沉淀、粉煤狄吸附处理煤矿酸性 废水，效果更好，即用石狄石调节p h 值至4 5 ，再用石灰中和至中性，并用粉煤扶吸附， 粉煤灰用量为1 0 l 时处理效果较好，吸附最佳p h 值为7 9 。 目前，虽然利用粉煤狄处理煤矿酸性废水的研究己经取得了一定的进展，但还基本 局限于实验室研究阶段，离实践应用还差之甚远，还有很多关键的问题有待解决，如粉 煤灰吸附容量还有待进一步提高，灰水分离的速度还难以满足工业化的要求；对吸附饱 和灰最终处置方面的研究还甚少；理论研究基础还很薄弱；对粉煤灰吸附机理及其动力 学过程的研究不够透彻等“。 1 2 3 湿地生态工程处理法 湿地生态工程处理法是近期发展起来的一种污水处理技术，具有投资省，运行费用 低、易于管理等突出的优点，目前己用于实际煤矿酸性废水的处理。人工湿地目前主要 的分类有两种：一种按照人工湿地中污染物处理机理的不同将其分为好氧湿地和厌氧 湿地，在好氧湿地中，煤矿酸性废水中的金属离子经氧化作用和水解作用以氢氧化物的 形式沉淀下来；在厌氧湿地中，煤矿酸性矿废水中的硫酸根在厌氧细菌的作用下被还原 成硫化氢，硫化氢与金属作用生成不溶的金属硫化物。另一种是按照污水在人工湿地 中流动方式不同，将其分为自由表面流人工湿地、水平潜流人工湿地和垂直潜流人工湿 地。 人工湿地是利用自然生态系统中的物理、化学和生物的三重协同作用来实现对污水 的净化作用的。煤矿酸性废水流过湿地后，p h 值得到提高，同时铁、锰、硫酸根、钙、 镁等得到一定的去除。人工湿地对煤矿酸性废水的去污机理包括稀释、过滤、吸附等1 。 但最主要的去污机理“1 有3 种：金属的氧化和水解；植物、藻类和有机质对金属 的吸附和交换作用；厌氧细菌对硫酸盐的还原作用。 p e g e r 、n i c h o l a s 等人的研究表明，湿地生态工程处理煤矿酸性废水可分为好氧和 厌氧过程两个步骤。好氧过程是指湿地通过吸附( 主要是离子交换) 、消耗( 植物摄取) 、 简单过滤等作用来实现去除酸性水中的金属。在湿地中，大量有机物的富集，将使下层 出现厌氧环境，在厌氧条件下，煤矿酸性废水中的硫酸根在脱硫菌( d e s u l f o v i b r i o b e s u l f u r i c a n s ) 作用下被还原成硫化氢，硫化氢随后又与溶解、吸附以及沉淀的金属作用 生成不溶性的金属硫化物。 4 太原理【= 人学硕+ 研究生学位论文 美国学者c h i r o n i c 在总结了5 0 块湿地处理含硫酸盐酸性废水的成功经验后提出， 湿地中存在着大量脱硫酸菌，这种细菌在厌氧环境中能将s 0 4 2 - 还原为h 2 s ，h 2 s 随后 又与金属离子作用，生成不溶性硫化物，沉淀于湿地底部“”1 。1 9 9 6 年，m l e d i n 对微 生物的作用和重要性进行了系统阐述，详细叙述了微生物去除重会属和硫酸盐的途径和 机理。 影响人工湿地去污效果的因素很多，主要有污染物浓度、填料性质、水深、温度、 p h 值、停留时间、水力负荷等。目前对人工湿地去污效果影响因素的研究还不全面， 人工湿地处理法处理煤矿酸性废水仍存在以下问题： 湿地生态工程处理法要求进水理想的p h 值要高于4 0 ，当低于4 0 时，要改善基 质和腐殖土层，并有必要加石灰石。 湿地生态工程系统处理煤矿酸性废水速度缓慢，停留时间长，需要占用大量面积， 势必耗资巨大，管理维护也不方便。 湿地生态工程需要细致研究不同地区不同气候条件、不同煤矿酸性废水条件下人 工湿地的设计和运行参数。 因此，湿地生态工程的工艺设计需要进行改良和优化，系统的长期运营和管理问题 也需要做作进一步的研究。 1 2 4 微生物处理法 自然界存在着数以万计的微生物，它们以有机物为营养物质，具有氧化分解有机物， 并将其转化为无机物的功能。废水的生物处理技术就是采用一定的人工措施，创造有利 于微生物生长、繁殖的环境，使微生物大量繁殖，以提高微生物氧化分解有机物的一种 技术。生物处理法主要用于去除废水中呈溶解状态和胶体状态的有机物。按照反应过程 中有无氧气的参与，废水生物处理法可分为好氧生物处理法和厌氧生物处理。一般废水 中有机物浓度若低于1 0 0 0 r r i g l 时，比较适合于用好氧处理，而厌氧生物处理则主要用 于处理高浓度的有机废水。好氧生物处理法处理效率高、效果好、使用广泛，是生物处 理法的主要方法。按照微生物在水中是悬浮状态还是附着在某种填料上的区别，好氧处 理法又可分为活性污泥法和生物膜法。其他生物处理法还有自然生物处理法，如稳定塘， 水生植物塘，土地处理法等“”。 目前，微生物处理煤矿酸性废水的方法就是利用硫酸盐还原菌( s r b ) 通过异化硫酸 5 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 盐的生物还原反应，将硫酸盐还原，并利用某些微生物将还原产物氧化为单质硫。江苏 大学的万由令分别以葡萄糖、玉米芯为碳源，研究利用硫酸盐还原菌( s r b ) 法处理含硫 酸盐矿井废水的工艺流程，分析了废水中硫酸根的降解率，以及硫酸根的还原产物的硫 离子与金属离子的反应，讨论了金属离子的去除浓度“。微生物法不但可以去除废水中 的硫酸根，它同时还具有两大优点，微生物法处理煤矿酸性废水费用低，实用性强，无 二次污染，还可以回收单质硫，产生的硫化物与重金属结合成金属硫化物沉淀，从而去 除废水中的重金属离子；此种方法还能使某些废水脱毒，例如亚硫酸盐可以被转化为毒 性较轻的硫化物“州。但微生物法处理速度慢，效率低，需要进一步的深入研究。 国内外关于煤矿酸性废水处理方法多采用建立污水处理厂，利用物理、化学、生物 化学方法进行处理，如以化学中和反应为理论基础的石灰石( c a c 0 3 ) 为中和剂的石狄石 中和法和石灰中和法。建立污水厂处理煤矿酸性废水主要是基础工程和设备投资大，运 行费用高，耗能大，处理量小，企业很难负担，尤其是那些分散的乡镇煤矿是很难做到 的。而粉煤灰、微生物法等环保低廉的处理方法又仅处在实验室阶段。因此，研究出一 种实用的处理利用方法势在必行。在黄土地区，特别是在山西，利用黄土这种得天独厚 的天然资源配合湿地植物和微生物形成一个生态系统净化煤矿酸性废水，具有很强的实 际意义。 到目前为止，科技人员已经研究丌发了多种可行的煤矿废水处理利用技术，但关于 黄土净化煤矿酸性废水的报道不多，国内易秀，李佩成“以陕西交口抽渭灌区为例，研 究了铬和砷在土壤中迁移转化及其净化的机理“”，通过土柱淋滤试验，从动态角度研究 了黄土性土壤对砷的净化作用及迁移规律，国外这方面的研究成果也很少见。因此，在 前人研究成果的基础上对黄土净化煤矿酸性废水的研究很有必要。 1 3 本文的研究内容和解决的关键问题 本文通过物理模拟黄土净化酸性煤矿废水实验，研究各类黄土净化煤矿酸性废水的 机理，确定净化作用中的关键因素，开展量化研究，了解煤矿酸性废水在各类黄土中的 垂直迁移规律及迁移形式，分析污染物在黄土中的净化程度，确定煤矿酸性废水中的污 染物在各类黄土中的累积趋势，计算出各种黄土对煤矿酸性废水中的污染物的环境容 量。针对国内外在处理煤矿废水研究方面的存在问题和不足之处，充分考虑各类黄土的 特点和资源优势，注重理论与实践相结合，强化理论用于实践的可操作性研究，从而促 6 太原理j ：人学硕十研究生学位论文 进黄土地区水土资源的可持续发展，拟开展以下几个方面的研究： ( 1 ) 煤矿酸性废水的水质特征及形成机理研究。通过分析研究煤矿酸性废水的水质特 征及形成机理，揭示煤矿酸性废水中主要污染物的特征。 ( 2 ) 黄土的理化性质及资源特征研究。从黄土的分布、地层结构、理化性质、矿物 组成以及黄土中存在的微生物等方面论证利用黄土净化污染物的可行性及其价值性。 ( 3 ) 各类黄土对煤矿酸性废水的净化机理研究。通过物理模拟黄土净化煤矿酸性废 水实验，从动态角度研究煤矿酸性废水在黄土中的净化规律及特点。 ( 4 ) 各类黄土对煤矿酸性废水中污染物的环境容量的研究。利用土柱淋滤实验确定土 壤环境容量的基本原理，对实验结果进行函数拟合，计算出各类黄土净化煤矿酸性废水 中的各污染物的环境容量。 土壤环境容量是对污染物进行总量控制与环境管理的重要手段，它反映了土壤生态 系统的净化能力大小，因而土壤环境容量的研究在生产实际中具有重要意义。本文利用 物理模拟实验确定各类黄土的环境容量，为充分利用黄土的净化能力合理配合湿地植物 和微生物形成生态系统处理煤矿酸性废水提供依据，为干旱半干旱地区合理利用污水资 源打下坚实基础。这项研究在黄土地区也是首次进行，这部分内容也是本项研究的创新 点。 1 4 本文的研究方法和技术路线 我国中西部各地区黄土形成时代、特征不尽相同，通过前期的调查研究，本文选用 山西省普遍分布的、具有代表性的上更新统( q 3 ) 马兰黄土、中更新统( q 2 ) 离石黄土和下 更新统( q 1 ) 午城黄土以及位于该区的太原西山矿务局、乡镇煤矿所排废水作为样本，首 先研究黄土、煤矿酸性废水的本底特征，然后建立物理模型，研究黄土净化煤矿酸性废 水的情况，分析研究实验结果，进一步确定环境容量。技术路线如下： ( 1 ) 测定黄土的可溶盐本底、物理性质指标、化学成分。 ( 2 ) 测定煤矿酸性废水的本底，按本底值模拟水样。 ( 3 ) 通过实地观察山西省离石市王家沟陈家崖断面的黄土地层特点建立两米分层 高柱模型进行研究。 ( 3 ) 根据野外黄土的现场环境状况装置土柱，研究煤矿酸性废水经过土柱淋滤后， p h 值及主要污染物的变化规律。 7 太原理i ：人学硕十研究生学何论文 ( 4 ) 通过进、出水污染物的浓度变化和物质质量守恒，确定土枉中的各主要污染物 的积累浓度，通过函数拟合确定黄土对各种污染物的环境容量。 8 太原理i ：人学硕十研究生学位论文 2 1 概述 第二章煤矿酸性废水的水质特征及形成机理 我国是一个煤碳大国，煤炭在开采与利用过程中带来的环境问题是不容忽视的，其 中煤炭大规模开采和利用造成的水问题就是一个严重的问题。煤矿酸性废水是我国煤矿 的一大污染源，而且是煤矿废水污染中对生态环境破坏最大的污染源之一。目前我国煤 炭生产过程中，每年至少排出2 2 6 亿m 3 的煤矿废水，其中北方地区约占6 0 。若把p h 值小于6 5 定义为煤矿酸性废水，则有相当数量的煤矿废水归属此列。煤矿废水p h 值一 般很低，最低可到2 3 ，5 0 4 2 - 含量很高，最高达4 0 0 0m g l ，并含有大量f e 、m n 、c d 、 c r 、c u 、a g 、a s 等多种有害污染物，具有很强的腐蚀性和污染性。煤矿酸性废水对煤 矿的排水设施、钢轨及其他机电设备均具有很强的腐蚀性，严重时危害矿工安全，影响 井下采煤生产。若直接排放到地表，将再次污染洁净的地表水和地下水资源及土地资源， 危害农作物、水生生物和人体健康。山西省的大部分煤矿不同程度地排放煤矿酸性废水， 这些矿区大部分干旱缺水，自然环境恶劣，受地域条件和经济因素制约，这一部分矿井 水不仅未能加以处理利用，而且对当地环境也造成了不良影响。 在中国，特别是黄土高原地区，干旱缺水乃是制约经济发展、生态平衡和社会进步 的关键因素。而煤矿酸性废水因其量大、面广、污染严重、治理程度低而成为制约该区 可持续发展的一大障碍。确定煤矿酸性废水的来源，如何进一步预防和净化煤矿酸性废 水，保护水资源，提高水资源的利用率，是中西部经济发展的重要环节。 2 2 煤矿酸性废水的水质特征 我国地下开采的煤炭约占整个煤炭产量的9 7 ，由于含煤地层一般在地下含水层之 下，在采煤过程中，为了确保安全生产，必须排出大量的矿井水。矿井水受开挖及采煤 的影响，含有大量煤粉、岩石粉尘等悬浮物杂质和微生物，颜色呈灰黑色的；开采高硫 煤层的矿井水，由于硫铁矿等硫化物的氧化作用，呈酸性，并含大量的铁和重金属等污 染物；此外，有些矿井水含有相当的盐，有的还含氟和放射性物质。 根据煤矿废水的含污染物的特性，一般可将其划分为：洁净矿井水、含悬浮物矿井 9 太原理i 人学硕士研究生学位论文 水、高矿化度矿井水、酸性矿井水、碱性矿井水及含特殊污染物的矿井水。洁净矿井水 一般指奥狄水、砂岩裂隙水、第四纪冲积层水及孔隙水等，这类矿井水因水质较好，经 过消毒处理后，即可作为生活饮用水；含悬浮物矿井水是指除悬浮物、细菌及感官性指 标外，其它理化指标不超过我国生活饮用水卫生标准的矿井水；高矿化度矿井水指的是 溶解性总固体高于1 0 0 0 m l 的矿井水，其往往还含有较高的悬浮物、细菌，感官性指 标一般也达不到生活饮用水的标准；酸性矿井水的是指p h 值小于6 0 的矿井水，p h 值 大于9 0 的矿井水称碱性矿井水，酸性矿井水除呈酸性外，还含有较高的铁、悬浮物、 细菌等；碱性矿井水中往往含有较高的溶解性总固体及悬浮物；含特殊污染物的矿井水 主要有含氟矿井水、含重金属矿井水及含放射性元素的矿井水。 2 2 1 我国煤矿酸性废水的水质特征 酸性矿井水是诸多矿井水中污染及危害最大的一类，除呈酸性外，还含有较高的铁、 悬浮物、细菌等污染物，其主要污染物如下： ( 1 ) 大量的氢离子，p h o 5 9 l ) ，重金属离子及硫酸根含量也较大，硫酸根含量最高可至3 3 4 7 3 4 m g l ，属 极硬中酸性微碱水。根据对西山煤田的矿井水水质调查和取样分析，对照其充水地下水 水质，矿坑排水后水质有较大变化，主要表现有如下变化特征： p h 值降低，由碱性水变成酸性水，p h 值一般小于6 ，最低为1 6 。 铁、钙、镁、锰等离子浓度增加，其中铁离子呈二价或三价。 阴离子主要为硫酸根离子，其浓度大幅提高。 含有一定的悬浮物，主要是煤屑、岩粉和粘土等细小颗粒物，尤其是煤粉，其含 量为几十至几百m g l ：在采煤过程中，煤粉和岩粉渗入水中形成较高的悬浮物( s s ) ，使 水的颜色呈灰黑色，通常排至地面的矿井水中s s 为7 0 4 0 01 1 i g l 。 其它有害重金属离子有汞、镉、铬、铅、砷、锌等增加，这些重金属离子都有毒 性，对人和生物的危害都很大。 其酸性矿井水排出后水质变化特征如下： 酸性矿井水排出地面后，如与碱性围岩接触，同地表水中和，p h 值沿水流方向 逐渐升高，流程愈远，变化愈达。 随着p h 值的升高，矿井水的矿化度逐渐降低，总硬度则变化不大。 酸性矿井水经过生活污水混合的地段，矿井水污染净化不明显，因为有机物含量 高而使p h 值降低，形成还原环境而加强了迁移性，从而增强了矿井水与生活污水的混 合物污染能力。 通过对西山煤田的水质特征的研究分析，发现煤矿废水中主要污染物与废水的p h 值的变化呈现明显的规律性，其对应关系如下图2 1 图2 5 所示。 太原理i ：人学硕+ 研究生学位论文 1 2 洳n1_序幕日半*济洳 r11aro2i_；，a【e1 ch冀ooierio一ic一ab_o i n oo一fio一厶of)(isr芦目 赢 目 o 譬 ? 太原理：i ：人学硕+ 研究生学竹论文 图2 一l 硬