⑴ 煤礦酸性水水化學特徵及其環境地球化學信息研究
摘 要 以水化學數據為依據,應用相關分析,結合地質、水文勘探資料,對煤礦酸性礦排水( AMD) 的水化學特點及其成因進行了研究。煤礦 AMD 在一定的物質條件和環境條件下形成,只要條件適宜,不管是高硫煤還是低硫煤均可產生酸性水; 低 pH、高 Eh、高 TDS 及高硬度是煤礦 AMD 的重要特徵,水中的 SO42 -與其 EC 之間以及 Fe3 +/ Fe2 +比值與其 Eh 值走勢具有良好的一致性,水中微量元素及重金屬來源較復雜,如 Ni、Cu、Co、Zn 等來源於黃鐵礦的氧化溶解,但 Pb、Sr 等主要來自 AMD 對煤系地層中煤及岩石中礦物的淋濾作用。
任德貽煤岩學和煤地球化學論文選輯
一、引言
煤礦在開采過程中,因含煤地層中所含硫化物( 主要為黃鐵礦) 的賦存環境變化而自發進行氧化還原反應,可導致產生酸性礦排水( AMD) 。AMD 的低 pH 值和較高的礦化度特徵,說明其有很強的溶解性和侵蝕性,這種礦排廢水能攜帶大量的重金屬及有害化學物質進入環境。煤礦酸性礦井水在我國分布廣泛,北方主要分布在陝、晉、魯和內蒙等省區,南方分布在川、桂、貴、浙、閩等省區。目前,對 AMD 的研究多集中在金屬礦床、礦尾庫等的酸性礦排水治理方面,而對含煤地層環境下產生的 AMD 的水化學數據中所蘊含的豐富環境地球化學信息的解讀還不多見。煤礦 AMD 的化學特徵在一定程度上反映了相應地區的物質組成、主要水—岩反應和水中組分的相互作用等環境信息,對這些信息的研究可了解煤礦AMD 的產生、變化過程及可能產生的環境效應,為煤礦環境治理及模擬預測提供可靠依據。筆者通過對福建省永安及上京兩個礦區的井下現場勘查,系統採集和測試了煤層、頂底板岩石、黃鐵礦以及礦井中的酸性水樣品,通過綜合分析這些數據,試圖總結煤系酸性水的水化學特徵,並探討其中所反映的環境信息。
二、研究區地質環境
區內地層主要由上石炭統船山組、下二疊統棲霞組、文筆組、童子岩組、上二疊統翠屏山組及第四系殘坡積物層組成。下二疊統童子岩組為主要含煤地層,由一套海陸過渡相岩性組成,以泥質岩為主,次為粉砂岩和砂質岩,砂岩多為鈣質膠結。普遍含形態各異、含量不等的菱鐵礦和黃鐵礦結核。童子岩組內由下而上分為第 1、第 2、第 3 段,其中第 1 和第 3 段為含煤段。在永安礦區,第 3 段為主要含煤段,自上而下有 0 ~11 號煤層,其中 1 號、2 號、5 +6 號、9 號為主採煤層。在上京礦區,第 1 段為主要含煤段,煤層自上而下為 22 ~ 49 號煤,其中 33、34、38、45、48 等 16 層煤層為可採煤層。
研究區溝谷發育,植被茂盛,海拔最高點標高為809m,最低點為300m。本區為亞熱帶潮濕氣候區,年平均降雨量和氣溫分別為1565mm、18.9℃,氣溫最高39.2℃,全年相對濕度平均79%。水文地質條件屬簡單—中等類型,下部棲霞灰岩富水性較強,但遠離煤層(距煤層200m左右),正常情況下對煤層沒有影響。大氣降水是礦坑水的直接或間接補給水源。另外煤系構造裂隙發育,但富水性弱,岩性為砂岩,鑽孔涌水量Q=0.57~4.5L/s,滲透系數K=0.073~0.15m/d。裂隙水水質為HCO3-Ca-Mg和HCO3-SO4-Cl-Mg型,總礦化度0.016~0.15g/L,屬低礦化度具侵蝕性水。
三、樣品採集與檢測
為全面了解永安礦區童子岩組內整個含煤地層酸性水的情況,在永安礦區東坑仔礦的0號、1號、9號和上京礦區小華煤礦的34、38、48號等主採煤層的頂底板、煤和水及部分黃鐵礦進行采樣。在井下現場測定了水樣溫度、Eh值和pH值,其餘水質項目按取樣標准處理後送核工業北京地質研究院測定。用等離子質譜法(ICP-MS)測定水中陽離子及痕量元素含量;離子色譜法(IC)測定氯離子、氟離子、溴離子、硝酸根離子和硫酸根含量;採用容量法測定碳酸根、重碳酸根、氫氧根的濃度。對煤樣、煤層頂底板岩樣及黃鐵礦樣品進行了X射線衍射(XRD)分析和等離子質譜分析。
四、結果與討論
1.井下AMD的環境特徵
在井下調研時發現,大量褐紅色氧化鐵沉澱物與酸性水伴生,可視其為存在酸性水或曾經有酸性水產出的標志。酸性水常常出現在鬆散、破碎的煤層頂板處及平巷上部的采空區下方,這些現象表明酸性水明顯受環境條件的控制,這可能與含氧水的進入有關。在無破碎區,地表水中有限溶解氧在緩慢的下滲過程中,被淺部地層中的物質消耗,不足以氧化較深部的含硫礦物而產生酸性水。
地質勘探資料表明,本區煤系由以鋁、硅酸鹽礦物為主的泥岩、粉砂岩及砂岩組成,地層中碳酸鹽岩組分相對很少,CaCO3僅以脈狀或鈣質膠結物形式產出。有關黃鐵礦氧化動力學實驗表明[1],在有碳酸鹽岩存在時,產酸能力受到抑制。Holmstrom[2]等的研究表明,尾礦是否產生酸性排水和釋放重金屬主要取決於碳酸鹽礦物的含量,而不是硫化物的含量。永安礦區煤中總硫含量小於1%,為低硫煤,但卻產生了pH值低達2.75的酸性水,這一事實表明不管是高硫煤還是低硫煤均可產生酸性水。
2.煤層AMD的水化學特徵
所取水樣有3種類型:煤層酸性水樣、煤層非酸性水樣、地表水樣。各水樣的化學組成檢測結果見表1,樣品中除JS8為地表水外,其餘為井下礦排水。
根據礦井原鑽孔資料,未經淋濾的地層裂隙水的水質為HCO3-Ca-Mg和HCO3-SO4-Cl-Mg型,總礦化度0.016~0.15g/L。而經淋濾煤層後形成的酸性水的組成變化很大,按庫爾洛夫表達式計算後,水質類型變為SO4-Ca-Mg(如DS2)和SO4-Mg-Fe-Ca(如HS5)型水,TDS為1.64~4.398g/L,為高礦化度水。
表1 永安礦區煤層礦井水水化學常量組分含量w單位:mg·L-1
注:-為未檢出;表中硬度以CaCO3計。
由表1可以得出本區煤礦酸性有如下特點:
(1)pH值變化范圍較大,可從5點幾至2點幾,而在pH≤3.00的水中,HCO-3含量均為未檢出。根據水中碳酸系統平衡關系,此時水中的碳酸鹽組分以H2CO3或游離CO2形式存在,即水的總鹼度趨於零,具有較強的侵蝕性。
(2)酸性水具有SO42-高、總硬度高和TDS高的三高特徵。SO2-4含量在陰離子中占絕對優勢,表1中HS7水樣硫酸根離子濃度達3239.9mg/L,煤礦酸性水水化學類型一般為SO2-4-Ca、Mg(Fe、Al)型。酸性水使地層中碳酸鹽類及鋁硅酸鹽類礦物大量溶解,而造成水的高硬度和高TDS,TDS>1g/L。如,HS7的TDS達4398.5mg/L。酸性水中硫酸鹽是其礦化度主要貢獻者,水中SO2-4離子濃度與其電導率(EC)具有良好的對應關系(圖1)。
(3)煤礦酸性水的Eh范圍在600~800mv,是一種高氧化態水,水中的多價態元素以高價態存在,如Fe3+、V5+、Mn4+、Cr6+等。檢測結果表明,Fe3+/Fe2+比值在多數情況下與環境的Eh值有良好的相關性(圖2),Eh隨Fe3+/Fe2+值增加而增加,Fe3+/Fe2+比值在井下酸性水環境中起到決定電勢作用。
圖1 電導率與SO42-含量走勢相關圖
圖2 Eh與Fe3+/Fe2+走勢相關圖
3.AMD中微量組分來源分析
造岩礦物及礦石礦物中的微量元素通常以類質同象形式存在,而天然水中微量元素的分布通常受環境中水—岩相互作用控制。對永安礦區酸性礦坑水樣中50多種微量元素進行了ICP—MS測定。對7個礦井水樣中含量100×10-9以上的微量元素與水樣中的主要特徵元素進行了相關分析(表2)。綜合分析上述數據,並結合煤、岩及黃鐵礦樣品的XRD分析結果,可得出以下初步結論:
(1)pH值與大多數組分呈負相關,說明各組分的溶解度隨介質pH的降低而增大,尤其對Fe和Al溶解度影響較大。同時也可能與它們在pH增大時易形成氫氧化物膠體而沉澱有關。膠體形成後對其他微量元素的吸附產生共沉澱是pH對微量元素含量的一個間接影響。
(2)Ni、Co、Zn、Y等與Fe、SO2-4高度相關,相關系數大於0.94,說明它們的來源與黃鐵礦的氧化溶解密切相關。Ni、Co、Zn均為過渡元素,常在黃鐵礦中與鐵形成類質同象替代,而在黃鐵礦風化過程中被釋放進入溶液;與Fe、SO2-4有較高相關性的還有Na、Cu、Mg、Mn元素,這些元素在地球化學上與鐵元素常親密共生,說明黃鐵礦是其部分來源,或是黃鐵礦的氧化溶解對它們的釋放遷移有重要影響。
(3)水中Pb-K和Pb-Al的相關系數分別為0.77和0.64,而與Fe和SO2-4的相關系數較低,分別為0.39和0.41。ICP-MS對煤、岩、礦的分析結果表明,大多數煤樣品中的Pb含量高於同層位中黃鐵礦的Pb含量,且由於本區為低硫煤,因此黃鐵礦對礦井水中Pb的貢獻相對較小,即本區酸性水樣中的Pb除來源於黃鐵礦的氧化溶解外,還來源於地層中的含鉛礦物,如鉀長石、黑雲母的水解反應:
任德貽煤岩學和煤地球化學論文選輯
(4)鍶是廣泛存在於地下水中的一種微量元素。它在造岩礦物中的分配主要受鈣和鉀的互帶性控制[3],Sr2+主要是以類質同象的形式存在於含鈣、鉀的鋁硅酸鹽礦物中,隨著含鍶的鈣長石、鉀長石、白雲母等礦物的水解,鍶被釋放而進入地下水中。
本研究水樣中鍶含量在幾百~上千μg/L,Sr與Ca呈正相關,相關系數為0.79,與K的相關系數僅為0.27。本水樣中的鍶可能主要來源於鈣長石的水解反應。趙廣濤(1998)[4]對嶗山礦泉水的研究得出Ca-Sr的相關系數為0.6636,而K-Sr的正相關則不明顯。這一結論與本文結果較為吻合,但是否具有代表性還有待研究。
表2 永安酸性煤礦坑水中特徵組分及微量元素間的相關系數矩陣
五、結論
(1)煤礦AMD可產生於高硫煤或低硫煤層中,含氧水沿破碎帶入滲和地層中相對少量的碳酸鹽岩是產生煤礦AMD的重要條件。
(2)低pH、高礦化度和高硬度是煤礦AMD的水化學的典型特徵。水中的硫酸鹽是其礦化度的主要貢獻者;煤礦酸性水中的SO2-4含量與其電導率具有良好的對應關系;Eh隨Fe3+/Fe2+比值的增加而增加,Fe3+/Fe2+比值決定著煤礦酸性水的電勢。
(3)煤礦AMD中含有眾多重金屬及其他微量元素。其中Ni、Co、Zn、As等主要有害微量元素來源於黃鐵礦的氧化分解,而Pb、Sr等則來源於酸性水對地層中物質的溶濾作用。煤礦酸性水的酸度大大增加了環境中有害化學物質的出溶率和遷移性。
參 考 文 獻
[1] Nicholson R V,Gillham R W,Reardon E J. Pyrite oxidation in carbionate buffered solution: 1. Experimental Kineti- ca. Geochim Cosmochim Acta,1988,52: 1007 - 1085
[2] Holmstrom H,Salmon U J,Carlsson E et al. Geochemical investigations of sulfide-bearing tailings at Kristineberg,north- ern Sweden,a few years after remediation. The Science of the Total Environment,2001,( 273) : 111 - 133
[3] 文冬光,沈照理,鍾佐 . 水-岩互相作用的地球化學模擬理論及應用 . 中國地質大學出版社,1998
[4] 趙廣濤,李玉瑛,曹欽臣等 . 青島西北地區礦泉水的水化學特徵與形成機理 . 青島海洋大學學報,1998,28( 1) :135 - 141
The environment geochemistry information of the coal mine acid mining drainage
YUE Mei1,2,ZHAO Feng-hua1,REN De-yi1
( 1. Department of Resource & Earth Sciences,University of China Mining & Technology( Beijing) ;
Key Laboratory of Coal Resource,Ministry of Ecation,Beijing 100083,China;
2. Anhui University of Sciences & Technology,Huainan 232001,China)
Abstract: The chemical characteristic and its formation of the coal acid mining drainage are discussed in this paper based on the spot investigation,samples examination,applied the cor- relation analysis method,and combined w ith the geology and hydrogeology background informa- tion. Coal AMD formed in the specific substance and environment condition. And w hen the con- dition is meet,the AMD can be proced in both high or low sulfur in the coal. Low pH and high Eh,TDS,hardness are the important characteristic of coal AMD. There are good relation betw een SO2 -4and EC,Fe3 +/ Fe2 +radio and Eh. Some trace elements and harmful heavy metal such as Ni、Cu、Co、Zn in the AMD come from pyrit dissolution w hile some others like Pb、Sr are mainly come from the AMD eluviation to the coal and rocks.
Key words: coal AMD; chemical characteristic; trace elements; correlation analysis
( 本文由岳梅、趙峰華、任德貽合著,原載《煤田地質與勘探》,2004 年第 32 卷第 3 期)
⑵ 水的純凈度多少可以飲用
國家生活飲用水(自來水)標准規定的含鹽量是1000以下,換算成電導率約2000左右 國家瓶裝及桶裝純凈水規定的電導率是8以下。
自來水的好壞直接影響人們的身體健康,自來水與人們生活息息相關,自來水也是城鄉基礎建設的重要標准,由於全國各地的自來水廠和基礎設施存在差異性,各地自來水水質也有所差,教你怎樣判斷自家使用的自來水水質的好壞?消費者可以根據以下幾個方面來分辨:
一、水的渾濁度:由於自來水中含有膠體和懸浮狀態的微粒,使的原是無色無味的水產生渾濁的程度稱為濁度。渾濁度是一種光學效應,是光線透過液體時受到阻礙的程度,表示液體對於光線散射和吸收的能力。
二、水的色度:水的色度是對天然水或處理後的各種水進行顏色定量測定時的指標。產生顏色的原因是由於溶於水的腐殖質、有機物或無機物造成。工業廢水也可能使水體產生各種各樣的顏色。例如:粘土-黃色,鐵的氧化物-褐色,硫化物-淺藍色,藻類-綠色,腐敗的有機物-黑褐色。
三、水的臭味:水中的微生物、水生動物、植物的繁殖和腐爛而發出的臭味;水中有機物質的腐敗分解而散發的臭味;水的溶解性氣體如H2S、NH3、SO2;溶解性鹽類或泥土的氣味、排入水體的工業廢水所含如石油、酚類等臭味、消毒水過程加入氯氣的氣味。
四、水的硬度:水中有些金屬陽離子,同一些陰離子結合在一起,在水被加熱的過程中,由於蒸發濃縮,容易形成水垢,附著在受熱面上而影響熱傳導,我們把水中這些金屬離子的總濃度稱為水的硬度。由於其它的金屬離子在水中的濃度很低,故通常把水中的鈣、鎂離子的濃度看作是水的硬度。
五、水電導率(T.D.S):水的導電性即水的電阻的倒數,通常用它來表示水的純凈度。由於水中含有各種溶解性鹽類,並以離子的形態存在。當水中有電極存在時,這些離子就可以使水產生導電作用,故水的導電能力的強弱程度就稱為電導率。
六、水的酸鹼性:以水的氫離子濃度對數的負值表示水的酸鹼度,即水的PH值大小,小於7是鹼性,等於7是中性,大於7是酸性。可以通過感官直接來分辨自來水的水質可以通過水的色度、渾濁度、氣味等,水是無色透明的,無嗅無味。水質好壞的准確測量時需要專業的工具,陶氏凈水器提示:像TDS筆等來檢測水的含金屬值。如果水質比較渾濁,說明水含雜質較多,不能飲用;水有異味,除了本身的帶氯氣的氣味,有其他的味道也不能飲用。水煮沸後,如果容易結垢說明水質硬度很高,容易讓人產生結石等。
⑶ 熱電廠水處理節能減排措施
化學除鹽制水系統一般採用陽、陰離子進行除鹽,失效後用鹽酸液鹼進行再生。再生過程所產生廢酸液、廢鹼液一般是中和處理達到環保要求PH6-9這個范圍向外排放。
廢液呈酸性加鹼,呈鹼性加酸的中和方式。這樣即浪費優質資源,又增加工人勞動強度,即不經濟,又給周圍環境造成污染。
酸鹼廢液不採取合理利用,對環境造成污染,對企業增加費用開支。酸鹼廢液合理利用,能夠發揮其自身應有作用,減少優質資源消耗,減少水資源費、污染費開支。
酸鹼廢液合理利用使得企業排入周圍環境的污染物總量大大減少,有明顯的環境效益,同時酸鹼廢液合理利用的實施,符合國家提倡節約用水,廢水資源化的大方向,
能夠提升企業的社會形象,有很好的社會效益。
熱電廠除鹽制水系統於2002年6月投入運行,制水工藝陽床+脫碳+陰床,到2003年12月周期制水量由最初陽床500-600噸降至350-450噸。陰床350-400噸降至180-220噸,
陽床、陰床周期產水量明顯減少,再生極為頻繁,酸鹼耗量明顯增加,酸鹼廢水排量大增,經濟環保效益越來越差。為了切實解決上述問題,經過反復論證和大量試驗,
從2004年1月6日開始在1#陽床經行試驗性改進,然後又對1#陰床進行改進。陽、陰床經過無數次改進,直到2008年4月運行至今,才算取得很好的制除鹽水經濟環保效果。
某熱電廠水質分析報告,年補充除鹽水14萬噸:
項目 Ca2+ Mg2+ Fe+ Na+ K+ Ci- F- SO4^2- HCO2- NO3- 電導率us/cm
單位 117.0 14.41 0.0242 20.7 0.445 47.3 0.18 50.5 283.65 60 784(mg/L)
化學除鹽制水系統採用無頂壓逆流再生床(Φ1800、H5960)新改進工藝已安全、經濟、環保穩定運行,從2008年4月18日運行至今下面是改進前後數據對比
改前 784us/cm 一、改後 784us/cm 二、改後 784us/cm
水質指標
電導率us/cm <10 < 10 < 10
二氧化硅 ≤100 ≤100 ≤100
PH 7.5-9 7.5-9 7.5-9
消耗指標
鹽酸30%kg/t 3.68 1.54 0.4
氫氧化鈉30%kg/t 4.32 1.46 0.5
水耗 26% 3% 0.75%
周期制水量(t/h) 陽床 400 1400 5800
陰床 220 1200 5400
最大制水量 t/h 53 53 53
廢水排量(t/h) 陽床 350(次) 100(次) 25(次)
陰床 637(次) 117(次) 25(次)
制水成本 元/噸 4.5 1.2 0.8
再生一個床消耗除鹽水(噸)54-75 20-30 20-30
再生一個床排放廢水(噸) 54-75 20-30 20-30
經濟環保社會效益:
一、改後:
酸140000*(3.68-1.54)=299.6(噸)
鹼140000*(4.32-1.86)=344.4(噸)
少用除鹽水(350+637)*54-(100+117)*30
53298 - 6510 =46788
少用酸6788*2.14=100(噸) 少用鹼46788*2.46=115(噸)
總計少用酸399.36噸 鹼459.4噸
二、改後:
節約酸鹼: 酸 140000*(3.68-0.4)=459.2(噸)
鹼 140000*(4.32-0.5)=534.8(噸)
少排廢水: (350+637)*54-(25+25)*30=51798(噸)
少用再生除鹽水51798噸; 少用酸鹼:51798*3.28=169.9(噸)
51798*3.82=197.87(噸)
總計少用酸鹼: 酸:629.1(噸) 鹼:732.67(噸)
由於陽、陰床同時分流合理利用,基本上達到酸鹼廢液零排放。
QQ:562108650
⑷ 工業廢水治理中的指標都有哪些
工業廢水治理中常用的指標包括以下幾個方面:
污染物濃度:工業廢水中的各種污染物濃度是評估廢水質量的重要指標,常見的污染物包括懸浮固體、有機物、重金屬、氮、磷等。測量和監測這些污染物的濃度可以幫助評估廢水的處理效果和達到排放標準的程度。
pH值:pH值是衡量廢水酸鹼性的指標。工業廢水中的pH值可以對廢水的處理過程和環境影響產生重要影響。不同的廢水處理過程對pH值的要求不同,合適的pH值可以促進廢水處理過程的進行和處理效果的提高。
溶解氧(DO):溶解氧是指廢水中溶解在水中的氧氣分子的含量。溶解氧對於水體生態系統和廢水處理過程具有重要的影響。測量廢水中的溶解氧含量可以判斷廢水是否缺氧或富氧,從而評估廢水處理系統的運行狀態和效果。
生化需氧量(BOD)和化學需氧量(COD):BOD和COD是評估廢水中有機物含量的常用指標。BOD表示廢水中有機物通過生物氧化分解所需的氧氣量,COD表示廢水中有機物氧化所需的化學氧化劑量。這些指標可以反映廢水中有機污染物的含量和有機物的耗氧性。
總懸浮固體(TSS)和懸浮顆粒物:TSS表示廢水中懸浮的固體物質的總量,包括懸浮兄核顆粒、泥沙、懸浮微生物等。測量TSS可以了解廢水中固體物質的含量和處理效果。
總氮(TN)和總磷(TP):TN和TP是廢水中氮和磷元素的總量指標。氮和磷是水體中的重要營養物質,過量的氮和磷的排放可能導致水體富營養化,引發水質問題。測量和控制廢水中的氮磷含量可以預防水體富營養化的發生。
其他特定鋒清污染物:根據具體工業過程和廢水來源,還可能需要測量和控制特定的污染羨基掘物,如重金屬、揮發性有機物、氰化物等。這些污染物的濃度限制和排放標准通常由相關法規和環境標准規定。
這些指標的選擇和監測依賴於廢水的特性、處理目標和適用的法規要求。對於特定行業和地區的工業廢水治理,還可能有其他特定的指標和要求。因此,在工業廢水治理中,需要根據具體情況選擇適當的指標,並建立相應的監測和控制措施,以確保廢水處理的效果和達到環境要求。
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⑸ 水的電離程度
不同的弱電解質在水中電離的程度是不同的,一般用電離度和電離常數來表示。電離度——弱電解質在溶液里達電離平衡時,已電離的電解質分子數占原來總分子數(包括已電離的和未電離的)的百分數。即電離度表示弱酸、弱鹼在溶液中離解的程度。
自來水電導率= 0.5~5.0x10-2 S/m。
工業廢水電導率= 1 S/m。
一般自來水的電導率介於125~1250 μs/cm之間。
電導率是用來描述物質中電荷流動難易程度的參數。在公式中,電導率用希臘字母κ來表示。電導率σ的標准單位是西門子/米(簡寫做S/m),為電阻率ρ的倒數,即σ=1/ρ。
電導和電阻也有關系,如果R是一個組件和設備的電阻(單位歐姆Ω),電導為G(單位西門子S),則:G = 1/R。
電導率,物理學概念,也可以稱為導電率。
在介質中該量與電場強度E之積等於傳導電流密度J。
自來水是指通過自來水處理廠凈化、消毒後生產出來的符合相應標準的供人們生活、生產使用的水。生活用水主要通過水廠的取水泵站汲取江河湖泊及地下水,地表水,由自來水廠按照《國家生活飲用水相關衛生標准》,經過沉澱、消毒、過濾等工藝流程的處理,最後通過配水泵站輸送到各個用戶。