煤炭是我国主要的能源，在我国能源消费构成中占70%以上。然而在煤炭开采、洗选过程中会产生大量低pH、高硫酸盐及重金属离子浓度的酸性废水，该类废水若得不到有效处理，不仅对煤炭生产构成巨大的安全隐患，且势必将对本已脆弱不堪的矿区生态环境产生严重危害〔1〕。现阶段，由于我国粗放型生产模式的制约，煤矿酸性废水(acid mine drainage,AMD)多采用抽出-地面中和或人工湿地法处理，不仅成本高，而且底泥处置以及运行管理都较为困难〔2, 3〕。针对上述问题，近年来提出了一种经济效益高、环境友好的利用矿区采空区进行煤矿废水井下原位处理的新技术〔4〕。
麦饭石是一种对人体无毒无害，具有一定活性和良好吸附、溶出特性的非金属矿物，由于能够在水介环境中释放钙、铁、铜、锌、硒、锶等多种有益的常量及微量元素，在食品保健、生物化学、医疗美容等生活生产领域得到广泛应用。常新强〔5〕开展了利用MnO2改性麦饭石除钼的研究，研究表明，麦饭石对于含重金属离子的废水具有良好的处理效果。但将其作为吸附材料与廉价易得、反应快速的铁屑共同应用于AMD井下原位处理的研究鲜有报道。笔者在前期研究的基础上，选取一定比例的麦饭石与铁屑构建土柱装置模拟井下原位处理的可渗透性反应墙进行了AMD井下原位处理试验研究，探讨了2种材料复合应用处理AMD的可行性及效果，分析了系统渗流阻力变化规律，以期为AMD井下原位处理新技术的工程实践及麦饭石的新应用提供参考。
1 材料及方法
1.1 试验装置构建
采用2个内径55 mm、高450 mm的有机玻璃管作为土柱反应器(分别记为1#柱、2#柱),柱子上下两端各装填20 mm高、粒径为5～10 mm的砂砾保护层。1#柱在砂砾保护层之间由下往上依次装填高200 mm、粒径0.25～0.60 mm的麦饭石及高100 mm、粒径0.60～2.0 mm的铁屑，2#柱在砂砾保护层之间仅装填与1#柱等量的麦饭石。各柱的出水口均高出柱内填料上表面约30 mm,避免柱内形成短流。试验过程中用流量计控制水力负荷为0.1 m3/(m2·d).试验装置见图 1。
图 1 试验装置系统
1-水箱；2-蠕动泵；3-流量计；4-排气孔；5-出水口。
1.2 模拟试验水质
试验水样依据某煤矿矿井水水质配制。根据《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426-2006),该煤矿矿井水的特征污染物有Fe2+、Mn2+、SO42-、COD,pH较低，水质比较清澈，为高铁、高锰、高硫酸盐煤矿酸性废水。经检测试验水样中的Fe2+、Mn2+、SO42-、COD分别为20.9～46.6、7.9～13.5、153.3～264.2、200～276 mg/L,pH为5.36～6.08.
1.3 监测项目及方法
COD:重铬酸钾法;SO42-:铬酸钡分光光度法;Fe2+:邻菲啰啉分光光度法;Mn2+:高碘酸钾分光光度法;pH:玻璃电极法〔6〕。
2 结果与讨论
2.1 pH变化规律
孔隙体积数表示的是土柱累积出水量(m3)与土柱中填料孔隙总体积(m3)的比值，随着试验时间的增加，孔隙体积数不断增大。在保证一定出水水质的前提下，孔隙体积数越大，表明填料的处理容量越强。
试验过程中，各柱出水pH的变化如图 2所示。
图 2 各柱出水pH变化规律
由图 2可知，1#、2#柱对AMD均有较强的pH提升能力，1#柱出水pH平均为8.0,2#柱出水pH平均为7.0.麦饭石的化学组分中存在Al2O3,而Al是典型的两性元素，在酸、碱性条件下分别能以Al(OH)2+、H2AlO3-的形式存在，因此麦饭石具有良好的pH双向调节能力〔7〕。1#柱出水pH高于2#柱是因为铁屑不仅是一种高效强还原剂，能与AMD中的H+快速反应提升pH,而且在有溶解氧的条件下其发生的化学腐蚀作用也可进一步提升pH.
2.2 特征污染物去除效果分析
1#、2#柱对煤矿矿井水中Fe2+、Mn2+、SO42-、COD的去除效果如图 3所示。
图 3 1#、2#柱对不同污染物去除效果
由图 3(a)可知，1#柱对Fe2+的去除率达99.9%以上，2#柱对Fe2+的平均去除率为87.2%,均表现出良好的Fe2+去除能力。这是因为麦饭石具有以硅氧基〔SiO4〕4-为基础的四面体晶体结构，在其末端通过离子键结合着Mg2+、Na+、K+、Ca2+等离子，当麦饭石处于水介环境时可发生部分离子化，形成大量活性基团〔-SiO〕-捕获水中重金属离子〔8〕。另外，由于1#柱中较高的pH可促进Fe2+形成氢氧化物〔Fe(OH)2、Fe(OH)3等〕絮凝体〔9〕，其在麦饭石的吸附作用下被强化去除，这可能是1#柱去除Fe2+效果优于2#柱的主要原因。
由图 3(b)可知，1#、2#柱对Mn2+的平均去除率分别为64.5%、31.9%,1#柱出水Mn2+<4 mg/L,达到《煤炭工业污染物排放标准》(GB 20426-2006)的排放要求。麦饭石对重金属离子的去除机理实质为一价阳离子交换过程，Fe2+、Mn2+必须形成Fe(OH)+、Mn(OH)+的形式才能与麦饭石上的阳离子(Mg2+、Na+、K+、Ca2+等)进行交换，而Mn2+不易形成Mn(OH)+,且Fe2+、Mn2+共存时形成的竞争吸附影响，使麦饭石对Mn2+的去除效果不如Fe2+.1#柱去除Mn2+效果优于2#柱是因为1#柱内Fe(OH)2、Fe(OH)3絮凝体以及水解形成的Fe(OH)2+、Fe(OH)2+等络离子对Mn2+具有较强的絮凝沉淀作用〔10〕。
由图 3(c)可知，1#、2#柱对SO42-的去除效果存在显着差异，2#柱对SO42-的平均去除率只有9.1%,可见麦饭石对SO42-的去除能力极低。1#柱在试验初期对SO42-的去除率与2#柱相当，但经过约8个孔隙体积数的连续处理之后，SO42-去除率上升到60%左右，之后随着处理水量的增加，SO42-去除率呈上下波动。在试验过程中发现，1#柱内麦饭石表面变黑，柱底有黑色沉淀，打开排气孔能够闻到明显的臭鸡蛋气味，而2#柱未出现上述现象，据此推断，1#柱中可能滋生了以SO42-为电子受体的硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria,SRB)。这是因为铁屑的存在可使体系内形成较低的氧化还原电位〔11〕，同时与AMD反应的产物H2可以提供电子供体，这些都有利于1#柱内SRB的滋生。在SRB异化代谢作用下，SO42-被还原成硫化物沉淀而除去，可见铁屑的存在可以较好地弥补麦饭石对SO42-去除能力不佳的问题，麦饭石与铁屑复合用于井下原位处理AMD是可行有效的。
由图 3(d)可知，1#、2#柱对COD均有一定的去除效果，COD去除率平均分别为53.8%、46.0%,且去除效果随孔隙体积数的增加变化很小。AMD中的有机物主要来源于呈悬浮状态的含煤颗粒以及生产作业过程中混入的油污，而麦饭石是一种疏松多孔、具有海绵状结构和巨大比表面积的活性矿物，通过拦截吸附作用能够较好地去除AMD中悬浮有机颗粒。1#柱去除COD能力强于2#柱是因为铁屑可以产生内电解作用，该过程强化了1#柱对大分子、难降解有机物的氧化还原、吸附絮凝以及生物降解的作用〔12〕，这与安晓英等〔13〕发现前置铁屑固定床能够明显强化反应体系去除COD能力的结论一致。
试验运行过程中对各柱内的水位进行了观察，发现2#柱的渗流阻力增加值小于1#柱，说明铁屑的存在对系统渗透性有一定的影响。试验完成后在拆解装置过程中发现，1#柱中的铁屑只有小部分生成了铁泥，大部分仍呈良好的颗粒状，没有黏固结块，表明麦饭石与铁屑复合应用可以很好地克服传统铁屑单独使用时存在的利用率低、易板结堵塞的缺点，这对于井下处理材料使用的长效性具有重要意义。。
3 结论与建议
(1)麦饭石对AMD中的重金属离子及COD具有一定的去除能力，对Fe2+、Mn2+、COD的平均去除率分别为87.2%、31.9%、46.0%,出水pH为7.0;但对SO42-去除效果不佳，去除率仅为9.1%。
(2)麦饭石+铁屑对AMD中各污染物的去除效果均优于麦饭石，其对Fe2+、Mn2+、SO42-、COD的平均去除率分别为99.9%、64.5%、60.0%、53.8%,出水pH为8.0.麦饭石与铁屑复合应用能够取得较好的AMD井下原位处理效果。
(3)针对某一特征的AMD,应经试验研究确定麦饭石与铁屑的复合比例，同时也可培育优势菌种(如硫酸盐还原菌),通过微生物作用强化处理效果。
