矿井水中有机污染物管控技术的研究进展与展望

矿井水中有机污染物管控技术的研究进展与展望

我国是“富煤、贫油、少气”的国家，煤炭将长期在我国能源结构中占据主体地位。煤炭开采过程中会产生大量矿井水，矿井水浪费问题仍十分严峻。矿井水是矿区生产和居民生活饮用的重要来源，其中含有悬浮物、盐分、重金属和硫酸盐等常规污染物，还赋存着多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）、苯类和酯类等有机污染物，威胁着矿区的生态环境和居民的身体健康。研究表明，矿井水中的有机污染物具有致癌、致畸、致突变的“三致”效应，主要来源于井下大型综采机械设备用润滑油和乳化液泄漏、煤层中有机化合物释放、原煤和矸石物质溶出等。

基于国家重大发展战略并结合煤矿实际，厘清矿井水中有机污染物的研究现状具有重要意义，有助于推进矿井水的资源化利用。本文中详细综述了矿井水中有机污染物的赋存水平，总结了矿井水中有机污染物的常见管控技术，展望了矿井水中有机污染物的未来治理方向，为矿区有机污染物的削减和治理提供了思路参考。

一、矿井水中有机污染物的赋存水平

不少研究证实矿井水中赋存着多种有机污染物。目前矿井水中有机污染物的相关研究主要集中于江苏徐州矿区和安徽淮南矿区，有机污染物种类大多为挥发性有机物（volatile organic compounds，VOCs）和半挥发性有机物（semi-volatile organic compounds，SVOCs），包括PAHs、低碳卤代脂肪烃类、取代苯类和酯类等。此外，矿井水作为矿区生产和居民生活饮用的重要水源，其中含有的部分有机污染物属于我国严格管控的新污染物（emerging contaminants，ECs）范畴，具有较强的持久性和生物毒性，对矿区生态和居民的身体健康存在着潜在威胁。目前鲜有研究关注矿井水中有机污染物的赋存水平和暴露风险评价，未来亟需开展相关研究，为相关政策和标准的制定提供数据支撑。

二、矿井水中有机污染物的管控技术

1. 吸附法 

吸附法的核心是向水中投加具有较强吸附能力的吸附剂来实现对有机污染物的去除，如活性炭、生物炭、碳纳米管、羟基磷灰石和活性氧化铝等。尽管吸附法可有效去除水中的有机污染物，但吸附剂的吸附容量有限，在实际水处理工艺中需不断向水中投加吸附剂，从而增加了吸附法的水处理成本。为解决这一问题，吸附法通常会与其他技术联合形成耦合技术来强化吸附剂对有机污染物的去除能力。

吸附法对有机污染物的去除机理通常涉及物质间的多种相互作用。以生物炭为例，吸附剂主要通过π-π键间的相互作用、氢键作用、静电作用、疏水作用和孔隙填充等来实现对水中有机污染物的去除。梅家龙以剩余污泥为生物质原料，通过热解法制备铁基污泥生物炭，发现其对硝基苯、2,4-二氯苯酚的吸附容量可达9.37、8.46 mg/g，氢键和π-π键间的相互作用在吸附过程中起到重要作用。

在探究吸附剂对水中有机污染物的吸附机制时，常用吸附动力学模型和吸附热力学模型对吸附数据进行拟合。吸附动力学模型可表征吸附质向吸附剂运动的快慢，反映动力学传质机理，其中准一级吸附动力学和准二级吸附动力学最为常见。准一级吸附动力学可模拟以分子间范德华力和扩散作用为主的物理吸附；准二级吸附动力学模型主要受吸附剂和吸附质间化学性质影响，可模拟化学吸附过程。

吸附热力学模型可用于解释吸附剂对有机污染物的吸附机制，常见的吸附热力学模型主要包括Henry模型、Freundlich模型和Langumuir模型。其中，Henry模型是线性模型，涉及范德华力、静电力和疏水作用等吸附机制；Freundlich模型假设吸附剂内的不同活性位点可对有机物进行多层吸附；Langumuir模型用于模拟吸附剂和有机物间的单层化学吸附过程。

2.高级氧化技术 

高级氧化技术（advanced oxidation processes，AOPs）的核心是产生羟基自由基（?OH）、超氧自由基（?O₂^-）和硫酸根自由基（SO₄^-?）等强氧化基团，可进一步将水中的有机污染物氧化为CO₂和H₂O等小分子物质。根据外加手段的不同，可将AOPs分为Fenton氧化、臭氧氧化、超声氧化、湿式氧化、超临界水氧化和光催化等。

 

Fenton氧化是最常见的高级氧化技术，传统Fenton氧化在实际水处理应用中受到诸多限制，所需药剂投加量大、成本高、pH适用范围小。近些年不少学者开发了类Fenton氧化技术对传统Fenton氧化进行改进，包括电Fenton氧化、声Fenton氧化和光Fenton氧化等，其中电Fenton氧化技术具有高效、环保的特点，解决了传统Fenton氧化技术中的诸多问题。

研究发现，高级氧化技术对水中有机污染物去除起到关键作用的是?OH、SO₄^-?、?O₂^-和单线氧（¹O₂）等氧化基团，且中酸性条件下（pH=3.0~7.0）体系对有机污染物的氧化效果更好。此外，高级氧化技术也广泛应用于矿井水中有机污染物的去除。

3.膜分离技术 

膜分离技术主要包括微滤（microfiltration，MF）、超滤（ultrafiltration，UF）、纳滤（nanofiltration，NF）、反渗透（reverse osmosis，RO）、正渗透（forward osmosis，FO）和电渗析（electrodialysis，ED）等。膜分离技术处理效果好、占地面积小、操作简单，主要缺点为运行成本高、膜污染严重。金海洋等将FO膜进行AgCl表面改性，发现改性后的FO膜可有效去除水中全氟类化合物，对全氟辛酸和全氟辛烷磺酸的去除率分别为96.2%和95.7%。目前，在矿井水处理领域，膜分离技术主要用于高矿化度矿井水的脱盐处理，十分缺乏对矿井水中有机污染物的去除研究，未来亟需开展矿井水专用膜的开发和研制，强化膜分离技术对矿井水中有机污染物的去除能力。

近些年来，高级氧化耦合膜分离技术受到国内外学者的广泛关注，具有强化去除有机污染物和缓解膜污染的能力。根据膜表面负载物质和催化氧化手段，可将高级氧化耦合膜分为光催化膜、Fenton氧化膜、臭氧催化膜、电催化膜和过硫酸盐活化膜等，其中光催化耦合膜分离技术催化效率高、无二次污染，是高级氧化耦合膜技术中的研究热点。

4.电絮凝技术 

电絮凝技术是在外加电场的影响下，阳极溶解产生金属阳离子，水解后形成金属氢氧化物作为絮凝剂，通过吸附电中和与共沉淀作用将水中的有机污染物包裹；阴极同时发生析氢反应产生氢气，将悬浮在水中的絮体推移至水面，从而实现对水中有机污染物的去除。在电絮凝体系中，电极排布设计和极板距离是影响最终处理效果的关键因素。此外，溶液pH、电导率、反应时间和温度等因素也会影响电絮凝技术的处理效果。因此，在实际工程中，应综合考虑水处理效果和能耗，设计合理的电絮凝反应器和反应条件。

近些年一些学者将电絮凝技术用于水中有机污染物的去除。谭昭发现电絮凝技术对润滑油再生废水中油和COD的去除率分别为60.06%和18.48%，去除机制主要包括电荷中和、网捕卷扫、吸附架桥和气浮等。在矿井水处理工艺中，电絮凝技术常被用于去除铁锰等金属离子，十分缺乏对矿井水中有机污染物的去除研究，未来应广泛开展电絮凝体系在矿井水领域的应用，并开发耦合技术强化对有机污染物的去除效果。

3.展望与建议

目前十分缺乏矿井水中有机污染物的赋存水平和管控技术研究，未来可从以下4个方面开展相关研究，以填补该领域的研究空白。

（1）对我国典型煤矿矿区矿井水进行调研采样，建立矿井水中有机污染物的标准检测方法，广泛开展矿井水中有机污染物赋存水平的检测工作，构建矿井水领域有机污染物的物质库和污染地图。

（2）基于矿井水中有机污染物的赋存水平，构建矿区生态暴露风险和人体健康暴露风险模型，对矿井水中的优先有机污染物进行评估研究，并积极开展矿井水中优先有机污染物的生物毒理学研究。

（3）针对有机污染物的持久性、难降解性和生物累积性，考察不同管控技术对矿井水中有机污染物的去除效果，开发多技术耦合强化工艺，提高对有机污染物的去除率，深入研究有机污染物的去除机制；积极开展矿井水中有机污染物去除技术的中试放大试验，完善相关工程参数。

 

（4）基于现有地表水和地下水质量评价标准，结合矿井水中有机污染物的风险评价和毒理学研究结果，将优先有机污染物纳入矿井水水质指标，建立矿井水领域有机污染物的水质标准体系。

4.结  论

本文中详细综述了矿井水领域有机污染物赋存水平和管控技术的研究现状，并展望了未来的可能研究方向。目前，矿井水中有机污染物的赋存水平研究主要集中于江苏徐州矿区和安徽淮南矿区，检测出的有机污染物类别主要为多环芳烃、低碳卤代脂肪烃类、取代苯类和酯类等VOCs和SVOCs，其他矿区矿井水中有机污染物的赋存水平不清。吸附法、高级氧化技术、膜分离技术和电絮凝技术是水处理中的常用技术，可有效去除水中的有机污染物，但矿井水领域的相关研究仍十分缺乏。未来亟需加强矿井水领域有机污染物的管控技术研究，并开发出适用于矿井水水质的耦合工艺。