有机氮和“三氮”在西部煤矿区地下水库迁移转化的实验研究

张庆^1,2,3，罗绍河^1,2,3，赵丽^1,2,3，王世东⁴，田云飞¹，张垒¹，孟嘉馨¹，张智吉¹

1. 河南理工大学资源环境学院2. 中原经济区煤层(页岩)气河南省协同创新中心3. 矿山地质灾害成灾机理与防控重点实验室4. 中煤科工集团西安研究院有限公司

摘 要：基于浅埋深、薄基岩、厚煤层的赋存条件,在我国西部煤矿区往往排出富含有机氮和无机氮（硝酸盐氮、亚硝酸盐氮或氨氮）的矿井水,如果不经过处理就直接排放,会给生态环境带来严重危害。作为实现保水采煤、生态保护的措施之一,地下水库技术已在我国多个西部生态脆弱煤矿区得到了实施,然而有关水质保障及安全运行的研究报道甚少。研究通过矸石柱模拟补连塔矿地下水库的水文地质环境,结合水中TN、"三氮"等理化指标的测试,开展了矿井水中有机氮和"三氮"的迁移转化规律研究。研究结果表明:渗流流量均值0.51 mL/min、1 016 h（12.54个孔隙体积数PV）内,在模拟的水-岩间的缺氧环境中,同时存在有机氮的矿化作用、亚硝酸盐及硝酸盐的反硝化作用。在实验初期的1.19～2.47 PV,有机氮浓度快速下降,而氨氮浓度快速上升,这说明试验初期有机氮的氨化作用较强。之后有机氮的矿化作用逐渐减弱,导致水中氨氮含量逐渐减小并趋于稳定。在矿井水C/N为2.32～3.08的条件下,较强的还原作用导致亚硝酸盐的去除率在99.9%以上、硝酸盐的去除效率在74%～90%。矿井水TN的去除效率在57%～71%,由于淋滤用液硝酸盐含量较低,因此TN的去除主要与亚硝酸盐的减少有关。有机物降解过程低分子量有机酸的生成使得水中H⁺含量升高、淋出液pH值始终低于淋滤用液。研究结果可为地下水库技术的有效实施提供水质保障和安全运行方面的借鉴。

关键词：保水采煤;西部煤矿区;地下水库;矿井水;有机氮;无机氮;煤矸石;