煤炭地下气化对地下水的有机污染及修复机理研究

煤炭地下气化可以减少燃煤对大气环境的污染和煤炭开采造成的地表沉陷，被称之为绿色开采技术。但它将灰渣、未完全气化的半焦、焦碳及有害重金属等留存地下，部分气体产物也将存留在岩石孔隙、裂隙之中，从而对地下水可能造成有机及无机污染。本项目综合考虑煤质、煤炭地下气化高温及围岩和地下水条件，采用自行研制的煤炭地下气化实验系统、地下气化对地下水污染净化修复实验系统、气-质连用、红外光谱、原子吸收法、扫描电镜等仪器设备研究煤炭地下气化残留物及气化产物中有机污染物及其在水中的溶解、转化、迁移与存在形式，以及对地下水污染的净化与修复机理，其成果将为解决煤炭地下气化对地下水的污染、实现煤炭资源的真正绿色开采和地下气化技术的推广应用，保护地下水资源具有十分重要的理论意义和指导作用，应用前景显著。

以煤炭地下气化为背景，自行设计研制了“煤炭地下气化模拟实验系统”和“煤炭地下气化污染水净化修复实验系统”，进行了褐煤、烟煤和无烟煤气化实验及污染物净化脱除实验。运用SEM、FIRT、GC-MS、XRD、低温液氮吸附仪、以及细菌培养与16S rDNA基因测序等手段，研究了煤和气化残焦中污染物在不同温压地下水中的浸出规律，煤种、气化温度及气化剂对煤气洗涤水中污染物组分及含量的影响，高温下煤岩组构变化及其对地下水中污染物迁移和吸附的影响，煤岩、半焦、活性炭、还原铁粉等对不同温压条件下对煤气洗涤水、冷凝水和焦化废水等中污染物的脱除效果，以及煤气洗涤水中有机污染物的微生物降解效果等。研究结果表明，煤中微量元素在气化过程中可能随煤气排出，或在半焦和残渣中富集，遇水则在水中溶解/溶出，气化残焦中污染物可能在地下水中溶出。褐煤煤气洗涤水中主要有机污染物是酚类，烟煤和无烟煤主要是脂肪烃和杂环化合物；气化温度越高，煤气洗涤水中挥发酚和TOC浓度越大；水蒸气气化对地下水有机污染风险大于CO2气化；煤气中As等可能造成地下水重金属污染。地下水温度升高原煤及半焦浸泡液中TOC、氨氮和某些重金属含量增大；地下水压力增大烟煤和无烟煤及半焦浸泡液中TOC、氨氮和某些重金属含量降低。高温使页岩孔径增大有利于污染物的迁移，但比表面积减小不利于对污染物的吸附；高温使砂岩和石灰岩比表面积减小，不利于污染物的吸附。褐煤半焦和无烟煤半焦比表面积大，孔结构合理，对煤气洗涤水和冷凝水中TOC和氨氮的脱除率达81%以上；烟煤半焦比表面积较小，不利于对污染物的脱除。微生物对煤气洗涤水中酚类物质的降解率可达86.68%。有机膨润土对煤气洗涤水中TOC和氨氮的脱除率分别可达90%和80%以上，膨胀石墨可达70%和40%以上，生物质基活性炭分别可达88.33%和80.71%，同时对Cr等的脱除率可达99%以上。地下水温度和压力对煤、岩及半焦脱除焦化废水中TOC和氨氮具有不确定性，在一定温度及常压条件下，褐煤、烟煤和无烟煤半焦对焦化废水中TOC的脱除率分别可达82%、67.8%和76.9%；常温常压下淋滤，褐煤半焦及无烟煤半焦对TOC的脱除率90%左右，页岩可达85%，还原铁粉不超过20%，但还原铁粉对某些重金属的脱除率可达80%以上；加压淋滤时，压力对无烟煤脱除焦化废水中TOC、氨氮和某些重金属具有一定的促进作用。