我国是“富煤、贫油、少气”的国家，煤炭在我国能源结构中占有主体地位。我国煤炭资源和水资源呈“逆向分布”，如位于黄河流域的晋陕蒙宁甘地区，探明煤炭资源保有储量占全国的2/3，但水资源总量不到全国的1/25。据统计，每开采1t原煤，约产生2t矿井水，依此计算，2021年我国的原煤产量约为40.7亿t，产生的矿井水可达81.4亿t，但综合利用率仅为35%，浪费量接近每年工业和民用缺水量的50%。因此，充分保护和利用矿井水对我国矿区的可持续发展具有重要意义。2021年10月，国务院印发了《黄河流域生态保护与高质量发展规划纲要》，指出要“提高矿区矿井水资源化综合利用水平”。2024年2月，国家发展改革委联合八部委印发的《关于加强矿井水保护和利用的指导意见》中给出明确目标，“到2025年，全国矿井水利用量持续提高，利用率不断提升，其中黄河流域力争达到68%以上，矿井水保护利用政策体系和市场机制基本建立”。
矿井水不仅含有悬浮物、矿物质盐和重金属等常规污染物，还赋存着多种难以去除的有机污染物。高波在贾汪关闭煤矿矿区的地表水、矿井水和浅层地下水中均检测出二氯甲烷以及萘、菲、蒽等多环芳烃（PAHs）物质，其主要来源于井下机械设备用油。陈琳对徐州矿区矿井水进行有机污染物检测，发现矿井水中有机污染物以二环和三环PAHs为主，总质量浓度可达0.69~172.69μg/L。此外，矿井水中存在的部分有机污染物也属新污染物范畴。我国自“十四五”开始便十分重视对新污染物的管控，近些年又陆续出台了《新污染物治理行动方案》和《重点管控新污染物清单（2023版）》相关政策，可见加强对矿井水中有机污染物的治理和削减符合当前国家生态文明建设的重大发展战略。因此，为保障煤矿区域生态环境的可持续发展，亟需系统研究矿井水中有机污染物来源、迁移路径和管控技术，明确未来矿区的相关治理方向，做好研究布局，以填补矿井水领域有机污染物的研究空白。
笔者结合矿井水保护和利用、有机污染物治理及黄河流域水安全等实际需求，综述了矿井水中有机污染物的来源、迁移路径及管控技术的研究现状，并提出了未来矿井水中有机污染物的治理需求及可行技术路径，旨在为矿井水领域有机污染物的全方位治理和管控提供理论支持。
1、矿区有机污染物的潜在排放源及迁移路径
矿井水中有机污染物的产生主要受人为活动影响，煤矿区域存在着多处有机污染物的潜在排放源。如图1所示，矿区有机污染物的潜在排放源主要包括在产煤矿中的矸石山淋溶渗滤液、工作面机械设备用油泄漏、煤矿地下水库坝体堵漏材料和井下硐室水处理设施药剂泄漏等，以及废弃煤矿中残煤和矸石物质溶出和其他遗留有机物污染源等，其通过地下水层间的串层污染、升井处理和井下回用等途径形成“植被—土壤—岩层—矿井水”的循环迁移路径。
1.1 煤矿井下机械设备用润滑油和乳化液的泄漏及散点污染
煤炭机械设备通常指“三机一架”综合采掘设备，分别是掘进机、采煤机、刮板输送机和液压支架。在机械设备运行过程中，润滑油起到保护机械元件、减少设备磨损的作用；乳化液是液压支架传动的工作介质，也是井下必不可少的基础用油。煤矿井下对润滑油和乳化液的需求量巨大，据统计，开采1万t煤平均需要消耗1.12t润滑油和0.20~0.40t乳化液，以1万t煤消耗0.40t乳化液计算，如图2所示，2014—2023年间我国煤炭行业共消耗约437.88万t润滑油和156.38万t乳化液。润滑油和乳化液中含有表面活性剂、防锈剂、助溶剂、消泡剂和润滑剂等多种有机添加剂，其在调配，输送及设备调试、运行和清洗过程极易通过管路阀件等部位泄漏到矿井水中，成为矿井水中有机污染物的重要来源。郭奋超等对红柳林煤矿采煤工作面液压支架系统中的乳化液箱、反冲洗滤芯、先导过滤器和换向阀等部位进行污染物成分分析，检测出芥酸酰胺、硼酸三乙醇胺和邻苯二甲酸二辛酯等有机污染物，并指出矿井水中有机污染物主要来源于液压支架对乳化液的使用。此外，煤矿井下还存在着多处散点污染，如灭火设施使用的泡沫灭火剂、硐室中水处理设施使用的聚丙烯酰胺（PAM）絮凝剂及煤矿地下水库坝体堵漏时所使用的罗克休等也是井下有机污染物的主要来源。
1.2 矸石山煤矸石的淋溶释放
传统煤炭生产过程中产生的煤矸石占原煤产量的15%~25%，截至目前我国煤矸石的堆存量高达70亿t，规模较大的矸石山超过1600座，占地面积约为150km2。大量煤矸石长期堆放于地表，经过降雨冲淋浸泡后的煤矸石会溶出PAHs，通过地表径流和地下渗流过程进入矿区水环境中（地表水、地下水和矿井水）。王新伟等采用动态淋溶实验模拟煤矸石遭遇短期降雨的过程，在煤矸石淋溶出水中共检测出8种PAHs，总质量浓度为125.6~451.2ng/L，其中以萘、二氢苊、芴和菲4种PAHs为主；在酸雨条件下，煤矸石淋溶出的PAHs浓度呈现出指数增长趋势。罗化峰等以忻州窑矿煤矸石为研究对象，发现经雨水淋溶后，煤矸石释放出的14种PAHs会逐渐向深层土壤迁移，污染矿区周围土壤和地下水。
1.3 废弃煤矿关闭造成的残煤、矸石物质溶出及有机物遗留污染
在浅部煤炭资源逐渐枯竭、能源供给侧结构性改革和去产能等因素的共同影响下，迄今为止我国关闭的煤矿总数已超过3.2万座。废弃煤矿关闭后，地下水水位快速回弹浸润废弃工作面、巷道和矿坑，井下残煤和矸石会不断溶出PAHs，且井下存在着采煤设备和液压支架的残留油污，从而形成含有大量有机污染物的矿井水，这些矿井水可随着水文地质的剧烈变化在地下进行长时间迁移，并通过裂隙造成地下水层间的串层污染。高波采集了徐州、淮南、淄博、峰峰和兖州典型矿区矿井水，模拟煤矿关闭后矿井水中PAHs的浓度变化特征，发现机械用油中的PAHs会不断向矿井水中迁移，最大质量浓度可达20.83μg/L；以地表水质量标准进行评价，80%以上关闭煤矿矿井水中赋存的PAHs均表现出高生态风险。
上述污染物排放源导致井下矿井水中含有大量有机污染物，由于有机污染物具有较强的持久性，井下产生的矿井水经泵站抽提至井上进行常规处理后，其中赋存的大量有机污染物并不能被完全去除，处理后的矿井水通常用于矿区生态灌溉、井下生产和喷雾降尘，进而形成有机污染物在矿区“植被—土壤—岩层—矿井水”中的循环迁移路径。此外，灌溉水中存在的有机污染物可长期蓄积在土壤、地表水等生态环境及生物体内，对矿区的生态系统造成潜在危害。
2、传统控制技术
2.1 混凝沉淀技术
高悬浮物浓度是矿井水的主要水质特征之一，悬浮物中含有大量煤粉、岩粉和乳化液等物质，其质量浓度可达1000mg/L以上。研究表明混凝沉淀技术对有机污染物的去除具有较好的效果，如张嘉凝等的研究表明三氯化铁、聚合硫酸铁、硫酸铝和聚合氯化铝絮凝剂对四环素和磺胺甲基嘧啶均有一定的吸附效果，最大吸附量分别为10.09、5.63、3.27、6.56mg/g和6.15、5.06、4.50、4.17mg/g。李秋宇等发现混凝沉淀法对煤矿矿井水中溶解性有机物（DOM）的去除率可达97.78%。
电絮凝技术在传统混凝沉淀技术的基础上，通过外加电场作用增强其对水中悬浮物的絮凝能力，具有工艺简单、产泥量少等优点。在电絮凝体系中，絮凝和气浮是关键步骤。阳极溶解产生金属阳离子，其水解后形成的金属氢氧化物可作为絮凝剂，通过吸附、电中和与共沉淀作用去除水中污染物；同时阴极发生析氢反应，所产生气泡将悬浮在水中的污染物带至水面后去除。M.K.KIM等的研究表明，铁极板电絮凝体系可去除水中的全氟辛酸（PFOA），设定反应时间为6h，电流密度由2.4mA/cm2提高至80mA/cm2时，PFOA去除率由10%增加至100%。
2.2 吸附法
吸附法是通过向水环境中添加吸附剂来实现对有机污染物的去除。常用的吸附剂包括活性炭、生物炭、碳纳米管、羟基磷灰石和活性氧化铝等，这些吸附剂均具有较大的比表面积和孔隙度、较多的活性位点及较强的吸附能力，对水环境中的有机污染物具有显著的去除效果。金属有机骨架化合物（MOFs）是一种新型吸附剂，比表面积可达7000m2/g，其在水中的化学性质稳定、活性位点多，可去除多种有机污染物。此外，MOFs可多次循环利用，具有较好的污染物脱附能力。李士卿对MOFs材料进行循环再生实验，发现每次再生后MOFs的吸附容量会削减10%，但4次循环再生后其对甲苯的吸附容量仍可达到47.6mg/g。
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。王晓华研究了秸秆生物炭对雌二醇的吸附，发现吸附过程符合Freundlich吸附等温线，π-π键间的相互作用和静电作用是主要的吸附机制。李媛采用十二烷基二甲基苄基氯化铵对蒙脱石进行改性，探究改性产物对氨苄西林和阿莫西林的吸附作用，结果表明改性蒙脱石对二者均具有较好的吸附去除效果，主要机制是物质间的静电作用，且π-π键间的相互作用会增强改性蒙脱石的吸附能力。可见，吸附法可作为去除水环境中有机污染物的重要手段。但当吸附剂的吸附容量达到饱和后，其对有机物的去除能力会显著降低，且吸附剂的大量使用增加了水处理的成本，这是吸附法的主要缺点。因此，在实际工程应用中吸附法通常不会单独出现，而是与其他技术联合应用于对水中有机污染物的去除。
近些年有学者以煤矸石和粉煤灰等煤基固废为基底，通过额外添加化学药剂在一定条件下改变其物理结构和化学性质制备改性产物，经改性后的煤基固废对水中有机污染物的吸附能力被有效提升。常用煤基固废改性方法主要包括酸碱改性、有机改性、热活化改性、生物改性和复合改性等。张岩等以十六烷基三甲基溴化铵为改性剂，对热-碱活化后的煤矸石进行有机改性，发现改性后的煤矸石在60min内对苯酚的吸附去除率可达58%。李喜林等考察了煤矸石-铝盐改性粉煤灰对矿井水复合污染的净化效果，发现经过5d的动态吸附，其对矿井水中F-、Fe2+、Mn2+和COD的去除率均高于95%。煤基固废吸附材料不仅可以去除矿井水中的有机污染物，也可提高煤矸石的消纳量和利用率，实现“以废治废”，在矿井水治理领域具有广阔的应用前景。
2.3 高级氧化技术
高级氧化技术（AOPs）对水环境中污染物的氧化效率高、去除速率快，但需额外添加催化剂或借助紫外、超声等活化手段，通常被用于对废水的深度处理。AOPs对有机污染物具有较好的氧化去除效果，且中/酸性条件下（pH为3.0~7.0）氧化效果更好，主要自由基为·OH、SO4·-和O2·-及活性物质单线态氧（1O2）等。通常来讲，AOPs对有机污染物的去除率可达80%以上，如A.RUBIO-CLEMENTE等发现UV/H2O2体系在90min内对蒽和苯并芘的去除率均可达99%。
在矿井水处理过程中，水质会影响AOPs对污染物的去除效果。前序混凝沉淀工艺通常可将矿井水中的高浓度悬浮物去除，盐分成为影响AOPs处理效果的主要因素。刘春红等以两种含盐量不同的煤化工废水为处理对象，考察AOPs对低盐分和高盐分废水的处理效果，结果表明以·OH为核心的臭氧高级氧化技术对低盐分废水的处理效果更好，实验优选铝基和碳基催化剂；而以SO4·-为核心的AOPs则更有利于处理高盐分废水，碳基催化剂在该体系中发挥的作用更大，对有机物的去除率更高。可见，在选择合理、高效的高级氧化体系对矿井水中有机污染物进行去除时，需结合矿井水的水质特点及前序工艺进行综合考虑。此外，为强化AOPs对矿井水中有机污染物的去除效果并降低处理成本，可积极开展高效、低成本、可再生催化剂的研制。
2.4 膜分离技术
膜分离技术具有处理效果好、占地面积小等优点，常见的膜分离技术包括微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）和反渗透（RO）等。膜分离技术对污染物的截留效果与膜孔径大小相关。MF和UF膜孔径通常为微米级，对体积较大的细菌、病毒、悬浮颗粒、蛋白质和酶等物质具有较好的截留效果；NF膜的孔径较小，可截留抗生素、合成药、染料和多价盐等；RO膜则可去除多种污染物。
膜分离在水处理中常被用作深度处理技术，其运行成本高、膜污染严重，这是膜分离技术面临的主要问题。由于膜分离技术的局限性，在实际工程应用中，为减轻膜污染并达到更好的水处理效果，膜分离技术通常会与其他技术相结合。马宁等构建了多相催化臭氧氧化-纳滤组合工艺，该工艺对3种典型有机污染物（双酚A、萘和苯并芘）的去除率可达90%以上，高于单独NF技术；运行5h后，较之于NF单独运行，组合工艺的膜通量下降幅度显著减小。
膜分离技术在高矿化度矿井水处理中具有广泛应用。康耀以淮南矿区高矿化度矿井水为处理对象，分别研究RO膜和NF膜在不同条件下的处理效果，发现通过投加絮凝剂和混凝剂对矿井水进行预处理后，其悬浮物含量有所下降，但总溶解固体（TDS）有一定程度上升；RO膜对矿井水的脱盐率与进水盐浓度和操作压力有关，NF膜对Na2SO4的脱除率可达98%以上，而对NaCl的脱除率仅为22.86%。由于矿井水的前序混凝沉淀处理工艺中需添加大量絮凝剂，絮凝剂残留给后序膜分离技术带来较为严重的膜污染问题。郭中权等考察了PAM残留物对矿井水RO膜污染的贡献率，发现RO膜堵塞主要受矿井水硬度、PAM浓度和电导率影响，影响程度排序为电导率<硬度，并证实2%（质量分数）的柠檬酸可对RO膜进行有效化学清洗。然而，目前鲜有研究考察膜分离技术对矿井水中有机污染物的去除效果，以及有机污染物对膜污染的贡献和影响，未来亟需对此开展相关研究。
3、煤矿地下水库协同处理技术
3.1 煤矿地下水库
煤矿地下水库旨在充分利用井下采空区岩体对矿井水进行自然净化，既能有效去除矿井水中的悬浮物，又可避免矿井水的外排蒸发损失以及地面水处理厂建设、运行成本高等问题。其主要包括地下水库设计（水源预测、水库选址、库容设计）、地下水库建设（坝体构建、管网建设）和地下水库运行（水质保障、安全运行）3方面关键技术。水源预测是煤矿地下水库建设的前提，西部矿区开采初期第四系孔隙水渗流以及煤系地层分布着的大量基岩裂隙水是矿井水的主要来源。在掌握矿井水运移规律基础上，需进一步建立矿井涌水量预测模型，为地下水库库容设计和建设规划提供依据。此外，在对地下水库进行选址时，上层煤水库需满足位于煤层底板较低处、无导水构造和不良地质条件、煤层底板岩层渗透性低、矿井水补给稳定、便于水体调用等基本准则；下层煤水库还需额外掌握建库时覆岩应力场和裂隙场的变化规律，以此确定与上层煤水库之间的安全距离。
3.2 煤矿地下水库协同处理技术
近年来不少学者围绕地下水库人工坝体开展防渗和抗震研究，证实其可在井下长期安全稳定运行。目前神东矿区已累计建成35座地下水库，积累了丰富的工程实践经验。然而现有矿井水中有机污染物的处理技术仍多采用传统技术，缺乏大规模低成本的井下处理技术，因此建议推进煤矿地下水库耦合其他手段的协同处理技术研究，以整合地下水库和传统水处理技术的优势。该类协同处理技术有望成为矿井水处理领域专有技术。
3.2.1 煤矿地下水库协同吸附处理技术
煤矿地下水库中的垮落岩体包括矸石、钠长石、钾长石、高岭石、伊利石、萤石、绿泥石等天然矿物，主要成分为SiO2和Al2O3，其对矿井水中Ca2+、Mg2+、Cu2+、Pb2+等金属离子具有一定的吸附作用。蒋斌斌等以神东矿区大柳塔煤矿3座地下水库为研究对象，采集地下水库进出水进行水质检测，发现经地下水库处理后，矿井水中COD和总有机碳（TOC）的去除率分别为38.0%~61.0%和19.1%~46.4%。可见，由于水-岩耦合作用，地下水库对矿井水中的有机污染物也具有一定的吸附和去除效果，但天然矿物对有机物的吸附能力有限，亟需在地下水库协同吸附处理技术的基础上开发其他强化技术。
3.2.2 煤矿地下水库协同可渗透反应填料处理技术
煤矿地下水库协同可渗透反应填料处理技术设想在地下水库内部充填具有吸附性能的填料，将其布设为可渗透反应墙（PRB），针对不同污染物的处理场景和需求，更换PRB填料类型来实现对地下水库中矿井水的净化，可作为地下水库协同吸附处理技术的强化技术。近些年PRB被广泛应用于对地下水污染的原位处理，根据填料对污染物的去除机理可将PRB分为调节吸附型（活性炭等）、化学沉淀型（石灰石等）、氧化还原型（纳米零价铁等）和生物修复型（功能微生物等），这些填料对地下水中重金属、苯酚等污染物均有较好的去除效果。王凡提出了巷道式PRB的概念，并研究了其对有井式煤炭地下气化燃空区被污染地下水中苯酚的修复过程和机理，结果表明，PRB的排水流量、厚度和墙体吸附材料种类均会显著影响其净化修复效果。该研究为煤矿地下水库协同可渗透反应填料处理有机污染物提供了一定的理论依据和技术支撑。未来可着力研制高效去除矿井水有机污染物的特殊改性填料，强化地下水库对矿井水中有机污染物的去除能力。
3.2.3 煤矿地下水库协同微生物处理技术
现有研究发现，微生物可强化对水中有机污染物的去除效果。唐慧研究了吸附载体-活性污泥组合调控（AC-AS）和共基质代谢-优势菌群组合调控（CSM-PFE）两种微生物代谢调控方法对实际煤化工废水中烃类有机物的去除效果，结果表明ACAS组合技术对废水COD和TOC的去除率分别为78%和76%，CSM-PFE组合技术对废水COD和TOC的去除率可达80%以上，且均能有效去除废水中的烃类有机物；相比于未进行微生物调控的对照组，出水COD和TOC去除率提高了10.04%~22.11%。
煤矿地下水库内部存在着大量自然垮落岩石，可作为微生物的天然挂膜载体，为微生物提供良好的生长繁殖空间，且矿井水中赋存着多种有机物和盐分，可为微生物生长提供充足的碳源、氮源和无机盐等营养物质。基于此，提出煤矿地下水库协同微生物处理技术的构想，在地下水库基础上，引入外源微生物，依靠微生物作用加强地下水库对污染物的去除效果。该技术受地下水库中投加的微生物种类、纯度及所需营养物质等诸多因素影响。此外，矿井水中含有的悬浮物、重金属和有机污染物等同样可能影响微生物的正常生长。目前该方面的研究尚十分缺乏，未来可积极推进微生物调控对矿井水中有机污染物的强化处理研究，结合矿井水水质专注研制地下水库专用菌剂，开发矿井水领域有机污染物的大规模低成本处理技术。
4、结论与展望
1）矿井水中有机污染物具有隐蔽性和持久性，因此，有机污染物的来源解析及管控技术研究对提升矿井水利用率有重要意义。应制定矿井水中有机污染物的监测标准和全流程管控标准，建立煤炭开采领域有机污染源清单制度，全面掌握矿区有机污染物的赋存水平及分布特征，为矿区有机污染物的科学管控提供理论支撑。
2）传统技术应用于矿井水处理工程时，存在运行不稳定和处理效果不佳等问题。针对矿井水水质特征及有机物赋存情况，应积极开发更加适用的配套预处理技术、水处理药剂以及水处理工艺等，提高现有水处理工程运行效率。
3）未来应合理利用煤矿井下采空区，选取合适矿区建设示范工程试点项目，积极开展煤矿地下水库协同吸附、协同可渗透反应填料和协同微生物处理技术研究，开发出适用于矿井水水质的高效吸附填料和专用降解菌剂，强化地下水库对矿井水中特殊有机污染物的处理能力，在实践中不断完善工程技术参数，形成成熟工艺包向煤炭行业推广应用。（来源：北京低碳清洁能源研究院煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室，国家能源神东煤炭集团有限责任公司技术研究院）
