基于土柱淋滤实验的煤矸石饱和状态下溶质释放过程研究

基于土柱淋滤实验的煤矸石饱和状态下溶质释放过程研究张俊;张生;李畅游;韩璞璞;王爽;计亚丽
【摘要】针对煤矸石山在降水淋滤作用下对矿区周边地下水造成污染的严重问题,用实验模拟法对包头石拐区一废弃煤矿进行饱和状态下煤矸石的淋滤实验研究。

结果表明：煤矸石中 Ca、Mg、Fe、Cu、Zn、NO3−、SO42−、Cl−的淋滤过程都遵循浓度先升高再降低到稳定值的基本规律,只是NO3−、SO42−、Cl−的淋出速率明显大于重金属的淋出速率,Ca和Mg、SO42−和Cl−、Pb和Cr、Cd有相似的淋出机制；重金属最强淋出率从大到小的顺序是
Mg>Cd>Ca>Cu>Zn>Cr>Fe>Pb；Hg 和 As等含量甚微,均未检
出。

%10.3969/j.issn.1001-1986.2012.05.014
【期刊名称】《煤田地质与勘探》
【年(卷),期】2012(000)005
【总页数】4页(P56-59)
【关键词】饱和状态;煤矸石;淋滤;最强淋出率
【作者】张俊;张生;李畅游;韩璞璞;王爽;计亚丽
【作者单位】内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特 010018;内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院,内蒙古呼和浩特 010018
【正文语种】中文
【中图分类】X142
煤矸石是煤炭开采过程中所产生的固体废弃物，通常大量地堆积在采煤区的附近，在没有任何保护措施的情况下，受风化作用的影响，其中的部分有害物质就会通过溶解、挥发和淋滤等方式进入水体、土壤和大气环境，对周边区域造成一定的环境压力[1-4]。

国内外学者对于煤矸石淋滤方面的研究很多，但大部分都是研究煤矸石淋滤过程中重金属的释放规律，对于其中的一些关键性离子的释放规律以及煤矸石淋滤过程中污染物的形成机理研究不多[5-7]。

本文通过研究煤矸石在土柱淋滤实验中重金属
和一些相关离子的释放规律，来阐述煤矸石淋滤过程中污染物的形成机理，旨在为煤矸石山的生态恢复及周边水环境影响评价提供理论依据。

实验煤矸石样取自包头市石拐区一废弃煤矿中，是未受污染的具有代表性的未风化煤矸石。

将煤矸石样品粉碎、筛分，至粒径为0.5～1mm。

然后用蒸馏水清洗两次，去除粘附于煤矸石表面和煤矸石中的杂质，晾干后作为待测的煤矸石样品。

采用等离子直读光谱仪(IRISIterped Ⅱ)测定了煤矸石样品中各元素的含量(内蒙古矿产实验研究所完成)。

测试方法和依据根据DD2005-01《多目标区域地球化学
调查规范》。

测试结果见表1。

煤矸石的化学成分和矿物成分见表2和表3。

可以看出，煤矸石样品中重金属Fe的含量最高，Mn的含量次之，具体顺序为Fe>Mn>Zn>Pb>Cr>Cu>As>Hg>Cd。

用PVC管制成高60cm、内径15cm的淋滤管。

在淋滤管顶端侧面开一个溢流孔，底部中心开一个出流孔，并配备一个土柱实验的供液箱，实验装置如图1。

将煤矸石样品按照容重1.1g/cm3装入淋滤管中，然后在表面铺一层3cm厚的去脂棉，用以保证淋滤过程中淋滤液均匀下渗。

实验时，先加去离子水使装好煤矸石
的土柱饱和24h。

然后通过供液箱对土柱连续式加水淋滤。

整个过程必须使水流速度保持稳定。

每天取样两次，共取16d ，每次取水样时要快速、少量，保证土柱中溶质的运移尽量不受干扰。

同时，还要做一个浸泡实验。

将相同粒径的煤矸石样品放入锥形瓶中，加去离子水100mL，放置在摇床中震荡，按不同震荡时间取样。

两个实验的水样分别用原子吸收分光光度计和戴安离子色谱仪（ICS90）测定重金属Cu、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cd、Ca、Mg的浓度和离子、、Cl−的浓度[8-11]。

a.土柱中的煤矸石样品在连续淋滤下的主要污染成分有Cu、Fe、Mn、Zn、Pb、Cr、Cd 、Ca、Mg、、、Cl−等，淋滤液呈现弱碱性(pH=7.6～8.8)。

Hg和As 含量甚微，均未检出。

b.根据实验实测资料绘制污染物的淋滤曲线和pH的变化曲线，如图2(图中重金属Fe的含量是煤矸石中的总Fe含量)。

c.由图2可知，Pb、Cr、Cd的最大淋出浓度分别为1.3mg/L、0.023mg/L、
0.176mg/L，均超出地下水水质标准的Ⅴ类水质标准；Cu、Zn、Fe、的最大淋出浓度分别为0.042mg/L、0.071mg/L、1.23mg/L、10.5mg/L，分别达到地下水水质标准的Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅲ类水质标准；和Cl−的最大淋出浓度达到4937.98mg/L和1603.21mg/L，均远远超出地下水水质标准的Ⅴ类水质标准。

d.Ca、Mg、、、Cl−的淋滤过程都遵循一个基本规律：淋滤初期含量迅速升高并达到最高值，然后又迅速降低，最后趋于稳定值。

Ca、Mg在达到最高值和降到稳定值的时间基本一致，且它们的相关系数为0.82，这表明在煤矸石的淋滤过程中Ca、Mg的淋滤机制非常相似。

、、Cl−浓度升高与降低的速率比金属元素的速率要大，这是因为它们在土柱样品中都是以游离态形式存在，从煤矸石中向外的释放过程和在水中的迁移过程要简单、快速。

、Cl−的相关系数为0.79，同样具有相似的淋滤机制。

另外Pb、Cr、Cd的淋出也具有相似性，均是初期含量较高，
然后直接趋于稳定值。

e.Fe在淋滤前期含量就达到最高且持续时间较长，达8d之久。

主要原因是黄铁矿发生了化学风化。

黄铁矿属于硫化物矿物，其他矿物多属于硅酸盐矿物，而硫化物的抗风化能力远小于硅酸盐，故煤矸石样品中黄铁矿的风化程度最高。

并且由黄铁矿风化的化学表达式可知，Fe的释放量也是较多的，所以在淋滤前期Fe含量就达到最高值，并且持续较长的时间才开始降低[12]。

f.最强淋出率。

这是指从淋滤开始到淋滤稳定时淋出液中淋出物的绝对质量与煤矸石中背景值之比。

此淋滤实验一共持续了16d。

虽然各淋出物已经趋于稳定，但
是还没有达到淋滤的极限，随着时间的变化煤矸石还会持续不断的向外释放污染物。

由于目前的淋滤实验基本上是在淋出物趋于稳定后就停止，主要研究的还是从淋滤初期到稳定这一阶段。

基于这一点，在此提出最强淋出率的概念，用来反映煤矸石在淋出强度较高时(即淋出物淋出浓度趋于稳定值之前)某种淋出物的淋滤程度。

可用式(2)表示：
式中 R为某淋出物的最强淋出率；C为累积最强淋出浓度，mg/L，即在淋滤曲线中从淋滤开始到淋滤稳定时高出淋滤稳定线以上部分的面积所对应的污染物累积淋出浓度；V为两次取样间通过土柱的淋滤液体积，L；B为淋出物在煤矸石中的背
景值，mg/kg；M为土柱中煤矸石的总质量，kg。

其中，定义淋滤稳定线为淋滤稳定时到淋滤结束时的淋出物浓度的平均值。

表4为计算得出的各元素的最强淋出率。

由表4可以看出，最强淋出率从大到小的顺序是
Mg>Cd>Ca>Cu>Zn>Cr>Fe>Pb，这与金属活动性顺序有较大差别[13]。

主要
与煤矸石中这些元素的赋存状态及化学反应等综合因素有关。

研究区的煤矸石对水环境的污染首先会导致水的硬度升高，另外，对研究区水样化验以及当地居民反映饮用水中的水垢较多来看，实验得出的结果与实际真实情况一
致。

与背景值相比，Fe的最强淋出率是极小的。

原因主要有：Fe的金属活动性本身比较弱，在煤矸石中的形态相对比较稳定；在测定淋滤液的重金属含量时，首先将水样用0.45 μm的滤膜进行过滤处理，这可能将其中的颗粒态的一部分Fe滤出了，从而导致最强淋出率的偏低[14-15]。

影响最强淋出率的因素主要有：煤矸石的风化程度(因为样品选取的是野外未风化煤矸石，故此处所说的风化是指化学风化)，淋滤初期土柱中淋滤液的pH值以及温度等。

通过饱和状态下煤矸石土柱淋滤的实验研究，揭示出土柱中的煤矸石样品在连续淋滤下的主要污染成分及其淋滤规律，并找出了某些污染成分的淋滤过程的相似性，提出了最强淋出率的概念来反映重金属淋出程度的大小。

影响重金属最强淋出率的因素主要有煤矸石中重金属的背景含量、煤矸石的风化程度、淋滤液pH以及煤矸石中的矿物成分等。

饱和状态下的淋滤实验只是自然淋滤的一种临界状态，自然状态下是不可能实现的。

为了更加充分系统地研究煤矸石中污染物的释放机理，必须与非饱和状态下的淋滤试验相结合，而实验中煤矸石非饱和状态的模拟也是目前尚待解决的问题。

【相关文献】
[1] SHENG Zhang.Source term modelling of contaminant formation processes generated by coal mine waste in column tests[D].Banwart, S.A.：Univ.of Sheffield，2008.
[2] PETRUNIC B M，MACQUARRIE K T B.Reductive dissolution of Mn oxides in river-recharged aquifers: a laboratory column study[J].Journal of Hydrology，2005，301(1-4)：163−181.
[3] 余运波，汤鸣皋，钟佐，等.煤矸石堆放对水环境的影响[J].地学前缘，2001，8(1)：163−169.
[4] 惠润堂.煤矸石的环境影响及发生条件[J].煤矿环境保护，2001(15)：56−58.
[5] 肖丽萍，梁冰，陆海军.煤矸石中某些物淋溶释放特点的实验分析[J].安全与环境学报，2006，6(2)：19−22.
[6] 毕银丽，全文智.微生物对煤系固体废弃物资源化利用技术[M].北京：煤炭工业出版社，2007：
7−33.
[7] 朱虎跃，吴勇民，郝佳瑞.煤矸石对环境的影响及其总综合利用途径[J].矿业快报，2007(8)：
58−59.
[8] 张红梅.饱和-非饱和土中氟运移规律动态实验及数值模拟研究[D].南京：河海大学水利水电工程学院，2005：55−110.
[9] 白向玉，贾红霞.煤矸石中重金属在淋滤过程中的释放规律[J].环境科技，2009，22(2)：5−8.
[10] 梁冰，肖丽萍，陆海军，等.煤矸石在动态淋滤作用下污染物释放规律研究[J].水利水电科技进展，2006，26(4)：27−30.
[11] 郑继东，绍龙义，胡斌，等.鹤壁矿区煤矸石淋滤实验研究[J].环境污染治理技术与设备，2006，7(5)：36−38.
[12] 卢龙，王汝成，薛纪越，等.黄铁矿风化过程中元素的活性及对环境的影响[J].地质论评，
2001(47)：95−97.
[13] 党志，刘丛强.煤矸石中微量重金属元素化学活性的实验模拟研究[J].华南理工大学学报自然科
学版，2001，29(12)：1−5.
[14] 党志.煤矸石-水相互作用的溶解动力学及其环境地球化学效应研究[J].矿物岩石地球化学通报，1997，16(4)：259−261.
[15] 胡振华，王电龙，呼起跃，等.风化煤矸石入渗规律模拟[J].中国水土保持科学，2008，6(2)：55−59.。