梅 明, 李俊峰, 周 旋, 丁成程

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院,湖北武漢 430074)

0 引 言

我國(guó)煤炭資源豐富，隨著煤炭開(kāi)采行業(yè)的發(fā)展，煤矸石的產(chǎn)生量與日俱增.據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)煤矸石的產(chǎn)生量約為原煤總產(chǎn)量的15%～20%，已經(jīng)積存70億噸，占地面積約70 km2，而且排放量正以1.5億噸/年的速度增長(zhǎng).目前，我國(guó)煤矸石綜合利用水平較低，尚不到煤矸石排放量的15%，大部分未被利用的煤矸石采用溝谷傾倒式自然松散的堆放在礦井四周，不僅侵占大量土地，而且還會(huì)產(chǎn)生自燃或滑坡等地質(zhì)災(zāi)害.另外，由于露天堆放的矸石較松散，滲透系數(shù)大，產(chǎn)生的淋溶水對(duì)周圍水體及土壤環(huán)境可能產(chǎn)生極大污染[1-3].因此，解決煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的土壤環(huán)境影響已迫在眉睫.

目前，國(guó)外對(duì)煤炭行業(yè)開(kāi)采引起的環(huán)境問(wèn)題研究主要表現(xiàn)為采煤事故防范、煤炭開(kāi)采過(guò)程中 “三廢”的產(chǎn)生情況以及治理措施、煤炭開(kāi)采對(duì)土地資源的破壞[4-5].國(guó)內(nèi)對(duì)煤炭行業(yè)開(kāi)采引起的環(huán)境問(wèn)題的研究主要集中在煤炭開(kāi)采對(duì)周邊生態(tài)環(huán)境的影響，包括以下兩點(diǎn)：a.煤炭開(kāi)采導(dǎo)致土地資源破壞及生態(tài)環(huán)境惡化；b.煤炭開(kāi)采破壞地下水資源，引起地下水水位下降、惡化水系生態(tài)環(huán)境，使礦區(qū)干旱缺水局面更加嚴(yán)重，加劇供水緊張形勢(shì)[6-10].本論文通過(guò)測(cè)定煤炭開(kāi)采附近土壤中的重金屬，分析煤炭開(kāi)采對(duì)土壤環(huán)境的影響，論文的創(chuàng)新點(diǎn)在于針對(duì)煤炭開(kāi)采對(duì)土壤的環(huán)境影響，提出有效的污染防治措施.

廣西羅城偉隆煤業(yè)有限公司昌盛煤礦位于羅城縣四把鎮(zhèn)四把社區(qū)境內(nèi)，礦井走向長(zhǎng)0.96～1.42 km，傾斜寬0.75 km，面積0.876 km2，開(kāi)采深度+350 m～+200 m標(biāo)高.可采儲(chǔ)量為20.09萬(wàn)噸，開(kāi)采規(guī)模為6萬(wàn)噸/年，煤矸石臨時(shí)堆放場(chǎng)占地約800 m2，目前堆放在臨時(shí)堆放場(chǎng)的煤矸石總量約900 m3.本文選取該煤礦周圍土壤為研究對(duì)象，采用《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ//T166-2004)、火焰原子吸收分光光度法和可見(jiàn)分光光度法[11-14]，對(duì)土壤中銅、鋅、鉛、鎘、總鉻、砷等重金屬進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)值和羅城縣土壤背景值進(jìn)行比較，據(jù)此分析煤炭開(kāi)采對(duì)土壤的環(huán)境影響并提出有效的污染防治措施.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品的采集及預(yù)處理

1.1.1 樣品的采集 本實(shí)驗(yàn)的樣品取自廣西羅城偉隆煤業(yè)有限公司昌盛煤礦礦井周圍土壤，共布設(shè)四個(gè)采樣點(diǎn)，具體如下：1#位于昌盛煤礦礦井廢水在苗洛甫溪匯入口上游500 m處斷面小溪河床底泥；2#位于昌盛煤礦工業(yè)廣場(chǎng)南面100 m處甘蔗地；3#位于昌盛煤礦礦井廢水在苗洛甫溪匯入口下游500 m處斷面小溪河床底泥；4#位于昌盛煤礦工業(yè)廣場(chǎng)西面150 m處農(nóng)田.取樣點(diǎn)布置如圖1所示.

樣品的采集方法參照《土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T166-2004).

圖1 土壤取樣點(diǎn)示意圖

1.1.2 樣品的預(yù)處理 將采集的土壤樣品(一般不少于500 g)混勻后用四分法縮分至約100 g.縮分后的土樣經(jīng)風(fēng)干后，除去土壤樣品中石子和動(dòng)植物殘?bào)w等異物，用瑪瑙棒研壓，通過(guò)2 mm尼龍篩(除去2 mm以上的砂礫)，混合均勻.用瑪瑙研缽將通過(guò)2 mm尼龍篩的土樣研磨至全部通過(guò)孔徑為0.149 mm(100目)的尼龍篩，混合均勻后備用.

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

1.2.1 實(shí)驗(yàn)儀器 原子分光光度計(jì)；可見(jiàn)分光光度計(jì)；原子吸收分光型數(shù)控超聲波清洗器(KQ5200DBTAS-990，昆山市超聲儀器有限公司)；砷反應(yīng)發(fā)生器；翻轉(zhuǎn)式振蕩機(jī)；干燥箱；過(guò)濾裝置；電子分析天平；其它常規(guī)玻璃儀器.

1.2.2 實(shí)驗(yàn)藥品 鹽酸(AR)；硝酸(AR)；硫酸(AR)；氫氟酸(AR)；高氯酸(AR)；氯化銨溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%)；重鉻酸鉀(AR)；硝酸鑭La(NO3)3.6H2O；銅粉；鉛粉；鋅粉；鎘粉；磷酸氫二銨溶液(AR，質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)；砒霜(AR，北京化工廠)；二乙基二硫代氨基甲酸銀(AR)；醋酸鉛(AR)；氫氧化鈉(AR)；硫酸銅(AR)；碘化鉀(AR)；氯化亞錫(AR)；無(wú)砷鋅粒；吡啶(AR).

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制[11]

a.1 g/L標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液配制：準(zhǔn)確稱取1.000 0 g(精確至0.000 2 g)銅粉、鋅粉、鉛粉、鎘粉，分別溶解在20 mL(1+1)HNO3溶液中，待全部溶解后，移至1 000 mL的容量瓶中，用蒸餾水定容到標(biāo)線，搖勻.準(zhǔn)確稱取在105 ℃烘干2 h后的重鉻酸鉀2.828 9 g，用水溶解后全量移到1 000 mL容量瓶中，用蒸餾水定容到標(biāo)線，搖勻；準(zhǔn)確稱取0.132 0 g干燥至恒重的As2O3，溶于2 mLNaOH溶液(2 mol/L)中，待全部溶解后，加入10 mL(1+1)H2S04溶液，轉(zhuǎn)移到100 mL容量瓶中，用蒸餾水稀釋至標(biāo)線，搖勻.

b.標(biāo)準(zhǔn)混合溶液配制：分別移取銅標(biāo)準(zhǔn)貯備液10 mL，鋅標(biāo)準(zhǔn)貯備液5 mL，鉛標(biāo)準(zhǔn)貯備液25 mL，鎘標(biāo)準(zhǔn)貯備液1.25 mL，鉻標(biāo)準(zhǔn)貯備液25 mL至500 mL容量瓶中，用1%HNO3溶液稀釋到刻度，搖勻.此時(shí)，混合標(biāo)準(zhǔn)溶液中各重金屬的質(zhì)量濃度分別為，銅：20 mg/L；鋅：10.0 mg/L；鉛：50 mg/L；鎘：2.5 mg/L；鉻：50 mg/L.

c.標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定：分別移取0.00、2.50、5.00、7.50、10.00、15.00、20.00 mL的重金屬標(biāo)準(zhǔn)混合溶液至25 mL的容量瓶中，用1%HNO3溶液進(jìn)行定容，用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定溶液的吸光度.準(zhǔn)確移取0.00、2.50、5.00、7.50、10.00、15.00、20.00 mL的砷標(biāo)準(zhǔn)貯備液至砷化氫發(fā)生器的反應(yīng)瓶中，加入4 mL的KI溶液(150 g/L)、2 mL的氯化亞錫溶液(4 g/L)，混合均勻后放置15 min.向裝有乙酸鉛棉花的吸收管中加入5 mL二乙基二硫代氨基甲酸銀-吡啶吸收液(0.5%)，在砷發(fā)生器的反應(yīng)瓶中加入4 g無(wú)砷鋅粒，迅速將吸收管與砷反應(yīng)瓶連接.同時(shí)做空白，在室溫下維持反應(yīng)時(shí)間1 h，使砷化氫完全釋出.將砷發(fā)生器吸收管內(nèi)的溶液在510 nm處，用空白溶液將分光光度計(jì)調(diào)“0”后，用10 cm的比色皿測(cè)定溶液的吸光度.通過(guò)濃度和吸光度繪制各標(biāo)準(zhǔn)曲線.

1.3.2 樣品的測(cè)定 樣品的測(cè)定包括含水率及吸光度的測(cè)定，測(cè)定方法及參考標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1.

表1 樣品的測(cè)定

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 含水率測(cè)定

通過(guò)含水率的測(cè)定方法，測(cè)定四組樣品的含水率分別為7.1%、1.4%、5.7%、2.8%.

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

按照1.3.1的方法分別測(cè)得銅、鋅、鉛、鎘、總鉻、砷的標(biāo)準(zhǔn)曲線，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線通過(guò)線性回歸，得出標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程及r值，具體結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 標(biāo)準(zhǔn)曲線回歸方程及r值

2.3 土壤樣品測(cè)定結(jié)果

分別對(duì)四組土壤樣品消解試液做平行試驗(yàn)，采用火焰原子吸收分光光度計(jì)在各自確定的條件下，分別測(cè)定消解液樣品中銅、鋅、鉛、鎘、總鉻的含量，用可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定各消解液樣品中砷的含量，土壤樣品中各重金屬的含量W(mg/kg)按式(1)計(jì)算.

(1)

式(1)中：C為試液的吸光度減去空白的吸光度，然后在校準(zhǔn)曲線上查得的重金屬含量(mg/L)；V為試液定容的體積，mL；m為稱取試樣的質(zhì)量，g；f為試樣的水分含量，%.

各土壤樣品中重金屬測(cè)定結(jié)果如表3所示.

表3 土壤中重金屬含量測(cè)定結(jié)果

對(duì)昌盛煤礦的煤矸石進(jìn)行浸出毒性試驗(yàn)，浸出液試驗(yàn)結(jié)果詳見(jiàn)表4.

表4 煤矸石浸出液監(jiān)測(cè)結(jié)果

2.4 測(cè)定結(jié)果分析

2.4.1 土壤評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 土壤中重金屬執(zhí)行GB15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表5.

表5 土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

2.4.2 土壤評(píng)價(jià)方法

采用單因子污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，即：

Pi=Ci/Si.

式中：Pi為土壤中i項(xiàng)污染物的污染指數(shù)；Ci為土壤中i項(xiàng)污染物濃度實(shí)測(cè)值，mg/kg；Si為i項(xiàng)污染物濃度標(biāo)準(zhǔn)值，mg/kg.

2.4.3土壤評(píng)價(jià)結(jié)果

本文各監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、土壤環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)值和羅城縣土壤背景值數(shù)據(jù)見(jiàn)表6.

土壤評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表7.

表6 相關(guān)數(shù)據(jù)一覽表

表7 土壤樣品評(píng)價(jià)結(jié)果

由表7可知，各取樣點(diǎn)土壤pH、Cr、Cu、Pb的濃度均符合GB15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明土壤未受到pH、Cr、Cu、Pb的污染.1#、2#、3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤的Zn濃度超過(guò)GB15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其超標(biāo)倍數(shù)在0.02～0.18.各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壤的Cd和As濃度均超過(guò)GB15618-1995《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，Cd濃度的超標(biāo)倍數(shù)在0.57～2.5，As濃度的超標(biāo)倍數(shù)在0.12～0.76.

據(jù)調(diào)查，土壤取樣點(diǎn)周邊無(wú)冶煉廠等排放重金屬的污染源.導(dǎo)致土壤的As、Cd、Zn超標(biāo)的主要原因有兩點(diǎn)：一是羅城縣為廣西地區(qū)土壤中As、Cd、Zn含量比較高的地區(qū)，實(shí)驗(yàn)中的土壤樣品取于礦區(qū)范圍內(nèi)，土壤中As、Cd、Zn含量與羅城縣其他地方比相對(duì)較高；二是取樣點(diǎn)均靠近煤矸石臨時(shí)堆場(chǎng)，煤矸石堆場(chǎng)產(chǎn)生的淋溶水導(dǎo)致土壤中重金屬含量增加.

3 結(jié)論及建議

3.1 結(jié) 論

煤炭開(kāi)采過(guò)程中，產(chǎn)生大量的煤矸石，煤矸石露天堆放，在雨季，煤矸石堆場(chǎng)產(chǎn)生的淋溶水滲透到土壤中，導(dǎo)致土壤中砷、隔、鋅等重金屬含量增加，破壞了土壤的性質(zhì)，對(duì)土壤環(huán)境造成較大的污染.

3.2 建 議

針對(duì)煤炭開(kāi)采對(duì)土壤環(huán)境的污染，提出以下兩點(diǎn)防治措施：

a.硬化煤矸石臨時(shí)堆場(chǎng)的地表面，煤矸石及時(shí)外賣給磚廠制磚或者進(jìn)行合理的綜合利用，避免長(zhǎng)久堆放.

b.在煤矸石臨時(shí)堆場(chǎng)周圍設(shè)置環(huán)形截水溝，工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)設(shè)置排水溝渠，下游設(shè)置初期雨水收集池.煤矸石淋溶水和工業(yè)廣場(chǎng)內(nèi)的沖刷雨水經(jīng)排水溝渠引至初期雨水收集池內(nèi)，再經(jīng)過(guò)中和池、沉淀池處理后回用于廠區(qū)內(nèi)灑水降塵.

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