周 昊 郭姣姣 王宇翔 刁珊珊 何緒文

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

1 引言

煤礦區(qū)每年會產(chǎn)生大量的固體廢物，如生活污水站產(chǎn)生的脫水污泥、礦區(qū)電廠產(chǎn)生的粉煤灰和煤炭在開采和洗選過程中產(chǎn)生的煤矸石等。目前，國內(nèi)外除了將礦區(qū)的固體廢物用于建材、筑路、筑壩和工程回填外，對礦區(qū)固體廢物在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用也有很多研究。

有專家研究利用粉煤灰和煤矸石等廢棄物進行礦區(qū)外圍農(nóng)田土壤改良，可有效提高農(nóng)田土壤肥力和水土保持性能，并顯著提高農(nóng)作物成活率；還有專家將煤矸石運用在礦區(qū)土地復(fù)墾與土壤重構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)煤矸石可有效增加土壤有機碳儲量，可顯著提高植被出苗率及生物量；另有專家對脫水污泥進行理化分析，研究結(jié)果表明，污泥中有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀的含量分別可達到384 g/kg、27.1 g/kg、14.3 g/kg和7 g/kg，相比于中國傳統(tǒng)的農(nóng)家肥，污泥是一種典型的富含有機質(zhì)、高氮、高磷而低鉀的有機肥，具有潛在的農(nóng)用價值；還有研究將污泥施加到土壤中，使得土壤的容重降低了14.8%，水穩(wěn)定性團?？偤窟_到31.5%，土壤中有機質(zhì)、速效氮和磷的含量明顯增多，當污泥的施加量為56.25 t/hm2時，小麥增產(chǎn)達極顯著水平；還有專家將粉煤灰、煤矸石和淤泥用于改良鹽堿地，并在改良的土壤上種植檉柳，研究發(fā)現(xiàn)基質(zhì)中的粉煤灰可有效提高檉柳的發(fā)芽率、縮短枝條發(fā)芽時間和提高萌發(fā)枝條成活率。但是由于在土壤的改良過程中，存在多方面的判斷準則，單一的指標無法全面反映土壤的改良效果，因此需考慮采用數(shù)學(xué)模型的方法來解決此類復(fù)雜的決策問題。

針對上述存在的問題，本文將脫水污泥、粉煤灰和煤矸石等固體廢物用于改良礦區(qū)土壤，并在改良的土壤上種植白三葉。采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法來評價復(fù)合基質(zhì)中重金屬的污染程度，利用層次分析法來評價和篩選復(fù)合基質(zhì)配比方案，包括土壤中重金屬的濃度、土壤中營養(yǎng)成分的含量、土壤的pH值和植物的生長狀況等因素，旨在為礦區(qū)固體廢物的資源化利用提供一定的理論依據(jù)。

2 評價模型的建立

2.1 評價體系的構(gòu)建

利用層次分析法對復(fù)合基質(zhì)配比方案進行分析，將指標體系分為目標層、準則層和指標層這3個層次，其中目標層是指試驗配比方案選擇的總體目標，最佳復(fù)合基質(zhì)改良土壤配比方案的選取為指標體系的最高層次；準則層是指標體系的中間層次，根據(jù)實驗，選取復(fù)合基質(zhì)配比方案的4個影響因素，即重金屬含量、pH值、基質(zhì)營養(yǎng)成分和植物生長指標；指標層是指標體系的最基本層次，其中涵蓋復(fù)合基質(zhì)改良土壤配比方案選取的所有具體指標，通過這些指標對復(fù)合基質(zhì)改良土壤配比方案進行選取。具體的評價指標如圖1所示。

圖1 評價指標

2.2 指標權(quán)重的確定

指標權(quán)重的確定大致可分為3個步驟進行：

(1)構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣，通過元素之間兩兩相比，對比采用相對尺度，比較各準則層對目標的重要性。

尺度采用1～9尺度aij,取值1，2，…，9及其倒數(shù)1，1/2，…，1/9，便于定性到定量的轉(zhuǎn)化，相對尺度參考見表1。

表1 相對尺度參考表

根據(jù)上述步驟構(gòu)建判別矩陣用數(shù)學(xué)表達式表達見式(1)：

(1)

(2)一致性檢驗。計算一致性指標CI，判斷矩陣的最大特征值見式(2)：

(2)

式中：CI——一致性指標；

λ——代表矩陣的最大特征值；

n——代表矩陣的階數(shù)。

計算一致性比例CR見式(3)：

(3)

式中：CR——一致性比例；

RI——隨機一致性指標。

當CR<0.10時，所構(gòu)造的判斷矩陣通過一致性檢驗，否則應(yīng)對判斷矩陣進行修正。按照上述步驟對所構(gòu)造的判斷矩陣進行一致性檢驗。其中，U2、U3、U4、U21和U22為一致陣，不需要一致性檢驗；U的λ取4.1170，n取4，當n=4時，查表可知，RI=0.90，CI=0.039，CR=0.043<0.1，通過一致性檢驗。

(3)權(quán)重向量計算方法。將權(quán)重向量W右乘權(quán)重比矩陣A，有AW=λW。同上，λ為判斷矩陣的最大特征值，存在且唯一，W的分量均為正分量。最后，將求得的權(quán)重向量作歸一化處理即為所求。

U、U2、U3、U4、U21、U22等判斷矩陣對應(yīng)的權(quán)重向量分別為W、W2、W3、W4、W21和W22，即：

在上述計算的基礎(chǔ)上即可得出所構(gòu)建的復(fù)合基質(zhì)評價指標體系，復(fù)合基質(zhì)評價指標體系見表2。

表2 復(fù)合基質(zhì)評價指標體系

3 模擬試驗

3.1 試驗設(shè)計

試驗前將脫水污泥風(fēng)干，然后用粉碎機將煤矸石和脫水污泥粉碎至1 cm左右，供試基質(zhì)質(zhì)量配比方案見表3，其中G7為空白對照組，每組配比進行3次平行，每盆基質(zhì)總重量為2 kg；本次試驗選取的植物為白三葉，播種深度為1～1.5 cm，播種量為50粒/盆，澆水量約100 mL/盆，每2 d澆一次，種植時間為90 d。其中，供試基質(zhì)脫水污泥、煤矸石、粉煤灰及土壤的基本理化性質(zhì)，測定結(jié)果見表4。

3.2 重金屬風(fēng)險評價

復(fù)合基質(zhì)的樣品經(jīng)微波消解后，測定重金屬Cr、Cd和Pb等重金屬的濃度見表5。

復(fù)合基質(zhì)中重金屬污染程度的評價采用單因子污染指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法，當綜合污染指數(shù)≤0.7時，污染程度為清潔；當綜合污染指數(shù)為0.7～1.0時，污染程度為尚清潔；當綜合污染指數(shù)為1.0～2.0時，污染程度為輕度污染；當綜合污染指數(shù)為2.0～3.0時，污染程度為中度污染；當綜合污染指數(shù)>3.0時，污染程度為重污染。復(fù)合基質(zhì)的評價結(jié)果見表6。

表3 供試基質(zhì)質(zhì)量配比方案 %

表4 脫水污泥、煤矸石、粉煤灰及土壤的理化性質(zhì)

表5 復(fù)合基質(zhì)的重金屬濃度含量 mg/kg

表6 復(fù)合基質(zhì)的重金屬評價結(jié)果

3.3 指標的取值

分別對種植前后復(fù)合基質(zhì)的pH值，營養(yǎng)成分(有機質(zhì)TC、全氮TN、有效磷AP、速效鉀EK)和白三葉的生長狀況(發(fā)芽率、株高、根長、根冠比)進行測定，指標取值見表7，其中重金屬指標的取值為復(fù)合基質(zhì)重金屬評價的綜合污染指數(shù)。

表7 指標取值

3.4 評價指標的考核評分計算

復(fù)合基質(zhì)優(yōu)化方案評價指標的計算參考《煤炭行業(yè)清潔生產(chǎn)評價指標體系(試行)》。由于實驗已設(shè)置對照組G7，即基質(zhì)為只有土壤的條件下種植植物研究分析其基質(zhì)與植物的指標變化，該層次分析法中選用實驗對照組G7為標準值。根據(jù)表2所列評價體系指標，對各組復(fù)合基質(zhì)的指標考核總分進行計算，結(jié)果見表8。

表8 復(fù)合基質(zhì)配比方案指標得分及排序

注：在計算中為了避免某一因素過于突出導(dǎo)致影響到整體評價結(jié)果，其單項評價指數(shù)不應(yīng)超過1.2

從表8中可以看出，復(fù)合基質(zhì)配比方案的考核總分值依次為G4>G1>G5>G2>G6>G3，其中G4配比基質(zhì)的綜合評價指數(shù)最高，不僅有利于植物的生長，而且復(fù)合基質(zhì)中重金屬污染水平處于清潔狀態(tài)。

4 結(jié)論

采用內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對復(fù)合基質(zhì)中的重金屬污染程度進行評價，標準值采用《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》(GB15618-95)中的二級標準值，結(jié)果表明G4、G5、G6組的復(fù)合基質(zhì)中重金屬的污染程度處于清潔水平，G1、G2、G3組的復(fù)合基質(zhì)中重金屬的污染程度處于尚清潔水平。

通過層次分析法分析，復(fù)合基質(zhì)配比方案的考核總分值依次為G4>G1>G5>G2>G6>G3，其中G4即試驗組4(土壤∶污泥∶粉煤灰∶煤矸石=60%∶5%∶20%∶15%)是種植白三葉的最佳復(fù)合基質(zhì)配比方案。該方案下，白三葉的株高比對照組低23.80%，根長與對照組持平，鮮重根冠比是對照組的1.22倍，發(fā)芽率比對照組高8%。

本文為礦區(qū)土壤改良效果提供了通用的評價指標體系和可行的評價方法，同時，根據(jù)評價結(jié)果可以直接確立土壤的改良方案，為指導(dǎo)礦區(qū)附近土壤的改良以及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論依據(jù)。

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