摘"要：以吉林省某礦區(qū)煤矸石為研究對(duì)象，利用動(dòng)態(tài)淋溶實(shí)驗(yàn)，模擬降水情況，定量預(yù)測(cè)煤矸石中污染物在大氣降水淋溶作用下對(duì)環(huán)境污染的強(qiáng)度。結(jié)果表明：該礦區(qū)煤矸石在動(dòng)態(tài)淋濾作用下釋放的物質(zhì)為氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、鐵、鎘、鋅等，淋濾液pH值為7.39～8.64；高風(fēng)化度煤矸石相較新鮮煤矸石，溶解釋放的無(wú)機(jī)鹽類污染物含量較多；煤矸石中污染物釋放濃度隨降水量的變化規(guī)律呈對(duì)數(shù)關(guān)系，其曲線回歸方程可為定量預(yù)測(cè)煤矸石中污染物在大氣降水淋濾作用下對(duì)水土環(huán)境污染的強(qiáng)度提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：煤矸石；淋溶實(shí)驗(yàn)；污染物質(zhì)；釋放規(guī)律

Experimental study on dynamic leaching of coal gangue by imulating intermittent precipitation

WANG Jianwei， TONG Zhiqiang， GAO Bo， GU Majun， WANG Zhen， LIU Qiming

（Mudanjiang Natural Resources Survey Center， China Geological Survey， Mudanjiang 157021， Heilongjiang， China）

Abstract： Taking coal gangue from a mining area in Jilin Province as the research object， dynamic leaching experiments are made to simulate precipitation conditions and quantitatively predict the intensity of environmental pollution caused by pollutants in coal gangue under atmospheric precipitation leaching. The results show that the substances released from the coal gangue in the mining area under dynamic leaching are chloride， sulfate， nitrate， iron， cadmium， zinc， etc. The pH value of the leachate is 7.39～8.64; High weathering coal gangue has a higher content of inorganic salt pollutants released through dissolution compared to fresh coal gangue; The concentration of pollutants released from coal gangue shows a logarithmic regression with the variation of precipitation. This regression equation can provide reference for quantitatively predicting the intensity of soil and water pollution caused by pollutants in coal gangue under atmospheric precipitation leaching.

Keywords： gangue; leaching experiment; pollutant; release pattern

煤矸石是煤炭生產(chǎn)和加工中排放的黑灰色固體廢棄物，是我國(guó)排放量最大的工業(yè)廢渣（李啟輝，2023；檀麗娟等，2019；張明亮等，2007）。露天堆放的煤矸石在長(zhǎng)期風(fēng)化、淋濾、浸泡作用下，通過(guò)一系列物理化學(xué)變化，賦存在其中的有害重金屬微量元素將溶出并釋放到環(huán)境中，不僅會(huì)對(duì)周邊的土壤、地表水和地下水造成污染，而且還會(huì)通過(guò)食物鏈對(duì)人類健康造成極大危害（康得軍等，2023；白鐵兵等，2021；王旭東，2019；郝威鐸，2015；梁冰等，2016；王心義等，2006）。因此，研究在自然淋溶狀態(tài)下煤矸石中有害組分向環(huán)境釋放的規(guī)律是解決煤矸石淋溶污染問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

目前，有關(guān)利用淋溶試驗(yàn)（靜態(tài)淋溶或動(dòng)態(tài)淋溶）開(kāi)展對(duì)煤矸石有害元素釋放規(guī)律的研究成果較多（張敬凱等，2018；段磊等，2021；鄭繼東等，2006；孫東哲，2017；周亮亮，2022；鄭劉根等，2016；王念秦等，2017），但是由于地域、降水pH值、生產(chǎn)工藝等方面的差異，在不同的地區(qū)，煤矸石在淋溶試驗(yàn)中產(chǎn)生的有害元素有所不同，釋放規(guī)律也有差別，受礦區(qū)煤、巖層影響較大。本文以吉林省某煤礦新鮮矸石和高風(fēng)化度矸石為研究對(duì)象，通過(guò)模擬自然降水，對(duì)2種煤矸石分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)柱淋溶實(shí)驗(yàn)，研究不同風(fēng)化程度的煤矸石淋溶液的水質(zhì)差異以及煤矸石隨降水量而溶解釋放污染物的規(guī)律，建立降水量與煤矸石中污染組分的釋放關(guān)系的回歸方程，以期為礦區(qū)煤矸石的處理提供環(huán)境科學(xué)方面的依據(jù)。

1 "實(shí)驗(yàn)方法

1.1 "矸石樣品采集

本次實(shí)驗(yàn)共采集1#新鮮煤矸石和2#高風(fēng)化度煤矸石2種樣品，每種樣品重量均為2.5 kg。為保證1#樣品的新鮮，該樣品直接在礦區(qū)從礦井下剛升至地面的矸石運(yùn)輸車中采取；2#樣品采樣地點(diǎn)為礦區(qū)矸石場(chǎng)，該矸石場(chǎng)的矸石已露天堆放約20 a，高度風(fēng)化，本次采樣即在此矸石堆處的表層以下20 cm隨機(jī)采集。

矸石樣品采集完成后用聚乙烯樣品袋封裝送至實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干后，進(jìn)行粉碎處理，混合攪拌均勻后過(guò)網(wǎng)孔大小為0.25 mm（60目）的篩網(wǎng)備用。

1.2 "淋溶實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)采用柱式動(dòng)態(tài)淋濾（圖1）。淋濾柱是高為50 cm、直徑為13 cm的有機(jī)玻璃柱，上部敞口，下部有導(dǎo)水孔，可以將淋溶水導(dǎo)出。實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)步驟：

1）將有機(jī)玻璃柱底部鋪一層紗布，裝入20 cm厚的石英砂，上置紗布，再裝入1 kg的矸石樣品，搖勻、振實(shí)，將有機(jī)玻璃柱固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)。

2）用膠管連接玻璃柱下導(dǎo)水孔，用止水夾將膠管封住，向有機(jī)玻璃柱內(nèi)加入去離子水若干，潤(rùn)濕矸石，達(dá)到飽和為限。

3）根據(jù)礦區(qū)當(dāng)?shù)啬昶骄邓?，模擬大氣降水間歇式（降水強(qiáng)度50 mm·h^-1，每次時(shí)長(zhǎng)為10 h）向有機(jī)玻璃柱內(nèi)加入去離子水淋溶，打開(kāi)止水夾，將膠管導(dǎo)入1"000 mL的錐形瓶，收集淋溶水樣。2種煤矸石淋溶水樣均以500 mL降水量作為一個(gè)記錄單元，即每次降水量達(dá)500 mL時(shí)，采集相對(duì)應(yīng)的淋溶液樣品，共采集12"個(gè)淋溶液水質(zhì)樣品（表1）。

1.3 "淋溶水樣測(cè)試

將采集到的淋溶水質(zhì)樣品進(jìn)行過(guò)濾，分別測(cè)定水質(zhì)樣品中氯化物、硫酸鹽、總硬度、硝酸鹽、鐵、鎘、鉻、鉛、鋅、銅等10種組分的濃度以及pH值。所有水質(zhì)樣品測(cè)試工作均由黑龍江省地質(zhì)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心實(shí)驗(yàn)室完成。

2 "結(jié)果與分析

2.1 "淋溶液污染物濃度分析

淋溶水樣測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可看出：2種矸石樣在降水動(dòng)態(tài)淋溶作用下溶解釋放氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、鐵、鉻、鋅等物質(zhì)。淋溶液的pH值集中在7.39～8.64，均偏堿性?？傆捕?、硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物的濃度較大，且隨著淋溶作用的進(jìn)行均有較為顯著的變化。重金屬元素中的鐵、鉻、鋅雖然有檢出，但其濃度很低，且無(wú)明顯變化規(guī)律，銅僅在部分樣本中檢出且微量，鎘、鉛未檢出；根據(jù)GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》，淋溶液中鋅的濃度低于I"類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，因此可以判斷該礦區(qū)的煤矸石淋溶水對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生明顯影響的可能性較小。

2.2 "污染物釋放濃度與降水量關(guān)系分析

通過(guò)繪制污染物釋放濃度與降水量的關(guān)系曲線（圖"2、圖3）可知：

1）在淋溶作用的初期，2種煤矸石樣品的淋溶液中總硬度（圖2 a）、氯化物（圖2 b）、硫酸鹽（圖2 c）、硝酸鹽（圖2 d）濃度均最高，隨著降水量的增加，這幾種物質(zhì)組分的濃度開(kāi)始下降。在整個(gè)淋溶作用的過(guò)程中呈現(xiàn)出初期濃度下降的速度很快，后期逐漸穩(wěn)定的特點(diǎn)。這是由于在淋溶作用的初期，煤矸石表面吸附的大量無(wú)機(jī)鹽類先進(jìn)入淋溶水中，釋放較迅速；后期淋溶出的無(wú)機(jī)鹽類則開(kāi)始是礦物內(nèi)部釋放所致，此過(guò)程較慢，因此呈現(xiàn)出平緩的曲線變化。

2）2#煤矸石樣品淋溶液污染物質(zhì)的初始濃度均高于1#煤矸石淋溶液污染物質(zhì)的初始濃度（圖2、圖3），這是由于在長(zhǎng)期的風(fēng)化作用下，矸石內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，使礦物中的離子分解游離出來(lái)，由原來(lái)的化合態(tài)轉(zhuǎn)化為游離態(tài)，遷移能力增強(qiáng)，所以煤矸石的風(fēng)化程度越高，對(duì)周邊水土環(huán)境的影響就越大。

3）從整體變化趨勢(shì)上看，隨降水量增加，淋溶液中的總硬度（圖2 a）、氯化物（圖2 b）、硫酸鹽（圖2 c）、硝酸鹽（圖2 d）的濃度呈對(duì)數(shù)曲線降低。經(jīng)對(duì)數(shù)曲線擬合，得出污染物釋放濃度以及pH值與降水量變化的關(guān)系回歸方程（表3）。利用該回歸方程，可以得到污染物釋放濃度隨降水量的變化規(guī)律，從而定量預(yù)測(cè)煤矸石在降水淋溶作用下對(duì)土壤、地下水污染的強(qiáng)度。

3 "結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)吉林省某礦區(qū)內(nèi)新鮮和高風(fēng)化度煤矸石的淋濾實(shí)驗(yàn)研究分析，得出以下結(jié)論：

1）礦區(qū)內(nèi)煤矸石在動(dòng)態(tài)淋溶實(shí)驗(yàn)下釋放的物質(zhì)組分為氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、鐵、鎘、鋅等，淋濾液pH值為7.39～8.64，高風(fēng)化度煤矸石相較新鮮煤矸石，溶解釋放的無(wú)機(jī)鹽類污染物含量較多。

2）淋溶初期，煤矸石中的污染物釋放較快，隨降水量的增加，污染物溶出釋放的速率減慢，煤矸石中污染物的溶解釋放與其風(fēng)化程度有密切關(guān)系。

3）煤矸石中污染物釋放濃度隨降水量的變化規(guī)律呈對(duì)數(shù)關(guān)系，曲線方程為C = a ln（V）"+ b，此方程可為定量預(yù)測(cè)煤矸石中污染物在大氣降水淋濾作用下對(duì)水土環(huán)境污染的強(qiáng)度提供一定的參考。

參考文獻(xiàn)

白鐵兵，翟恩發(fā)，程愛(ài)民，焦永進(jìn)，常德喜，2021.唐家會(huì)礦區(qū)煤矸石中重金屬淋濾釋放特征研究［J］.廣東化工，48（21）：23-24.

段磊，孫亞喬，王曉冬，竇琳，2021.不同風(fēng)化程度煤矸石中重金屬釋放及潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)［J］.安全與環(huán)境學(xué)報(bào)，21（2）：874-881.

郝威鐸，2015.煤矸石堆放對(duì)土壤、水體和植物的環(huán)境影響：案例研究［D］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué).

康得軍，張芳，呂茳芏，龔亞萍，趙穎，脫向銀，2023.浸泡淋濾作用下煤矸石重金屬元素的釋放規(guī)律及特征研究［J］.環(huán)境科學(xué)研究，36（1）：54-62.

李啟輝，2023.煤矸石的性質(zhì)及綜合利用研究進(jìn)展［J］.應(yīng)用化工，52（5）：1 576-1 581.

梁冰，董擎，姜利國(guó)，2016.煤矸石酸性潛能靜態(tài)預(yù)測(cè)試驗(yàn)研究［J］.非金屬礦，39（1）：31-33.

孫東哲，2017.云南羅平某煤矸石場(chǎng)淋濾水中的Mn在石炭系石灰?guī)r中的運(yùn)移規(guī)律研究［D］.昆明理工大學(xué).

檀麗娟，馮松寶，程琛，郭朋朋，2019.淋濾作用下朱仙莊煤矸石中重金屬的遷移研究［J］.廣州化工，47（15）：131-133.

王念秦，賀磊，湯廉超，曹紅麗，卓聯(lián)昌，2017.陜北礦區(qū)煤矸石淋濾試驗(yàn)研究［J］.煤田地質(zhì)與勘探，45（1）：110-113.

王心義，楊建，郭慧霞，2006.礦區(qū)煤矸石堆放引起土壤重金屬污染研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)（6）：808-812.

王旭東，2019.淋濾作用下矸石浸出液對(duì)土壤包氣帶滲透性變化影響機(jī)理研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué).

張敬凱，王春紅，姚文博，駢煒，王金喜，2018.煤矸石在動(dòng)態(tài)淋溶條件下重金屬的溶出特性［J］.煤炭技術(shù)，37（12）：323-325.

張明亮，王海霞，2007.煤礦區(qū)矸石山周邊土壤重金屬污染特征與規(guī)律［J］.水土保持學(xué)報(bào)（4）：189-192.

鄭繼東，邵龍義，胡斌，鄧演生，2006.鶴壁礦區(qū)煤矸石淋濾實(shí)驗(yàn)研究［J］.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備（5）：35-38.

鄭劉根，丁帥帥，劉叢叢，姜春露，陳永春，2016.不同類型煤矸石中環(huán)境敏感性微量元素淋濾特性［J］.中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），47（2）：703-710.

周亮亮，2022.淋濾作用下堿性煤矸石重金屬污染物遷移規(guī)律研究［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué).