用黃土治理煤矸石對地下水污染的實驗研究

研究背景

內蒙古自治區已探明煤炭儲量位居全國第一，僅2009年煤炭產量就達到5.37億噸。煤炭開采時要產生大量的煤矸石。目前，除少量煤矸石用于矸石電廠發電，部分當作化工原料使用外，大部分采取露天堆放、填埋處理或鋪路。大量的煤矸石排放引發了一系列的生態環境問題，其中煤矸石淋濾液對地下水的污染尤為嚴重。我隨父親在烏海市生活期間，觀察到煤礦開采區堆積著大量疲棄的煤矸石。每逢降雨時，污水橫流，對周邊環境造成了極大的污染。進一步查閱資料了解到，煤矸石在風化、雨淋過程中，其所含的重金屬等有害物質，會隨雨水進入地下含水層，給附近居民和牲畜的飲用水安全造成了嚴重威脅。用什么方法才能低成本、高效率地修復煤矸石淋濾液對地下水造成的污染呢？在一次研究性學習活動課中，老師講了黃河中的泥沙能吸附水中污染物的實例。由此，我聯想到利用內蒙古廣泛分布的黃土，治理煤矸石對地下水污染的可能性。這一想法得到了老師的肯定，并幫助我在內蒙古大學環境與資源學院進行了實驗研究。

研究內容與目的

本研究擬利用黃土吸附煤矸石淋濾液中重金屬、砷等有害物質的實驗分析，探索解決煤矸石淋濾液和礦坑廢水對地下水污染的修復方法，以達到以下目的：

◇在實驗室通過土柱淋濾模擬實驗，分析離石黃土、亞砂土和細沙對煤矸石淋濾液中重金屬及類金屬砷的吸附能力。

◇為了模擬自然環境下煤矸石淋濾液產生及遷移過程，制作模擬槽凈化實驗裝置，通過實驗觀測，分析離石黃土滲透反應墻對淋濾液中重金屬及類金屬砷的吸附能力。

◇通過在礦區煤矸石堆周邊合適的地形下建黃土滲透反應墻，觀察實際修復效果，探索一種低成本、高效率治理煤矸石淋濾液污染的方法。

研究過程

技術路線

研究技術路線見圖1。

煤矸石淋濾液對地下水造成了污染

為了弄清楚煤矸石對地下水的污染機理，了解國內外治理方法，論證用黃土治理地下水污染的可行性，我通過請教內蒙古大學資源學院教授、檢索相關文獻、到礦區考察，認識到以下幾點：

◇煤矸石是伴隨煤炭形成的一種燃燒值極低的礦石，一般占原煤產量的10％～20％。開采出的煤矸石在地表水或降水的作用下，一些重金屬和其他有害物質會從矸石中釋放出來，形成煤矸石淋濾液。淋濾液在擴散過程中，部分污染物可能被巖土吸附而去除，大部分污染物進入地下含水層，隨地下水的流動而遷移擴散。

◇目前，歐美國家在修復地下水污染的研究中，多采用可滲透反應墻技術，即在受污染地下水的流動方向上，利用能夠降解（或吸附）水體中主要污染物的材料，修建可滲透反應墻體。當污染水體流過反應墻時，水體中的污染物被降解（或吸附）得以去除，有效提高了水體凈化效果。

◇中國黃土按形成的時間分為午城黃土、離石黃土和馬蘭黃土。3種黃土都具有顆粒細小、比表面積大、含有一定量的黏土礦物、表面帶有負電荷、能夠吸附陽離子等特點，因此，對重金屬類污染物均有較強的吸附能力。當含有重金屬等污染物的煤矸石淋濾液從黃土空隙中流過時，淋濾液中的重金屬容易被黃土吸附，使重金屬污染物得以去除。本次研究中采用大柳塔礦區分布比較廣泛的離石黃土作為凈化材料，分析黃土對煤矸石淋濾液的凈化效果。

實驗過程

◇煤矸石淋濾液的制備。要治理煤矸石對地下水的污染，首先要確定當地煤矸石在酸性礦坑廢水和降水淋溶條件下，形成的淋濾液中重金屬、類金屬砷等有害物質的種類和數量，為下一步實驗奠定基礎。

◇通過煤矸石浸泡實驗，可以近似地獲取煤矸石在野外淋濾條件下所能釋放出的污染物最大數量。浸泡實驗的方法為：將煤矸石粉碎，取混合細渣（粒徑<2mm）5kg，加入礦坑水50L，攪拌后靜置6小時。取其上清液進行成分測定，測定鋅、銅、鋁、鎘、汞、鉻、錳、砷等化學組分的含量。把獲取的浸泡液收集，用于下一步的淋濾實驗。

◇土柱淋濾實驗。為了對比不同材料的吸附作用，本次實驗中分別選擇大柳塔礦區常見的離石黃土、亞砂土和細沙作為實驗材料，通過土柱淋濾對比實驗，研究不同土柱對淋濾液中重金屬和類金屬砷的吸附能力及其規律，以期為凈化煤矸石淋濾液中污染物提供一些理論依據。土柱淋溶實驗裝置如圖2所不。

◇淋濾液污染地下水的模擬槽凈化實驗。黃土對煤矸石淋濾液中有害物質的吸附作用，不僅和黃土的成分及理化性質有關，還與地下水的流速、煤矸石與黃土的配置比例有關。聯想到野外考察時，煤矸石場一般依托溝谷而建，由谷內向谷口方向堆放，而地下水一般也是由谷內沿溝谷向外流動。為了模擬在自然條件下黃土吸附層對煤矸石淋濾液中重金屬的吸附過程，查閱利用可滲透反應墻修復地下水污染的相關資料后，設想用一個充填煤矸石及黃土介質的模擬槽重現這個過程。在老師的幫助下，設計制作了用黃土構建滲透反應墻治理煤矸石淋濾液的實驗模擬槽。淋濾液在地下水中的遷移模擬槽結構示意圖如圖3所示。

◇模擬槽重復實驗。通過上面實驗發現，在煤矸石和黃土（粒徑為0.05～0.1mm）質量比為5：1，地下水流速為0.20m／d的情況下，離石黃土基本上能夠吸附煤矸石淋濾出來的全部錳、銅、汞、砷、鎘、鉻和鉛等有害物質。在地下水流速不變的情況下，是否使用較少的黃土就能夠達到對淋濾液中污染物的去除目的呢？如果用較少的黃土就能達到修復效果，那就可以減少對黃土的需要，降低治理費用。針對這個疑問，我請教了有關老師，并通過改變煤矸石和黃土的比例，來得到最優配置比例。于是，設計了在一定地下水流速的條件下，煤矸石與黃土的不同配比的實驗。通過重復實驗，不斷減少黃土的使用量，分析不同配比時的凈化效果。

◇研究成果的實地驗證。目前，用黃土治理煤矸石淋濾液對地下水污染的技術，在內蒙古煤礦污染區還沒有得到實際應用。為了驗證這種方法的實際修復效果，在大柳塔礦區石圪臺煤礦的支持下，于2010年10月在該礦區煤矸石場進行了這種方法的檢驗性應用。該礦區主要地貌為覆沙黃土丘陵和波狀沙地，溝谷切割較深，溝壁陡峭。由于溝谷中富含潛水，地下水位埋深淺，故地下水污染較嚴重，特別是砷和一些重金屬嚴重超標。

經過實地考察，我們選取二號煤矸石場外圍小型溝谷作為檢驗性實驗場地。通過清除部分溝底粉砂，從基巖構建11.3m寬，厚約0.5m、高約4.5m的黃土反應墻，使從該支溝中流出的滲濾液全部經過黃土墻的凈化。并在矸石場上部覆蓋薄層黃土，防止矸石粉飛揚。在黃土墻體下游約20m的地方，地下水監測孔取樣分析發現，經過黃土墻凈化后，下游地下水水質明顯好轉。

結論

本研究以煤矸石為對象，通過土柱淋濾實驗和模擬槽實驗分析以及在礦區實際效果檢驗，得到以下結論：

◇離石黃土對煤矸石淋濾液中的重金屬及類金屬砷均有較強的吸附能力。

◇模擬槽實驗發現，在地下水流速為0.20m／d時，煤矸石與黃土質量比為7：1的情況下，利用黃土墻能夠去除淋濾液中的大部分重金屬及砷離子，從而達到修復地下水污染的目的。

展望

煤矸石淋濾液的污染防治是一個綜合的過程。煤矸石山滲透性好，易導致土壤的垂直侵蝕（即養分的淋溶損失和水分的滲漏損失），影響植被生長及污染地下水體；礦坑排出的酸性廢水腐蝕性強、含大量有毒有害物質，是礦山環境污染的主要來源之一。將二者進行綜合處理，可以達到事半功倍、降低成本的目的。在進行污染綜合治理時，可充分利用內蒙古自治區廣泛分布的黃土，治理煤矸石、礦坑廢水的污染問題。通過構建黃土豎墻或按一定的傾角鋪設黃土，并在矸石堆頂部鋪設細沙（防塵），從矸石場的頂部一定位置噴淋或注入礦坑廢水。通過黃土吸附和過濾作用使礦坑廢水和煤矸石中的有害物質得以去除。然后在封頂的煤矸石堆表面覆蓋黃土，減少大孔隙和增加毛管孔隙、提高土壤持水量和保肥能力、減少滲透速率，通過種植植被進一步改良煤矸石山土壤的理化性質。

該項目獲得第26屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組環境科學一等獎。

專家評語

該項目是作者本人發現降雨造成煤矸石堆污水橫溢引起污染，并在科技活動中發現黃土吸附能力后確立的。項目主題、構思及實驗操作符合高中生的知識結構和實施能力。選題有創新性，就地取材解決當地環境問題，資料齊全，數據翔實。