煤矸石淋溶液中的重金屬對土壤環境的累積影響

呂 東

(山西省交通環境保護中心站有限公司，山西 太原 030006)

引 言

我國是煤炭開采大國，2019年全國原煤產量38.5億t。煤矸石開采和洗選過程中產生的固體廢棄物[1]，約占煤炭生產量的10%[2]。不同地區產生的煤矸石化學組成不同，其主要成分為SiO2和Al2O3，含量分別為40%～70%和13%～40%[3]，此外還存有汞、砷、鉛、鉻、鎘等重金屬元素。煤矸石在堆存過程中，如長時間浸水易形成淋溶液，淋溶液成分復雜，因其含有汞、砷、鉛、鉻、鎘等重金屬元素備受關注，其長時間累積將會對周圍土壤環境造成破壞，進而影響地下水環境，最終通過食物鏈流入人體，影響人類身體健康。因此，對煤矸石淋溶液中的微量元素在土壤環境的累積效應的研究對于土壤環境污染防治措施的提出至關重要。

1 研究對象

1.1 煤矸石

本文研究對象為某煤礦所產二號煤層煤矸石，根據煤矸石淋溶試驗結果，所測污染物濃度均未超過《污水綜合排放標準》(GB8978-1996)及其修改單中最高允許排放濃度，pH值在6～9范圍內，因此煤矸石屬于第Ⅰ類一般工業固體廢物。淋溶試驗結果見表1。

1.2 土壤

本文土壤取自同一煤礦煤矸石堆放區周邊未受煤矸石影響的背景表層土，取樣深度為0 cm～20 cm，并檢測了土壤的pH、鎘、汞、砷、鉛、鉻的濃度，作為土壤質量背景濃度。此外，為了計算預測的需要，測定了土壤容重。檢測結果見表2。

表1 煤矸石淋溶試驗結果

表2 土壤檢測結果

2 累積影響分析[4]

本次重金屬累積性影響分析選用煤矸石淋溶試驗結果中的砷(0.001 36 mg/L)、汞(0.000 04 mg/L)、鉛(0.000 3 mg/L)、鉻(0.000 11 mg/L)、鎘(0.000 05 mg/L)作為評價因子。沉積進入土壤中的砷，由于土壤的吸附、絡合、沉淀和阻留作用，絕大多數殘留、累積在土壤中。根據其在土壤中的遷移轉化及累積規律，土壤中重金屬累積量采用式(1)模式。

W=K(B+R)

(1)

式中，W為重金屬在土壤中的年累積量，mg/kg；B為區域土壤重金屬含量背景值，mg/kg；R為土壤重金屬年輸入量，mg/kg；K為土壤重金屬殘留率，%；

假設土壤中重金屬殘留率保持不變(一般取90%)，則n年后土壤中重金屬的累積量為式(2)。

(2)

式中，R包括了兩部分輸入量，即，自然輸入量和本項目排放的輸入量。土壤中自然背景值是自然輸入量與自然淋溶遷移量的動態平衡，當自然輸入量等于自然淋溶遷移量時，土壤背景值不衰減，B值不變。因此，R只考慮項目排放的輸入量。當只考慮累積性影響增值，公式可簡化為式(3)。

(3)

式中，Wn為污染物在土壤中的年累積性影響增值，mg/kg；R，為項目污染物年輸入量，g；M為單位面積土壤的質量，kg/m2；K為污染物在土壤中的殘留率，取0.9；n為年份。

據有關研究表明，在污染土壤中，重金屬進入土壤后，由于土壤對它們的固定作用，不易向下遷移，多集中分布在表層。因此可取單位面積(1 m2)、厚20 cm表層土壤計算單位面積土壤的質量M(kg/m2)，M=單位面積(1 m2)×厚度(0.2 m)×土壤密度(取土壤質量現狀結果2.57 g/cm3)/單位面積(1 m2)=514 kg/m2。

重金屬的年輸入量R，是通過當地多年平均降水量及其淋溶試驗結果得到。多年滲入量見式(4)。

Q=P×α×F

(4)

式中，Q為多年平均入滲量，m3/a；P為多年平均降雨量，取540 mm；F為煤矸石堆放區面積，約65 400m2；α為降水入滲率，采用所在區域第四系全新統砂礫石類入滲系數，其值取0.25。

經計算，多年平均入滲量可達到8 829m3/a，砷(0.001 36 mg/L)、汞(0.000 04 mg/L)、鉛(0.000 3 mg/L)、鉻(0.000 11 mg/L)、鎘(0.000 05 mg/L)的年輸入量R，分別為12.007、0.353、2.649、0.971、0.441 g/a。因此，不同年份土壤中污染物累積量增值見表3。

疊加土壤背景值后各重金屬元素在土壤中的累積量見表4。

表3 不同年份土壤中重金屬累積量 mg/kg

表4 疊加土壤背景值后各重金屬元素在土壤中的累積量

由表4可以看出，隨著淋溶水中重金屬輸入時間的延長，重金屬在土壤中的累積量逐步增加，但累積增加量非常小。由預測數據可知，20年后土壤中砷、汞、鉛、鉻、鎘的累積量遠小于《土壤環境質量標準 農用地土壤污染風險管控標準》(GB15618-2018)pH>7.5相關標準限值，因此在近期內不會改變土壤的功能類別。

3 土壤污染防治措施

3.1 源頭控制措施

煤矸石對于土壤環境質量的影響，主要是來自于煤矸石因長期浸水后產生的淋溶水。因此，首先要在源頭上減少煤矸石的堆存數量，各大煤礦應采取措施優先綜合利用，利用不了的再選地堆存；在堆存過程中要按照《一般工業固體廢棄物貯存、處置場污染控制標準》(GB18599-2001)及其修改單的要求，在堆存場地周邊設置截排水溝并在煤矸石上方進行遮蓋，防止連續降雨期間，周邊雨水匯入長時間浸泡煤矸石產生淋溶水影響土壤環境。

3.2 過程控制

根據煤矸石淋溶試驗結果，為第Ⅰ類一般工業固體廢物。根據《一般工業固體廢棄物貯存、處置場污染控制標準》(GB18599-2001)及其修改單的要求，在堆存期間，要在底部達到良好的防滲效果，一般采取底部土壤夯實等措施，若防滲效果不佳，則應采取防滲工程，必要時對淋溶液進行收集處理，以實現阻隔控制效果，減少或消除淋溶水下滲土壤，進而下滲地下水。

4 結論

本文通過重金屬累積影響模型預測了煤矸石淋溶液中重金屬對周邊土壤環境的影響。隨著淋溶水中重金屬輸入時間的延長，其累積量逐漸增加，但遠小于相關標準。同時本文從源頭控制和過程控制兩方面提出了針對性的保護措施，為以煤矸石為填充物的綜合利用的環境管理提供一定參考。