模擬間歇式降水的煤矸石動態淋溶實驗研究

摘"要：以吉林省某礦區煤矸石為研究對象，利用動態淋溶實驗，模擬降水情況，定量預測煤矸石中污染物在大氣降水淋溶作用下對環境污染的強度。結果表明：該礦區煤矸石在動態淋濾作用下釋放的物質為氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、鐵、鎘、鋅等，淋濾液pH值為7.39～8.64；高風化度煤矸石相較新鮮煤矸石，溶解釋放的無機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律呈對數關系，其曲線回歸方程可為定量預測煤矸石中污染物在大氣降水淋濾作用下對水土環境污染的強度提供一定的參考。

關鍵詞：煤矸石；淋溶實驗；污染物質；釋放規律

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

煤矸石是煤炭生產和加工中排放的黑灰色固體廢棄物，是我國排放量最大的工業廢渣（李啟輝，2023；檀麗娟等，2019；張明亮等，2007）。露天堆放的煤矸石在長期風化、淋濾、浸泡作用下，通過一系列物理化學變化，賦存在其中的有害重金屬微量元素將溶出并釋放到環境中，不僅會對周邊的土壤、地表水和地下水造成污染，而且還會通過食物鏈對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下煤矸石中有害組分向環境釋放的規律是解決煤矸石淋溶污染問題的關鍵所在。

目前，有關利用淋溶試驗（靜態淋溶或動態淋溶）開展對煤矸石有害元素釋放規律的研究成果較多（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、生產工藝等方面的差異，在不同的地區，煤矸石在淋溶試驗中產生的有害元素有所不同，釋放規律也有差別，受礦區煤、巖層影響較大。本文以吉林省某煤礦新鮮矸石和高風化度矸石為研究對象，通過模擬自然降水，對2種煤矸石分別進行動態柱淋溶實驗，研究不同風化程度的煤矸石淋溶液的水質差異以及煤矸石隨降水量而溶解釋放污染物的規律，建立降水量與煤矸石中污染組分的釋放關系的回歸方程，以期為礦區煤矸石的處理提供環境科學方面的依據。

1 "實驗方法

1.1 "矸石樣品采集

本次實驗共采集1#新鮮煤矸石和2#高風化度煤矸石2種樣品，每種樣品重量均為2.5 kg。為保證1#樣品的新鮮，該樣品直接在礦區從礦井下剛升至地面的矸石運輸車中采取；2#樣品采樣地點為礦區矸石場，該矸石場的矸石已露天堆放約20 a，高度風化，本次采樣即在此矸石堆處的表層以下20 cm隨機采集。

矸石樣品采集完成后用聚乙烯樣品袋封裝送至實驗室，經室內風干后，進行粉碎處理，混合攪拌均勻后過網孔大小為0.25 mm（60目）的篩網備用。

1.2 "淋溶實驗

本次實驗采用柱式動態淋濾（圖1）。淋濾柱是高為50 cm、直徑為13 cm的有機玻璃柱，上部敞口，下部有導水孔，可以將淋溶水導出。實驗分為3個步驟：

1）將有機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，將有機玻璃柱固定在實驗臺。

2）用膠管連接玻璃柱下導水孔，用止水夾將膠管封住，向有機玻璃柱內加入去離子水若干，潤濕矸石，達到飽和為限。

3）根據礦區當地年平均降水量，模擬大氣降水間歇式（降水強度50 mm·h^-1，每次時長為10 h）向有機玻璃柱內加入去離子水淋溶，打開止水夾，將膠管導入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降水量作為一個記錄單元，即每次降水量達500 mL時，采集相對應的淋溶液樣品，共采集12"個淋溶液水質樣品（表1）。

1.3 "淋溶水樣測試

將采集到的淋溶水質樣品進行過濾，分別測定水質樣品中氯化物、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。所有水質樣品測試工作均由黑龍江省地質礦產實驗測試中心實驗室完成。

2 "結果與分析

2.1 "淋溶液污染物濃度分析

淋溶水樣測試結果見表2。從表2可看出：2種矸石樣在降水動態淋溶作用下溶解釋放氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、鐵、鉻、鋅等物質。淋溶液的pH值集中在7.39～8.64，均偏堿性。總硬度、硫酸鹽、硝酸鹽、氯化物的濃度較大，且隨著淋溶作用的進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，且無明顯變化規律，銅僅在部分樣本中檢出且微量，鎘、鉛未檢出；根據GB 3838—2002《地表水環境質量標準》，淋溶液中鋅的濃度低于I"類水質標準，因此可以判斷該礦區的煤矸石淋溶水對水環境產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系分析

通過繪制污染物釋放濃度與降水量的關系曲線（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，這幾種物質組分的濃度開始下降。在整個淋溶作用的過程中呈現出初期濃度下降的速度很快，后期逐漸穩定的特點。這是由于在淋溶作用的初期，煤矸石表面吸附的大量無機鹽類先進入淋溶水中，釋放較迅速；后期淋溶出的無機鹽類則開始是礦物內部釋放所致，此過程較慢，因此呈現出平緩的曲線變化。

2）2#煤矸石樣品淋溶液污染物質的初始濃度均高于1#煤矸石淋溶液污染物質的初始濃度（圖2、圖3），這是由于在長期的風化作用下，矸石內部結構被破壞，使礦物中的離子分解游離出來，由原來的化合態轉化為游離態，遷移能力增強，所以煤矸石的風化程度越高，對周邊水土環境的影響就越大。

3）從整體變化趨勢上看，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）的濃度呈對數曲線降低。經對數曲線擬合，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律，從而定量預測煤矸石在降水淋溶作用下對土壤、地下水污染的強度。

3 "結論

綜上所述，通過對吉林省某礦區內新鮮和高風化度煤矸石的淋濾實驗研究分析，得出以下結論：

1）礦區內煤矸石在動態淋溶實驗下釋放的物質組分為氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽、鐵、鎘、鋅等，淋濾液pH值為7.39～8.64，高風化度煤矸石相較新鮮煤矸石，溶解釋放的無機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化程度有密切關系。

3）煤矸石中污染物釋放濃度隨降水量的變化規律呈對數關系，曲線方程為C = a ln（V）"+ b，此方程可為定量預測煤矸石中污染物在大氣降水淋濾作用下對水土環境污染的強度提供一定的參考。

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