用黃土治理煤矸石對(duì)地下水污染的實(shí)驗(yàn)研究

研究背景

內(nèi)蒙古自治區(qū)已探明煤炭?jī)?chǔ)量位居全國(guó)第一，僅2009年煤炭產(chǎn)量就達(dá)到5.37億噸。煤炭開采時(shí)要產(chǎn)生大量的煤矸石。目前，除少量煤矸石用于矸石電廠發(fā)電，部分當(dāng)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(fā)了一系列的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，其中煤矸石淋濾液對(duì)地下水的污染尤為嚴(yán)重。我隨父親在烏海市生活期間，觀察到煤礦開采區(qū)堆積著大量疲棄的煤矸石。每逢降雨時(shí)，污水橫流，對(duì)周邊環(huán)境造成了極大的污染。進(jìn)一步查閱資料了解到，煤矸石在風(fēng)化、雨淋過(guò)程中，其所含的重金屬等有害物質(zhì)，會(huì)隨雨水進(jìn)入地下含水層，給附近居民和牲畜的飲用水安全造成了嚴(yán)重威脅。用什么方法才能低成本、高效率地修復(fù)煤矸石淋濾液對(duì)地下水造成的污染呢？在一次研究性學(xué)習(xí)活動(dòng)課中，老師講了黃河中的泥沙能吸附水中污染物的實(shí)例。由此，我聯(lián)想到利用內(nèi)蒙古廣泛分布的黃土，治理煤矸石對(duì)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(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

研究?jī)?nèi)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(zhì)的實(shí)驗(yàn)分析，探索解決煤矸石淋濾液和礦坑廢水對(duì)地下水污染的修復(fù)方法，以達(dá)到以下目的：

◇在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)土柱淋濾模擬實(shí)驗(yàn)，分析離石黃土、亞砂土和細(xì)沙對(duì)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(huán)境下煤矸石淋濾液產(chǎn)生及遷移過(guò)程，制作模擬槽凈化實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，分析離石黃土滲透反應(yīng)墻對(duì)淋濾液中重金屬及類金屬砷的吸附能力。

◇通過(guò)在礦區(qū)煤矸石堆周邊合適的地形下建黃土滲透反應(yīng)墻，觀察實(shí)際修復(fù)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(guò)程

技術(shù)路線

研究技術(shù)路線見圖1。

煤矸石淋濾液對(duì)地下水造成了污染

為了弄清楚煤矸石對(duì)地下水的污染機(jī)理，了解國(guó)內(nèi)外治理方法，論證用黃土治理地下水污染的可行性，我通過(guò)請(qǐng)教內(nèi)蒙古大學(xué)資源學(xué)院教授、檢索相關(guān)文獻(xiàn)、到礦區(qū)考察，認(rèn)識(shí)到以下幾點(diǎn)：

◇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(chǎn)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(zhì)會(huì)從矸石中釋放出來(lái)，形成煤矸石淋濾液。淋濾液在擴(kuò)散過(guò)程中，部分污染物可能被巖土吸附而去除，大部分污染物進(jìn)入地下含水層，隨地下水的流動(dòng)而遷移擴(kuò)散。

◇目前，歐美國(guó)家在修復(fù)地下水污染的研究中，多采用可滲透反應(yīng)墻技術(shù)，即在受污染地下水的流動(dòng)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(yīng)墻體。當(dāng)污染水體流過(guò)反應(yīng)墻時(shí)，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(guó)黃土按形成的時(shí)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(xì)小、比表面積大、含有一定量的黏土礦物、表面帶有負(fù)電荷、能夠吸附陽(yáng)離子等特點(diǎn)，因此，對(duì)重金屬類污染物均有較強(qiáng)的吸附能力。當(dāng)含有重金屬等污染物的煤矸石淋濾液從黃土空隙中流過(guò)時(shí)，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(qū)分布比較廣泛的離石黃土作為凈化材料，分析黃土對(duì)煤矸石淋濾液的凈化效果。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程

◇煤矸石淋濾液的制備。要治理煤矸石對(duì)地下水的污染，首先要確定當(dāng)?shù)孛喉肥谒嵝缘V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(zhì)的種類和數(shù)量，為下一步實(shí)驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。

◇通過(guò)煤矸石浸泡實(shí)驗(yàn)，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(shù)量。浸泡實(shí)驗(yàn)的方法為：將煤矸石粉碎，取混合細(xì)渣（粒徑<2mm）5kg，加入礦坑水50L，攪拌后靜置6小時(shí)。取其上清液進(jìn)行成分測(cè)定，測(cè)定鋅、銅、鋁、鎘、汞、鉻、錳、砷等化學(xué)組分的含量。把獲取的浸泡液收集，用于下一步的淋濾實(shí)驗(yàn)。

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

◇淋濾液污染地下水的模擬槽凈化實(shí)驗(yàn)。黃土對(duì)煤矸石淋濾液中有害物質(zhì)的吸附作用，不僅和黃土的成分及理化性質(zhì)有關(guān)，還與地下水的流速、煤矸石與黃土的配置比例有關(guān)。聯(lián)想到野外考察時(shí)，煤矸石場(chǎng)一般依托溝谷而建，由谷內(nèi)向谷口方向堆放，而地下水一般也是由谷內(nèi)沿溝谷向外流動(dòng)。為了模擬在自然條件下黃土吸附層對(duì)煤矸石淋濾液中重金屬的吸附過(guò)程，查閱利用可滲透反應(yīng)墻修復(fù)地下水污染的相關(guān)資料后，設(shè)想用一個(gè)充填煤矸石及黃土介質(zhì)的模擬槽重現(xiàn)這個(gè)過(guò)程。在老師的幫助下，設(shè)計(jì)制作了用黃土構(gòu)建滲透反應(yīng)墻治理煤矸石淋濾液的實(shí)驗(yàn)?zāi)M槽。淋濾液在地下水中的遷移模擬槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

◇模擬槽重復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)上面實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在煤矸石和黃土（粒徑為0.05～0.1mm）質(zhì)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(lái)的全部錳、銅、汞、砷、鎘、鉻和鉛等有害物質(zhì)。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(dá)到對(duì)淋濾液中污染物的去除目的呢？如果用較少的黃土就能達(dá)到修復(fù)效果，那就可以減少對(duì)黃土的需要，降低治理費(fèi)用。針對(duì)這個(gè)疑問(wèn)，我請(qǐng)教了有關(guān)老師，并通過(guò)改變煤矸石和黃土的比例，來(lái)得到最優(yōu)配置比例。于是，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)。通過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，不斷減少黃土的使用量，分析不同配比時(shí)的凈化效果。

◇研究成果的實(shí)地驗(yàn)證。目前，用黃土治理煤矸石淋濾液對(duì)地下水污染的技術(shù)，在內(nèi)蒙古煤礦污染區(qū)還沒有得到實(shí)際應(yīng)用。為了驗(yàn)證這種方法的實(shí)際修復(fù)效果，在大柳塔礦區(qū)石圪臺(tái)煤礦的支持下，于2010年10月在該礦區(qū)煤矸石場(chǎng)進(jìn)行了這種方法的檢驗(yàn)性應(yīng)用。該礦區(qū)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(yán)重，特別是砷和一些重金屬嚴(yán)重超標(biāo)。

經(jīng)過(guò)實(shí)地考察，我們選取二號(hào)煤矸石場(chǎng)外圍小型溝谷作為檢驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。通過(guò)清除部分溝底粉砂，從基巖構(gòu)建11.3m寬，厚約0.5m、高約4.5m的黃土反應(yīng)墻，使從該支溝中流出的滲濾液全部經(jīng)過(guò)黃土墻的凈化。并在矸石場(chǎng)上部覆蓋薄層黃土，防止矸石粉飛揚(yáng)。在黃土墻體下游約20m的地方，地下水監(jiān)測(cè)孔取樣分析發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)黃土墻凈化后，下游地下水水質(zhì)明顯好轉(zhuǎn)。

結(jié)論

本研究以煤矸石為對(duì)象，通過(guò)土柱淋濾實(shí)驗(yàn)和模擬槽實(shí)驗(yàn)分析以及在礦區(qū)實(shí)際效果檢驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

◇離石黃土對(duì)煤矸石淋濾液中的重金屬及類金屬砷均有較強(qiáng)的吸附能力。

◇模擬槽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在地下水流速為0.20m／d時(shí)，煤矸石與黃土質(zhì)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(dá)到修復(fù)地下水污染的目的。

展望

煤矸石淋濾液的污染防治是一個(gè)綜合的過(guò)程。煤矸石山滲透性好，易導(dǎo)致土壤的垂直侵蝕（即養(yǎng)分的淋溶損失和水分的滲漏損失），影響植被生長(zhǎng)及污染地下水體；礦坑排出的酸性廢水腐蝕性強(qiáng)、含大量有毒有害物質(zhì)，是礦山環(huán)境污染的主要來(lái)源之一。將二者進(jìn)行綜合處理，可以達(dá)到事半功倍、降低成本的目的。在進(jìn)行污染綜合治理時(shí)，可充分利用內(nèi)蒙古自治區(qū)廣泛分布的黃土，治理煤矸石、礦坑廢水的污染問(wèn)題。通過(guò)構(gòu)建黃土豎墻或按一定的傾角鋪設(shè)黃土，并在矸石堆頂部鋪設(shè)細(xì)沙（防塵），從矸石場(chǎng)的頂部一定位置噴淋或注入礦坑廢水。通過(guò)黃土吸附和過(guò)濾作用使礦坑廢水和煤矸石中的有害物質(zhì)得以去除。然后在封頂?shù)拿喉肥驯砻娓采w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(guò)種植植被進(jìn)一步改良煤矸石山土壤的理化性質(zhì)。

該項(xiàng)目獲得第26屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組環(huán)境科學(xué)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目是作者本人發(fā)現(xiàn)降雨造成煤矸石堆污水橫溢引起污染，并在科技活動(dòng)中發(fā)現(xiàn)黃土吸附能力后確立的。項(xiàng)目主題、構(gòu)思及實(shí)驗(yàn)操作符合高中生的知識(shí)結(jié)構(gòu)和實(shí)施能力。選題有創(chuàng)新性，就地取材解決當(dāng)?shù)丨h(huán)境問(wèn)題，資料齊全，數(shù)據(jù)翔實(shí)。