高潛水位采煤塌陷地粉煤灰充填復(fù)墾可行性分析

程艷芳

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013)

煤炭是我國(guó)最主要的能源之一，約占一次性能源構(gòu)成的70%[1]，其中約96%的煤炭產(chǎn)量來自井工開采[2-3]，這種開采方式對(duì)土地資源最直接的破壞形式是地表塌陷，進(jìn)而造成土地破壞，耕地減少[4]。將粉煤灰作為充填物料充填于塌陷區(qū)，既能減少粉煤灰占地，恢復(fù)土地資源，又能緩解粉煤灰對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)解決了充填物料缺乏的問題，具有變害為利的雙重效益[5-6]。

由于燃煤電廠粉煤灰中含有As，Pb，Cd，Cr，Hg等重金屬元素[7-8]，充填復(fù)墾后會(huì)對(duì)地下水[9]、土壤[10-12]和所生長(zhǎng)植物產(chǎn)生影響[13-14]。我國(guó)現(xiàn)有的研究主要集中在充填復(fù)墾技術(shù)[15-17]、土地恢復(fù)[18]和粉煤灰利用[13,19]等方面，而關(guān)于復(fù)墾后重金屬污染以及作物是否有二次污染的研究較少[20-21]，尤其在高潛水位復(fù)墾區(qū)土壤及農(nóng)作物的重金屬污染研究較少[22-25]。在我國(guó)，礦區(qū)大部分復(fù)墾土地都被用來進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，植物對(duì)重金屬元素具有富集作用，如果復(fù)墾土壤、水體、農(nóng)作物被污染，必將會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康[5,20,26]。因此，在高潛水位區(qū)粉煤灰能否作為充填復(fù)墾的材料，復(fù)墾后是否會(huì)受到重金屬污染是在復(fù)墾中亟需解決的關(guān)鍵問題。本研究以大屯發(fā)電廠粉煤灰為研究對(duì)象，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣、粉煤灰樣品淋溶、浸泡試驗(yàn)和種植試驗(yàn)結(jié)果，論證高潛水位采煤塌陷地粉煤灰充填復(fù)墾的可行性。

1 研究區(qū)概況

大屯發(fā)電廠地處黃淮沖積平原，地形為西高東低。該平原地區(qū)屬溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年平均溫度為13.6℃，年平均降水量為960mm，6～9月份降雨量占全年降雨量的60%，春季次之，秋季較少，冬季最少。周邊土壤類型為砂質(zhì)粘土。大屯發(fā)電廠每年用于發(fā)電、供熱消耗燃煤約1.66Mt，產(chǎn)生粉煤灰0.4Mt。徐莊煤礦是一個(gè)老礦，由于連年開采，礦區(qū)以及周邊地面不同程度下沉。塌陷區(qū)位于徐莊煤礦東側(cè)約1.0km處，塌陷地面積約為0.1688km2，塌陷深度從0.7～5.5m不等，由于塌陷地屬于高潛水位地區(qū)，故地表塌陷后常年積水。

2 材料與方法

2.1 樣品采集

選擇在大屯發(fā)電廠粉煤灰?guī)旌投褕?chǎng)采集粉煤灰3個(gè)樣品。土壤5個(gè)樣品：分別為徐莊煤礦儲(chǔ)灰場(chǎng)周邊表土，用以測(cè)定粉煤灰對(duì)周邊土壤的重金屬污染；徐莊煤礦塌陷區(qū)周邊20m以外的原始表土，用以測(cè)定土壤重金屬背景值；發(fā)電廠一分廠三號(hào)灰池底部0～150mm和大于150mm土壤，用以測(cè)定粉煤灰中重金屬元素向土壤轉(zhuǎn)移程度；發(fā)電廠一分廠二號(hào)灰池圍堰外表土，用以測(cè)定粉煤灰揚(yáng)散對(duì)周邊土壤的重金屬污染情況。分別取在儲(chǔ)灰場(chǎng)上生長(zhǎng)的高粱、黃豆、南瓜的莖和果實(shí)樣品，用以測(cè)定粉煤灰中重金屬在植物體內(nèi)的富集程度。

2.2 樣品處理與測(cè)試

采集樣品在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理和測(cè)試。土壤樣品嚴(yán)格按照土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范(HJ/T166-2004)規(guī)定進(jìn)行預(yù)處理，粉煤灰和植物也同樣參照土壤樣品進(jìn)行處理，將樣品放在通風(fēng)、陰涼、干燥的地方待風(fēng)干后碾碎并進(jìn)行消解。粉煤灰制備成檢測(cè)小樣，直接上機(jī)測(cè)試；淋溶實(shí)驗(yàn)選擇直徑100mm的PVC塑料管，管下口放置濾紙，用燒杯分別接8h，16h，24h，32h，40h和48h的淋溶液，測(cè)定其中的重金屬含量；浸泡實(shí)驗(yàn)將粉煤灰樣品用去離子水浸泡，所有樣品均按照去離子水與粉煤灰比分別為2∶1和3∶1的比例混合，浸泡時(shí)間分4個(gè)時(shí)段：1d，7d，14d和30d，共計(jì)8個(gè)浸泡測(cè)試樣品，每個(gè)測(cè)試樣品均稱取100g粉煤灰，加入設(shè)計(jì)比例的去離子水，振蕩攪拌之后靜置，測(cè)定上清液中的重金屬元素含量。采集的粉煤灰、粉煤灰淋溶液和浸泡液、土壤和農(nóng)作物均用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法(ICP-AES)測(cè)定As，Cd，Cr，Hg，Pb等重金屬含量。

3 結(jié)果與分析

3.1 粉煤灰復(fù)墾重金屬污染分析

3.1.1 粉煤灰重金屬含量

3種粉煤灰樣品重金屬含量如圖1所示，重金屬Cd和Hg均未檢出，可見粉煤灰中這兩種元素的含量極低；Se超過《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-2008)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，但未超過《農(nóng)用粉煤灰控制標(biāo)準(zhǔn)》；其他重金屬元素的含量有一定程度的差異，但差異性不大，均處于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-2008)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和《農(nóng)用粉煤灰控制標(biāo)準(zhǔn)》以內(nèi)，可以看出粉煤灰的As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb和Zn含量均未超標(biāo)。因此，大屯電廠粉煤灰不足以對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生明顯影響，可作為采煤塌陷地的充填復(fù)墾材料。

3.1.2 粉煤灰模擬淋溶分析

通過粉煤灰淋溶實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到8h，16h，24h，32h，40h和48h淋溶液中重金屬含量，如表1所示，Se含量隨淋溶時(shí)間延長(zhǎng)呈減少趨勢(shì)，淋溶水中Se的濃度最大為0.05mg/L，超過地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)限值，但《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》(GB 2762-2012)已經(jīng)取消了食品中Se的限量規(guī)定。而其他幾種重金屬含量則無明顯的變化，均在檢出限以下，大大低于《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-1993)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，可以看出粉煤灰淋溶液中的As，Cd，Hg，Pb和Cr等重金屬含量均未超標(biāo)。另外，粉煤灰重金屬元素的淋溶性很弱[13]，因此，粉煤灰在降水和灌溉等淋溶作用下，重金屬元素不易向土壤中遷移，進(jìn)而不會(huì)造成復(fù)墾周邊土壤重金屬污染，大屯電廠粉煤灰能滿足采煤塌陷地的充填復(fù)墾物料的要求。

表1 粉煤灰淋溶液中重金屬含量 mg/L

3.1.3 粉煤灰模擬浸泡分析

在高潛水位礦區(qū)復(fù)墾中，充填的粉煤灰大多在

注：農(nóng)用粉煤灰控制標(biāo)準(zhǔn)Zn無相關(guān)數(shù)據(jù)圖1 粉煤灰重金屬含量

潛水位之下[23]。因此，應(yīng)關(guān)注浸泡狀態(tài)對(duì)粉煤灰重金屬的遷移影響。在去離子水與粉煤灰比為2∶1和3∶1的兩組實(shí)驗(yàn)中，粉煤灰在水中分別浸泡1d，7d，14d和30d，測(cè)試結(jié)果見表2所示。浸泡第1天時(shí)，各重金屬浸出濃度已達(dá)到最大，除Se之外，As，Cd，Hg等重金屬均未超過《地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848-1993)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。浸泡濃度隨時(shí)間延長(zhǎng)，重金屬析出量呈現(xiàn)先減少后無明顯變化趨勢(shì)，浸泡第30天時(shí)，除Se之外，其他重金屬含量浸出濃度較低，均在檢出限以下，并大大低于地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可以看出測(cè)試樣品溶液中As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn重金屬均未超標(biāo)，而且這些重金屬元素均為極弱淋溶元素[13]，水溶性差，性質(zhì)較穩(wěn)定。因此，在浸泡作用下粉煤灰釋放的重金屬元素不會(huì)造成土壤、地下水和地表水的污染，利用此粉煤灰進(jìn)行塌陷區(qū)的充填復(fù)墾是可行的。

表2 粉煤灰浸泡上清液中重金屬含量 mg/L

3.2 土壤重金屬污染分析

土壤背景值和粉煤灰周邊土壤測(cè)試結(jié)果見表3所示，徐莊煤礦土壤重金屬元素背景值低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618-2008)和《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(HJ/T 332-2006)中對(duì)土壤重金屬元素含量的限制值，充分說明徐莊煤礦背景土壤未受到重金屬污染。另外，粉煤灰中的重金屬含量除Cu，Ni，Se之外，均未超過徐莊煤礦土壤重金屬背景值。

徐莊煤礦儲(chǔ)灰場(chǎng)周邊土壤重金屬Cr，Ni和Zn超過土壤背景值，但低于《土壤環(huán)境質(zhì)量》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》和《農(nóng)用粉煤灰控制標(biāo)準(zhǔn)》，其他幾種重金屬均達(dá)標(biāo)。發(fā)電廠灰池底部和周邊三類土壤中重金屬含量除Se之外均低于以上三類標(biāo)準(zhǔn)限值和土壤背景值，由此可看出測(cè)試的土壤中As，Cd，Hg，Pb等含量均未超標(biāo)，粉煤灰重金屬元素不易向周圍土壤遷移，不會(huì)受到粉煤灰重金屬污染，這一結(jié)論在徐良驥和孫克剛等人的研究中也得到了證實(shí)[6,27]，但對(duì)Se元素應(yīng)予以重視。

表3 粉煤灰堆場(chǎng)土壤重金屬含量 mg/kg

注：“-”表示無相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.3 農(nóng)作物重金屬污染分析

粉煤灰復(fù)墾后實(shí)際用于種植糧食作物，若農(nóng)作物受到重金屬污染，將會(huì)通過食物鏈進(jìn)入人體，危害人體健康[25-26]。因此，有必要分析粉煤灰中重金屬對(duì)農(nóng)作物的影響。測(cè)試分析儲(chǔ)灰場(chǎng)上生長(zhǎng)的高粱、黃豆、南瓜3種植物莖和果實(shí)器官中的重金屬含量，結(jié)果如表4所示，高粱、黃豆和南瓜作物中As，Cd，Cr，Hg，Pb，Ni，Se重金屬含量均在檢出限以下，唯有Cu和Zn兩種重金屬含量較高，但低于糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)上限(圖2)。由于農(nóng)作物對(duì)As，Cd，Cr，Hg，Pb等重金屬較難吸收[28-29]，所以它們?cè)谵r(nóng)作物器官中的含量較低；而對(duì)Cu和Zn最容易吸收，并且Cu和Zn作為植物生長(zhǎng)所必須的微量元素，在植物體內(nèi)主要是以生長(zhǎng)代謝為主[28-29]，使得Cu和Zn的含量高于其他以被動(dòng)吸收為主的重金屬。

表4 粉煤灰上生長(zhǎng)的農(nóng)作物中重金屬含量 mg/kg

注：“-”表示無相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖2 農(nóng)作物莖、果實(shí)重金屬含量

由于不同農(nóng)作物對(duì)重金屬的選擇性吸收不同[13,28]，高粱、黃豆和南瓜的不同器官中重金屬含量均有所差異。但3種農(nóng)作物中重金屬含量全部在國(guó)家糧食衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)上限(GB 2715-2005)之內(nèi)，相關(guān)的研究也表明粉煤灰復(fù)墾對(duì)農(nóng)作物不會(huì)產(chǎn)生較大影響[13,28,30]。因此，說明粉煤灰在植物體內(nèi)的重金屬富集狀態(tài)不明顯，農(nóng)作物莖和果實(shí)等器官不足以受到粉煤灰復(fù)墾重金屬污染。

4 結(jié) 論

通過對(duì)粉煤灰、粉煤灰淋溶液和浸泡液、粉煤灰周邊土壤和農(nóng)作物樣品中的As，Cd，Hg，Pb和Cr等重金屬含量的測(cè)試分析，并和國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，取得如下結(jié)論：

(1)大屯電廠粉煤灰重金屬含量低于土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)用粉煤灰控制標(biāo)準(zhǔn)，粉煤灰中重金屬的淋溶性很弱，浸泡析出量較低，水溶性差，不易向土壤中轉(zhuǎn)移，所有重金屬元素實(shí)驗(yàn)結(jié)果均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，不會(huì)造成土壤、地表水和地下水污染。

(2)粉煤灰周邊土壤中重金屬As，Cd，Hg，Pb和Cr等均低于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》和《食用農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，粉煤灰可用作采煤塌陷區(qū)的充填復(fù)墾物料，不會(huì)造成復(fù)墾土壤污染。

(3)粉煤灰中重金屬較難被農(nóng)作物吸收，除Cu和Zn以外，高粱、南瓜、大豆莖和果實(shí)中重金屬含量均低于糧食標(biāo)準(zhǔn)上限，植物不易受到粉煤灰重金屬污染。