煤矸石淋溶液中的重金屬對(duì)土壤環(huán)境的累積影響

呂 東

(山西省交通環(huán)境保護(hù)中心站有限公司，山西 太原 030006)

引 言

我國(guó)是煤炭開采大國(guó)，2019年全國(guó)原煤產(chǎn)量38.5億t。煤矸石開采和洗選過(guò)程中產(chǎn)生的固體廢棄物[1]，約占煤炭生產(chǎn)量的10%[2]。不同地區(qū)產(chǎn)生的煤矸石化學(xué)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(guò)程中，如長(zhǎng)時(shí)間浸水易形成淋溶液，淋溶液成分復(fù)雜，因其含有汞、砷、鉛、鉻、鎘等重金屬元素備受關(guān)注，其長(zhǎng)時(shí)間累積將會(huì)對(duì)周圍土壤環(huán)境造成破壞，進(jìn)而影響地下水環(huán)境，最終通過(guò)食物鏈流入人體，影響人類身體健康。因此，對(duì)煤矸石淋溶液中的微量元素在土壤環(huán)境的累積效應(yīng)的研究對(duì)于土壤環(huán)境污染防治措施的提出至關(guān)重要。

1 研究對(duì)象

1.1 煤矸石

本文研究對(duì)象為某煤礦所產(chǎn)二號(hào)煤層煤矸石，根據(jù)煤矸石淋溶試驗(yàn)結(jié)果，所測(cè)污染物濃度均未超過(guò)《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB8978-1996)及其修改單中最高允許排放濃度，pH值在6～9范圍內(nèi)，因此煤矸石屬于第Ⅰ類一般工業(yè)固體廢物。淋溶試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2 土壤

本文土壤取自同一煤礦煤矸石堆放區(qū)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(cè)了土壤的pH、鎘、汞、砷、鉛、鉻的濃度，作為土壤質(zhì)量背景濃度。此外，為了計(jì)算預(yù)測(cè)的需要，測(cè)定了土壤容重。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 煤矸石淋溶試驗(yàn)結(jié)果

表2 土壤檢測(cè)結(jié)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(yàn)結(jié)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(píng)價(jià)因子。沉積進(jìn)入土壤中的砷，由于土壤的吸附、絡(luò)合、沉淀和阻留作用，絕大多數(shù)殘留、累積在土壤中。根據(jù)其在土壤中的遷移轉(zhuǎn)化及累積規(guī)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(qū)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(shè)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(xiàng)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(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)自然輸入量等于自然淋溶遷移量時(shí)，土壤背景值不衰減，B值不變。因此，R只考慮項(xiàng)目排放的輸入量。當(dāng)只考慮累積性影響增值，公式可簡(jiǎn)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(xiàng)目污染物年輸入量，g；M為單位面積土壤的質(zhì)量，kg/m2；K為污染物在土壤中的殘留率，取0.9；n為年份。

據(jù)有關(guān)研究表明，在污染土壤中，重金屬進(jìn)入土壤后，由于土壤對(duì)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(jì)算單位面積土壤的質(zhì)量M(kg/m2)，M=單位面積(1 m2)×厚度(0.2 m)×土壤密度(取土壤質(zhì)量現(xiàn)狀結(jié)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(guò)當(dāng)?shù)囟嗄昶骄邓考捌淞苋茉囼?yàn)結(jié)果得到。多年滲入量見(jiàn)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(qū)面積，約65 400m2；α為降水入滲率，采用所在區(qū)域第四系全新統(tǒng)砂礫石類入滲系數(shù)，其值取0.25。

經(jīng)計(jì)算，多年平均入滲量可達(dá)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(jiàn)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(jiàn)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(shí)間的延長(zhǎng)，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(yù)測(cè)數(shù)據(jù)可知，20年后土壤中砷、汞、鉛、鉻、鎘的累積量遠(yuǎn)小于《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)》(GB15618-2018)pH>7.5相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值，因此在近期內(nèi)不會(huì)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(duì)于土壤環(huán)境質(zhì)量的影響，主要是來(lái)自于煤矸石因長(zhǎng)期浸水后產(chǎn)生的淋溶水。因此，首先要在源頭上減少煤矸石的堆存數(shù)量，各大煤礦應(yīng)采取措施優(yōu)先綜合利用，利用不了的再選地堆存；在堆存過(guò)程中要按照《一般工業(yè)固體廢棄物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18599-2001)及其修改單的要求，在堆存場(chǎng)地周邊設(shè)置截排水溝并在煤矸石上方進(jìn)行遮蓋，防止連續(xù)降雨期間，周邊雨水匯入長(zhǎng)時(shí)間浸泡煤矸石產(chǎn)生淋溶水影響土壤環(huán)境。

3.2 過(guò)程控制

根據(jù)煤矸石淋溶試驗(yàn)結(jié)果，為第Ⅰ類一般工業(yè)固體廢物。根據(jù)《一般工業(yè)固體廢棄物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18599-2001)及其修改單的要求，在堆存期間，要在底部達(dá)到良好的防滲效果，一般采取底部土壤夯實(shí)等措施，若防滲效果不佳，則應(yīng)采取防滲工程，必要時(shí)對(duì)淋溶液進(jìn)行收集處理，以實(shí)現(xiàn)阻隔控制效果，減少或消除淋溶水下滲土壤，進(jìn)而下滲地下水。

4 結(jié)論

本文通過(guò)重金屬累積影響模型預(yù)測(cè)了煤矸石淋溶液中重金屬對(duì)周邊土壤環(huán)境的影響。隨著淋溶水中重金屬輸入時(shí)間的延長(zhǎng)，其累積量逐漸增加，但遠(yuǎn)小于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)本文從源頭控制和過(guò)程控制兩方面提出了針對(duì)性的保護(hù)措施，為以煤矸石為填充物的綜合利用的環(huán)境管理提供一定參考。