煤矸石堆存對(duì)周邊水生態(tài)環(huán)境污染與治理的影響及修復(fù)措施探討

劉璐璐

（貴州省聚新水利綜合經(jīng)營(yíng)有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 煤矸石污染現(xiàn)狀

1.1 煤矸石的產(chǎn)生及危害

煤矸石是煤礦開采和洗選過程中產(chǎn)生的固體廢棄物，煤礦的排矸量約占煤炭開采量的8%～20%，平均約為12%。自20世紀(jì)50年代以來，隨著煤礦采掘機(jī)械化的發(fā)展和原煤開采量的不斷增加，致使煤礦排出的煤矸石也在不斷增加。多年來，我國(guó)煤炭系統(tǒng)積存下來的廢棄煤矸石堆積如山，現(xiàn)在每年排放出1億多噸[1]。煤矸石露天堆放，一方面，壓占大量的土地，且暴露在空氣中極易發(fā)生一些物理化學(xué)反應(yīng)，如發(fā)生自燃、揚(yáng)塵等現(xiàn)象，因此，對(duì)礦區(qū)及其周邊地區(qū)的大氣、水體等造成了嚴(yán)重污染；另一方面，煤矸石山在外力的作用下還有可能發(fā)生坍塌、泥石流等地質(zhì)危害，造成生態(tài)破壞、景觀破壞，極易引發(fā)社會(huì)問題，最終危害礦區(qū)的生態(tài)安全和人類健康。矸石堆場(chǎng)不但占用了大量土地，而且煤矸石中所含的黃鐵礦氧化后會(huì)釋放出氫根離子、二氧化硫、重金屬等有毒有害成分，進(jìn)而污染大氣、水源和土壤，給自然環(huán)境和人們身體健康造成了嚴(yán)重危害。

1.2 煤矸石對(duì)水生態(tài)的污染

在自然環(huán)境中，降雨對(duì)煤矸石堆表面的擊濺和沖刷產(chǎn)生了水力侵蝕，一方面，會(huì)造成結(jié)合在矸石顆粒和矸石團(tuán)聚體的污染物質(zhì)的流失；另一方面，矸石中的硫化物（主要是黃鐵礦）在大氣中氧和降雨的作用下，通過微生物的催化發(fā)生氧化，會(huì)產(chǎn)生富含硫酸根、鐵、錳的酸性廢水。在暴雨徑流下，這些主要污染物質(zhì)會(huì)形成低pH的酸性水且隨地表徑流匯入水體，造成了水體的污染和水生生態(tài)環(huán)境的破壞。地表徑流中的主要污染物質(zhì)包括溶解態(tài)和侵蝕泥沙攜帶的顆粒態(tài)兩部分[2]，其特點(diǎn)是含有低酸堿度和高濃度的重金屬和其他有毒元素，可嚴(yán)重污染地表水和地下水[3]。

煤礦酸性水的pH值一般在3.0～5.0之間，但我國(guó)南方大部分地區(qū)酸性水的pH值介于2.3～5.7之間[4]。當(dāng)?shù)蚿H值的淋溶水進(jìn)入水體時(shí)，會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生巨大的影響，能消滅或抑制水中微生物的生長(zhǎng)，妨礙微生物的活動(dòng)，并降低水體的自凈能力。因此，如果酸性礦山的廢水隨意排放，就會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成長(zhǎng)期損害，且廢水中含有的有害金屬離子就會(huì)在動(dòng)、植物體內(nèi)富集，進(jìn)而通過食物鏈威脅人體健康[5-6]。

自然堆放的煤矸石山一般坡度較大，有些煤矸石山的安息角高達(dá)40°以上。由于煤矸石的粒徑較大，在堆放初期，表面的煤矸石風(fēng)化程度較低，煤矸石山的入滲能力較強(qiáng)。但隨著表面煤矸石風(fēng)化程度的提高，入滲能力江逐漸降低，使煤矸石山的表面徑流加大，造成土壤的沖刷。近年來，煤矸石堆放一般需要經(jīng)過壓實(shí)，但經(jīng)過機(jī)械碾壓的煤矸石山表面會(huì)形成致密的“不滲層”，在暴雨天氣下其上覆蓋的表土極易造成嚴(yán)重的水土流失。

2 修復(fù)措施探討

在實(shí)際修復(fù)過程中，煤礦矸石周邊的水生態(tài)治理應(yīng)遵循“以防為主，防治結(jié)合”的原則，并按照“因地制宜，綜合治理；整體規(guī)劃，分步實(shí)施；合理布局，加快建設(shè)”的方針進(jìn)行。

2.1 煤矸石生態(tài)污染源頭治理探索

2.1.1 矸石堆存點(diǎn)的處理

傳統(tǒng)的排矸方式一般是先將矸石運(yùn)到矸石山頂部，然后傾倒并使其自然滾落。這樣的“梯田”式堆積為矸石內(nèi)部提供了大量氧氣，空隙的空氣中的氧氣會(huì)從中滲入，而矸石山的中下部硫鐵礦和炭質(zhì)相對(duì)集中，易發(fā)生氧化[7]。因此，要降低污染，堆置地點(diǎn)需有效防止風(fēng)蝕，還要保證堆積場(chǎng)不會(huì)發(fā)生二次污染。在處理過程中，通常選用石塊以及黏土對(duì)其進(jìn)行覆蓋，這樣可以對(duì)地下水進(jìn)行保護(hù)，防止硫氧化后污染源頭水源酸化水質(zhì)；同時(shí)，還可以避免雨水在沿坡面流淌過程中沖刷覆土，造成矸石外露自燃[8]。并且，也可以將黃土等惰性物料覆蓋于燃燒區(qū)，以隔絕空氣，達(dá)到滅火的目的。覆蓋法滅火的關(guān)鍵是必須將黃土等惰性物料壓實(shí)，同時(shí)，覆蓋前煤矸石必須要經(jīng)過一定程度的冷卻。目前，這種方法主要用于控制自燃煤矸石山火勢(shì)的蔓延或者用于防止煤矸石自燃，其效果非常好。

2.1.2 煤矸石在建筑材料方面的資源化利用

煤矸石的一個(gè)重要資源化利用就是燒結(jié)多孔磚[9]，其是以煤矸石的可燃物為自燃熱源，原料經(jīng)粉碎、成型、干燥和焙燒等工序加工而成的一種性能優(yōu)異的新型墻體材料，具有高孔洞率、高摻渣量、高強(qiáng)度和高保溫性能[10]。

煤矸石中的成分和黏土極為相似[8]，利用這一特性還可以代替黏土制備各種磚類產(chǎn)品，這也是煤矸石資源利用的主要途徑，是目前很受歡迎的一種建筑材料。還可以利用煤矸石生產(chǎn)磚瓦和水泥。未經(jīng)自燃的煤矸石可用以配料制磚，并且可以利用其中所含的熱值，節(jié)約原料煤，這種方法投資不大，方法簡(jiǎn)單，已廣泛應(yīng)用。

制磚行業(yè)所消耗的矸石不僅量大，而且徹底。煤矸石磚的質(zhì)量完全能滿足建筑行業(yè)的要求，其強(qiáng)度、耐酸堿和抗凍性均優(yōu)于普通黏土磚。煤矸石磚的質(zhì)量已經(jīng)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，因此，可以在全國(guó)范圍內(nèi)推廣使用。另外，煤矸石還可以代替全部或部分黏土，且可以作為生產(chǎn)普通水泥熟料的黏土質(zhì)原料或作為鋁質(zhì)校正原料，從而為生產(chǎn)水泥提供所需的硅、鋁成分[11-12]。

2.1.3 超積累植物生態(tài)修復(fù)探索

超積累植物是指能夠超量吸收重金屬并將其轉(zhuǎn)移到地上部的植物。例如：蜈蚣草富集金屬As，東南景天富集Zn，印度芥菜富集Cd和Zn。

超積累植物的主要特征為：能在體內(nèi)積累高濃度的污染物，且在重金屬污染程度較高的土壤中，地上部生物量不會(huì)明顯減少；另外，即使污染物濃度較低，也有較高的積累速率；有的超積累植物能同時(shí)積累幾種金屬；植物在污染地生長(zhǎng)快，生物量大。因此，要遵循“宜草則草、宜花則花”的思路，在煤矸石堆場(chǎng)周邊可根據(jù)重金屬的污染情況，來選取不同的富集植物進(jìn)行種植，以降低矸石堆存造成的重金屬污染。典型的超積累植物詳見圖1。

圖1 幾種典型的重金屬超積累植物

2.1.4 保障措施

落實(shí)責(zé)任。各產(chǎn)生煤矸石的煤炭洗選企業(yè)是煤矸石污染整治的主體責(zé)任單位，各有關(guān)企業(yè)對(duì)檢查中發(fā)現(xiàn)的問題要實(shí)行清單式管理，發(fā)現(xiàn)一起，掛賬一起，整改一起，銷號(hào)一起，確保整治措施落實(shí)到位。各級(jí)環(huán)保部門也要對(duì)煤矸石污染整治強(qiáng)化監(jiān)管責(zé)任，督促企業(yè)限期完成各項(xiàng)整改任務(wù)，落實(shí)各項(xiàng)管理制度，確保煤矸石污染防治落到實(shí)處。同時(shí)，要對(duì)煤炭洗選企業(yè)煤矸石的貯存和處置場(chǎng)進(jìn)行大排查、嚴(yán)治理，切實(shí)做到不留死角、不留盲區(qū)、不走過場(chǎng)，以更加細(xì)實(shí)的作風(fēng)，抓好煤矸石污染整治工作。同時(shí)，還要加大對(duì)煤炭加工洗選企業(yè)對(duì)于煤矸石的貯存、處置不規(guī)范、違反環(huán)評(píng)制度等環(huán)境違法行為的打擊力度，對(duì)無貯存、處置場(chǎng)亂傾亂倒以及未按期完成治理任務(wù)的企業(yè)責(zé)令其停產(chǎn)、停業(yè)整頓，構(gòu)成移送條件的要移送司法機(jī)關(guān)進(jìn)行處理。

2.2 阻斷煤矸石生態(tài)污染過程的探索

2.2.1 堆場(chǎng)淋溶水引渠

為了避免酸性淋溶水直接排入河流，堆場(chǎng)旁可修建多條排水溝，以降低矸石受到的雨水沖刷，且排水溝之間可通過邊坡導(dǎo)流渠串聯(lián)起來，將雨水匯集，并統(tǒng)一回收處理。

2.2.2 多級(jí)復(fù)氧反應(yīng)池沉淀去除Fe

黃鐵礦是貴州煤矸石的主要成分，黃鐵礦的連續(xù)氧化反應(yīng)會(huì)造成水體酸化，因此，去除酸性廢水中Fe離子成為了研究的關(guān)鍵。根據(jù)貴州廢棄煤礦分布特征和廢水排放特點(diǎn)，楊紹章等發(fā)現(xiàn)了以碳酸鹽巖為主要反應(yīng)介質(zhì)中和處理煤礦酸性廢水的技術(shù)方法，且處理效果顯著[13-14]。碳酸鹽巖作為煤礦酸性廢水治理的反應(yīng)介質(zhì)，經(jīng)過在反應(yīng)池中的多級(jí)反應(yīng)，對(duì)于提升廢水中的pH值及去除Fe離子具有很好效果[15]，同時(shí)，反應(yīng)體系中形成的鐵氧化物沉積物對(duì)廢水中其他金屬離子也有很好的吸附共沉淀作用[16]。

2.3 煤矸石生態(tài)污染末端治理探索

2.3.1 植物覆蓋下水生態(tài)修復(fù)探討

在實(shí)際修復(fù)過程中，植被的選擇應(yīng)同時(shí)具備功能性、多樣性以及季節(jié)的變化性，設(shè)計(jì)也需著重關(guān)注環(huán)境的生態(tài)性，再通過特殊的設(shè)計(jì)手法將植物合理地搭配組合，從而在特殊的地點(diǎn)利用合理的植物發(fā)揮其生態(tài)效用，達(dá)到調(diào)整生態(tài)環(huán)境的目的。

從修復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)出發(fā)，可以植上草坪或灌木。植被覆蓋可有效地減少煤矸石地表污染物質(zhì)的遷移，這與植被浸蝕作用與莖葉對(duì)降雨的截留作用、根系對(duì)土壤的固結(jié)作用和植被對(duì)徑流傳遞的阻礙作用有密切的關(guān)系[17]，而植被對(duì)煤矸石堆徑流中的污染物質(zhì)也有一定的抗沖和抗蝕攔截能力，可以作為水生態(tài)保護(hù)的屏障，并且，植被種植還可以起到美化景觀的作用。在選用修復(fù)植物的時(shí)候，可以選擇經(jīng)濟(jì)的植物進(jìn)行種植，如紫花苜蓿等，也可選擇適宜當(dāng)?shù)胤N植的植物。

2.3.2 水生植物的生態(tài)修復(fù)探討

由于酸性廢水的排入，會(huì)使河流中的pH值變低，導(dǎo)致水中的動(dòng)植物出現(xiàn)大量死亡的情況，使生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重地破壞，而水生植物本身就有凈水功能，其根系可以吸附一些污染物，同時(shí)還可以產(chǎn)生氧氣，增加水中溶解氧的濃度；其根系分泌物也可以增強(qiáng)微生物的活性能力，增強(qiáng)污染水體的凈化能力，從而達(dá)到降低水體污染的目的。因此，水生植物的種植可以成為水生態(tài)恢復(fù)的重要措施。

3 結(jié)論

（1）煤矸石堆場(chǎng)會(huì)占用大量土地，且矸石中所含的硫化物、重金屬等有毒有害成分會(huì)污染水源，而酸性礦山廢水任意排放對(duì)生物產(chǎn)生了很強(qiáng)的沖擊力，其能消滅或抑制水中微生物的生長(zhǎng)，妨礙水體自凈，也會(huì)對(duì)周圍環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成長(zhǎng)期損害，最終通過食物鏈威脅人體健康。

（2）矸石堆存點(diǎn)通常選用石塊以及黏土對(duì)其進(jìn)行覆蓋，防止硫氧化后污染源頭水源，酸化水質(zhì)；同時(shí)還可以防止雨水在沿坡面流淌過程中沖刷覆土，避免矸石外露自燃。

（3）煤矸石燒結(jié)多孔磚是以煤矸石為主要原料，以煤矸石的可燃物為自燃熱源，原料經(jīng)粉碎、成型、干燥和焙燒等工序加工而成的一種性能優(yōu)異的新型墻體材料。

（4）可根據(jù)煤矸石堆場(chǎng)的金屬污染情況，選取不同的富集植物進(jìn)行種植，以此高效修復(fù)周邊的水生態(tài)環(huán)境，為水生態(tài)系統(tǒng)做好第一道屏障。

（5）為了避免酸性淋溶水直接排入河流，堆場(chǎng)旁可修建多條排水溝，以排除矸山上的雨水沖刷，而排水溝之間由邊坡導(dǎo)流渠串聯(lián)起來，最終將雨水匯集排走并進(jìn)行統(tǒng)一收集回收處理。

（6）根據(jù)貴州廢棄煤礦分布特征和廢水排放特點(diǎn)，可應(yīng)用以碳酸鹽巖為主要反應(yīng)介質(zhì)中和處理煤礦酸性廢水的技術(shù)方法，且處理效果顯。

（7）在河流和堆場(chǎng)中間植上草坪或灌木，可有效地減少煤矸石地表污染物質(zhì)的遷移，對(duì)煤矸石堆徑流中的污染物質(zhì)也會(huì)有一定的抗沖和抗蝕攔截能力。

（8）水生植物本身就有凈水功能，其根系可以吸附一些污染物，同時(shí)還可以產(chǎn)生氧氣，增加水中溶解氧的濃度，其根系的分泌物還可以增強(qiáng)微生物的活性能力，進(jìn)而提高污染水體的凈化能力。