內(nèi)蒙古唐家會(huì)礦區(qū)煤矸石污染組分的淋濾特征研究

焦永進(jìn)，程愛民，翟恩發(fā)，常德喜，白鐵兵

(鄂爾多斯市華興能源有限責(zé)任公司唐家會(huì)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 引言

煤矸石是煤礦開采及洗選過程中的產(chǎn)物，現(xiàn)已成為我國產(chǎn)生量、累積量和儲(chǔ)存量最大的固體工業(yè)廢料[1～3]，存放到環(huán)境中的煤矸石數(shù)量每年以15～20 億t的速度增長[4]。煤矸石中的污染組分經(jīng)過長期的自然侵蝕，發(fā)生風(fēng)化、遷移，并隨降水滲進(jìn)土壤中[5]，污染地下水，會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題[6]，污染組分隨著大氣降水過程進(jìn)入到水體威脅到周邊的環(huán)境生態(tài)安全及人類的身體健康[7,8]。

目前，學(xué)者研究了有關(guān)煤矸石動(dòng)態(tài)淋濾[9,10]及煤矸石中重金屬的靜態(tài)淋溶[11,12]，為了更深入地了解煤矸石在露天堆放條件下雨水浸泡沖刷過程中污染組分的釋放規(guī)律，本文結(jié)合研究區(qū)的氣象和降雨條件，對(duì)采集的煤矸石樣進(jìn)行室內(nèi)間歇性淋濾實(shí)驗(yàn)，分析在降雨條件下煤矸石中污染組分的釋放規(guī)律，為煤矸石堆放場(chǎng)周圍地下水及地表水的污染治理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 研究區(qū)概況

唐家會(huì)礦區(qū)位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾煤田，該礦區(qū)屬于大陸性干旱氣候，主要植被為草地，礦區(qū)南邊地形起伏，地表景觀生態(tài)板塊破碎，受井工開采的影響，地表容易出現(xiàn)塌陷問題[13,14]。煤田地質(zhì)構(gòu)造較簡單，煤層的厚度深，可采煤層 5層，生產(chǎn)的長焰煤熱值在6000 kCal/kg以上[15]。礦井工業(yè)場(chǎng)包括主井、副井、風(fēng)井、主井生產(chǎn)系統(tǒng)，副井輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，風(fēng)井場(chǎng)地，生活福利區(qū)，動(dòng)力設(shè)施等。原煤運(yùn)到原煤緩沖倉后，再篩分破碎后進(jìn)入選煤廠生產(chǎn)系統(tǒng)，選后產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)品煤倉和汽車裝車倉進(jìn)行外運(yùn)。

2.2 樣品采集及運(yùn)輸

煤矸石樣品采自鄂爾多斯唐家會(huì)礦區(qū)臨時(shí)排矸場(chǎng)的新鮮樣品，采樣點(diǎn)如圖1所示。樣品運(yùn)輸及處理過程中不得接觸金屬及橡膠制品，室內(nèi)密封保存，采用人工破碎煤矸石的方法，使煤矸石碎樣粒徑直徑為2～6 cm，破碎后將不同種類的煤矸石采用四分法混合縮分，待用。

圖1 唐家會(huì)礦區(qū)采樣點(diǎn)

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

將直徑為2～6 cm大小的煤矸石塊填充到內(nèi)徑為10 cm、長度170 cm的有機(jī)玻璃柱內(nèi)，填充高度為160 cm，填充裝置見圖2。

圖2 間歇性淋濾實(shí)驗(yàn)裝置示意

利用SWAT模型中國大氣同化驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集得到研究區(qū)2016 年的全年逐日降雨量，根據(jù)研究區(qū)全年降雨、無雨天數(shù)及雨量大小來設(shè)計(jì)模擬淋濾實(shí)驗(yàn)條件，具體時(shí)間分配見表1。了解到研究區(qū)無酸雨記錄，所以模擬實(shí)驗(yàn)用水為去離子水。煤矸石淋濾實(shí)驗(yàn)?zāi)M的是研究區(qū)一年的降雨情況，故分為4 個(gè)周期，每周期30 d，每時(shí)期第一階段浸泡煤矸石4 d模擬降雨天氣，再放水檢測(cè)淋出液，之后煤矸石在無水條件下靜置7 d，模擬無降雨天氣；第二階段浸泡3 d，第三階段2 d，其他條件同第一階段相同。

表1 淋濾實(shí)驗(yàn)時(shí)間及周期

收集實(shí)驗(yàn)淋出液，按照表2相關(guān)研究方法進(jìn)行污染組分檢測(cè)并分析污染組分的釋放規(guī)律，分析項(xiàng)目包括TDS、pH值、F-、SO42-、總堿度、Cl-、總硬度及COD。

表2 淋濾液分析項(xiàng)目及方法[16]

3 結(jié)果與分析

3.1 污染組分變化分析

為了更加清楚地了解煤矸石山經(jīng)過雨水浸泡沖刷后所釋放出的污染組分，對(duì)9 種污染組分進(jìn)行了檢測(cè)分析。

如圖3 污染組分變化折線圖所示，除pH值外，其余各污染組分均隨實(shí)驗(yàn)周期呈降低趨勢(shì)，表明煤矸石中的各污染組分不斷被淋出，其可淋出含量越來越少。淋濾液的pH值變化不大，保持在中性左右，在Ⅱ期第1階段和IV期第1階段時(shí)pH值由高降低是因?yàn)槊喉肥械膲A性物質(zhì)在淋濾過程中逐漸被淋濾出來，導(dǎo)致后期pH值增高；TDS、總硬度和總堿度三者濃度隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間進(jìn)行總體變化類似，整體趨勢(shì)呈先快后慢下降。其中TDS濃度在Ⅲ期第1階段和Ⅳ期第1階段時(shí)出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)，說明新一期實(shí)驗(yàn)時(shí)期中煤矸石的TDS又被淋濾出；總硬度在Ⅱ期第3階段到Ⅲ期第1階段時(shí)上漲幅度較大，在Ⅳ期第2階段時(shí)降為整個(gè)周期最小值；總堿度在第Ⅱ期整體保持平穩(wěn)狀態(tài)，數(shù)值基本沒有變化，但在Ⅲ期下降較快，幅度也大，在Ⅲ期第3階段時(shí)下降到最低，為28.78 mg/L，之后隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間不斷波動(dòng)，在Ⅲ期第3階段時(shí)達(dá)到最低，為28.78 mg/L；淋濾液中的鈣離子變化趨勢(shì)同總硬度相同；氯離子濃度在前兩期實(shí)驗(yàn)中呈下降趨勢(shì)，但在后兩期整體呈上升趨勢(shì)。在Ⅱ期第2階段時(shí)降到最低為5.32 mg/L，平緩上升一段時(shí)間后在Ⅳ期第1階段時(shí)又下降至最低值；硫酸根濃度總體呈上下波動(dòng)狀，在Ⅱ期第3階段時(shí)上升后，持續(xù)下降至最低值9.4 mg/L，后又上升，最后Ⅳ期第3階段時(shí)又出現(xiàn)下降趨勢(shì)；濾液中氟離子濃度在4 個(gè)周期內(nèi)下降趨勢(shì)明顯，從Ⅲ期第1階段后呈現(xiàn)急劇下降情況。

圖3 污染組分變化折線

從4 個(gè)周期的淋濾實(shí)驗(yàn)看出，煤矸石中的各種污染組分隨淋濾液持續(xù)性釋放，具體釋放的周期還需進(jìn)一步繼續(xù)研究。但是對(duì)于實(shí)際情況中煤矸石的露天堆積問題需要采取一定的措施，減少或避免煤矸石淋濾液污染地表水，進(jìn)而對(duì)人類生活用水產(chǎn)生威脅。

3.2 相關(guān)性分析及主成分分析

由表3間歇浸泡指標(biāo)相關(guān)系數(shù)可知，COD濃度與其他污染組分相關(guān)性較弱，pH值與其他污染組分呈負(fù)相關(guān)且相關(guān)性較弱。總堿度與TDS、鈣離子、總硬度及硫酸根離子有顯著正相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)最高達(dá)到0.916。硫酸根與TDS、Cl-、鈣離子和總硬度的相關(guān)性系數(shù)分別為0.932、0.736、0.879和0.907，相關(guān)性顯著。Cl-與TDS相關(guān)性系數(shù)均達(dá)到0.8以上，呈顯著正相關(guān)關(guān)系。氟離子的濃度與總堿度有顯著的相關(guān)性，因此得出結(jié)論控制氟離子濃度必須重點(diǎn)關(guān)注總堿度。

表3 不同污染組分之間的相關(guān)性

表4和圖4為9種污染組分主成分分析的相關(guān)圖表。主成分分析是通過降低維度來提取主因子識(shí)別煤矸石淋出液中最主要的污染組分。結(jié)果利用主成分分析提取公因子，從而進(jìn)行因子分析。

表4 各污染組分含量主成分分析

圖4 主成分分析

主成分分析結(jié)果總體解釋了80.70%的變量方差貢獻(xiàn)率。第一主成分即因子載荷1解釋了67.61%的變量方差，主要載荷元素為TDS、鈣離子和總硬度；第二主成分即因子載荷2解釋了13.10%的變量方差，主要載荷元素為F-和pH值；因子載荷3解釋了9.13%的變量方差，主要載荷元素為pH值和COD。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)煤矸石淋濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)煤矸石污染組分在Ⅰ期內(nèi)的釋放量較大，Ⅱ和Ⅲ期呈波動(dòng)狀，Ⅳ期時(shí)趨于平穩(wěn)，整個(gè)淋濾過程較為漫長。在真實(shí)的礦區(qū)煤矸石大量堆積，隨著在各種環(huán)境條件下煤矸石逐漸崩解，被雨水浸泡過的煤矸石中的污染物總量逐漸上升。

(2)由污染物浸出相關(guān)性分析可知關(guān)鍵性指標(biāo)氟離子與總堿度有關(guān)，因此控制煤矸石的風(fēng)化過程與堿度值是控制氟離子濃度的關(guān)鍵。

(3)主成分分析結(jié)果解釋了80.70%的變量方差貢獻(xiàn)率，由第一主成分結(jié)果可知主要載荷元素為TDS、鈣離子和總硬度，這三種污染組分具有較強(qiáng)的同源性。