煤矸石淋溶液重金屬釋放規(guī)律與生物毒性研究

杜雪虹，劉芳池，李向東

(中國礦業(yè)大學(xué) 環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引 言

煤炭資源作為我國的主要天然能源，一直以來支撐著我國經(jīng)濟的發(fā)展。在煤炭開發(fā)與利用的過程中，伴生的煤矸石成為了我國排放量最大的工業(yè)副產(chǎn)物。我國煤矸石堆積存儲量較多，自煤炭規(guī)?；_采以來煤矸石的累計排放量約50億t，規(guī)模較大的煤矸石山1 900余座，占地面積約15 000 hm2，同時以每年1.5億～2.0億t的速度增加[1]。煤矸石中含有多種重金屬元素、放射性元素等有害物質(zhì)，在其露天堆放的過程中，經(jīng)過風(fēng)化、日曬、雨淋等作用，會發(fā)生一系列的生物、化學(xué)以及物理反應(yīng)，使矸石中的有害物質(zhì)被釋放，這些污染物質(zhì)的遷移會威脅到周圍的地下水以及土壤環(huán)境[2-3]。因此，目前相關(guān)研究極為重視煤矸石淋溶液對周邊土壤、地下水等造成的影響，研究方法以動態(tài)淋溶或者靜態(tài)浸泡為主，基于對溶出成分的分析評價作為標準，判斷煤矸石淋濾過程中的環(huán)境效應(yīng)[4-7]。

煤矸石成分復(fù)雜，含有多種重金屬元素，由于重金屬的毒性及其生物放大效應(yīng)，過量重金屬的存在干擾了地下水、土壤的有益利用[8-9]。目前，最適合的生物測定方法是利用發(fā)光菌來評估重金屬毒性[10]。發(fā)光菌是一類在正常的生理條件下能夠發(fā)射波長在450～490 nm的藍綠色可見光的細菌，并且在一定的條件下發(fā)光強度恒定[11]。毒性物質(zhì)會抑制發(fā)光菌的發(fā)光作用，因此研究中多利用發(fā)光菌來檢測有毒物質(zhì)。目前國內(nèi)常用的發(fā)光菌包括明亮發(fā)光桿菌、費氏弧菌和青海弧菌。發(fā)光菌的生命周期短，對周圍環(huán)境變化較為敏感[12]，并且由于檢測過程費時較少、靈敏度高、操作簡便、結(jié)果準確等優(yōu)點而受到重視，同時還有助于了解不同濃度梯度下的重金屬毒性[13]，因此在環(huán)境檢測中的應(yīng)用也越來越廣泛，如工業(yè)廢水與土壤中重金屬污染的毒性檢測以及農(nóng)藥殘留毒性測試等[14-15]。

1 樣品與分析

1.1 樣品采集與處理

試驗所用的煤矸石樣品采集于貴州某礦區(qū)的矸石堆場，采于較為分散的不同位置的采樣點，采集后的煤矸石在實驗室的陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，得到混合粒徑煤矸石樣品。對混合粒徑煤矸石進行篩分處理，得到小、中、大3種粒徑的矸石樣，其中小粒徑<1 mm、中粒徑1～10 mm、大粒徑10～30 mm，煤矸石中主要的金屬成分見表1。

表1 煤矸石中主要的金屬成分

1.2 淋溶試驗

1)靜態(tài)淋溶，稱取10.0 g混合粒徑的煤矸石置于100 mL燒杯中，分別向燒杯中注入20、40、80 mL去離子水，使浸泡實驗的固液比分別為1∶2、1∶4、1∶8，振蕩搖勻，浸泡0.5、1、2、4、8、12和24 h后，取上清液過0.45 μm濾膜后，進行各類指標測定。為探究不同粒徑煤矸石靜態(tài)淋溶特征，分別稱取10.0 g小粒徑、中粒徑和大粒徑的煤矸石置于100 mL燒杯中，注入20 mL去離子水，振蕩搖勻，浸泡0.5、1、2、4、8、12和24 h后，取上清液過0.45 μm濾膜后，進行各類指標測定。

2)動態(tài)淋溶，動態(tài)淋溶裝置為PVC柱形管，管徑5 mm，高10 mm。稱取50 g不同粒徑煤矸石樣品置于PVC管中，并在底部和頂部分別鋪設(shè)2 mm厚的石英砂(粒徑為0.85～1.70 mm)。通過蠕動泵向裝置中噴淋去離子水，蠕動泵的噴淋強度設(shè)為0.36 mL/min。以裝置出水時開始計時，連續(xù)噴淋24 h。在3、6、12、18、24 h時分別取樣，進行各類指標測定。

1.3 急性毒性試驗

利用明亮發(fā)光桿菌T3法，將上述動態(tài)淋溶試驗中，淋溶3 h后的淋溶液及稀釋100倍的淋溶液進行明亮發(fā)光菌急性毒性測試，該法以水樣的相對發(fā)光度來表示水樣的毒性水平，急性毒性的分級標準見表2[16]。使用菌種為明亮發(fā)光桿菌T3小種(PhotobacteriumphoshoreumT3spp.)凍干粉，水質(zhì)急性毒性水平選用相當?shù)膮⒈任锫然瘉肀碚?。試驗所用儀器：Glomax Multi型微孔板型多功能檢測儀、BL22-500A超聲波清洗機、96孔細胞培養(yǎng)板。

表 2 發(fā)光細菌法測定水質(zhì)毒性的分級標準

1.3.1 明亮發(fā)光桿菌的復(fù)蘇

將明亮發(fā)光桿菌T3凍干粉按照國標[17]進行復(fù)蘇。取出含有0.2 g發(fā)光細菌凍干粉安瓿瓶和氯化鈉溶液，放入置有冰塊的小號(1.0～1.5 L)保溫瓶，用l mL注射器吸取l mL冷的氯化鈉 (10-2g/mL) 注入已開口的凍干粉西林瓶，充分混勻。2 min后，細菌復(fù)蘇并發(fā)光(可在暗室內(nèi)檢驗，肉眼應(yīng)見微光)，備用。取復(fù)蘇后的發(fā)光菌液0.1 mL，用2.5%氯化鈉溶液稀釋到10 mL，使用微孔多功能檢測儀測定初始發(fā)光強度。

1.3.2 分析方法

將每個樣品設(shè)置3個平行。同時設(shè)置96孔板第1行為陰性質(zhì)控，第2行為陽性質(zhì)控。各孔中加入樣品液180 μL和菌液20 μL，總體積為200 μL。放入儀器進行測試，以此為樣品初始發(fā)光強度記做S0；記錄陰性質(zhì)控(3% NaCl)初始發(fā)光強度為C0；陽性質(zhì)控(0.1 mg/L氯化汞)當做樣品處理。

設(shè)置15 min的反應(yīng)時間，然后使用微孔板型多功能檢測儀測定受試樣品中發(fā)光菌的發(fā)光強度，記錄t時刻，陰性質(zhì)控初始發(fā)光強度為Ct；樣品初始發(fā)光強度記做St；相對發(fā)光度記作T;陽性質(zhì)控當做樣品處理，初始發(fā)光強度記作Pt。根據(jù)測定結(jié)果計算相對發(fā)光度(%)，并算出平均值。

T=St/Ct×100%

(1)

2 結(jié)果討論

2.1 靜態(tài)淋溶特征分析

2.1.1 煤矸石固液比對重金屬釋放的影響

將混合粒徑的煤矸石分別以1∶2、1∶4、1∶8的固液比進行靜態(tài)淋溶試驗，固液比對pH以及硫酸根、各金屬含量的影響如圖1和圖2所示。不同固液比下，浸出液的pH隨時間增加均表現(xiàn)出顯著的下降趨勢，浸泡時間分別為1 h和8 h時，降低最為明顯。固液比為1∶8時的pH明顯大于1∶2和1∶4時。pH值整體逐漸降低是由于氫離子對煤矸石礦相的侵蝕作用。Fe、Mn的浸出量最大且浸出規(guī)律較為相似，浸出量隨時間的延長顯著增加，且均在浸泡前期處于緩慢釋放階段，后期處于快速釋放階段，2者均屬于較易釋放元素。固液比為1∶2、1∶4、1∶8時，F(xiàn)e、Mn的最大浸出率分別為0.23%、0.19%、0.07%和32.75%、28.55%、14.35%，可見固液比越大越利于重金屬溶出。硫酸根的釋放量在不同固液比下均存在顯著差異，其含量表現(xiàn)為1∶2>1∶4>1∶8。

圖1 不同固液比下煤矸石靜態(tài)淋溶液pH值、Fe、Mn和濃度變化Fig.1 Changes of pH values, Fe, Mn and contents in coal gangue static leaching solution with different solid-liquid ratios

圖2 不同固液比下煤矸石靜態(tài)淋溶液重金屬濃度變化Fig.2 Changes of heavy metal content in coal gangue static leaching solution with different solid-liquid ratios

不同固液比條件下，Zn、Pb、Cu、Cd等4種重金屬含量存在顯著差異，均表現(xiàn)為1∶2>1∶4>1∶8。隨著浸泡時間的增加，Zn、Cd含量變化略平緩，僅在極小范圍內(nèi)波動。Cu、Pb的釋放較為復(fù)雜，屬于間歇式釋放，特別是在固液比為1∶4和1∶8時，浸出過程中Cu和Pb的釋放量出現(xiàn)了2次峰值，第1次峰值的出現(xiàn)說明在浸泡前期，煤矸石中的易交換態(tài)的Cu、Pb被釋放；第2次峰值的出現(xiàn)說明了煤矸石中Cu、Pb的存在形式除易交換態(tài)外還有氧化態(tài)和絡(luò)合態(tài)。此結(jié)果與ZHANG等[18]所得結(jié)論相似。

2.1.2 煤矸石粒徑對重金屬釋放的影響

圖3 不同粒徑煤矸石靜態(tài)淋溶液pH值、Fe、Mn和濃度變化Fig.3 Changes of pH values, Fe, Mn and in static leaching solutions of gangue with different particle sizes

圖4 不同粒徑煤矸石靜態(tài)淋溶液重金屬濃度變化Fig.4 Changes of heavy metal content in static leaching solution of gangue with different particle sizes

2.2 動態(tài)淋溶特征分析

2.2.1 各重金屬的淋溶規(guī)律

圖5 不同粒徑煤矸石動態(tài)淋溶液pH值、Fe、Mn和濃度變化Fig.5 Changes of pH values, Fe, Mn and contents in dynamic leaching solutions of gangue with different particle sizes

圖6 不同粒徑煤矸石動態(tài)淋溶液重金屬濃度變化Fig.6 Changes of heavy metal content in dynamic leaching solution of gangue with different particle sizes

2.2.2 煤矸石淋濾液中重金屬的累計釋放量

重金屬的累計釋放量是評價重金屬危害的重要依據(jù)，表示在淋濾期間內(nèi)的全部淋濾液中重金屬的絕對質(zhì)量。王心義等[25]在研究矸石堆放對土壤的重金屬污染效應(yīng)時，發(fā)現(xiàn)重金屬的總量是一個必要的參數(shù)值，且其總量越高，對環(huán)境的危害就越大。煤矸石淋濾液中重金屬的累計釋放量計算公式：

(2)

式中：q為金屬累計釋放量；n為采樣總次數(shù)；Ci為第i次采樣淋出液中重金屬的濃度；Vi為第i次淋出液的體積；m為柱內(nèi)矸石質(zhì)量。得到不同粒徑淋溶液中重金屬累計釋放量見表3。

表3 煤矸石中重金屬累計釋放量

由表3可知，小、中、大3種粒徑煤矸石的重金屬累計釋放量為Fe>Mn>Zn>Cu>Cd>Pb，而混合粒徑煤矸石的重金屬累計釋放量為Fe>Mn>Zn>Cu>Pb>Cd 。對比各重金屬在不同粒徑條件下的累計釋放量可發(fā)現(xiàn)，中粒徑的Fe、Mn累計釋放量最大，分別為152.940、42.690 mg/kg；小粒徑的Zn、Cu、Cd累計釋放量最大，分別為3.753、0.511、0.037 mg/kg。煤矸石的粒徑對其中重金屬的累計釋放量存在影響。

2.2.3 煤矸石中各種金屬的遷移方程

根據(jù)動態(tài)淋溶試驗結(jié)果，利用2次回歸方程對淋溶液中各重金屬的釋放量隨時間的變化進行擬合。2次回歸方程為：Y=A+B1x+B2x2。擬合結(jié)果見表4和表5。

表4 不同粒徑煤矸石中各重金屬釋放量回歸擬合

表5 不同粒徑煤矸石中各重金屬釋放量回歸擬合

觀察回歸系數(shù)B1、B2，可以發(fā)現(xiàn)當淋溶小粒徑煤矸石時，重金屬的釋放速率為Fe>Mn>Zn>Cu>Cd>Pb；淋溶中粒徑煤矸石時，重金屬釋放速率為Fe>Mn>Cu>Zn>Cd>Pb；當淋溶大粒徑煤矸石時，重金屬釋放速率為Fe>Mn>Cu>Zn>Cd>Pb；當淋溶混合粒徑煤矸石時，重金屬釋放速率為Fe>Mn>Cu>Zn>Cd>Pb。煤矸石中的重金屬釋放速率并沒有因其粒徑的不同而呈現(xiàn)出較為明顯的變化，這與李萬鵬[26]所得結(jié)論相似。

根據(jù)擬合方程可知，重金屬的溶出量隨著淋溶時間的增長而增加，二者呈多項式關(guān)系[27]。淋溶初期重金屬的釋放速率較快，但隨著淋溶時間的延長，重金屬的溶出速率隨之逐漸減緩，淋溶后期重金屬以穩(wěn)定釋放的方式進行。因此，在煤矸石堆放的過程中，重金屬的釋放量會日漸達到平衡。

2.3 生物毒性分析

明亮發(fā)光菌急性毒性實驗結(jié)果見表6，淋溶3 h后，淋溶液pH值較低、重金屬含量較高。不同粒徑煤矸石淋溶液的相對發(fā)光度均為0，屬于劇毒溶液。稀釋100倍后，各類污染物含量小于淋溶24 h后的淋溶液，然而其相對發(fā)光強度為60%左右，處于中毒水平。相對發(fā)光強度為中粒徑<混合粒徑<小粒徑<大粒徑，而相對發(fā)光強度越小，溶液所表現(xiàn)出的毒性越高，由此可知本次試驗中，中粒徑煤矸石淋溶液毒性最高。

表6 不同粒徑煤矸石淋溶液急性毒性

將煤矸石淋溶液重金屬含量對明亮發(fā)光桿菌活性影響的相關(guān)性進行分析，結(jié)果見表7?？梢钥闯?種重金屬的含量均與菌活性為負相關(guān)，即均對其表現(xiàn)出抑制性。金屬含量對發(fā)光菌活性影響相關(guān)性的相關(guān)系數(shù)的絕對值越大，發(fā)光菌受到的毒性越大[28]。因此，發(fā)光菌對淋出液中不同重金屬元素的敏感性表現(xiàn)為Zn>Pb>Mn>Fe>Cu>Cd，其中Zn、Pb、Mn等3種重金屬的相關(guān)性最高，對明亮發(fā)光桿菌的生物活性起主要的抑制作用。

表7 重金屬含量對明亮發(fā)光桿菌活性影響相關(guān)性

3 結(jié) 論

1)不同固液比條件下煤矸石靜態(tài)淋出液的pH、硫酸根以及重金屬含量不同。固液比越大，靜態(tài)淋出液的pH、硫酸根以及Fe、Mn元素的含量越大；淋溶過程中重金屬元素Zn、Pb、Cu、Cd的溶出量隨固液比的增加并未表現(xiàn)出明顯的增加；不同粒徑煤矸石浸出液的pH及各重金屬元素的溶出量在短期內(nèi)的波動性較大，大粒徑煤矸石的金屬溶出率最低，中粒徑略大于小粒徑。

2)動態(tài)淋溶時，隨著淋溶時間的增加，不同粒徑的煤矸石淋出液pH值隨之不斷增加，硫酸根、重金屬元素隨之呈現(xiàn)出較為明顯的下降趨勢。不同粒徑的煤矸石其重金屬元素的累計釋放量也不同，中粒徑的Fe、Mn累計釋放量最大；小粒徑的Zn、Cu、Cd累計釋放量最大。重金屬的溶出量與淋溶時間呈多項式關(guān)系，煤矸石中重金屬的釋放速率并未因粒徑不同而表現(xiàn)出明顯的變化。根據(jù)擬合方程可知煤矸石在堆放過程中的重金屬釋放會日漸平衡。

3)通過明亮發(fā)光桿菌T3對淋溶3 h時的淋溶液進行了生物毒性分析。樣品溶液未稀釋時呈劇毒狀態(tài)，稀釋100倍后不同粒徑淋溶液的相對發(fā)光強度在56%～65%，中粒徑淋溶液的發(fā)光強度為56%，毒性相對較大。相關(guān)性分析表明6種重金屬均對發(fā)光菌的活性表現(xiàn)出抑制性，Zn、Pb、Mn等3種重金屬起主要抑制作用。