两种水系覆盖对富硫煤矸石的原位污染控制效果*

姚伦芳 吴永贵 付天岭

(1.贵州交通职业技术学院， 贵阳 550008； 2.贵州大学资源与环境工程学院， 贵阳 550025)

两种水系覆盖对富硫煤矸石的原位污染控制效果*

姚伦芳1吴永贵2付天岭2

(1.贵州交通职业技术学院， 贵阳 550008； 2.贵州大学资源与环境工程学院， 贵阳 550025)

水系覆盖；粉煤灰；垃圾渗滤液；煤矸石；原位控制

煤矸石是采煤过程和洗煤过程中排放的固体废物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石，占采煤总量的10%～25%[1]。燃煤消耗的不断增加，使得煤矸石的产量也随之增加，但与之相应的煤矸石资源化利用水平依然处于较低水平[2]，大量未经处理的煤矸石均是露天堆放。由于水、氧气、微生物等因素联合作用，露天堆放的煤矸石产生了大量的煤矿酸性废水(AMD)[3-4]，这些废水含有较高浓度的重金属离子和其他有毒有害物质，并且占用大量土地，产生扬尘和有毒气体，这将对土壤、水体和大气环境造成极大危害[5-7]。目前，针对矿区煤矸石所造成的严重环境污染，国内外都予以高度重视并采取了相应的控制措施，但是，传统的煤矸石污染控制大多为末端治理技术[8]，由于煤矸石长年累月污染的释放，导致处理成本更高和处理周期更长。因此，积极研发煤矸石污染的源头控制技术是当前严峻形势下的迫切要求。

针对煤矸石污染的原位控制研究，国内外的主要技术有水系覆盖、表面覆盖[9](表面覆土、添加石灰等碱性物质[10]和覆盖富含有机质物质的活性污泥或堆肥[11-12]等)、钝化剂[13]及杀菌剂[14]处理等，水系覆盖有浅水、池塘浸没[15-16]、地下矿井水淹封闭、尾矿水下储存煤矸石[17]，以及向浸没液中添加碱性物质等，煤矸石的氧化受到碱性物质和有机物质的抑制，能从源头上有效控制煤矸石污染。在诸多方法中利用粉煤灰和垃圾渗滤液做覆盖材料还少见报道。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验用煤矸石样品来自贵州省贵阳市花溪麦坪乡处于开采煤矿区的矸石堆场，煤矸石表面已部分风化。采用便携式X射线荧光光谱分析仪测定煤矸石样品的基本元素组成。煤矸石样品带回实验室风干。并粉碎过2 mm尼龙筛备用；粉煤灰样品采自贵州省贵阳电厂，干灰；垃圾渗滤液样品采自贵州省贵阳市高雁垃圾填埋场渗滤液收集池。

1.2 实验设计及方法

1.3 数据统计与分析

所有数据分析采用DPS2000统计分析软件包和Origin8.5作图。处理间的差异显著性用单因子方差分析(ANOVA)测验；处理间平均数差异显著性的多重比较采用Duncan’s新复极差法， 进而评价不同处理污染物质溶出的控制效果。

2 结果及讨论

2.1 实验样品的基本特征

实验用煤矸石样品主要含有Si(62.26±0.85)、Al(13.02±0.99)、Fe(86.97±0.61)、Mn(0.52±0.07)、K(10.40±0.28)、Ca(4.32±0.17)、Ti(8.92±0.10) g/kg，含有微量的Cu(0.120±0.016)、Zn(0.101±0.011)、Cr(0.067±0.020)、V(0.323±0.060) g/kg等，这些重金属元素均为有毒有害重金属元素，可以通过风化淋溶作用从煤矸石中溶出释放进入水体或渗入土壤，从而会严重影响周边及下游的水生和农业生态系统[18-19]。此外，煤矸石中还含有7.27%左右的S， 煤矸石中主要以还原性S为主，此处全部以还原性S计，参照Sobek产酸潜力计算方法[20]，样品中总酸(H2SO4) 潜力约为222 kg/t，呈现出较强的产酸能力.

2.2 不同水系覆盖处理上覆水样中pH、EC、Eh的变化规律

对照处理上覆水样中的pH从初始浸泡液的7.43下降到1w后的4.79，1.5 y后降至2.52(图1a)；EC在起始的2周内维持在较低水平(650 μs/cm左右)，稍高于浸没液自来水的EC值(554 μs/cm，1.5 y后升高到3 730 μs/cm 较高水平(图1b))；同时Eh 1.5 y后上升到502 mv(图1c)。

图1 不同处理上覆水样pH(a)、EC(b)、Eh(c)的变化规律

粉煤灰还含有较为丰富的硅、铝、钙等氧化物[23]，随着其中氧化钙等物质的溶出，可以中和煤矸石产生的AMD，使上覆水体稳定维持在微碱性环境[24]；同样地，由于有机物的耗氧特性，可以较好的阻隔氧气与煤矸石的氧化，有机质还能为水体提供碳酸氢根，进而形成氢氧化钙等物质，为整个水体环境提供了一个相对还原且微碱性的环境[10]。

相对比于本课题组对于同一煤矸石样品进行的暴露在空气中的煤矸石的淋溶实验结果，对照组中的水系覆盖处理各污染离子浓度已经显著降低，说明在一定时间期限内，水系覆盖处理可以通过上覆水体阻隔氧气的进入，有效抑制煤矸石氧化产酸及自身污染物质的溶出。但是随着时间的推移，其处理效果仍会逐渐减弱。

2.3 不同处理上覆水样中主要污染离子溶出变化

这主要是由于煤矸石是新近开采的，只有轻微的表面风化，随着浸没时间的延长，在浸没液溶解性氧和煤矸石已有的Fe(Ⅲ)和氧化亚铁硫杆菌等产酸微生物的作用下，导致煤矸石中的污染离子持续溶出[21-22]。

图2不同处理上覆水样离子浓度的变化规律

1.5 y后不同水系覆盖处理方差分析及多重比较结果表明:两种水系覆盖之间在pH、Eh及各种污染离子溶出浓度上没有显著性差异，其中ppH=0.088 3、pEh=0.458 5、pFe=0.852 2、pMn=0.114 4、pCu=0.805 9、pZn=0.870 4、pF-=0.368 2。

2.4 不同处理上覆水氧化亚铁含量和比率

为进一步研究水系覆盖对煤矸石污染的控制效果，在实验1.5 y后，检测了各上覆水样中亚铁离子含量在总铁中的比率。结果表明:对照组亚铁离子含量16.3 mg/L，在总铁中占4.6%，而碱性水系覆盖和有机水系覆盖中亚铁含量分别为0.05 mg/L、0.27 mg/L，其占有比率分别为25.4%、46.2%(总铁、亚铁含量较低，数据上有一定的不确定性)，铁离子的比率明显高于对照组。由此可知，碱性水系覆盖处理和有机水系覆盖处理能有效抑制亚铁向高价铁的转换，进而抑制煤矸石的氧化。

3 结论

碱性水系覆盖和有机水系覆盖能有效抑制含硫煤矸石中有毒有害污染物的溶出。

[1] 姜振泉, 李雷. 煤矸石的环境问题及其资源化利用[J]. 环境科学研究,1998,11(3):57-59.

[2] 李琦, 孙根年, 韩亚芬，等.我国煤矸石资源化再生利用途径的分析[J].煤炭转化，2007, 30 (1): 78-82.

[3] Akcil A , Koldas S. Acid Mine Drainage(AMD): cause, treatment and case studies[J]. Journal of Cleaner Production, 2006(14): 1139-1145.

[4] Singh G,Bhamagar M.Inhibition of bacterial activity in acid mine drainage[J]. International Journal of Mine Water,1988,7(3):7-26.

[5] 叶吉文,沈国栋,路露. 煤矸石的危害与综合利用[J].中国资源综合利用,2010,28(5):32-34.

[6] 刘迪.煤矸石的危害及其资源化利用进展[J]. 气象与环境学报,2006,22(3):60-62.

[7] 罗凯,张建国.矿山酸性废水治理研究现状[J]. 资源环境与工程,2005,15(1):45-49.

[8] 潘科,李正山.矿山酸性废水治理技术及其发展趋势[J]. 四川环境,2007,26(5):83-86.

[9] Romanoa C G,Mayer K U, Jones D R,et al.Effectiveness of various cover scenarios on the rate of sulfide oxidation of mine tailings[J].Journal of Hydrology,2003,271(1-4):171-187.

[10] Hallberg R O,Granhagen J R,Liljemarket A.A fly ash/biosludge dry cover for the mitigation of AMD at the Falun Mine[J].Chemie Der Erde-Geochemistry,2005,65:43-63.

[11] Peppas A,Komnitsas K,Halikia I.Use of organic covers for acid mine drainage control[J].Minerals Engineering,2000,13 (5):563-574.

[12] Lindsay M B J,Blowes D W,Condon P D. et al. Organic carbon amendments for passive in situ treatment of mine drainage: Field experiments[J]. Applied Geochemistry,2011，26(7): 1169-1183.

[13]蔡美芳,党志.磁黄铁矿氧化机理及酸性矿山废水防治的研究进展[J].环境污染与防治，2006,28(1):58-61.

[14] 胡振琪, 张明亮, 马保国，等. 利用专性杀菌剂进行煤矸石山酸化污染原位控制试验[J].环境科学研究,2008,21(5):23-26.

[15] Li M G , Aube B C , St-Arnaud L C . Considerations in the use of shallow water covers for decommissioning reactive tailings[C]. Proceedings of the Fourth International Conference on Acid Rock Drainage. Vancouver, BC, 1997：115-30.

[16] Holmstrom H, Ljungberg J, Ohlander B.The character of the suspended and dissolved phases in the water cover of the flooded mine tailings at Stekenjokk,northern Sweden[J].Science of the Total Environment,2000,247(1):15-31.

[17] Johnson D B,Hallberg K B.Acid mine drainage remediation options:a review[J]. Science of the Total Environment,2005,38(1-2):3-14.

[18] 吴永贵,林初夏,童晓立,等.大宝山矿水外排的环境影响:Ⅰ下游水生生态系统[J].生态环境，2005,14(2):165-168.

[19] 林初夏,卢文洲,吴永贵, 等.大宝山矿水外排的环境影响: Ⅱ农业生态系统[J].生态环境，2005,14(2):169-172.

[20] Wong J W C, Ip C M,Wong M H.Acid-forming capacity of lead-zinc mine tailings and its implications for mine rehabilitation[J]. Environmental Geochemistry and Health,1998,20:149-155.

[21] Schrenk M O,Edwards K J,Goodman R M,et al.Distribution of Thiobacillus ferrooxidans and Leptospirillum ferrooxidans: Implications for Generation of Acid Mine Drainage[J]. Science，1998,279(5356)：1519-1522.

[22] Hulshof A H,Blowes D W,Ptacek C J, et al.Microbial and Nutrient Investigations into the Use of in Situ Layers for Treatment of Tailings Effluent[J]. Environ. Sci. Technol，2003，37(21)： 5027-5033.

[23] Misra M,Yang K,Mehta R K.Application of fly ash in the agglomeration of reactive mine tailings[J]. Journal of Hazardous Materials,1996,51(1-3):181-192.

[24] 胡振琪,张明亮,马保国,等.粉煤灰防治煤矸石酸性与重金属复合污染[J].煤炭学报,2009,34(01):79-83.

[25] Hedin R S,Narin R W, Robert L P. Kleinmann.Passive treatment of coal mine drainage[J]. Bureau of Mines Informition Circular, 1994,6： 30-35.

[26] Skousen J G,Sexstone A，Ziemkiewicz P F，et al.Acid mine drainage control and treatment[J]. Reclamation of Drastically Disturbed Lands, 2000,41：11-15.

[27] 戴树桂.环境化学[M].北京:高等教育出版社，2006：193-204，281.

[28] 王家玲，李顺鹏，黄正.环境微生物学(第二版) [M].北京:高等教育出版社, 2004：92-93.

In situ control of two water covers on sulfur-rich coal gangue contamination

Yao Lunfang1，Wu Yonggui2，Fu Tianling2

(1.Guizhou Polytechnic College of Communications, Guiyang 550008；2.College of Resources and Environmental Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025)

water cover；fly ash；landfill leachate；coal gangue；in situ control

* 国家自然科学基金面上项目(20977020)；教育部211 重点学科建设项目(211KST200902)；贵州省重大科技专项(黔科合重大专项字[2012]6009-7 号)

2015-05-13；2015-05-18修回

姚伦芳，男，1987年生，硕士，研究方向：污染环境生态修复。E-mail：lfyao87@126.com

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