煤矸石淋溶液中的重金属对土壤环境的累积影响

吕 东

(山西省交通环境保护中心站有限公司，山西 太原 030006)

引 言

我国是煤炭开采大国，2019年全国原煤产量38.5亿t。煤矸石开采和洗选过程中产生的固体废弃物[1]，约占煤炭生产量的10%[2]。不同地区产生的煤矸石化学组成不同，其主要成分为SiO2和Al2O3，含量分别为40%～70%和13%～40%[3]，此外还存有汞、砷、铅、铬、镉等重金属元素。煤矸石在堆存过程中，如长时间浸水易形成淋溶液，淋溶液成分复杂，因其含有汞、砷、铅、铬、镉等重金属元素备受关注，其长时间累积将会对周围土壤环境造成破坏，进而影响地下水环境，最终通过食物链流入人体，影响人类身体健康。因此，对煤矸石淋溶液中的微量元素在土壤环境的累积效应的研究对于土壤环境污染防治措施的提出至关重要。

1 研究对象

1.1 煤矸石

本文研究对象为某煤矿所产二号煤层煤矸石，根据煤矸石淋溶试验结果，所测污染物浓度均未超过《污水综合排放标准》(GB8978-1996)及其修改单中最高允许排放浓度，pH值在6～9范围内，因此煤矸石属于第Ⅰ类一般工业固体废物。淋溶试验结果见表1。

1.2 土壤

本文土壤取自同一煤矿煤矸石堆放区周边未受煤矸石影响的背景表层土，取样深度为0 cm～20 cm，并检测了土壤的pH、镉、汞、砷、铅、铬的浓度，作为土壤质量背景浓度。此外，为了计算预测的需要，测定了土壤容重。检测结果见表2。

表1 煤矸石淋溶试验结果

表2 土壤检测结果

2 累积影响分析[4]

本次重金属累积性影响分析选用煤矸石淋溶试验结果中的砷(0.001 36 mg/L)、汞(0.000 04 mg/L)、铅(0.000 3 mg/L)、铬(0.000 11 mg/L)、镉(0.000 05 mg/L)作为评价因子。沉积进入土壤中的砷，由于土壤的吸附、络合、沉淀和阻留作用，绝大多数残留、累积在土壤中。根据其在土壤中的迁移转化及累积规律，土壤中重金属累积量采用式(1)模式。

W=K(B+R)

(1)

式中，W为重金属在土壤中的年累积量，mg/kg；B为区域土壤重金属含量背景值，mg/kg；R为土壤重金属年输入量，mg/kg；K为土壤重金属残留率，%；

假设土壤中重金属残留率保持不变(一般取90%)，则n年后土壤中重金属的累积量为式(2)。

(2)

式中，R包括了两部分输入量，即，自然输入量和本项目排放的输入量。土壤中自然背景值是自然输入量与自然淋溶迁移量的动态平衡，当自然输入量等于自然淋溶迁移量时，土壤背景值不衰减，B值不变。因此，R只考虑项目排放的输入量。当只考虑累积性影响增值，公式可简化为式(3)。

(3)

式中，Wn为污染物在土壤中的年累积性影响增值，mg/kg；R，为项目污染物年输入量，g；M为单位面积土壤的质量，kg/m2；K为污染物在土壤中的残留率，取0.9；n为年份。

据有关研究表明，在污染土壤中，重金属进入土壤后，由于土壤对它们的固定作用，不易向下迁移，多集中分布在表层。因此可取单位面积(1 m2)、厚20 cm表层土壤计算单位面积土壤的质量M(kg/m2)，M=单位面积(1 m2)×厚度(0.2 m)×土壤密度(取土壤质量现状结果2.57 g/cm3)/单位面积(1 m2)=514 kg/m2。

重金属的年输入量R，是通过当地多年平均降水量及其淋溶试验结果得到。多年渗入量见式(4)。

Q=P×α×F

(4)

式中，Q为多年平均入渗量，m3/a；P为多年平均降雨量，取540 mm；F为煤矸石堆放区面积，约65 400m2；α为降水入渗率，采用所在区域第四系全新统砂砾石类入渗系数，其值取0.25。

经计算，多年平均入渗量可达到8 829m3/a，砷(0.001 36 mg/L)、汞(0.000 04 mg/L)、铅(0.000 3 mg/L)、铬(0.000 11 mg/L)、镉(0.000 05 mg/L)的年输入量R，分别为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积量增值见表3。

叠加土壤背景值后各重金属元素在土壤中的累积量见表4。

表3 不同年份土壤中重金属累积量 mg/kg

表4 叠加土壤背景值后各重金属元素在土壤中的累积量

由表4可以看出，随着淋溶水中重金属输入时间的延长，重金属在土壤中的累积量逐步增加，但累积增加量非常小。由预测数据可知，20年后土壤中砷、汞、铅、铬、镉的累积量远小于《土壤环境质量标准 农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618-2018)pH>7.5相关标准限值，因此在近期内不会改变土壤的功能类别。

3 土壤污染防治措施

3.1 源头控制措施

煤矸石对于土壤环境质量的影响，主要是来自于煤矸石因长期浸水后产生的淋溶水。因此，首先要在源头上减少煤矸石的堆存数量，各大煤矿应采取措施优先综合利用，利用不了的再选地堆存；在堆存过程中要按照《一般工业固体废弃物贮存、处置场污染控制标准》(GB18599-2001)及其修改单的要求，在堆存场地周边设置截排水沟并在煤矸石上方进行遮盖，防止连续降雨期间，周边雨水汇入长时间浸泡煤矸石产生淋溶水影响土壤环境。

3.2 过程控制

根据煤矸石淋溶试验结果，为第Ⅰ类一般工业固体废物。根据《一般工业固体废弃物贮存、处置场污染控制标准》(GB18599-2001)及其修改单的要求，在堆存期间，要在底部达到良好的防渗效果，一般采取底部土壤夯实等措施，若防渗效果不佳，则应采取防渗工程，必要时对淋溶液进行收集处理，以实现阻隔控制效果，减少或消除淋溶水下渗土壤，进而下渗地下水。

4 结论

本文通过重金属累积影响模型预测了煤矸石淋溶液中重金属对周边土壤环境的影响。随着淋溶水中重金属输入时间的延长，其累积量逐渐增加，但远小于相关标准。同时本文从源头控制和过程控制两方面提出了针对性的保护措施，为以煤矸石为填充物的综合利用的环境管理提供一定参考。