煤矸石中砷的淋溶析出規(guī)律

蘇華美,　王　智,　劉志斌

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 阜新 123000;2.牙克石市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局, 內(nèi)蒙古 牙克石 022150)

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煤矸石中砷的淋溶析出規(guī)律

蘇華美1,王智2,劉志斌1

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 遼寧 阜新 123000;2.牙克石市安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局, 內(nèi)蒙古 牙克石 022150)

為了得到煤矸石中砷的析出規(guī)律,采用模擬天然降水的淋溶實(shí)驗(yàn)法對(duì)其進(jìn)行研究。結(jié)果表明,淋溶液的pH值對(duì)煤矸石中砷的淋溶析出量影響較大,淋溶液的酸性越強(qiáng),煤矸石中砷的析出量越大。初始淋溶時(shí),砷的析出量相對(duì)較大,隨著淋溶量的增加,砷的析出量逐漸降低。裸露堆放煤矸石的淋溶是砷污染的重要途徑和影響生態(tài)環(huán)境的重要因素。

煤矸石; 砷; 淋溶實(shí)驗(yàn)

砷是一種蓄積性元素,通過(guò)呼吸和消化系統(tǒng)進(jìn)入人體,經(jīng)血流分布于全身各部位,可引起慢性中毒、致畸、致癌、致突變[1],嚴(yán)重危害人體健康。由有關(guān)煤中砷的文獻(xiàn)[2-7]統(tǒng)計(jì)分析可知,我國(guó)煤中砷的分布范圍在0～10 μg/g,算術(shù)平均值為5 μg/g左右,與世界煤中砷平均值相近。砷元素從煤中析出的途徑不同,其影響的對(duì)象和程度也不同。如煤燃燒過(guò)程中,砷元素隨飛灰、微顆粒物進(jìn)入大氣,首先對(duì)大氣造成影響,露天堆放的煤矸石不僅占據(jù)大量土地,而且極易發(fā)生風(fēng)化,加之長(zhǎng)期降雪、降雨淋溶和自身所載水分的作用,發(fā)生一系列物理化學(xué)變化,其含有的有害雜質(zhì)主要是硫化物、碳酸鹽類化合物及汞、鉛、砷等重金屬,隨淋溶液滲入地表,污染了地表水體和農(nóng)田,給附近居民和牲畜的生存造成了威脅。

淋溶是微量元素從煤矸石中析出的重要途徑,在具有游離氧的大氣降雨作用下,會(huì)使煤矸石中的硫化鐵發(fā)生氧化反應(yīng),生成硫酸和硫酸鐵,使水溶液更加酸化,被膠體吸附的砷元素釋放出來(lái),更使砷元素的氫氧化物和碳酸鹽溶解,使其進(jìn)入地表水、土壤及地下水,被動(dòng)物、植物及人體吸收后,通過(guò)食物鏈形成長(zhǎng)期性的、累積性的危害。其影響程度取決于淋溶液中有毒害元素的排放情況及所在地的環(huán)境地質(zhì)條件等因素。文中采用模擬天然降水的淋溶實(shí)驗(yàn)方法研究了煤矸石中砷的析出規(guī)律。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)地處陜西、內(nèi)蒙古交界處,屬華北聚煤區(qū),煤質(zhì)主要為煙煤。地層主要為三疊系、侏羅系、白堊系和第四系。礦區(qū)分為兩個(gè)井田,境內(nèi)有烏蘭木倫河,氣候?qū)俦睖貛О敫珊荡箨懶詺夂?冬寒夏熱,多季風(fēng),降雨集中在秋季。土壤主要為砂巖風(fēng)化土、風(fēng)沙土,土體結(jié)構(gòu)松散,土壤養(yǎng)分含量缺磷,少氮,鉀有余,有機(jī)質(zhì)含量低,肥力極低,pH值為7.5～9.0。植被屬草原植被類型。

2　材料與方法

采用“蛇形布點(diǎn)法”對(duì)所研究礦區(qū)現(xiàn)使用的排矸場(chǎng)采樣,所采試樣為新排放未風(fēng)化的煤矸石,共取10個(gè)樣點(diǎn),并采用“四分法”使試樣達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需質(zhì)量。根據(jù)煤中砷的測(cè)定方法對(duì)煤矸石試樣中砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定,結(jié)果為16.142 μg/g。

實(shí)驗(yàn)裝置為高25 cm,內(nèi)徑5 cm的有機(jī)玻璃管淋溶柱。淋溶柱底部依次鋪1 cm厚細(xì)砂、1 cm厚粗砂、約5 cm厚煤矸石(根據(jù)大量研究[8-9],選擇粒度小于3 mm的煤矸石100 g)和1 cm厚粗砂(圖1)。研究區(qū)降雨pH 平均值在 5.0～5.6[10],考慮不同酸堿度對(duì)煤矸石中砷元素淋出率的影響,模擬雨水選擇pH值為5的鹽酸水溶液和pH值為7的蒸餾水分別淋溶煤矸石。實(shí)驗(yàn)所有器皿用酸浸泡,去離子水沖洗。根據(jù)礦區(qū)所在地年均降雨量415 mm,確定淋溶總量V為900 mL,每次淋溶100 mL,淋溶流速控制在20滴/min,淋溶裝置見(jiàn)圖1。按國(guó)標(biāo)GB 7485—87《二乙基二硫代氨基甲酸銀分光光度法》測(cè)定淋出液中砷的質(zhì)量濃度ρ。

圖1　淋溶裝置

3　結(jié)果與分析

模擬淋溶實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知,淋溶液pH=5時(shí)煤矸石中砷的淋出量高于pH=7時(shí),說(shuō)明煤矸石中砷的淋溶析出量隨淋溶液酸性增強(qiáng)而增大,淋溶液pH值越低,淋出液中砷質(zhì)量濃度越高。

表1　煤矸石中砷元素的淋溶析出量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明酸雨會(huì)增加煤矸石中砷污染地下水的風(fēng)險(xiǎn)。大量研究結(jié)果證實(shí),煤或煤矸石中的砷與三態(tài)硫密切相關(guān)[11]。砷與無(wú)機(jī)硫化物結(jié)合形成雄黃、雌黃、砷黃鐵礦,并多存在于Cu、Zn、Pb等元素的硫化物礦物中,常和黃銅礦、黃鐵礦、閃鋅礦共生。淋溶過(guò)程中砷的硫化物將和黃鐵礦一樣,發(fā)生如下反應(yīng),使一部分As淋溶出來(lái)。

pH值越低,H+增多,會(huì)使得煤矸石中的可交換砷增多,從而有利于煤矸石中砷的淋出。

4　環(huán)境影響評(píng)價(jià)

煤矸石對(duì)環(huán)境的影響主要是通過(guò)雨水淋溶造成的,隨淋溶液析出的微量元素進(jìn)入土壤,或匯入河流,會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。淋溶液對(duì)土壤的危害具有一定的局域性,通常使排矸場(chǎng)周邊的土壤有毒害微量元素得到富集,使局部地區(qū)土壤受到污染。淋溶實(shí)驗(yàn)煤矸石樣品為100 g,含砷總量為1 614.2 μg。通過(guò)900 mL不同pH(5和7)的淋溶液淋溶,根據(jù)表1,得出煤矸石淋出液含砷總量分別為7.51和3.54 μg。煤矸石淋溶時(shí)砷的析出量與煤矸石中砷的總含量的比值即為煤矸石淋溶時(shí)砷的析出率。據(jù)此可計(jì)算出,新排放煤矸石經(jīng)過(guò) 1 a雨水淋溶,煤矸石中砷的析出率,分別為0.539%和0.263%。

為計(jì)算礦區(qū)每年新排放煤矸石淋溶對(duì)環(huán)境的影響,引入煤矸石中砷的淋溶污染參數(shù)L,即1 kg煤矸石經(jīng)過(guò) 1 a雨水淋溶釋放的砷元素量。由污染參數(shù)可計(jì)算礦區(qū)年排放煤矸石經(jīng)雨水淋溶一年向環(huán)境所釋放的砷總量為

m=mcL,

式中:mc——礦區(qū)年排放煤矸石總量,t;

L——煤矸石中砷的淋溶污染參數(shù),μg /(kg·a)。

所研究礦區(qū)年排放煤矸石174.2×104t,經(jīng)計(jì)算可知,礦區(qū)煤矸石中砷的年釋放量分別為130.82(pH=5)和61.67(pH=7)kg。

5　結(jié)束語(yǔ)

文中采用模擬天然降水的淋溶實(shí)驗(yàn)方法研究了煤矸石中砷的析出規(guī)律。結(jié)果表明,在煤矸石的淋溶過(guò)程中,淋溶液的pH值對(duì)煤矸石中砷的析出有很大的影響,淋溶液的酸性越強(qiáng),煤矸石中砷的析出量就越大。初始淋溶時(shí),砷的析出量相對(duì)較大,隨著淋溶量的增加,砷的析出量逐漸降低。新排放煤矸石中砷通過(guò)淋溶方式的年析出率較低,僅為0.26%～0.54%,但釋放總量較大,且析出過(guò)程是持續(xù)的,對(duì)礦區(qū)周邊生態(tài)環(huán)境影響嚴(yán)重。

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(編輯王冬)

Leaching release law of arsenic in coal gangue

SUHuamei1,WANGZhi2,LIUZhibin1

(1.College of Environmental Science & Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;2.Yakeshi Administration of Work Safety, Yakeshi 022150, China)

Aimed at an insight into the law underlying arsenic release from coal gangue, this paper introduces the study of the law using leaching experiment marked by simulating natural precipitation. The results show that, the pH value of leaching liquor exerts a great influence on the arsenic amount leached from coal gangue, meaning that a higher acidity of leaching liquor produces a greater arsenic amount leached from coal gangue. The initial leaching triggers a relatively large arsenic content precipitated from coal gangue, followed by the gradually decreasing arsenic content due to the increase in leaching amount. The leaching of coal gangue exposed to air is the main contributor to arsenic pollution and an important factor affecting ecological environment.

coal gangue; arsenic; leaching experiment

2013-07-21

國(guó)家自然基金煤炭聯(lián)合基金項(xiàng)目(51174266)

蘇華美(1987-),女,遼寧省阜新人,碩士,研究方向:環(huán)境影響評(píng)價(jià),E-mail:shm_2878@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.004

X752

1671-0118(2013)05-0421-03

A