煤矸石堆存對周邊水生態環境污染與治理的影響及修復措施探討

劉璐璐

（貴州省聚新水利綜合經營有限公司，貴州 貴陽 550000）

1 煤矸石污染現狀

1.1 煤矸石的產生及危害

煤矸石是煤礦開采和洗選過程中產生的固體廢棄物，煤礦的排矸量約占煤炭開采量的8%～20%，平均約為12%。自20世紀50年代以來，隨著煤礦采掘機械化的發展和原煤開采量的不斷增加，致使煤礦排出的煤矸石也在不斷增加。多年來，我國煤炭系統積存下來的廢棄煤矸石堆積如山，現在每年排放出1億多噸[1]。煤矸石露天堆放，一方面，壓占大量的土地，且暴露在空氣中極易發生一些物理化學反應，如發生自燃、揚塵等現象，因此，對礦區及其周邊地區的大氣、水體等造成了嚴重污染；另一方面，煤矸石山在外力的作用下還有可能發生坍塌、泥石流等地質危害，造成生態破壞、景觀破壞，極易引發社會問題，最終危害礦區的生態安全和人類健康。矸石堆場不但占用了大量土地，而且煤矸石中所含的黃鐵礦氧化后會釋放出氫根離子、二氧化硫、重金屬等有毒有害成分，進而污染大氣、水源和土壤，給自然環境和人們身體健康造成了嚴重危害。

1.2 煤矸石對水生態的污染

在自然環境中，降雨對煤矸石堆表面的擊濺和沖刷產生了水力侵蝕，一方面，會造成結合在矸石顆粒和矸石團聚體的污染物質的流失；另一方面，矸石中的硫化物（主要是黃鐵礦）在大氣中氧和降雨的作用下，通過微生物的催化發生氧化，會產生富含硫酸根、鐵、錳的酸性廢水。在暴雨徑流下，這些主要污染物質會形成低pH的酸性水且隨地表徑流匯入水體，造成了水體的污染和水生生態環境的破壞。地表徑流中的主要污染物質包括溶解態和侵蝕泥沙攜帶的顆粒態兩部分[2]，其特點是含有低酸堿度和高濃度的重金屬和其他有毒元素，可嚴重污染地表水和地下水[3]。

煤礦酸性水的pH值一般在3.0～5.0之間，但我國南方大部分地區酸性水的pH值介于2.3～5.7之間[4]。當低pH值的淋溶水進入水體時，會對生物產生巨大的影響，能消滅或抑制水中微生物的生長，妨礙微生物的活動，并降低水體的自凈能力。因此，如果酸性礦山的廢水隨意排放，就會對周圍環境和生態系統造成長期損害，且廢水中含有的有害金屬離子就會在動、植物體內富集，進而通過食物鏈威脅人體健康[5-6]。

自然堆放的煤矸石山一般坡度較大，有些煤矸石山的安息角高達40°以上。由于煤矸石的粒徑較大，在堆放初期，表面的煤矸石風化程度較低，煤矸石山的入滲能力較強。但隨著表面煤矸石風化程度的提高，入滲能力江逐漸降低，使煤矸石山的表面徑流加大，造成土壤的沖刷。近年來，煤矸石堆放一般需要經過壓實，但經過機械碾壓的煤矸石山表面會形成致密的“不滲層”，在暴雨天氣下其上覆蓋的表土極易造成嚴重的水土流失。

2 修復措施探討

在實際修復過程中，煤礦矸石周邊的水生態治理應遵循“以防為主，防治結合”的原則，并按照“因地制宜，綜合治理；整體規劃，分步實施；合理布局，加快建設”的方針進行。

2.1 煤矸石生態污染源頭治理探索

2.1.1 矸石堆存點的處理

傳統的排矸方式一般是先將矸石運到矸石山頂部，然后傾倒并使其自然滾落。這樣的“梯田”式堆積為矸石內部提供了大量氧氣，空隙的空氣中的氧氣會從中滲入，而矸石山的中下部硫鐵礦和炭質相對集中，易發生氧化[7]。因此，要降低污染，堆置地點需有效防止風蝕，還要保證堆積場不會發生二次污染。在處理過程中，通常選用石塊以及黏土對其進行覆蓋，這樣可以對地下水進行保護，防止硫氧化后污染源頭水源酸化水質；同時，還可以避免雨水在沿坡面流淌過程中沖刷覆土，造成矸石外露自燃[8]。并且，也可以將黃土等惰性物料覆蓋于燃燒區，以隔絕空氣，達到滅火的目的。覆蓋法滅火的關鍵是必須將黃土等惰性物料壓實，同時，覆蓋前煤矸石必須要經過一定程度的冷卻。目前，這種方法主要用于控制自燃煤矸石山火勢的蔓延或者用于防止煤矸石自燃，其效果非常好。

2.1.2 煤矸石在建筑材料方面的資源化利用

煤矸石的一個重要資源化利用就是燒結多孔磚[9]，其是以煤矸石的可燃物為自燃熱源，原料經粉碎、成型、干燥和焙燒等工序加工而成的一種性能優異的新型墻體材料，具有高孔洞率、高摻渣量、高強度和高保溫性能[10]。

煤矸石中的成分和黏土極為相似[8]，利用這一特性還可以代替黏土制備各種磚類產品，這也是煤矸石資源利用的主要途徑，是目前很受歡迎的一種建筑材料。還可以利用煤矸石生產磚瓦和水泥。未經自燃的煤矸石可用以配料制磚，并且可以利用其中所含的熱值，節約原料煤，這種方法投資不大，方法簡單，已廣泛應用。

制磚行業所消耗的矸石不僅量大，而且徹底。煤矸石磚的質量完全能滿足建筑行業的要求，其強度、耐酸堿和抗凍性均優于普通黏土磚。煤矸石磚的質量已經有國家標準，因此，可以在全國范圍內推廣使用。另外，煤矸石還可以代替全部或部分黏土，且可以作為生產普通水泥熟料的黏土質原料或作為鋁質校正原料，從而為生產水泥提供所需的硅、鋁成分[11-12]。

2.1.3 超積累植物生態修復探索

超積累植物是指能夠超量吸收重金屬并將其轉移到地上部的植物。例如：蜈蚣草富集金屬As，東南景天富集Zn，印度芥菜富集Cd和Zn。

超積累植物的主要特征為：能在體內積累高濃度的污染物，且在重金屬污染程度較高的土壤中，地上部生物量不會明顯減少；另外，即使污染物濃度較低，也有較高的積累速率；有的超積累植物能同時積累幾種金屬；植物在污染地生長快，生物量大。因此，要遵循“宜草則草、宜花則花”的思路，在煤矸石堆場周邊可根據重金屬的污染情況，來選取不同的富集植物進行種植，以降低矸石堆存造成的重金屬污染。典型的超積累植物詳見圖1。

圖1 幾種典型的重金屬超積累植物

2.1.4 保障措施

落實責任。各產生煤矸石的煤炭洗選企業是煤矸石污染整治的主體責任單位，各有關企業對檢查中發現的問題要實行清單式管理，發現一起，掛賬一起，整改一起，銷號一起，確保整治措施落實到位。各級環保部門也要對煤矸石污染整治強化監管責任，督促企業限期完成各項整改任務，落實各項管理制度，確保煤矸石污染防治落到實處。同時，要對煤炭洗選企業煤矸石的貯存和處置場進行大排查、嚴治理，切實做到不留死角、不留盲區、不走過場，以更加細實的作風，抓好煤矸石污染整治工作。同時，還要加大對煤炭加工洗選企業對于煤矸石的貯存、處置不規范、違反環評制度等環境違法行為的打擊力度，對無貯存、處置場亂傾亂倒以及未按期完成治理任務的企業責令其停產、停業整頓，構成移送條件的要移送司法機關進行處理。

2.2 阻斷煤矸石生態污染過程的探索

2.2.1 堆場淋溶水引渠

為了避免酸性淋溶水直接排入河流，堆場旁可修建多條排水溝，以降低矸石受到的雨水沖刷，且排水溝之間可通過邊坡導流渠串聯起來，將雨水匯集，并統一回收處理。

2.2.2 多級復氧反應池沉淀去除Fe

黃鐵礦是貴州煤矸石的主要成分，黃鐵礦的連續氧化反應會造成水體酸化，因此，去除酸性廢水中Fe離子成為了研究的關鍵。根據貴州廢棄煤礦分布特征和廢水排放特點，楊紹章等發現了以碳酸鹽巖為主要反應介質中和處理煤礦酸性廢水的技術方法，且處理效果顯著[13-14]。碳酸鹽巖作為煤礦酸性廢水治理的反應介質，經過在反應池中的多級反應，對于提升廢水中的pH值及去除Fe離子具有很好效果[15]，同時，反應體系中形成的鐵氧化物沉積物對廢水中其他金屬離子也有很好的吸附共沉淀作用[16]。

2.3 煤矸石生態污染末端治理探索

2.3.1 植物覆蓋下水生態修復探討

在實際修復過程中，植被的選擇應同時具備功能性、多樣性以及季節的變化性，設計也需著重關注環境的生態性，再通過特殊的設計手法將植物合理地搭配組合，從而在特殊的地點利用合理的植物發揮其生態效用，達到調整生態環境的目的。

從修復水生態系統出發，可以植上草坪或灌木。植被覆蓋可有效地減少煤矸石地表污染物質的遷移，這與植被浸蝕作用與莖葉對降雨的截留作用、根系對土壤的固結作用和植被對徑流傳遞的阻礙作用有密切的關系[17]，而植被對煤矸石堆徑流中的污染物質也有一定的抗沖和抗蝕攔截能力，可以作為水生態保護的屏障，并且，植被種植還可以起到美化景觀的作用。在選用修復植物的時候，可以選擇經濟的植物進行種植，如紫花苜蓿等，也可選擇適宜當地種植的植物。

2.3.2 水生植物的生態修復探討

由于酸性廢水的排入，會使河流中的pH值變低，導致水中的動植物出現大量死亡的情況，使生態系統遭到嚴重地破壞，而水生植物本身就有凈水功能，其根系可以吸附一些污染物，同時還可以產生氧氣，增加水中溶解氧的濃度；其根系分泌物也可以增強微生物的活性能力，增強污染水體的凈化能力，從而達到降低水體污染的目的。因此，水生植物的種植可以成為水生態恢復的重要措施。

3 結論

（1）煤矸石堆場會占用大量土地，且矸石中所含的硫化物、重金屬等有毒有害成分會污染水源，而酸性礦山廢水任意排放對生物產生了很強的沖擊力，其能消滅或抑制水中微生物的生長，妨礙水體自凈，也會對周圍環境和生態系統造成長期損害，最終通過食物鏈威脅人體健康。

（2）矸石堆存點通常選用石塊以及黏土對其進行覆蓋，防止硫氧化后污染源頭水源，酸化水質；同時還可以防止雨水在沿坡面流淌過程中沖刷覆土，避免矸石外露自燃。

（3）煤矸石燒結多孔磚是以煤矸石為主要原料，以煤矸石的可燃物為自燃熱源，原料經粉碎、成型、干燥和焙燒等工序加工而成的一種性能優異的新型墻體材料。

（4）可根據煤矸石堆場的金屬污染情況，選取不同的富集植物進行種植，以此高效修復周邊的水生態環境，為水生態系統做好第一道屏障。

（5）為了避免酸性淋溶水直接排入河流，堆場旁可修建多條排水溝，以排除矸山上的雨水沖刷，而排水溝之間由邊坡導流渠串聯起來，最終將雨水匯集排走并進行統一收集回收處理。

（6）根據貴州廢棄煤礦分布特征和廢水排放特點，可應用以碳酸鹽巖為主要反應介質中和處理煤礦酸性廢水的技術方法，且處理效果顯。

（7）在河流和堆場中間植上草坪或灌木，可有效地減少煤矸石地表污染物質的遷移，對煤矸石堆徑流中的污染物質也會有一定的抗沖和抗蝕攔截能力。

（8）水生植物本身就有凈水功能，其根系可以吸附一些污染物，同時還可以產生氧氣，增加水中溶解氧的濃度，其根系的分泌物還可以增強微生物的活性能力，進而提高污染水體的凈化能力。