內蒙古唐家會礦區煤矸石污染組分的淋濾特征研究

焦永進，程愛民，翟恩發，常德喜，白鐵兵

(鄂爾多斯市華興能源有限責任公司唐家會煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

1 引言

煤矸石是煤礦開采及洗選過程中的產物，現已成為我國產生量、累積量和儲存量最大的固體工業廢料[1～3]，存放到環境中的煤矸石數量每年以15～20 億t的速度增長[4]。煤矸石中的污染組分經過長期的自然侵蝕，發生風化、遷移，并隨降水滲進土壤中[5]，污染地下水，會造成嚴重的環境問題[6]，污染組分隨著大氣降水過程進入到水體威脅到周邊的環境生態安全及人類的身體健康[7,8]。

目前，學者研究了有關煤矸石動態淋濾[9,10]及煤矸石中重金屬的靜態淋溶[11,12]，為了更深入地了解煤矸石在露天堆放條件下雨水浸泡沖刷過程中污染組分的釋放規律，本文結合研究區的氣象和降雨條件，對采集的煤矸石樣進行室內間歇性淋濾實驗，分析在降雨條件下煤矸石中污染組分的釋放規律，為煤矸石堆放場周圍地下水及地表水的污染治理提供一定的科學依據。

2 實驗材料及方法

2.1 研究區概況

唐家會礦區位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾煤田，該礦區屬于大陸性干旱氣候，主要植被為草地，礦區南邊地形起伏，地表景觀生態板塊破碎，受井工開采的影響，地表容易出現塌陷問題[13,14]。煤田地質構造較簡單，煤層的厚度深，可采煤層 5層，生產的長焰煤熱值在6000 kCal/kg以上[15]。礦井工業場包括主井、副井、風井、主井生產系統，副井輔助生產系統，風井場地，生活福利區，動力設施等。原煤運到原煤緩沖倉后，再篩分破碎后進入選煤廠生產系統，選后產品進入產品煤倉和汽車裝車倉進行外運。

2.2 樣品采集及運輸

煤矸石樣品采自鄂爾多斯唐家會礦區臨時排矸場的新鮮樣品，采樣點如圖1所示。樣品運輸及處理過程中不得接觸金屬及橡膠制品，室內密封保存，采用人工破碎煤矸石的方法，使煤矸石碎樣粒徑直徑為2～6 cm，破碎后將不同種類的煤矸石采用四分法混合縮分，待用。

圖1 唐家會礦區采樣點

2.3 實驗方法

將直徑為2～6 cm大小的煤矸石塊填充到內徑為10 cm、長度170 cm的有機玻璃柱內，填充高度為160 cm，填充裝置見圖2。

圖2 間歇性淋濾實驗裝置示意

利用SWAT模型中國大氣同化驅動數據集得到研究區2016 年的全年逐日降雨量，根據研究區全年降雨、無雨天數及雨量大小來設計模擬淋濾實驗條件，具體時間分配見表1。了解到研究區無酸雨記錄，所以模擬實驗用水為去離子水。煤矸石淋濾實驗模擬的是研究區一年的降雨情況，故分為4 個周期，每周期30 d，每時期第一階段浸泡煤矸石4 d模擬降雨天氣，再放水檢測淋出液，之后煤矸石在無水條件下靜置7 d，模擬無降雨天氣；第二階段浸泡3 d，第三階段2 d，其他條件同第一階段相同。

表1 淋濾實驗時間及周期

收集實驗淋出液，按照表2相關研究方法進行污染組分檢測并分析污染組分的釋放規律，分析項目包括TDS、pH值、F-、SO42-、總堿度、Cl-、總硬度及COD。

表2 淋濾液分析項目及方法[16]

3 結果與分析

3.1 污染組分變化分析

為了更加清楚地了解煤矸石山經過雨水浸泡沖刷后所釋放出的污染組分，對9 種污染組分進行了檢測分析。

如圖3 污染組分變化折線圖所示，除pH值外，其余各污染組分均隨實驗周期呈降低趨勢，表明煤矸石中的各污染組分不斷被淋出，其可淋出含量越來越少。淋濾液的pH值變化不大，保持在中性左右，在Ⅱ期第1階段和IV期第1階段時pH值由高降低是因為煤矸石中的堿性物質在淋濾過程中逐漸被淋濾出來，導致后期pH值增高；TDS、總硬度和總堿度三者濃度隨實驗時間進行總體變化類似，整體趨勢呈先快后慢下降。其中TDS濃度在Ⅲ期第1階段和Ⅳ期第1階段時出現明顯上升趨勢，說明新一期實驗時期中煤矸石的TDS又被淋濾出；總硬度在Ⅱ期第3階段到Ⅲ期第1階段時上漲幅度較大，在Ⅳ期第2階段時降為整個周期最小值；總堿度在第Ⅱ期整體保持平穩狀態，數值基本沒有變化，但在Ⅲ期下降較快，幅度也大，在Ⅲ期第3階段時下降到最低，為28.78 mg/L，之后隨實驗時間不斷波動，在Ⅲ期第3階段時達到最低，為28.78 mg/L；淋濾液中的鈣離子變化趨勢同總硬度相同；氯離子濃度在前兩期實驗中呈下降趨勢，但在后兩期整體呈上升趨勢。在Ⅱ期第2階段時降到最低為5.32 mg/L，平緩上升一段時間后在Ⅳ期第1階段時又下降至最低值；硫酸根濃度總體呈上下波動狀，在Ⅱ期第3階段時上升后，持續下降至最低值9.4 mg/L，后又上升，最后Ⅳ期第3階段時又出現下降趨勢；濾液中氟離子濃度在4 個周期內下降趨勢明顯，從Ⅲ期第1階段后呈現急劇下降情況。

圖3 污染組分變化折線

從4 個周期的淋濾實驗看出，煤矸石中的各種污染組分隨淋濾液持續性釋放，具體釋放的周期還需進一步繼續研究。但是對于實際情況中煤矸石的露天堆積問題需要采取一定的措施，減少或避免煤矸石淋濾液污染地表水，進而對人類生活用水產生威脅。

3.2 相關性分析及主成分分析

由表3間歇浸泡指標相關系數可知，COD濃度與其他污染組分相關性較弱，pH值與其他污染組分呈負相關且相關性較弱。總堿度與TDS、鈣離子、總硬度及硫酸根離子有顯著正相關性，相關性系數最高達到0.916。硫酸根與TDS、Cl-、鈣離子和總硬度的相關性系數分別為0.932、0.736、0.879和0.907，相關性顯著。Cl-與TDS相關性系數均達到0.8以上，呈顯著正相關關系。氟離子的濃度與總堿度有顯著的相關性，因此得出結論控制氟離子濃度必須重點關注總堿度。

表3 不同污染組分之間的相關性

表4和圖4為9種污染組分主成分分析的相關圖表。主成分分析是通過降低維度來提取主因子識別煤矸石淋出液中最主要的污染組分。結果利用主成分分析提取公因子，從而進行因子分析。

表4 各污染組分含量主成分分析

圖4 主成分分析

主成分分析結果總體解釋了80.70%的變量方差貢獻率。第一主成分即因子載荷1解釋了67.61%的變量方差，主要載荷元素為TDS、鈣離子和總硬度；第二主成分即因子載荷2解釋了13.10%的變量方差，主要載荷元素為F-和pH值；因子載荷3解釋了9.13%的變量方差，主要載荷元素為pH值和COD。

4 結論

(1)研究區煤矸石淋濾實驗結果表現煤矸石污染組分在Ⅰ期內的釋放量較大，Ⅱ和Ⅲ期呈波動狀，Ⅳ期時趨于平穩，整個淋濾過程較為漫長。在真實的礦區煤矸石大量堆積，隨著在各種環境條件下煤矸石逐漸崩解，被雨水浸泡過的煤矸石中的污染物總量逐漸上升。

(2)由污染物浸出相關性分析可知關鍵性指標氟離子與總堿度有關，因此控制煤矸石的風化過程與堿度值是控制氟離子濃度的關鍵。

(3)主成分分析結果解釋了80.70%的變量方差貢獻率，由第一主成分結果可知主要載荷元素為TDS、鈣離子和總硬度，這三種污染組分具有較強的同源性。