煤礦區重金屬污染的危害及其治理技術分析

李 洋

（山西大地晉新環境科技研究院有限公司，山西 太原 030006）

引言

現階段，煤炭資源是世界能源結構體系中占據至關重要地位的關鍵性因素，并且煤炭資源消耗量正處于持續增長的發展態勢。但是，相較于風能、太陽能等新型能源而言，煤炭資源在開發利用環節中很容易對周邊環境以及地下水造成不同程度的重金屬污染問題。因此，如何利用現代化修復技術有效治理煤礦區重金屬污染問題，仍是新時期煤礦開采單位在實際工作中亟待突破的首要研究課題。

1 煤礦區重金屬污染危害的相關概述

當前，煤礦區存在的重金屬元素往往會通過粉塵沉降、酸性污水未經凈化亂排、煤矸石風蝕淋溶等形式，隨著地表徑流滲透于周邊土壤或地下水中，使土壤中的重金屬濃度持續增加，進而導致煤礦區周邊生態系統日趨退化。與此同時，重金屬元素本身具有較強的穩定性，在自然狀態下很難得到充分降解，在某種程度上會改變周邊土壤的理化特性以及土壤中的微生物群落，極大地降低了土壤中的營養物質，不利于保障農作物的實際產量。另外，煤礦區的重金屬元素可以被農作物或動物吸收，并且其濃度會隨著食物鏈持續增加，一旦這類含有有毒元素的物質被人體吸收，輕則會引發一定的中毒現象，重則會直接破壞人的腎臟或肝臟組織，甚至會引發癌癥問題。例如，鉛元素經食物鏈進入人體后，將會被腸道所吸收，然后通過血液擴散至全身各器官、各組織乃至骨骼中，使得人體無法及時將鉛化合物及時排除，進而誘發輕微中毒問題；鎘元素的過量攝入，不僅會引發人體的骨質疏松問題，還會引發水腫及痛風病癥；鉻元素作為維持人體各項機能的微量元素，若攝入量不足將會引發動脈硬化問題，反之，當攝入量超過人體所需的正常值，又會導致癌癥問題。因此，為有效治理煤礦區中的重金屬污染問題，要求施工單位必須靈活運用地累積指數法，綜合分析煤礦區內包含的重金屬元素含量、重金屬種類、污染程度等參數，并結合實際考察結果及地累積指數I 大小，將煤礦區內的重金屬污染問題劃分成7 個等級：即沒有污染為I≤0，輕中度污染為0＜I≤1，中度污染為1＜I≤2，中強度污染為2＜I≤3，強度污染為3＜I≤4，強－極強度污染為4＜I≤5，極強度污染為I＞5。在此基礎上，借助重金屬元素檢測技術，對土壤中的重金屬含量以及重金屬元素種類進行檢測、對比和研究，如表1 所示，進而得出有針對性的處理措施[1]。

表1 土壤中重金屬元素的地累積指數及其評價結果

2 新時期妥善治理煤礦區重金屬污染問題的可行性技術

2.1 物理化學治理技術

新時期，物理化學治理技術是在不改變煤礦區域內土壤理化特性，通過客土置換、土壤淋洗、化學固化、表土剝離、電動修復、土壤深耕等方式（詳情如下頁圖1 所示），直接改變重金屬賦存狀態，降低金屬物質在土壤中的遷移速率與遷移能力，閉塞重金屬污染物在生物鏈中的通道，并隔離有毒重金屬物質進入生態循環系統的一種技術手段。這類治理技術在煤礦重金屬污染區域的有效運用，可以通過一系列的物理化學反應，增強土壤對重金屬污染物的吸附及沉淀作用，妥善處理煤礦區的重金屬污染問題。但是，該技術只適用于小范圍的重金屬污染區域，若將該技術運用于重金屬污染面積較大的煤礦區，不僅很難控制修復成本，還可能會對煤礦區的土壤結構造成破壞，進一步增加土壤肥力退化、土壤生物活性下降、結構破壞等安全隱患的發生概率。由此可見，該技術手段有利有弊，需根據煤礦區重金屬污染面積大小及實際情況，對其進行靈活選用[2]。

圖1 煤礦區重金屬污染的物理化學治理流程

2.2 生物治理技術

相較于物理化學治理技術而言，生物治理技術主要是通過運用動物、植物、微生物等有機生命個體而開展重金屬污染土壤的修復工作。通常情況下，植物、微生物或植物＋微生物聯合是生物治理技術中應用最為廣泛的有機生命個體，在具體的治理過程中通過植物根系或其分泌物對煤礦區土壤中的重金屬污染物進行吸收、降解、轉化和固定。與此同時，植物根系可以將土壤中積累的重金屬因素加以吸收，并借助植物葉片本身的呼吸作用將其轉化為氣體釋放到大氣中，也可以通過代銷作用將重金屬元素遷移到植物體內。另外，生物治理技術雖具備實施便捷、投資成本小、環境污染程度較低、治理效果佳等優勢，但利用植物治理技術進行重金屬污染的修復周期普遍較長，且植物生長很容易受外部環境因素、自然條件等多重因素的限制，導致治理過程中很可能會出現二次污染的情況。而微生物治理技術借助土壤中的藻類、真菌、細菌、蚯蚓等物質，既可以有效彌補植物治理技術的不足之處，又能夠通過氧化還原反應、降解沉淀、吸收轉化等作用，徹底清除煤礦區土壤中的重金屬污染物，因而植物與微生物相結合的生物治理技術，已成為現階段治理煤礦區重金屬污染問題中應用最為廣泛的一種綠色環保治理措施[3]。

2.3 生物炭固定治理技術

在煤礦區重金屬污染問題的治理過程中，生物炭固定治理技術主要是利用工農林業廢棄物在無氧或缺氧條件下熱解產生一類高度芳香化且含磷量較高的固體物質，其制備原料來源比較廣泛，如動物殘體、城市生活垃圾、農作物秸稈、畜禽糞便、工業有機廢棄物等。由于生物炭具有孔隙結構發達、比表面積大、含氧官能團豐富、抗氧化能力強、理化性質穩定等特性，可以在實際的應用過程中，通過改變煤礦區土壤的生物、物理和化學性質，如提升有機質含量、控制土壤pH 酸堿度等方法，降低煤礦區重金屬元素的濃度及含量，改善土壤微生物群落結構，并為微生物提供優良棲息環境。另外，生物炭治理技術往往具有經濟投入低、修復周期短、治理效果顯著、無污染等優勢，且生物炭中含有大量的磷酸鹽、可溶性碳酸鹽等成分，可以與煤礦區土壤中的重金屬元素發生化學反應，進一步提升煤礦區土壤肥力，妥善處理好日漸嚴重的重金屬污染隱患，確保各項工作得以順利實施。

3 結語

綜上所述，煤礦區重金屬污染問題及治理技術分析研究尤為重要，是新時期確保各項煤礦施工作業安全實施的關鍵所在。因此，煤礦開采單位必須全面了解煤礦區重金屬污染問題發生原因，加強對煤炭開采、礦物冶煉、煤矸石堆積外排等方面的監督管控力度，盡可能降低重金屬污染問題對大氣系統、生物系統、土壤條件、地下水等因素的影響。在具體的治理過程中，根據不同煤礦區的重金屬污染現狀，靈活運用物理化學治理技術、生物治理技術和生物炭固定治理技術，有效改善煤礦區重金屬污染問題，并通過構建完善的預防機制，從根源上緩解重金屬污染問題所造成的一系列安全隱患，促使煤礦開采工程取得最大化的綜合效益。