巖溶山區煤矸石堆場重金屬淋溶遷移特征及其對周邊水體質量的影響

任軍,劉方

(1.貴州師范學院 地理與資源學院,貴州 貴陽 550018;2.貴州大學 資源與環境工程學院,貴州 貴陽 550025)

貴州省作為我國南方巖溶發育的核心區,巖溶分布面積占全省國土面積的73.6%,是世界上巖溶地貌發育最典型的地區之一[1]。在強烈的巖溶作用下,形成的巖溶水為當地居民生活、生產提供了豐富的水資源。隨著社會經濟的不斷發展,礦業活動、農業生產和城鎮化進程已成為影響巖溶水資源質量及開發的重要因素[2-3],巖溶地區水體已受到不同程度的污染,劉長禮(2017)對貴陽市巖溶水進行了污染評判,提出污染風險較高區主要分布在碳酸鹽巖區域,該區域特點為采礦井密度大,開采強度較大,且地下水防污能力較差[4]。

貴陽市花溪區具有典型的喀斯特地貌特征,屬于巖溶丘陵谷地地貌區,巖溶水豐富。麥坪鄉是貴陽市花溪區重要產煤區,經過多年的煤礦開采,廢棄的煤矸石堆積成山,不僅占用了大量的土地,破壞局部地區的生態環境。同時,煤礦區植被覆蓋率低,水土流失較嚴重,煤矸石堆場的排水及地表徑流對周邊水環境產生了嚴重的污染[5]。麥坪鄉煤矸石堆場地表徑流水匯入河流最終流入阿哈水庫,阿哈水庫位于貴陽市城區小車河上游,其功能主要是城市供水和防洪,是貴陽市南明區的重要飲用水源,關系到 60 萬居民的飲水狀況,責任巨大[6-7]。楊紹章等提出阿哈水庫中鐵、錳的來源與外來補水中鐵、錳濃度及河流底泥中鐵、錳釋放有很大關系,尤其是庫上游酸性礦山廢水中鐵、錳對水庫水體的外源貢獻不可忽略[8];潘祖光、孔志紅等指出阿哈水庫水體的主要污染因子為總氮[7]。水體重金屬污染問題同樣不可忽略,本研究以貴陽市花溪區麥坪鄉煤矸石浸出液、地表徑流水、周邊水體為研究對象,研究重金屬元素的遷移特征及其對周邊水體的影響情況,為減少煤矸石中重金屬向水體的遷移及改善煤矸石周邊水環境質量提供科學依據。

1 試驗區概況與研究方法

1.1 試驗區概況

研究區位于貴陽市花溪區,屬低中山地貌及亞熱帶季風性濕潤氣候,年平均氣溫在14.0～15.0 ℃,年降雨量達1 200～1 300 mm,降雨集中在5～8月。該區地貌為巖溶丘陵谷地,以碳酸鹽巖石為主。本次研究的煤矸石堆場所在地為貴陽市花溪區麥坪鄉,麥坪鄉廢棄礦井及煤矸石堆眾多;研究水體主要包括煤矸石堆場地表徑流水及周邊溪流水體,水體監測點主要沿煤矸石堆場周邊溪流-河流-阿哈水庫方向進行設置,具體采樣點見圖1。

圖1 采樣點分布圖

1.2 不同類型煤矸石樣品采集及重金屬浸出實驗

對煤矸石堆場中上部坡面風化殘積的表層(0～20 cm)煤矸石(殘積型煤矸石),以及煤矸石堆場下部經季節性流水搬運沉積在侵蝕沖溝旁的表層煤矸石(坡積型煤矸石)進行混合樣品采集。在麥坪鄉采集了3個煤矸石堆場的殘積型煤矸石樣品、3個煤矸石堆場的坡積型煤矸石樣品。煤矸石樣品帶回實驗室后進行自然風干、破碎并研磨過100目(孔徑0.15 mm)篩。然后分別按照1∶5,1∶10,1∶20(g∶mL)的固液比,加入去離子水,攪拌混合均勻后分別靜置48 h,取上清液用0.45 μm的濾膜過濾,Fe、Mn采用火焰原子吸收光譜儀測定,Cr、Cu、Zn、Cd、Pb等金屬元素采用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測定[9]。

1.3 地表徑流水樣的采集及重金屬測定

對麥坪鄉4個典型煤矸石堆場(2個殘積型煤矸石堆場、2個坡積型煤矸石堆場)設置水體觀察點,采用無界徑流小區法設置徑流收集槽[10],在自然降雨下對4個典型煤矸石堆場進行地表徑流樣品收集,采樣時間分別為2019年5月、6月、7月、8月。

同年8月對煤矸石堆場上游、周邊溪溝、河流上游、河流下游、金田沖支流、阿哈水庫入庫口上游、阿哈水庫入庫口7個點進行水體采樣。

量取50 mL徑流液離心后通過0.45 μm濾膜,測定過濾后水樣重金屬濃度。采用玻璃電極法測定pH值,Fe、Mn采用火焰原子吸收光譜儀測定,Cr、Cu、Zn、Cd、Pb等金屬元素采用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS)測定。

1.4 數據分析

運用軟件Microsoft Excel 2016進行數據整理,運用Origin Pro 2015作圖,運用SPSS 23做相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同類型煤矸石中重金屬含量及重金屬淋溶遷移特點

表1為不同類型煤矸石中重金屬全量,煤矸石中各種重金屬的含量從大到小依次是Fe>Mn>Cr>Zn>Cu>Pb>Cd,且坡積型煤矸石重金屬含量明顯高于殘積型煤矸石,兩種煤矸石類型中重金屬含量均較高,其中Fe、Mn含量最高,對周邊水體及土壤存在污染風險。

表1 不同類型煤矸石中重金屬含量 單位:mg/kg

從表2看出,麥坪鄉殘積型煤矸石和坡積型煤矸石水浸液的pH值范圍為2.16～2.85,7種重金屬元素含量的大小順序為Fe>Mn>Zn>Cu>Cr>Pb>Cd,其中,鐵的含量范圍達1.65～6.71 mg/L,錳的含量范圍達0.82～3.09 mg/L。坡積型煤矸石水浸液重金屬濃度明顯高于殘積型煤矸石水浸液重金屬濃度。以《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準限值(Fe為0.3 mg/L,Mn為0.1 mg/L)來進行評價,發現Fe、Mn含量均超過該標準限值;此外,參照《污水綜合排放標準》(GB 3838—2019)中Mn含量≤2.0 mg/L的限值,其中坡積型煤矸石中Mn含量超過此限值。說明煤矸石堆場對水環境影響的主要因素還是Fe、Mn的淋溶遷移,坡積型煤矸石對水環境影響較大。

表2 煤矸石不同固液比例溶液中重金屬含量的變化

不同的固液比處理淋溶液重金屬濃度差異較大。隨著固液比值的減小,重金屬濃度呈降低趨勢;說明煤矸石淋溶液中重金屬濃度受降雨量大小的影響,降雨量越大,重金屬濃度越低。

2.2 煤矸石堆場地表徑流中重金屬濃度的特點

在降雨量較大的季節,對麥平鄉4個典型煤矸石堆場地表徑流中重金屬濃度進行4個月的監測,結果顯示,4個煤矸石堆場地表徑流pH值變化范圍分別是4.14～4.65,4.34～4.88,4.15～4.99,4.52～4.72;Fe和Mn濃度的變化范圍分別達0.26～4.02,0.06～0.39 mg·L-1,其它5種重金屬濃度均較小(表3)。坡積型煤矸石地表徑流中Fe、Mn濃度明顯高于殘積型煤矸石。不同類型堆場地表徑流中Fe濃度隨月份變化趨勢大體相同,不管是坡積型煤矸石還是殘積型煤矸石,其地表徑流中Fe、Mn濃度均在6月份呈現最低的特點,在8月份濃度達最高;其他重金屬濃度變化未表現出規律性。貴陽強降雨季節主要集中在6～7月份,由于降雨量大造成地表徑流中重金屬濃度降低,而在降雨量小且相對遲緩的5月和8月,重金屬濃度反而出現較高的現象,說明Fe、Mn濃度變化受降雨強度的影響較大。

表3 煤矸石堆場地表徑流中重金屬濃度特點

2.3 煤矸石堆場重金屬遷移對周邊地表水體質量的影響

煤矸石堆場周圍的溪流來水主要是地表徑流,其水質與徑流水質量密切相關。地表徑流匯入河流后最終流入阿哈水庫。對麥坪煤矸石堆場上游、周邊溪溝、下游河流直至阿哈水庫的水體進行重金屬監測,探討煤矸石堆場地表徑流水對阿哈水庫水體質量的影響。由表4可見,隨著離煤矸石堆場距離的增加,水體的pH值逐漸增加,由堆場附近的4.36升高到7.20;Fe、Mn濃度也不斷下降,Fe濃度下降幅度比較大。

表4 煤矸石堆場周邊及下游地表水體重金屬含量的變化

以《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中集中式生活飲用水地表水源地補充項目標準限值來進行評價。阿哈水庫入水口重金屬中只有Fe、Mn濃度較高,分別為是0.320～0.35,0.19～0.23 mg/L,已超過標準限值。說明煤矸石堆場重金屬隨著地表徑流遷移到阿哈水庫,對附近水體會產生輕微的污染。

3 討論

3.1 煤矸石堆場重金屬淋溶遷移特征

不同類型煤矸石淋溶液中重金屬濃度差異較大,坡積型煤矸石淋溶液7種重金屬濃度明顯高于殘積型煤矸石,坡積型煤矸石是經降雨徑流搬運后堆積形成的,具有顆粒較小,較少雜質的特點,是重金屬濃度較高的主要原因。兩種類型煤矸石淋溶液pH值都比較低,變化范圍為2.16～2.85。通過室內不同固液比淋溶研究發現,淋溶液中各重金屬濃度受水量大小的控制,加水量越多,重金屬濃度越低,說明煤矸石堆場重金屬林溶液中重金屬濃度受降雨量的影響較大,降雨量越大,重金屬濃度越低。

4個典型煤矸石堆場地表徑流中重金屬濃度有明顯差異,坡積型煤矸石地表徑流中Fe、Mn濃度明顯高于殘積型煤矸石。不同類型堆場地表徑流中Fe濃度隨月份變化趨勢大體相同,不管是坡積型煤矸石還是殘積型煤矸石,其地表徑流中Fe、Mn濃度均在6月份呈現最低的特點,在8月份濃度達最高;其他重金屬濃度變化未表現出規律性。煤矸石堆場都經過10年以上的自然風化,滲透性降低,持水能力增強[11],貴陽強降雨季節主要集中在6、7月份,較大強度降雨造成地表徑流中重金屬濃度降低,而在降雨量小且相對遲緩的5月和8月,重金屬濃度反而出現較高的現象,說明Fe、Mn濃度變化受降雨強度的影響較大。

3.2 煤矸石堆場Fe、Mn遷移對巖溶地區水質的影響

煤礦酸性廢水中鐵、錳及硫酸根濃度較高,貴陽市政府為治理廢水中污染物對“兩湖一庫”的污染,采取修建石灰投加站,人工投加石灰進行治理[12]。10年前一些學者對阿哈水庫水質及污染情況研究中提出,阿哈水庫補給水系鐵、錳最高值分別達25.7,3.36 mg/L[13],阿哈水庫水質受到嚴重污染;孔志紅等通過對近10年阿哈水庫環境質量研究中提出,水庫水質變化趨勢總體呈下降趨勢,2015 年之后水質有所好轉,均為輕微污染[7];本研究對麥坪煤矸石堆場下游河流直至阿哈水庫的水體進行重金屬定點監測,結果顯示隨著離煤矸石堆場距離的增加,水體的pH值逐漸增加,由酸性轉變為弱堿性,在石灰投放點直至入庫口pH值升高幅度最大;水體中Fe、Mn濃度呈現不斷下降的趨勢,其中Fe濃度下降幅度比較大。葉慧君指出巖溶區地表水大多為 Ca-HCO3、Ca-SO4型,水體中 Ca2+和 HCO3-主要由碳酸鹽巖溶解控制[15]。煤矸石堆場自然降雨后形成的地表徑流匯入河流,同巖溶地表水匯合后,由于巖溶地表水中含有較高濃度的Ca2+、SO42-及HCO3-,水體具有一定的緩沖性能。加之石灰投放后水體中OH-濃度增加,與Fe3+形成氫氧化鐵沉淀,因此在入庫口水體中Fe濃度的降低幅度較大[8]。總體來看,隨著政府的人為治理,麥坪鄉煤矸石堆場下游Fe、Mn濃度逐年降低,阿哈水庫入庫口水體質量得到了改善,但對水庫中水體依然有輕微的污染。

4 結論

(1)不同類型煤矸石中重金屬淋溶特點不同,坡積型煤矸石淋溶液中重金屬濃度明顯高于殘積型煤矸石,重金屬浸出濃度大小順序為Fe>Mn>Zn>Cu>Cr>Pb>Cd,其中Fe、Mn濃度均超標。兩種類型煤矸石淋溶液中重金屬濃度受降雨量的影響較大,降雨量越大,重金屬濃度越低。

(2)不同類型煤矸石堆場地表徑流中重金屬濃度存在明顯差異,坡積型煤矸石地表徑流中重金屬濃度明顯高于殘積型煤矸石,Fe、Mn濃度在6月份最低,8月份較高,濃度變化受降雨強度的影響。

(3)巖溶地區水質受煤矸石堆場重金屬遷移的影響逐漸變小,阿哈湖水庫入庫口水體依然有輕微的Fe、Mn污染。