第２７卷第１期 ２０１３年２月 能源环境保护 Ｅｎｅｒｇｙ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ＶＯＬ２７．Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．，２０１３ 煤矸石中重金属动态淋滤溶出特征研究 刘伟 工业高等专科学校化学工程系，乌鲁木齐８３００９１ 摘要：以河北邯郸某矿区煤矸石为研究对象．采用动态淋滤实验对煤矸石中重金属的溶出 特征进行研究。实验结果表明：①煤矸石中重金属元素背景值影响溶出液中重金属浓度， 背景值越高，在动态淋滤过程中析出重金属的浓度越高；②淋滤前期阶段，重金属元素的 溶出液浓度较大，随着淋滤时间的增加，浓度在波动中趋于稳定。因此可以得出重金属元 素对环境的影响主要发生在淋滤前期；③溶出液中只有Ｃｕ元素的浓度超过了国家地表 水环境质量标准中的Ⅲ类水质标准，并且溶出液呈弱酸性，符合国家地表水环境Ⅲ类质量 标准。 关键词：煤矸石；动态淋滤：溶出特征；重金属 中图分类号：Ｘ７０３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００６—８７５９（２０１２）０６—００２７—０４ ＤＹＮＡＭＩＣ ＬＥＡＣＨＩＮＧ ＣＨＡＲＡＣＴＥＲＩＳＴＩＣＳ ｏＦ ＨＥＡＶＹ ＭＥＴＡＬＳ ＩＮ ＣｏＡＬ ＧＡＮＧＵＥ ＵＵ Ｗｅｉ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉｎｊｉａｎｇ Ｐｌｏｙｔｅｃｈｎｉｃｃｄ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｕｒｕｍｑｉ ８３００９１，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｇａｎｇｕｅ ｆｒｏｍ Ｈｅｂｅｉ Ｈａｎｄａｎ ａｓ ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ａ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｉｎ ｃｏａｌ ｇａｎｇｕｅ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ：Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｌｅａｃｈｅｄ ｗａｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｇａｎｇｕｅ．Ｔｈｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｖａｌｕｅ ｗａｓ，ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ｂｅ；Ｓｅｃｏｎｄ，ａｔ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉｌ ｓｔａａｇｅｓ ｏｆ ｌｅａｃｈｉｎｇ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ｌｅａｃｈｅｄ ｗａｓ ｈｉｇｈｅｒ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｂｅｇａｎ ｔｏ ｂｅ ｓｔａｂｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ，ＳＯ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｅｄｕｃｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｃｏａｌ ｇａｎｇｕｅ ｍａｉｎｌｙ ｈａｐｐｅｎｄ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔａｇｅｓ ｏｆ ｌｅａｃｈｉｎｇ；Ｔｈｉｒｄ，ｏｎｌｙ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｕ ｗａｓ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｌｅｖｅｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ｖａｌｕｅｓ．Ｔｈｅ ｐＨ ｏｆ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｗａｓ ｗｅａｋ ａｃｉｄ，ｂｕｔ ｉｔ ｗａｓｎ＂ｔ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｌｅｖｅｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ ｗａｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏａｌ ｇａｎｇｕｅ；ｄｙｎａｍｉｃ ｌｅａｃｈｉｎｇ；ｌｅａｃｈｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｈｅａｖｙ ｍｅｔｌｓａ 煤矸石是我国当前及今后一段时间内煤炭开 采以及洗选过程中产生的累积储存量最大、占地 放，不仅占用大量土地，并且在风力、雨水淋滤等 自然条件下和人为因素作用下．其中的一些重金 属元素会进入水体和土壤环境，从而造成水体质 量下降，土壤功能破坏，影响生态发展，危害人体 健康。因此，准确掌握煤矸石中重金属的溶出特 性，对于准确评价重金属对煤矸石周围环境的影 面积最广的工业固体废物［１］。这些固体废物露天堆 收稿日期：２０１２—１０—１０ 作者简介：刘伟（１９８３一），男，硕士研究生，陕西富平人，２０１０年 毕业于中国矿业大学。 ・２２・ 刘伟 煤矸石中重金属动态淋滤溶出特征研究 响具有重要意义。目前研究有害微量元素从煤矸 石中析出采用最多的方法为淋溶试验Ｉ猢］。本文为 了全面了解煤矸石中污染物的淋滤释放特点，通 过对煤矸石进行动态淋滤实验，研究在动态淋滤 试验中重金属元素的溶出规律，进而分析了煤矸 石对周围环境的影响。 １实验准备和方法 １．１实验样品的采集和制备 图１淋滤装置结构 次，每次收集完淋滤液后立即进行ｐＨ值测定．分 实验样品采自河北邯郸某矿区的矸石山．选 取了长期受淋滤影响的旧矸石山作为采样点。采 用”蛇形采样法”取样，对所采集的煤矸石样品在 实验室风干后经破碎、筛分、掺合和缩分等步骤， 制备出实验室分析样品。将煤矸石样品粉碎研磨 成粒径为０．２５ ｍｍ后，用四分法Ｅ９１１￣ｐ得待测煤矸石 样。再将０．２５ ｍｍ煤矸石粉碎成０．１５ ｍｍ样品，用 于测定煤矸石中重金属元素的背景值。 １．２分析方法 实验对煤矸石中的Ｃｕ、Ｃｄ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｆｅ和 Ｍｎ七种重金属微量元素在动态淋滤实验中的溶 出浓度和ｐＨ值进行了分析测试。测试分析方法 均按照《水和废水监测分析方法（第四版）》中相关 国家标准执行．重金属元素浓度分析采用火焰原 子吸收分光光度法（北京普析ＴＡＳ一９９０），ｐＨ值由 玻璃电极法读出。 ２实验步骤 ２．１样品背景值的测定 将用于测定煤矸石背景值的样品用王水一氢 氟酸一高氯酸的方法消解，将消解后的矸石样用稀 定容到５０ ｍＬ容量瓶，用火焰原子吸收仪进 一 行测量。 苍 液 ２．２实验装置 煤矸石动态淋滤实验装置见图１。在淋滤柱 的滤板上铺两层细密尼龙网，淋滤柱的长度为 ｌ ｍ，直径为１０ ｃｍ。然后装入５ ｃｍ厚酸洗过再用 去离子水洗净的石英砂。砂上铺一层尼龙网，然后 装入粉碎成粒径０．２５ ｍｍ、５０ ｃｍ厚的煤矸石样 品．之后在柱子的上层覆盖一层５ ｃｍ厚的石英 砂。用配好的淋滤液润湿柱子里的煤矸石，再进行 淋滤实验。 ２．３研究方法 采用动态淋滤的方法来研究重金属的溶出特 征，实验中每次淋滤量为１ ０００ ｍＬ（ｐＨ＝７．０００），每 ２４ ｈ收集淋滤液一次，实验进行８ ｄ．共取样８ 析Ｃｕ、Ｃｄ、Ｆｅ和Ｐｂ四种重金属指标。 ３实验结果 煤矸石样品中各重金属元素背景值见表１。 在动态淋滤实验中每隔２４ ｈ测量淋滤液ｐＨ值及 各元素溶出浓度值 ，见表２。 表１样品中各元素背景值 表２动态淋滤实验中各元素每次的溶出浓度（ｍｇ／Ｌ）及滤液ｐＨ值 ４实验结果分析 ４．１样品中各元素背景值 煤矸石样品中各元素背景值的测定结果见图 １所示。 Ｃｄ Ｚｎ／１０ Ｐｂ／１０ Ｍｎ／１ ０ 重金属元素名称 图１煤矸石样品中各重金属元素背景值 第２７卷第１期 能源环境保护 ・２３・ 由图１可以看出样品中Ｆｅ的含量最高，Ｃｄ的含 ４．２淋溶时各重金属元素浓度变化比较及分析 量最低，５种重金属元素的背景值含量由高到低 动态淋溶时各重金属元素浓度变化曲线见 的具体顺序为Ｆｅ＞Ｐｂ＞Ｃｕ＞Ｃｄ。这主要与煤矸石 图２。 的开采地层、矸石组成及采样地点有关。 ０－００８ 目 吕 Ｖ ０．００６ 矮 矮 窨 窨 Ｕ ８ ０．００４ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 取样次数 取样次数 ０ ０ ０ ０ ０ ０ ∞ 叭 ∞ 目 目 Ｖ 、， 装 艇 窖 雹 ０．００ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ０ ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 取样次数 取样次数 图２ 淋滤液中各重金属元素的浓度变化曲线 对图２中曲线进行分析，可以得出如下规律： 属形态以及存在方式发生重组和转化，残余态的 （１）重金属元素的背景值若高，则在动态淋溶 或者铁一锰胶体态的微量元素会有一部分发生转 时溶出液中的浓度也会相应的偏高。 移，成为可交换态，使一部分浸泡不可能析出的微 ｆ２１煤矸石中重金属元素的动态淋滤过程总体 量元素在下一次的淋溶中随着雨水析出【埘，因此 上可分为两个阶段，淋滤前期阶段和后期阶段。 在动态淋滤实验中。各重金属元素都会间歇性地 两个阶段各呈现不同的释放速度。淋滤前期阶段 出现快速释放的过程。 包括快速释放和慢速释放；淋滤后期阶段以稳定 ｆ４）淋滤前期阶段，矸石中污染物溶解释放的 释放为主。四种重金属元素的淋滤过程基本相 浓度梯度较高，溶出速率也较快，因此淋滤液中四 似，淋滤前期阶段有快速释放和慢速释放两种释 种重金属元素的浓度均较高。经过不断的淋滤， 放速度，淋滤后期阶段中，这四种重金属元素都以 煤矸石中各个重金属元素的浓度波动性的降低。 稳定释放为主。 溶出速率也越来越慢：淋滤后期阶段。随着淋滤时 （３）动态淋滤实验是一个间歇复氧的过程，这 间的增加，各个重金属元素的淋滤液浓度在波动 促使矸石中的重金属处于风化、氧化状态，使重金 中趋于稳定 ・２４・ 刘伟 煤矸石中重金属动态淋滤溶出特征研究 滤液浓度在波动中趋于稳定。因此，重金属元素 的淋滤液不会对环境产生太大的影响。 （５）样品中的重金属元素经过８ｄ的淋滤，溶出 强度都基本达到稳定，而且其浓度均低于检测线。 ５环境效应评价 煤矸石通过降雨对环境的影响主要集中在溶 ６ 结论 ｆｌ１在动态淋滤实验中，煤矸石中重金属元素 出液的ｐＨ值和淋滤中重金属元素的最大释放浓 度上。动态淋滤实验中ｐＨ值的变化示于图３ ８．０ 的背景值影响溶出液中重金属浓度，背景值越高。 则析出的浓度越高。 ｆ２１淋滤前期阶段，重金属元素的溶出液浓度 较大，随着淋滤时间的增加，浓度在波动中趋于稳 定。因此可以看出重金属元素对环境的影响主要 发生在淋滤前期。 （３）在动态淋滤实验中，溶出液的ｐＨ值稳定 ７．５ ７．０ ６ ５ ６．０ 在６．０００～７．０００之间，溶液呈弱酸性，但都符合地 表水环境质量标准ｆⅢ类１。 ｆ４）动态淋滤实验中，除Ｃｕ外，其余重金属元 素的溶出液浓度均低于国家地表水环境质量标准 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ５．５ ５．０ ０ 取样次数 中的Ⅲ类水质标准。根据重金属元素的淋滤特 性，重金属溶出液不会对环境产生太大的影响。 图３淋滤液中ＤＨ值的变化曲线 参考文献： ［１］史永红，等．安徽淮南矿区煤矸石中环境意义微量元素研究【Ｊ１．矿 业科学术，２００４，ｆ１）：３４—３９． ［２］国家环保总局．水和废水监测分析方法．北京：中国环境科学出 版社．１９８９． 由图３可以看出动态淋滤液的ｐＨ值经历一 个先升高后降低，再回升的过程，最后基本稳定在 ６．０００～７．０００之间，溶液呈弱酸性，符合地表水的 环境质量标准要求ｆⅢ类）。 参照《地表水环境质量标准｝｝（ＧＢ３８３８—２００２） 中的Ⅲ类水质指标，将溶出液中各重金属元素的 最大浓度与标准相比较列于表３中。 表３动态淋滤实验中重金属元素的环境效应评价指标 ［３］ＧＢ／Ｔ１４８４８２１９９３，《中华人民共和国国家标准，地下水质量标 准》，１９９３． 【４】许光泉．粉煤灰中污染离子淋释试验及其运移模型．煤田地质与 勘探．１９９９，ｆ１１：４８～４９． 【５］ＧＢ／Ｔ８７９８２１９９６，《中华人民共和国国家标准，污水综合排放标 准》，１９９６． 重金属名称ｍ类水质标准（ｍ Ｌ）动态淋滤液中重金属的最大浓度（ｍｇ／Ｌ］ ［６］刘桂建，杨萍，彭子成等．煤矸石中潜在有害微量元素淋溶析出 研究．高校地质学报，２００１．（４）：４４９～４５７． ［７］常前发．矿山固体废物的处理与处置．矿山保护与利用，２００３，（５）： ３８． ［８］葛振华．我国矿产资源综合利用中存在的问题及对策．中国矿业， ２００３，１２（７）：ｌ～３． 由表３可以看出：（１）在动态淋滤实验中，除 Ｃｕ的浓度超过了国家地表水环境质量标准中的 ［９］赵明鹏．阜新地区矿山地质灾害及其防治对策［Ｊ】．中国地质灾害 与防治报，２０００，１ １（４）：６４—６８． 【１０］王晖，郝启勇，尹儿琴．煤矸石的淋溶和浸泡对水环境的污染研 究一以兖济腾矿区塌陷区充填的煤矸石为例阴．中国煤田地质， ２００６．１８（２）：４３—４５． Ⅲ类水质标准外，其余重金属元素的浓度均低于 标准。（２）根据重金属元素的淋滤特性，淋滤后期 阶段，随着淋滤时间的增加，各个重金属元素的淋 （上接第１６页） ［４］董雾红，卞正富，于敏，狄春雷．矿区充填复垦土壤重金属分布 特征研究『Ｊ］．中国矿业大学学报，２０１０，（３）：：３３５—３４０ 【７】杨奇勇，杨劲松等．基于ＧＩＳ和改进灰色关联模型的土壤肥力评 价ｌＪ１．农业工程学报，２０１０，２６（４）：１００—１０５ ［８］Ｂｏｊｏｒｑｕｅｚ－Ｔａｐｉａ Ｌ Ａ，Ｄｉａｚ－Ｍｏｎｄｒａｇｏｎ Ｓ，Ｅｚｃｕｒｒａ Ｅ．ＧＩＳ ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｐａｒｔｉｃｉｐａｔｏｒｙ ｄｅｃｉｓｉｏｎ ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ ｌａｎｄ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ａｓ－ 【５１胡振琪，戚家忠，司继涛．不同复垦时间的粉煤灰充填复垦土壤 重金属污染与评价硼．农业工程学报，２００３，１９（２）：２１４—２１８． ［６】卞正富，张国良．矿山土地复垦利用试验［Ｊ１＿中国环境科学， １９９９，１９（１）：８１—８４． ｓｅｓｓｍｅｎｔ叫．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉ— ｅｎｃｅ，２００１（４０）：４７７—４９２
