煤矸石中重金属动态淋滤溶出特征研究

发布时间: 2022-11-07 15:55:04 来源：网友投稿

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： X82 文献标识码：A 文章编号：1007-0370（2011）11-0158-03

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、占地面积最广的工业固体废物[1]。这些固体废物露天堆放，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[2~8]。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

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0.25mm后，用四分法[9]即得待测煤矸石样。再将0.25mm煤矸石粉碎成0.15mm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、Pb和Fe四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-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首先用王水-高氯酸消解[10]，样品消解后用火焰原子吸收分光光度计（北京普析TAS-990）测定煤矸石中重金属Cu、Cd、Pb和Fe的含量。

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1m，直径为10cm。然后装入5cm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0.25mm、50cm厚的煤矸石样品，之后在柱子的上层覆盖一层5cm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1000mL（pH=7.000），每24h收集淋滤液一次，实验进行8d，共取样8次，每次收集完淋滤液后立即进行pH值测定，分析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24h测量淋滤液pH值及各元素溶出浓度值见表2。

4 实验结果分析

4.1 样品中各元素背景值

由图1可以看出样品中Fe的含量最高，Cd的含量最低，四种重金属元素的背景值含量由高到低的具体顺序为Fe>Pb>Cu>Cd。这主要与煤矸石的开采地层、矸石组成及采样地点有关。

4.2 淋溶时各重金属元素浓度变化比较及分析

（1）重金属元素的背景值若高，则在动态淋溶时溶出液中的浓度也会相应的偏高。

（2）煤矸石中重金属元素的动态淋滤过程总体上可分为两个阶段，淋滤前期阶段和后期阶段。两个阶段各呈现不同的释放速度。淋滤前期阶段包括快速释放和慢速释放；淋滤后期阶段以稳定释放为主。四种重金属元素的淋滤过程基本相似，淋滤前期阶段有快速释放和慢速释放两种释放速度，淋滤后期阶段中，这四种重金属元素都以稳定释放为主。

（3）动态淋滤实验是一个间歇复氧的过程，这促使矸石中的重金属处于风化、氧化状态，使重金属形态以及存在方式发生重组和转化，残余态的或者铁-锰胶体态的微量元素会有一部分发生转移，成为可交换态，使一部分浸泡不可能析出的微量元素在下一次的淋溶中随着雨水析出[11]，因此在动态淋滤实验中，各重金属元素都会间歇性地出现快速释放的过程。

（4）淋滤前期阶段，矸石中污染物溶解释放的浓度梯度较高，溶出速率也较快，因此淋滤液中四种重金属元素的浓度均较高。经过不断的淋滤，煤矸石中各个重金属元素的浓度波动性的降低，溶出速率也越来越慢；淋滤后期阶段，随着淋滤时间的增加，各个重金属元素的淋滤液浓度在波动中趋于稳定。

（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。

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（Ⅲ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。

（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。

6 结论

（1）在动态淋滤实验中，煤矸石中重金属元素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。

（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（Ⅲ类）。