（环境工程专业论文）煤矸石对环境的影响及再利用研究.pdf

摘要 煤矸石是我国最大的工业固体废弃物。在雨水和地表水的淋滤作用下，其中的 一些有害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。 本文主要采用静态浸泡模拟法，对黄陵矿区一号井煤矸石中有害元素的浸出进 行研究，在静态浸泡模拟试验的基础上。研究了有害元素从煤矸石中浸出的浓度。 结果表明，有害元素大部分以稳定态存在，浸出液浓度受浸泡时间、酸碱度的影响。 不同条件下有害元素所受的影响有所不同。 通过试验，得出如下认识：黄陵矿区当地的降水酸度的变化范围内对有害物的 溶出影响不大，反应液初始酸度条件对溶液中有害元素离子浓度的影响并不明显： 不论浸泡液的初始p h 值如何，各类矸石浸泡的最初p h 值都较高，随后逐渐降低，到 1 0 天左右降到最低，其后又逐渐回升，最终都呈弱碱性，到4 0 天时基本稳定在8 2 8 ( 均值) 左右；上部矸石与下部矸石经过堆置、风化后，同新鲜样品相比，浸泡液 的p h 值较低；只是使金属元素的溶出最高值有所上升( 铜、锌) ；多数污染物的浸出 曲线随时间延长而降低，浸出最大值出现在静态浸泡的最初阶段；在低酸度条件下， 下部矸石和新鲜矸石的初始浸泡液的电导率值较大。短期内( 2 0 天) 一般电导率变 化不大，但随着浸泡时问的延长，电导率增高。 针对煤矸石的环境影响，“以防为主，综合利用”是矸石危害防治的原则。在讨 论了国内外煤矸石的再利用技术的基础上，介绍了黄陵矿业公司结合自己本矿区的 实际情况，利用煤矸石和中煤为原料建立的矸石热电厂，不但充分的利用了黄陵矿 区一号井洗选的废弃物中煤和煤矸石，变废为宝，而且也为黄陵矿业公司产生了相 当可观的经济效益。 通过本项研究希望人们对于煤矸石的环境污染给予全方位的关注。此项研究对 控制煤矸石对周围环境的影响具有一定的理论意义，对于控制污染也具有实用价值。 关键字：煤矸石：有害元素；静态模拟；热电 a b s t r a c t c o a lg a n g u eist h el a r g e s ts o u r c eo fi n d u s t r i a l s o i l i dw a s t ei n c h i n a ，w i t ht h ea c t i o no fl e a c h i n gb yr a i na n dw a s t e r ，s o m eh a z a r d o u sm i n i o r e l e m e n tw i l lb ed i s s o l v e dc o m p l e t e l yo rp a r t l ya n ds e p a r a t e df r o mc o a lg a n g u e i n t ow a t e ro rs o l le n v i r o n m e n t ，c o n s e q u e n t l y ，t h e yw o u l dd e t e r i o r a t ew a t e r q u a l i t y ，d e s t r o ys o i lf u n c t i o na n di n f l u e n c e ，e c o l o g yd e v e l o p m e n ta n dh u m a n h e a l t h t h i sp a p e r m a i n l yu s es t a t i cs i m u l a t i o nm e t h o d ，a n d r e s e a c hs o m e h a z a r d o u se l e m e n ti nc o a lg a n g u ef r o mn 1w e l lo fh u a n g l i n gk u a n gq u b a s e o nt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ，h a z a r d o u sm i n o re l e m e n tf r o mc o a lg a n g u ea r e s t u d i e d r e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h e1 i x i v i u mc o n c e r n t r a t i o na f f e c t e db y 1 e a c h i n gt i m e ，p ha n dm o s tp a r t so ft h eh a z a r d o u se l e m e n ta r es t a b l e ，u n d e r d i f f e r e n tc i r c u m s t a n c et h eh a z a r d o u se l e m e n ts h o w nd i f f e r e n t l yi n f l u e n c e w ec a nc o n c l u d et h ef o l l o wo p i n i o n sf r o me x p e r m e n t i nh u a n g l i n gk u a n g q u ，t h eh a z a r d o u se l e m e n ts h o w na1 i t t l ei n f l u e n c eb yt h ec h a n g eo fa c i d i c r a i n o nt h em e a n w h i l et h ec h a n g eo ft h ei n i t i a la c i d i cc o n d i t i o no fr e a t i v e 1 i q u i dt o w a r d st h eh a r z a r d o u se l e m e n tc o n c e n t r a t i o ni s n tv i s i a b l e w h a t e v e r i n i t i a lp ho fs o a kl i q u i d ，t h ei n t i a lp ho fg a n g u ea r et a l l a f t e raw h i l e ，t h e y w i l lg r a d u a l l yd e c l i n e ，a n dt h e yw i l ld o w nt ot h el o w e s t b u ti na b o u tt e n d a y s ，t h e yb e g a i hi n c r e a s e a tt h ef 0 1 o w ，t h e yb e c o m es l i g h t l ya l k a l i n ea n d s t a n da b o u t8 2 8a t f o r t yd a y s a f t e rw e a t h e r i n g o f s u p e r a n dl o w e r g a n g u e ，t h e i rp ho fs o a k1 i q u i di sl o w e rt h a nn e wg a n g u e h o w e v e r ，t h e i rm e t a l e l e m e n tc o n c e n t r a t i o n ( f o re x a m p l ec ua n dz n ) a r eu pt ot h em a x i u m m a n yo f p o l l u t a n ts o a kc u r v ea r ed e l i n ea st i m eg ob y ，t h em a x i u ma p p e a ra tt h e b e g a i n u n d e rt h ec o n d i t i o no fs l i g h ta c i d i c ，t h ee l e c t r i cc o n d u c t i v i t yo f l o w e ra n dn e wg a n g u ei st a l l e r i ns h o r tt i m e ( t w e n t yd a y s ) a l lh a v e n tb i g c h a n g e b u tw i t ht h ep a s s i n go ft i m e ，t h e yw i1 l i n c r e a s e c o n s i d e r i n gt h ee n v i r o n m e n t a le f f e c to fc o a lg a n g u e t h ep r i n c i p l eo f c o n t r o l l i n gh a z a r do fc o a lg a n g u ei sp u t t i n gp r e v e n t i o nf i r s ta n dc o n d u c t c o m p r e h e n s i v eu t i1i z a t i o n b a s eo nd i s c u s s i n gs o m er e u s eo fc o a lg a n g u ea t h o m ea n da b r o a d t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h a th u a n g 一1 i n gk u a n go ue l e c t r i f y i sb u i i t ，r e g a r d l e s so ft h e i ro w ne n v i r o n m e n t i tn o to n l yu s e sc o a lg a n g u e a n dc o a lw a s t e r s ，b u ta l s ob r i n g sa b o u tg r e a te c o n o m i ce a r n i n g s p e o p l ec a l lc o n c e mw i t ha q u m i ce n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o no fc o a lg a n g u et h r o u 曲 t h es t u d y a tt h es a m et i m e ，i th a st h e o r ys i g n i f i c a n c ei nc o n t r o l l i n gi n f l u e n c eo f e n v i r o n m e n to fc o a lg a n g u ea n dh a su s ev a l u ei nc o n t r o l l i n gp o l l u t i o n k e y w o r d s ：c o a lg a n g u e ；h a z a r d o u se l e m e n t ：s t a t i ss i m u l a t i o n ；e l e c t r i c a l c o m p a n y 第一章概述 1 1 研究背景与意义 我国是煤炭生产大国。随着经济发展对能源需求的不断增大，煤炭开采量也在逐 年增加。煤炭开采在为社会带来了巨大的经济效益的同时，由于采矿产生的大量废石 一一煤矸石，也对环境造成了严重的影响。它占用土地、严重污染空气、水域、造成滑 坡和泥石流等灾害。 据报道，世界各国矿业开发所产生的煤矸石每年达5 0 1 0 8 t 以上。目前我国仅煤矸 石堆放存量达2 0 x1 0 8 t 之多，占地6 6 7 0 多公顷。更严重的是煤矸石排量约占原煤总产 量的1 5 一2 0 ，煤矸石的综合利用量仅约3 0 0 x1 0 4 t a ，尚不到排量的1 5 ，即煤矸石 存量还在以1 5xl o t a 的速度增长。矸石多采用圆锥式或沟谷倾倒式自然堆放在矿区 的周围，形成大大小小的矸石山，占用土地还在不断增加。 煤矸石中含较多有害元素，在自然风化条件下，这些有害元素就有可能释放出来进 入环境中。当有害元素的活性越大时，淋滤出有害元素的量也就越多，煤矸石对生态环 境的影响也就越严重，对我们的生存环境带来很大的威胁和危害。 与其它固体矿产开采相比，煤矿固体废物具有排量大、分布广，矿物组成、化学成 分复杂，堆放形式自然、多样的特点。主要危害主要表现在下面几大方面：因排放量 与利用量之间相差悬殊，被闲置、堆积的量大，侵占土地多；矿山固体废物在堆积及 再处理过程中排放出的有害气体严重的污染大气，特别是煤矸石在自燃时，产生c 0 2 、 c o 、游离碳( 表现为黑烟) 等，既对人体健康有害，也会加剧了“温室效应”；矿l u 固体废物所含有的有毒有害物质，溶出的成份不但危害大，而且容易扩散对水域或土地 形成污染。如某些矿山固体废物由于处理和排放不当造成长达数百公里内大面积的污染 带，使得土地旱草木不生，河水中鱼虾绝迹。除此之外，在一些矿区，由于煤矸石的堆 放还威胁着矿井的安全运营，潜伏着众多隐患。 由于上述原因，矿山固体废物的环境效应研究已成为当今世界的重要研究课题“1 。 矿山固体废物对环境影响很大，对其处理、处置及资源化已势在必行。国外对其治理非 常重视，加拿大1 9 7 1 1 9 7 5 年在矿山环境措施上花费4 0 - - 5 0 亿加元，日本也投入大量 的人力和财力对治理矿山固体废物进行研究。我国矿山固体废弃物处理和利用工作起步 较晚，本着可持续发展、保护矿产资源开发环境的原则，八十年代中期，我国提出了以 “无害化”、“减量化”和“资源化”作为控制矿山固体废物污染的技术政策，“无害化” 1 是最基本的要求，“减量化”是一种手段，“资源化”是矿山固体废物处理的主要归宿。 九五之后，我国矿山固体废物处理利用已由“无害化”逐步走向“资源化”。 1 2 研究现状 过去，对矿山环境问题的研究多集中于矿山环境地质灾害、矿山水污染治理等方面， 对矿山固体废弃物衍生环境效应的过程、机制、影响因素研究不够。人们只认识矿山固 体废弃物产生环境污染这个结果，而不了解其产生环境污染的过程、机制，因而严重制 约了矿山固体废弃物的“三化”处理与处置和矿山生态环境综合治理技术的发展。近年 来，矿山固体废弃物的环境污染闯题愈来愈引起人们的重视，国内外一些科技工作者开 始从不同的角度对矿山固体废弃物有害物质的转化和迁移问题开展一些有益的基础研 究工作，这些工作主要集中在酸性排水环境地球化学效应和污染现状评价方面1 3 l 。同时， 对固体废弃物中毒性物质浸出实验以及矿物水相互作用溶解动力学进行了研究探讨 州。应当看到，目前研究主要集中在金属矿山固体废弃物的环境现状评价方面。丽对非 金属矿山固体废弃物的环境效应及污染控制技术研究较少。 在国外，西方发达国家早就认识到金属矿山开发引起环境污染问题的严重性。1 9 7 6 年美国国会通过了“资源保护与再生法案”( r c g a ) ，美国环保局( e p a ) 根据r c r a 的 要求提出了固体废弃物毒性萃取实验法，为评价固体废弃物毒性提供了依据。国际地球 化学和宇宙化学协会的水地球化学委员会于1 9 7 0 年设立了水一岩反应小组。从实例来 看，加拿大曾对部分矿山酸性水的产生和持续时闯进行调查，发现有的矿山在煤矸石库 关闭几百年后仍然大量渗漏酸性水。到1 9 8 8 年底，加拿大共调查了1 0 8 个废矿，其中 2 1 个由于排出酸性废水，被评为危险场地。酸性排水影响面积超过1 5 0 0 0 h m 2 ，处理费 用惊人，仅土地恢复费用即超过3 0 亿美元。 近十年来，国外地学、环境科学领域对矿山固体疲弃物中酸性永排放和有害元素迁 移做了卓有成效的研究工作。a s t r o mm 实验研究了暴露于地表条件下含a 1 、c o 、c r 、 c u 、f e 、m n 、n i 和v 细粒硫化物的氧化作刚和金属的迁移1 1 0 1 ，b c n v e n u f i 研究了废弃 矿区采矿废弃物引起的重金属污染1 1 1 i 。b l o w c s 研究了加拿大某矿山煤矸石硫化物空隙 水的地球化学和矿物学，不活动硫化物煤矸石中胶结层的形成及其潜在意义，并提出防 止酸性排水产生的新方法陋“l 。k w o n g 研究了加拿大k c n ou i l l 矿区某关闭矿山煤矸石 有害元素的迁移和滞留【1 7 l ，l i n 研究了瑞典r u d o t f s g r u v a n 矿山煤矸五堆淋滤液化学组成 和其中次生矿物和瑞典o a r p e n b e r g 矿山煤矸石中有害元素的迁移和滞留 l 和”j 。s h e r l o c k 研究了煤矸石中碳酸盐和硅酸盐矿物对酸性空隙水的中和作用俐，s c h u r l n g 提出了在饱 水条件下煤矸石产生酸性排水潜力的实验方法【2 2 1 。m a r t i n 应用激光离子化学谱( t o f - 一 s i m s l 分析煤矸石矿物表面特性【2 3 】，p i r r i e 提出矿山固体废弃物产生环境污染的矿物学 和地球化学指标【2 4 】。s h a w 进行煤矸石氧化淋滤实验柱实验，对不同硫化物含量的煤矸 石氧化产物进行矿物学研究1 2 6 j 。 虽然我国已于1 9 9 6 年4 月1 日歼始实施“中华人民共和国固体废物污染环境防治 法”，但国内矿山固体废物的研究文献相对比较少，对有关煤矸石的研究更少。戴昭华等 总结了铜矿废石风化及形成酸性废水的特征。党志“对煤矿复垦作了详尽的机理方面 的研究。龙江平等”4 3 研究了黔西南地区矿山开发中铊的环境效应，提出了污染后果及环 境保护措施。耿世刚“1 在对废水、废气污染源评价方法分析的基础上，探讨了工业固体 废物污染指数评价方法，并对目前常用的评价方法提出了改进意见。而在煤矸石的研究 中，王金应啪3 通过对某矿煤矸石水的淋滤实验，得出其水不能用于农灌的结论；刘京等 1 以煤矸石矿渣作溶出毒性实验，试样采用不同种类、浓度和p h 值和溶出剂，以超声波、 翻转振荡、水平振荡等3 种不同提取方式进行矿山固体废物提取实验条件研究。 矿山固体废物的资源化是对矿山固体废物治理的最高层次。近两年在这方面的文献 逐渐增多。从我国综合利用的技术现状来看，大多停留在筑路、回填、农用、生产建材 等较低层次的利用上，缺少高附加值和深加工的产品，而且象粉煤灰和煤矸石等量大、面 广的固体废物的综合利用问题并未得到根本解决。敖宁”1 、任耀武1 、陈茂祺1 、常仲 农等“”及有色地质勘查局”“分别对矿山废弃土地的复垦、矿山固体废物的综合利用，以 及提高选矿废水复用率等方面的科研工作进行了简要回顾，提出了今后矿山固体废物资 源化方面的科研工作设想。 1 3 研究内容及方法 煤矸石是富含有害元素的矿山固体垃圾。在自然风化条件下，这些有害元素就有可 能被淋滤出来进入环境中。当样品中有害元素的活性越大时，淋滤出有害元素的量也就 越多，煤矸石对生态环境的影响也就越严重。所以，对煤矸石中有害元素淋滤量的研究 实际上是讨论煤矸石环境影响效益的重要依据。 1 3 1 研究内容 1 ) 根据煤矸石的主要组成分析煤矸石中具有环境污染潜能的有害元素种类，选取 具有代表性煤矸石样品，筛选煤矸石中重点污染物，通过静态浸泡模拟实验确定它们的 浸出浓度。 2 ) 通过静态浸泡模拟实验，研究煤矸石与水之间相互作用，确定影响煤矸石中有 害元素迁移的主要因素。 3 ) 根据煤矸石中有害元素的浸出浓度，讨论煤矸石所产生的环境效益。 4 ) 通过对黄陵矿业公司矸石热电厂的各方面效益的研究，从而进一步探讨煤矸石 的综合利用方案。 1 。3 。2 研究方法 国内外学者常用以下三种方法来研究煤矸石等矿山固体废弃物中淋溶组分在土壤、 水体中的浓度、迁移、转化等。 1 ) 废物堆放区附近水体的水质监控1 4 1 ，4 3 ，4 4 l 在固体废物堆放区各方位、不同地下深度进行合理布井，在相连水体的不同断面定 期取样，进行污染物的定性和定量分析，研究其迁移、转化、滑解等规律。其优点是戆 获得有关污染物的原始资料。 静态浸泡实验【4 5 舯惦】 适用于测定各组分的最大析出量，探讨控制污染组分浓度的因素。缺点是不能解决 水力交替、渗流速度、降雨量等交化对污染组分的浓度、迁移的影响。 3 1 降雨式动态柱状淋滤实验m 4 5 弗l 该方法适用于研究污染组分浓度、迁移与降雨量( 淋溶量) 、时间的关系；探讨水 力交替、渗流速度对组分迁移的影响，可以与浸泡实验互补。 本文研究煤矸石中有害元素的浸出浓度采用的是静态浸泡实验。研究通过采取芦峪 沟附近的塌陷塘积水对黄陵矿区一号井煤矸石的静态浸泡，测量出几种具有代表性的有 害元素的浸出浓度变化，总结出煤矸石中有害元素对环境的影响。 1 4 本文的特色与创新点 1 、本文选黄陵矿业公司一号并作为本课题的研究对象；着重研究煤矸石中有害元 素的浸出浓度对环境所造成的污染。 2 1 煤矸石成分复杂，而且变化幅度大，所以必须选取有代表性的样品作为分析样 品。根据煤杆石堆积的特点，本文采用在矿井下和矿井上相结合的取样方法，尽量选取 4 具有代表性的样品作为分析样品，在制样中注意避免样品受到污染。 3 1 煤矸石在地面遭受风化与淋滤，其中的有害元素向环境迁移是在长时期内的复 杂物理和化学变化过程。选择接近自然条件的模拟实验方法是非常必要的。本次实验中 结合当地雨水酸度和煤矸石堆积区的特点，采用与雨水和塌陷坑积水成分相近的溶液浸 泡。采用提高实验温度与破碎样品的方法弥补实验时间短于自然风化时间之不足，进行 静态模拟实验。这样的模拟接近当地的真实情况。 4 ) 目前，对煤矸石的再利用技术研究的比较多，然而真正行之有效并投入实施的 不多。黄陵矿区在考察了国内煤矸石再利用比较成功的例子后，结合本矿区的实际情况， 采用煤矸石与中煤作为混合燃料建成热电厂，不但处置了煤矸石，减少污染量，而且也 为黄陵矿区创造了不菲的经济效益，本文对此亦予以介绍。 第二章黄陵一号矿区煤矸石堆放区的污染现状 2 i 黄陵一号矿区的自然地理、气候和水文概况 黄陵县位于陕北黄土高原南部，属黄河流域，洛河水系。区内总体东高，西低。矿 区为洛河支流沮水河。沮水河发源于陕西与甘肃两交界的子午岭东麓，于黄陵县东部的 秦家川南注入洛河，全长约1 0 0 k i n 。沮水河在店头镇东芋子渠沟口与南川河会和向东流 向黄陵县城，受河流切割影响，区域上山峦起伏，沟谷纵横，海拔9 2 0 一1 5 0 0 m 。而黄 陵一号矿位于沮河河谷，地形总体平坦、开阔，地丽标高均9 3 6 5 。 区内为温带大陆性季风气侯。昼夜温差大，春季比较干旱、少雨多风，夏季多雷雨， 秋季阴雨连绵，冬季干燥寒冷。年平均气温9 2 7 ，年平均降雨量5 4 5 9 r a m ；年平均风 速3 3m s ，最大风速2 5 m s ，年主导风向n w 。 沮水河河床坡降5 6 ，流域面积3 3 9 2 km 2 ，在店头镇附近流量0 1 9 2 6 8 1 m ： s ， 年平均流量2 0 7 m 3 s ，百年一遇洪峰流量2 1 6 m 3 s 。沮水河在店头镇上游、下游接纳了大 小煤矿和选煤厂的废水，使沮水河水色呈灰黑色，河水受到了严重的污染。 在大地构造上矿区位于鄂尔多斯地台中南部，构造相对简单，仅发育有起伏不大的 宽缓背向斜，断层稀少。在一号矿区附近，地表为l 3 m 厚的粉质粘土，底部为卵石、 砾石，下部为三叠纪基岩，倾角平缓，一般为3 4 。 黄陵矿区一号井的煤矸石主要堆放在距离黄陵矿区3 公里的芦峪沟内，芦峪沟为一 v 字型山沟，南北走向，沟口南接沮河。沟长约3 i k m ，沟深约5 0 m 。 2 2 黄陵矿区一号矿煤矸石的特征及矸石的堆放情况 黄陵矿区一号矿井是国家“八五”期间煤矿重点建设工程之一，于1 9 9 1 年底开工 建设，一期工程及选煤厂于1 9 9 6 年投产运行，到2 0 0 1 年产煤7 0 万吨，2 0 0 3 年底达 到设计能力4 2 0 万吨。其中混煤产量1 2 6 万吨，入洗煤量2 9 4 万吨，洗出中煤5 2 9 2 万吨，水洗矸石2 9 4 万吨。选煤厂目前将其中部分洗中煤和煤矸右由汽车直接运至3 公里外的芦峪沟，占地约1 0 3 h m 2 。随着矿区生产规模的不断加大，芦峪沟堆放区的煤矸 石也日益增多，沟中已经堆积如山，整个沟几乎快被填平。 煤矸石中常见的岩石主要是组成煤系地层各种沉积岩，有炭质泥岩、泥岩、沙质泥 岩、粉砂岩、砂岩、石灰岩和煤等。黄陵矿区一号矿井采掘出的煤矸石经洗选后主要的 6 化学成分如表2 - 1 ： 表2 1 煤矸石的化学成分( w t ) f 成份s i o 。a 1 ：0 ，f e 2 0 at i 0 ： c a o m g ok 2 0n a 2 0s 0 3 l o s s i 含量 5 0 3 32 1 6 95 9 0o 9 3o 5 7o 5 71 9 4o 9 10 3 21 6 6 8 2 3 煤矸石的污染效应 煤矸石的污染效应一般可分为两大方面：一方面是煤矸石淋出液对周围土壤和水体 的污染，另一方面是煤矸石山自燃对周围大气的污染。 煤矸石中除含有大量的碳、硅、铝、铁、钙、镁等常量元素外，还含有各种痕量的 重金属元素，它们经过长期风化及雨水淋溶污染了地下水、地表水体及土体。实践证明， 煤矸石堆放区周围的土壤干裂分块、寸草不生。 黄陵矿区一号井煤矸石的堆放区芦峪沟在没有堆放煤矸石之前，沟坡生长有多种 植物，自从堆放了煤矸石后，沟内的植被全部被破坏，沟坡上也是寸草不生。在堆放区 几十米以外，土地干涸裂缝。很明显煤矸石的堆放已经对周围的土体和环境造成了很大 的污染。 煤矸石自燃是一个较为普遍的现象。截止目前为止，国内外采煤和洗选过程中排出 的矸石大多弃置于山沟、平川一带，大都长期堆放，利用率极低。这些矸石堆经日晒雨淋， 风化剥蚀、侵蚀，天长地久便发生自燃现象，从而释放出大量有害气体，严重影响了矿区 及周围环境的大气质量。根据报道：英国1 9 6 6 年约有6 2 3 1 0 8t 煤矸石在自燃，美国 1 9 6 4 年有4 8 3 座矸石山在自燃。截止1 9 9 1 年统计，我国在1 2 0 0 座矸石山中，约有1 3 在燃烧，尤以黄河中上游一带为甚。 煤矸石自燃会释放出有毒有害气体，其主要成份有s o ：、h 。s 、c o ：、c o 、氮氧化物和 苯并芘等。美国宾夕法尼亚洲卫生局对自燃矸石山附近居民区采样发现s 0 ：浓度为 0 5 5 o p p m ，h 2 s 浓度为0 0 9 o 4 p p m 。我国乌达跃进选煤厂矸石山燃烧区附近检测结 果：s 0 2 平均浓度为1 0 6 9 m g m 3 ，超过国家标准7 0 多倍，而h 2 s 平均浓度为1 5 7m g m 3 ，超 过国家标准1 5 0 多倍。由此可见，在矸石山自燃过程中除了造成s o 。严重污染外，h 。s 的 污染更为严重。苯并芘是一种强致癌物质，它是由于煤和煤矸石不完全燃烧和裂解所产 生的。虽然可以用提高煤和矸石的燃烧温度和氧化剂供应量来促使它急居4 下降，但同时 又会使n o x 含量迅速上升，因而很难控制。苯并芘以气相或吸附在烟尘中排入大气。它 在水中可溶性极低，在土壤中完全失效所需时间3 - - 5 a 。据分析，人体内多环芳烃平均剂 量来自植物为3 m g ，饮水为0 3 4 0 4 m g ，大气吸入量为2 1 6 m g 。国际抗癌组织推荐的大 气中苯并芘浓度在o 1 馏l o o m3 以下，虽然我国制定的参考指标为国际标准的1 0 倍， 但在燃烧矸石山周围仍普遍超标。例如：铜川矿务局冬季空气中苯并芘为4 4 2 蹭l o o m 3 ，超过国家标准4 4 倍，致使癌症死亡率直线上升。矿务局6 个自燃矸石山周围均为癌 症高发区，在矸石山附近工作过5 年的职工，都患有肺气肿。 黄陵矿区因为建矿时间较短，还没有发生煤矸石自燃的污染现象，但是，如果不尽 快采取措旋处置和利用煤矸石，随着矿区规模的不断扩大，煤矸石量的不断增多，必然 会造成大规模污染的。 第三章煤矸石静态浸泡实验结果及讨论 3 1 实验方案 有害元素的淋滤、迁移是发生在煤矸石中的水一气一矿物反应综合作用的结果。这 些作用包括硫化物的氧化作用、有机物的氧化作用、中和作用、沉淀作用、结晶作用、 胶结作用、吸附作用、离子交换作用、生物作用等。上述各种作用互相影响，互相制约。 许多因素都会影响煤矸石中风化的结果和程度。这些因素主要包括：煤矸石原生矿物组 成、矿物的成因、化学成分、表面积和形态；煤矸石酸中和潜力，溶液p h 值；次生矿 物形成及其吸附、离子交换、胶结作用；溶液中f e ”离子的浓度；煤矸石粒度分布和空 隙度、气候条件和煤矸石堆积处的水文地质环境、细菌与煤矸石的互相作用等等“。 煤矸石中的有害元素一般有下列2 2 种：a s 、c r 、p b 、h g 、c d 、s e 、m n 、n i 、c u 、z n 、 f 、s b 、c o 、m o 、c 1 、b e 、v 、b a 、t i 、t h 、u 、a g 。目前在现行的国家有关标准中，不同 的标准由于目的不同其所列出的有害元素也有所区别( 表1 ) “。 袭l不同的标准所列出的有害元素 为研究煤矸石中有害元素对周围环境的影响，首先要确定其浸出量。由于在实际过 程中有害成份的浸出量是受很多因素控制的，诸如煤矸石堆放时间的长短，煤矸石堆的 高度、粒度、当地的降水性质等，完全根据实际时间是有困难的，而且也是不可能达到 的，而静态模拟实验无论是固液接触面积还是接触时间，都较自然淋溶更为充分。可以 认为，这种方式是自然淋溶的极限情况，其浸出结果应该比自然淋溶值高。故本次研究 采用静态模拟实验。 另外，煤矸石中的微量元素受到煤矸石中矿物成分的酸中和潜力的影响。因此，煤 矸石是否产生酸性排水以及其中的有害元素迁移主要受煤矸石中矿物成分的酸中和潜 力制约，但受条件限制本次研究未进行有关煤矸石矿物成分的分析。由于不同p h 值的 9 水对煤矸石的淋溶会有不同的结果，本次研究是结合黄陵矿区降水的p h 值变化范围进 行。有害元素浸出浓度随时间的变化必然导致电导率的变化，故在对c u 、z n 、c r 、p b 、 m n 、n i 、h g 七种元素进行测试外对电导率也进行了测试。 3 2 煤矸石静态浸泡实验 3 2 1 煤矸石静态浸泡实验条件的确定 3 2 1 1 实验目的 本实验的目的是：研究有害微量元素在浸泡过程中析出机理、影响因素和浸出后将 对环境产生的危害。在静态浸泡实验中影响因素主要讨论时间和酸碱度的影响。 3 2 1 2 样品制各及成分分析 取黄陵矿区一号井新旧煤矸右样品( 上部样、下部样和新鲜样) 按一定粒径破碎后置 于容器中，然后加入不同p h 值溶液，在室温条件卜- ，让煤矸石静态浸泡一定时间后， 取出一定的浸泡液进行有害元素含量分祈。 3 2 1 3 粒径选取 由于试验时间相对于自然淋溶时间短，为使其淋溶充分，采取减小粒径的方法。在 总结前人及国外实验基础上，决定试验样品粒度( 0 0 6 3 r a m 。 3 2 1 4 静态浸泡时间 根据气象资料和酸雨检测资料得知，黄陵地区多年最长连续降雨时间为2 0 天。考 虑到连续降雨时间，以黄陵地区最长连续降雨时间作为基础，分别以这个时间的0 5 、 l 、2 倍为基础，得到1 0 天、2 0 天、4 0 天三个时间段。一般淋溶初期的溶出量较大， 所以增加1 天、3 天、6 天三个时间段，故实验采用的浸泡时间段为1 天、3 天、6 天、 l o 天、2 0 天、4 0 天。 3 2 1 5 浸泡液选定 根据黄陵县的酸雨检测资料，黄陵地区降水平均p h 值为6 4 ，最低5 1 。经现场测 试，所耿煤矸石样品的芦峪沟附近的塌陷塘积水的平均p h 值为7 5 ( 6 9 之间) 。为了 更好地使浸泡实验接近自然状态，使浸泡液模拟天然降水，分别是以蒸馏水作为母液， 1 0 用浓度为0 0 1 m o l 1 的h c l 和0 0 1 m o l 1 的n h o h p h 值为6 3 和5 1 的浸泡液， 以及芦峪沟附近的塌陷塘积水( p h 值为7 5 ) ，共计三个系列。 3 2 1 6 固液比 在总结国内外前人所作的浸泡实验的经验基础上，本次研究的固液质量比采用1 ：4 。 3 2 2 静态浸泡实验过程 3 2 2 1 实验步骤 1 ) 用正交设计法安排实验，选取p h 值、时间作为影响因素，p h 值取三个水平= ： 5 1 ：6 3 ：7 5 。固液比：1 ：4 e o o 这样安排的实验共有九组，如表3 1 所示。 2 ) 三种不同的煤矸石样品依次按规定粒度磨碎风干后，取l o k g 样品分别置于三 个玻璃缸中，加入一定的p h 值和溶液，搅拌均匀。实验过程中每天上下午分别对溶液 进行一次搅拌。 3 ) 每组样品分别浸泡1 天( s = 1 ) 、3 天( s = 2 ) 、6 天( s ：3 ) 、1 0 天( s = 4 ) 、2 0 天( s = 5 ) 、4 0 天( s = 6 ) 后取样测定浸泡液中所选定的7 种微量元素的含量。取样前应 将浸泡液进行搅拌，带溶液澄清后取上层清液进行测定。 4 ) 取样时及时测定浸泡液的p h 值和导电率，随后测定所取浸泡液中7 种微量元 素的含量并记录。 表3 1 静态浸泡液样品编号 样品编号样品类型p h 值粒度固液比测定项目 备注 h 1 一s 一1 上部老煤矸石 5 1 0 0 6 3 m m1 ：4 i l l s 一2 上部老煤矸年i 6 3 0 0 6 3 m ml ：4 p h 值、电 h 1 一s 一3 上部老煤矸石 7 5 o 0 6 3 m ml ：4导率、c u 、样品编 h 2 一s 一1 f 部老煤矸石 5 1 0 0 6 3 m m 1 ：4 z n 、c r 、 h 2 - s 一2 下部老煤矸石 6 3 0 0 6 3 m ml ：4 p b 、m n 、h f s h 2 一s 一3 下部老煤矸石 7 5 o 0 6 3 m m1 ：4n i 、h gj h 3 一s l 新鲜煤矸石 5 1 0 0 6 3 m m1 ：4 h 3 一s 一2 新鲜煤矸石 6 3 0 0 6 3 m ml ：4 h 3s 一3 新鲜煤矸石 7 5 o 0 6 3 m ml ：4 说明：h 一静态浸泡：f 一样品分类；s 一浸泡时间；j 一酸碱度。 3 2 2 2 实验器材和试剂 本实验所需器材如下：粉碎机；粒径分离筛；恒温箱；研体；铁锤；大玻璃缸；p h 值；电导仪；玻璃棒；搅拌棒；移液管；试剂瓶；橡胶手套；1 0 0 0 m l 溶量瓶；温度计。 本实验所需试剂如下：硝酸；0 ，o l m o l 1 的盐酸；0 o l m o l 1 的n h 。o h ；蒸馏水；p h 试纸。 3 2 2 3 实验项目及测定方法 本实验需测定的项目：p h 值、电导率、c u 、z n 、c r 、p b 、n i 、h g 。其中c u 、 z n 、c r 、p b 、m n 、n i 、h g 用原子吸收法测定；p h 值用p h 计直接读取；电导率用电导仪 测定。 实验于2 0 0 4 年7 月l o 日- - 8 月1 9 日；期间室温变化幅度于2 3 2 8 5 c 3 2 3 实验结果 实验所测的7 种有害元素以及p h 值、电导率的静态浸泡实验测定结果如下表3 2 表3 - 2 煤矸石静态浸泡液测定结果 样品编号c uz nc rp bm n n i h g p h 值 电导率 h 1 一l 一14 。3 5 2 1 8 5 1 2 34 1 9 5 0 42 5 00 3 l 8 2 0 o 2 2 h 1 1 21 7 5 55 2 4 72 9 41 0 9 61 9 5 91 1 9 5o 2 68 3 20 1 6 i t l l 弋 4 3 91 6 7 5 1 5 92 9 32 5 61 4 1o 3 58 9 4o 2 6 h 2 1 - 11 7 22 3 1 60 6 62 2 45 6 32 6 10 2 78 3 20 1 3 h 2 一卜23 7 l3 9 3 01 8 54 。6 84 7 92 5 lo 3 08 2 40 9 6 h 2 一l 一34 5 03 0 4 90 4 54 3 78 5 24 6 10 3 88 0 9o 2 6 h 3 1 - 15 3 42 8 1 20 ，0 02 9 4 1 2 6 0 1 9 5 0 2 8 7 6 0o 4 6 i t 3 一l 一2 2 5 42 8 2 6o o o1 6 l 1 2 4 4 0 0 6o 2 77 8 60 1 4 h 3 1 - 3 3 4 42 3 9 20 9 2l 8 6 1 6 5 0 1 7 9 0 3 58 0 40 3 5 h 1 2 - 14 7 31 9 0 0o o o3 4 6 4 9 6 2 2 4 o 2 8 8 4 6 0 2 4 h l 一2 2 1 2 9 03 8 1 81 7 86 8 4 1 3 3 3 l o 0 8o 3 28 1 1o 1 6 h 1 2 - 3 6 3 l 1 6 8 3 o 3 63 4 0 2 4 3 3 4 8o 3 68 8 6o 2 7 f 1 2 2 一l 2 2 5 2 4 5 9 0 1 72 1 04 9 42 8 1o 2 58 2 70 1 3 h 2 2 2 1 6 9 7 3 8 7 9 0 1 12 0 3 3 9 l 8 4 4o 2 68 0 2o 1 0 i t 2 2 3 4 5 1 2 6 6 4 o 4 92 7 6 2 1 91 2 1 6o 4 18 0 4 o 2 6 h 3 2 - 1 2 5 4 2 8 5 7 o o o2 o l 1 8 1 33 3 30 3 47 9 7o 1 8 h 3 2 2 3 9 2 3 4 7 6o 0 0 3 3 5 1 5 0 6 3 3 9o 3 6 7 8 4o 1 9 h 3 2 - 35 3 62 1 1 7o 8 5 2 9 0 4 7 9 1 5 7 3o 4 4 8 0 40 3 6 1 4 1 3 1 5 0 6 3 2 8 00 2 62 8 9 2 5 82 6 80 2 88 2 0o 2 0 h 1 3 2 1 6 2 0 5 9 2 9 1 9 l1 3 5 0 1 6 3 61 0 o oo 2 98 2 5o 1 4 h 1 3 3 6 4 33 6 3 5o 3 62 6 1 1 9 6 3 3 3 0 3 l8 5 2o 2 4 h 2 - 3 - 1 3 6 54 5 4 3o 3 62 3 7 4 6 62 9 80 2 58 0 0o 1 l h 2 - 3 2 3 3 8 5 7 3 2 0 1 72 5 3 4 7 7 2 8 60 2 7 7 9 70 0 9 h 2 - 3 - 3 2 9 5 3 2 7 4o 2 61 9 3 1 8 2 3 2 5 6o 2 8 8 0 4o 2 4 h 3 3 一l 3 5 0 4 5 7 2 0 0 22 4 1 1 5 3 1 1 4 40 2 87 8 7o 1 4 h 3 3 2 3 1 1 4 5 2 8o 0 0 2 0 6 1 5 3 6 1 5 3o 2 98 0 30 1 6 1 1 3 - 3 3 3 9 1 3 0 5 3o 1 3 2 0 6 4 7 2 4 1 1 2o 3 2 7 9 0o 2 8 h 1 4 1 6 6 8 4 6 7 90 5 64 0 4 3 3 4 22 2 0o 2 57 6 90 2 2 h 1 4 2 1 1 1 6 5 7 8 l 1 2 l4 6 0 7 8 7 4 7 4o 2 37 8 8o 1 6 i 1 4 3 4 4 8 4 3 5 9o 0 02 9 l 6 9 40 0 00 2 57 7 5o 2 7 t i 2 4 1 4 8 0 7 1 6 2o 0 82 7 21 麟 2 6 6o 2 57 1 8o 1 2 h 2 4 2 4 7 9 6 8 4 3o o o2 3 9 8 3 4 6 1 6 5o 2 4 7 5 5o 1 0 h 2 - 4 34 6 74 2 2 3o 2 52 5 61 髑2 2 90 2 9 7 9 lo 2 5 h 3 4 - 14 1 05 2 3 6o 0 01 7 2 5 1 9 o 3 80 2 57 6 2o 1 8 h 3 4 2 7 3 3 5 9 4 4o o o2 2 9 2 1 6 2 5 3o 2 67 8 0o 1