董興玲：古土壤層對煤矸石淋濾液中典型汙染物的防汙效能

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創新點

(1) 透過開展室內滲透、吸附等試驗，研究了煤矸石淋濾液在古土壤層中的行為特徵，確定了煤矸石淋濾液在古土壤層中的水動力彌散引數，揭示了煤矸石淋濾液中典型汙染物在古土壤層中的遷移機制。

(2) 構建了煤矸石淋濾液中典型汙染物在古土壤層中的遷移模型，使用POLLUTE V7軟體模擬預測了汙染物擊穿古土壤層的時間，古土壤層對煤矸石淋濾液中汙染物具有較強的阻隔作用，厚度為1.0 m的古土壤層對汙染物的有效阻隔時間可以達到10年以上。

(3) 提出古土壤層是一種效能優異的阻隔屏障，可有效限制煤矸石淋濾液在包氣帶中的遷移。要準確評價煤矸石淋濾液對地下含水層的影響，必須確定古土壤層對煤矸石淋濾液中汙染物的防汙效能。因此，在進行黃土區煤矸石堆場地下水環境影響評價及汙染防控時，有必要考慮古土壤層產生的影響。

作 者

董興玲^1,2,董書寧^1,2,王 皓^1,2,王 寶^3,4,王強民^1,2,周振方^1,2,張溪彧^1,2

單 位

1. 中煤科工集團西安研究院有限公司；2. 陝西省煤礦水害防治技術重點實驗室；3.西安建築科技大學環境與市政工程學院；4. 陝西省岩土與地下空間工程重點實驗室

研究背景

黃土區佔黃河流域總面積的85%,分佈有晉北、晉東、晉中、黃隴、陝北、神東和寧東等七大國家大型煤炭基地,是我國目前重要煤炭生產區 。煤炭開採和洗選過程中會產生大量煤矸石,產量約佔煤炭總產量的10%~15%。煤矸石是多種礦巖組成的混合物,其礦物成分主要包括高嶺石、石英、矽酸鹽礦物、碳酸鹽礦物及少量的鐵鈦礦。由於具有一定的資源屬性,很多企業嘗試對煤矸石進行資源化利用,目前主要的利用途徑有使用煤矸石發電、礦井採空區充填、生產綠色建材,以及生產高附加值產品等。儘管近年來煤矸石的資源化利用率不斷提高,但由於技術和經濟條件的限制,目前大部分煤矸石仍然只能露天堆放。煤矸石露天堆放過程中,在降水持續淋濾作用下會釋放出含有大量汙染物的淋濾液;然而由於缺少防滲系統,煤矸石淋濾液直接排出煤矸石堆場並進入地下,給礦區周圍的地下水環境帶來嚴重威脅。因此,研究煤矸石淋濾液對地下水的環境影響是煤礦環境保護領域的熱點問題。

煤矸石淋濾液在進入地下含水層之前,必須經過包氣帶。包氣帶中含有不同巖性地層,它們都具有一定的防汙效能(主要包括水力阻隔效能和化學吸附效能兩部分),能夠延緩汙染物向地下含水層遷移,在一定程度上降低汙染物對地下含水層的影響 。黃河中游黃土區的包氣帶中同時發育有黃土層和古土壤層。然而,目前已有研究主要關注黃土層對汙染物的防汙效能 ,而古土壤層對汙染物的防汙效能缺少研究 。

古土壤層在黃土區包氣帶中廣泛發育,煤矸石淋濾液在向地下含水層遷移過程中,必將流經過該層。因此,有必要研究古土壤層對煤矸石淋濾液中典型汙染物的防汙效能,以便確定汙染物被阻隔和遲滯的情況,從而為黃河流域煤礦區矸石堆場的地下水環境風險評價及汙染防治提供理論依據和技術支撐。

摘 要

黃土區是我國重要的煤炭生產區,古土壤層在黃土區包氣帶中廣泛發育。煤炭開採和洗選過程中會產生大量煤矸石,其中露天堆放的煤矸石在長期降水淋濾作用下會釋放出含有大量汙染物的淋濾液,對礦區周圍的地下水造成汙染。黃土區煤矸石淋濾液在進入到地下含水層之前,必將流經過古土壤層。

要準確評價煤矸石淋濾液對地下含水層的影響,必須確定古土壤層對煤矸石淋濾液中汙染物的防汙效能。透過開展室內滲透試驗和批式吸附試驗,研究了古土壤對煤矸石淋濾液中典型汙染物Mn²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺和SO₄^2-的阻隔情況。

滲透試驗結果顯示,煤矸石淋濾液作用下古土壤試樣的滲透係數在0.852×10^-9~1. 01×10^-9m/ s,比使用蒸餾水滲透時得到的滲透係數降低了1. 5倍以上。古土壤試樣滲透係數之所以會降低,是因為煤矸石淋濾液與古土壤之間發生了化學反應,生成新的沉澱物淤堵了古土壤試樣中的孔隙。批式吸附試驗結果顯示,古土壤能夠吸附Mn²⁺,Zn²⁺,Cu²⁺,吸附過程符合非線性的Freundlich 模型;古土壤層中黏土礦物與重金屬之間的離子交換反應,是古土壤吸附重金屬的主要途徑。古土壤顆粒呈電性,與SO₄^2-之間存在相互排斥作用,幾乎不吸附SO₄^2-。使POLLUTE V7 軟體模擬預測了煤矸石淋濾液中典型汙染物擊穿古土壤層的時間,結果顯示,厚度為1.0m的古土壤層對汙染物的有效阻隔時間可以達到10a以上。

總體而言,古土壤層具有較強的防汙效能,能夠限制汙染物向含水層遷移,因此在進行黃土區煤矸石堆場地下水環境影響評價及汙染防控時,有必要考慮古土壤層產生的影響。

部分圖片

古土壤滲透係數隨孔隙體積數的變化情況

古土壤對Mn²⁺的等溫吸附曲線

古土壤對Zn²⁺的等溫吸附曲線

古土壤對Cu²⁺的等溫吸附曲線

古土壤對SO₄^2-的等溫吸附曲線

煤矸石淋濾液透過古土壤層的示意

地下水中汙染物質量濃度隨時間變化關係

作者簡介

董興玲，女，1982年9月6日生，山東棗莊人，博士，就職於中煤科工集團西安研究院有限公司礦山災害防治與環境治理技術研發中心，助理研究員。主持國家自然科學基金1項、中國煤炭科工集團創新基金專案1項，主持或參與其他國家級、省部級科研專案10餘項，發表核心以上學術論文30餘篇，其中SCI/EI收錄論文14篇。

研究方向

礦區地下水資源保護，礦區生態環境修復

主要成果

致力於礦區地下水資源保護與生態環境修復的基礎理論與應用技術研究，主要研究煤礦區酸性廢水（AMD）的汙染控制技術、礦區地下水中典型汙染物的溶質運移模擬以及地下水汙染原位修復技術，目前正在開展西部生態脆弱礦區水資源保護及利用技術的研發工作。

來源：

董興玲,董書寧,王皓,等. 古土壤層對煤矸石淋濾液中典型汙染物的防汙效能[J]. 煤炭學報,2021,46 (6):1957-1965.

DONG Xingling,DONG Shuning,WANG Hao,et al. Antifouling property of the paleosol layer to the contaminants in the coal gaugue leachate[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(6):1957-1965.

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