高潜水位采煤塌陷地粉煤灰充填复垦可行性分析

2019-01-17程艳芳

采矿与岩层控制工程学报 2018年6期

程艳芳

(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京 100013)

煤炭是我国最主要的能源之一，约占一次性能源构成的70%[1]，其中约96%的煤炭产量来自井工开采[2-3]，这种开采方式对土地资源最直接的破坏形式是地表塌陷，进而造成土地破坏，耕地减少[4]。将粉煤灰作为充填物料充填于塌陷区，既能减少粉煤灰占地，恢复土地资源，又能缓解粉煤灰对环境的污染，同时解决了充填物料缺乏的问题，具有变害为利的双重效益[5-6]。

由于燃煤电厂粉煤灰中含有As，Pb，Cd，Cr，Hg等重金属元素[7-8]，充填复垦后会对地下水[9]、土壤[10-12]和所生长植物产生影响[13-14]。我国现有的研究主要集中在充填复垦技术[15-17]、土地恢复[18]和粉煤灰利用[13,19]等方面，而关于复垦后重金属污染以及作物是否有二次污染的研究较少[20-21]，尤其在高潜水位复垦区土壤及农作物的重金属污染研究较少[22-25]。在我国，矿区大部分复垦土地都被用来进行农业生产，植物对重金属元素具有富集作用，如果复垦土壤、水体、农作物被污染，必将会通过食物链进入人体，危害人体健康[5,20,26]。因此，在高潜水位区粉煤灰能否作为充填复垦的材料，复垦后是否会受到重金属污染是在复垦中亟需解决的关键问题。本研究以大屯发电厂粉煤灰为研究对象，依据现场取样、粉煤灰样品淋溶、浸泡试验和种植试验结果，论证高潜水位采煤塌陷地粉煤灰充填复垦的可行性。

1 研究区概况

大屯发电厂地处黄淮冲积平原，地形为西高东低。该平原地区属温带半湿润季风气候，年平均温度为13.6℃，年平均降水量为960mm，6～9月份降雨量占全年降雨量的60%，春季次之，秋季较少，冬季最少。周边土壤类型为砂质粘土。大屯发电厂每年用于发电、供热消耗燃煤约1.66Mt，产生粉煤灰0.4Mt。徐庄煤矿是一个老矿，由于连年开采，矿区以及周边地面不同程度下沉。塌陷区位于徐庄煤矿东侧约1.0km处，塌陷地面积约为0.1688km2，塌陷深度从0.7～5.5m不等，由于塌陷地属于高潜水位地区，故地表塌陷后常年积水。

2 材料与方法

2.1 样品采集

选择在大屯发电厂粉煤灰库和堆场采集粉煤灰3个样品。土壤5个样品：分别为徐庄煤矿储灰场周边表土，用以测定粉煤灰对周边土壤的重金属污染；徐庄煤矿塌陷区周边20m以外的原始表土，用以测定土壤重金属背景值；发电厂一分厂三号灰池底部0～150mm和大于150mm土壤，用以测定粉煤灰中重金属元素向土壤转移程度；发电厂一分厂二号灰池围堰外表土，用以测定粉煤灰扬散对周边土壤的重金属污染情况。分别取在储灰场上生长的高粱、黄豆、南瓜的茎和果实样品，用以测定粉煤灰中重金属在植物体内的富集程度。

2.2 样品处理与测试

采集样品在实验室进行处理和测试。土壤样品严格按照土壤环境监测技术规范(HJ/T166-2004)规定进行预处理，粉煤灰和植物也同样参照土壤样品进行处理，将样品放在通风、阴凉、干燥的地方待风干后碾碎并进行消解。粉煤灰制备成检测小样，直接上机测试；淋溶实验选择直径100mm的PVC塑料管，管下口放置滤纸，用烧杯分别接8h，16h，24h，32h，40h和48h的淋溶液，测定其中的重金属含量；浸泡实验将粉煤灰样品用去离子水浸泡，所有样品均按照去离子水与粉煤灰比分别为2∶1和3∶1的比例混合，浸泡时间分4个时段：1d，7d，14d和30d，共计8个浸泡测试样品，每个测试样品均称取100g粉煤灰，加入设计比例的去离子水，振荡搅拌之后静置，测定上清液中的重金属元素含量。采集的粉煤灰、粉煤灰淋溶液和浸泡液、土壤和农作物均用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)测定As，Cd，Cr，Hg，Pb等重金属含量。

3 结果与分析

3.1 粉煤灰复垦重金属污染分析

3.1.1 粉煤灰重金属含量

3种粉煤灰样品重金属含量如图1所示，重金属Cd和Hg均未检出，可见粉煤灰中这两种元素的含量极低；Se超过《土壤环境质量标准》(GB 15618-2008)二级标准，但未超过《农用粉煤灰控制标准》；其他重金属元素的含量有一定程度的差异，但差异性不大，均处于《土壤环境质量标准》(GB 15618-2008)二级标准和《农用粉煤灰控制标准》以内，可以看出粉煤灰的As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb和Zn含量均未超标。因此，大屯电厂粉煤灰不足以对周围环境产生明显影响，可作为采煤塌陷地的充填复垦材料。

3.1.2 粉煤灰模拟淋溶分析

通过粉煤灰淋溶实验测试，得到8h，16h，24h，32h，40h和48h淋溶液中重金属含量，如表1所示，Se含量随淋溶时间延长呈减少趋势，淋溶水中Se的浓度最大为0.05mg/L，超过地表水环境质量标准限值，但《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB 2762-2012)已经取消了食品中Se的限量规定。而其他几种重金属含量则无明显的变化，均在检出限以下，大大低于《地表水质量标准》(GB 3838-2002)Ⅴ类标准和《地下水质量标准》(GB/T 14848-1993)Ⅳ类标准，可以看出粉煤灰淋溶液中的As，Cd，Hg，Pb和Cr等重金属含量均未超标。另外，粉煤灰重金属元素的淋溶性很弱[13]，因此，粉煤灰在降水和灌溉等淋溶作用下，重金属元素不易向土壤中迁移，进而不会造成复垦周边土壤重金属污染，大屯电厂粉煤灰能满足采煤塌陷地的充填复垦物料的要求。

表1 粉煤灰淋溶液中重金属含量 mg/L

3.1.3 粉煤灰模拟浸泡分析

在高潜水位矿区复垦中，充填的粉煤灰大多在

注：农用粉煤灰控制标准Zn无相关数据图1 粉煤灰重金属含量

潜水位之下[23]。因此，应关注浸泡状态对粉煤灰重金属的迁移影响。在去离子水与粉煤灰比为2∶1和3∶1的两组实验中，粉煤灰在水中分别浸泡1d，7d，14d和30d，测试结果见表2所示。浸泡第1天时，各重金属浸出浓度已达到最大，除Se之外，As，Cd，Hg等重金属均未超过《地表水质量标准》(GB 3838-2002)Ⅴ类标准和《地下水质量标准》(GB/T 14848-1993)Ⅳ类标准。浸泡浓度随时间延长，重金属析出量呈现先减少后无明显变化趋势，浸泡第30天时，除Se之外，其他重金属含量浸出浓度较低，均在检出限以下，并大大低于地表水质量标准和地下水质量标准，可以看出测试样品溶液中As，Cd，Cr，Cu，Hg，Ni，Pb，Zn重金属均未超标，而且这些重金属元素均为极弱淋溶元素[13]，水溶性差，性质较稳定。因此，在浸泡作用下粉煤灰释放的重金属元素不会造成土壤、地下水和地表水的污染，利用此粉煤灰进行塌陷区的充填复垦是可行的。

表2 粉煤灰浸泡上清液中重金属含量 mg/L

3.2 土壤重金属污染分析

土壤背景值和粉煤灰周边土壤测试结果见表3所示，徐庄煤矿土壤重金属元素背景值低于《土壤环境质量标准》(GB 15618-2008)和《食用农产品产地环境质量评价标准》(HJ/T 332-2006)中对土壤重金属元素含量的限制值，充分说明徐庄煤矿背景土壤未受到重金属污染。另外，粉煤灰中的重金属含量除Cu，Ni，Se之外，均未超过徐庄煤矿土壤重金属背景值。

徐庄煤矿储灰场周边土壤重金属Cr，Ni和Zn超过土壤背景值，但低于《土壤环境质量》二级标准、《食用农产品产地环境质量评价标准》和《农用粉煤灰控制标准》，其他几种重金属均达标。发电厂灰池底部和周边三类土壤中重金属含量除Se之外均低于以上三类标准限值和土壤背景值，由此可看出测试的土壤中As，Cd，Hg，Pb等含量均未超标，粉煤灰重金属元素不易向周围土壤迁移，不会受到粉煤灰重金属污染，这一结论在徐良骥和孙克刚等人的研究中也得到了证实[6,27]，但对Se元素应予以重视。

表3 粉煤灰堆场土壤重金属含量 mg/kg

注：“-”表示无相关数据。

3.3 农作物重金属污染分析

粉煤灰复垦后实际用于种植粮食作物，若农作物受到重金属污染，将会通过食物链进入人体，危害人体健康[25-26]。因此，有必要分析粉煤灰中重金属对农作物的影响。测试分析储灰场上生长的高粱、黄豆、南瓜3种植物茎和果实器官中的重金属含量，结果如表4所示，高粱、黄豆和南瓜作物中As，Cd，Cr，Hg，Pb，Ni，Se重金属含量均在检出限以下，唯有Cu和Zn两种重金属含量较高，但低于粮食卫生标准上限(图2)。由于农作物对As，Cd，Cr，Hg，Pb等重金属较难吸收[28-29]，所以它们在农作物器官中的含量较低；而对Cu和Zn最容易吸收，并且Cu和Zn作为植物生长所必须的微量元素，在植物体内主要是以生长代谢为主[28-29]，使得Cu和Zn的含量高于其他以被动吸收为主的重金属。

表4 粉煤灰上生长的农作物中重金属含量 mg/kg

注：“-”表示无相关数据。

图2 农作物茎、果实重金属含量

由于不同农作物对重金属的选择性吸收不同[13,28]，高粱、黄豆和南瓜的不同器官中重金属含量均有所差异。但3种农作物中重金属含量全部在国家粮食卫生标准上限(GB 2715-2005)之内，相关的研究也表明粉煤灰复垦对农作物不会产生较大影响[13,28,30]。因此，说明粉煤灰在植物体内的重金属富集状态不明显，农作物茎和果实等器官不足以受到粉煤灰复垦重金属污染。