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甘肃地区煤矿土壤重金属污染特征研究

2024-10-27 92 上传者：管理员

摘要：煤矿开采会引发土壤重金属超标问题，给地区生态环境带来不良影响。结合红谷矿区案例探究甘肃地区煤矿土壤污染情况，通过采集样品测定土壤中重金属元素种类和含量，可知早期开采的矿区存在重金属元素富集的问题，且在自然环境和生物等因素作用下产生了重金属迁移现象，应综合运用物理修复、植物修复和生物修复技术治理土壤重金属污染，预防周围区域继续受到重金属污染，减少土壤污染给地区生态环境带来的危害。

关键词：
土壤重金属污染
煤矿
煤矿开采
甘肃地区
金属超标
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甘肃作为典型资源型省份，拥有北山、阿拉善、祁连、鄂尔多斯西南部等多个富煤带。但受经济环境等因素影响，甘肃地区煤矿生产管理模式较为粗放，在煤矿开采、冶炼过程中产生了大量煤渣、煤矸石等固体废弃物，未能得到合理安置则出现了侵占了大量土地资源的现象，引发了土壤重金属污染，将给生态系统安全和人体健康带来威胁。研究甘肃地区煤矿土壤重金属污染特征，有针对性地开展污染治理工作，对推动区域绿色可持续发展具有重要意义。

1、研究区概况

红古矿区作为甘肃地区早期建设和开采的煤矿，位于黄土高原西北部，属于地区重要含煤层位。矿区广泛分布前寒武系和新生界，属于河流和沼泽相沉积的粘土岩、炭质页岩、细砂岩和油页岩，受历史因素影响，矿区遗留较多尾矿区，存在地表塌陷、滑坡破坏等问题，最大沉陷深度达9 m，最大滑坡带长1 500 m，造成临近镇区土地丧失使用功能。在矿区地表地貌被破坏的同时，由于堆积大量的煤矸石引发了土壤重金属污染，导致周围植物丧失立地条件，出现了耕地荒芜、山体裸露等情况。

2、煤矿土壤重金属污染特征分析

矿区煤炭开采时间较长，而煤矸石、煤粉中的重金属将持续淋出，确定重金属在周围土壤中的富集和迁移情况，将矿区开采划分为早期、中期和近期，对不同时期矿井煤矸石堆积引发的土壤重金属污染展开分析。

2.1 样品采集

在矿区土壤样品采集过程中，按照放射状布点法对不同时期形成的煤矸石堆周围的土壤取样。煤矸石中的重金属主要通过降水冲刷、淋溶方式进入土壤，此外也可通过扬尘方式落于周围土壤。分别沿着煤矸石淋溶流出路线、夏季主风向和冬季主风向布置土壤样品采集点，在0.5～800 m范围内在各路线布置5个采样点。在采样过程中，先确定主线位置，先采集一处样品，再以此为圆心，在2 m半径范围内选择四个位置采样。采样时将大杂质、煤块等去除，进对表层土壤样品进行采集，深度达到10 cm，重量约0.5 kg。将5个样品均匀混合后，利用四分法取0.5 kg作为该采样点的样品，粘贴标签。在早期、中期和近期三个矿井周围采样，共计完成45个煤矸石堆土壤样品和45个煤粉堆土壤样品采集。

2.2 样品测试

利用采集到的土壤样品测试重金属含量，首先应在无污染环境下将样品风干，研磨后过100目筛密封保存。采用WFX-310原子吸收光谱仪检测土壤中的重金属元素含量，检测前先完成样品消解处理。在装有1 g样品的坩埚中添加50 mL聚四氟乙烯，用水浸润后添加10 mL盐酸，使用电热板将样品烘干，促使土壤初步分解。坩埚内溶液达到3 mL时，从电热板取下，添加5 mL硝酸、5mL氢氟酸和3 mL盐酸，再次烘干分解，直至样品粘稠添加硝酸至50 mL。在样品测定过程中，使用国家标准物质和20%平行样控制质量，确保测定结果在误差允许范围内。使用SPSS12.0软件对测得数据进行统计，可以获得最终分析结果。

2.3 重金属含量分析

对土壤样品中的重金属含量展开分析，应对样品中重金属含量取均值，然后结合地区土壤背景值初步判断矿区土壤的污染程度。如表1所示，取土壤中各重金属元素均值可知，土壤中的Cr、Co、Cu等元素含量均超出了地方土壤背景值。根据各重金属元素超出背景值大小，可知除了Mn元素污染较小，检出的其余重金属元素污染程度均较高。分析原因可知，矿区开采时间较早，部分矿井已经发生沉陷，引发了土地结构变化，导致大量矿井废弃，遗留了较多尾矿和煤矸石，给周围环境带来了污染。

2.4 重金属富集特征

按照煤矿开采时间探究土壤重金属污染情况，可以利用富集因子法对不同时期形成的煤矸石堆给周围土壤带来的重金属污染展开分析。富集因子利用下式计算：

式中，Ci指的是i元素浓度，Cn为标准化元素浓度，s、b指的是样品值和背景值。将土壤样品中重金属元素浓度和背景浓度值比较，能够确定重金属元素富集程度，在富集因子小于1的情况下说明不存在污染；富集因子在1～2之间则为轻微污染；富集因子在2～5之间则为中度污染；富集因子在5～20之间则为显著污染；富集因子在20～40之间则为强烈污染；富集因子超过40则为重度污染。从分析结果来看，如表2所示，早期矿井周围土壤的Cd达到了显著污染等级，Pb和Zn达到了中度污染等级，其余元素为轻微污染；中期矿井土壤Cb显著污染，Pb中度污染，其余元素轻微污染；近期矿井只有Pb元素达到中度污染，其余元素均为轻微污染。早期煤矸石周围土壤中各种重金属元素富集因子更大，说明煤矸石长时间经过风、雨等环境作用后析出的重金属更多，在周围土壤中积累引发了更大程度污染。而中期、近期矿井重金属污染普遍轻微，不仅与时间作用有关，也与煤矿开采技术升级有关，因此土壤重金属污染有所减轻。

2.5 重金属迁移特征

对煤矸石堆和煤粉堆周围土壤重金属含量进行比较。Cd和Pd的富集程度最高，因此选取这两种元素展开分析，结果详见表3，可知采样点1距离污染源头最近，采样点5距离最远，可知距离源头最近的土壤重金属含量越高。但早期矿井土壤并未随着距离延长而出现明显重金属含量下降情况，分析原因可知与煤矸石长期受自然环境和生物等因素作用，导致重金属在土壤中出现了均质化现象，在一定距离内发生了迁移。而中期和近期矿井周围土壤重金属含量随着距离增加而下降，说明土壤重金属迁移需要一定时间。此外，相较于煤矸石堆，煤粉堆周围重金属含量更高，说明重金属发生了风化迁移作用，同时小颗粒煤粉也更容易进入土壤富集。

3、煤矿土壤重金属污染治理措施

红谷矿区煤炭开采作业模式在甘肃地区具有代表意义，在把握矿区土壤重金属污染的富集性和迁移性特征的基础上，应通过综合修复治理加强土体结构保护，防止污染持续向外迁移，从而加强地区生态环境保护。

表1土壤样品中重金属含量（mg/g)

表2不同时期土壤样品中重金属元素富集因子

表3煤矸石堆和煤粉堆土壤样品中重金属含量（mg/g)

3.1 物理修复

针对早期矿井周围土壤，考虑到土地发生塌陷等现象，为避免区域土壤重金属持续发生富集和迁移作用，通过物理置换方式修复表土层，改善土壤耕种条件，帮助生态环境复原。具体来讲，就是通过深翻方式处理污染区域，将底部尾矿渣推平压实，中间覆盖10 cm隔离层，上部使用净土覆盖40 cm后压实，最上层使用耕种土覆盖30 cm。在土壤重金属污染处理实践中，先将废渣和尾矿等清理干净，外运至指定场所安置，然后将场地平整、压实。填坑过程中，应确认压实系数达到0.95以上，结合地形调整场地坡度，确定坡度不超5°，将场地改造为阶梯型，防止继续塌陷。按照2∶3∶5的比例均匀混合黏土、石灰和中砂后，可以铺设隔离层，避免上层残留重金属污染物持续向下渗透，有效提高土壤修复质量。隔离层压实系数同样应达到0.95以上，而上层净土压实度仅要求超过0.90，耕种层采用干净、松散黄土，压实度达到0.83以上。考虑到早期矿井周围土壤污染程度复杂，物理修复法仅用于显著污染区域，其他区域则采用植物修复方式改善土壤理化成分，达到修复环境的目标。

3.2 植物修复

植物具有较强的金属耐受性和富集能力，可以用于提取、吸收、转运、固定或分解土壤中的污染物。结合重金属污染特征选择植物，确保植物对Cd、Pb等元素拥有良好吸附能力。在植物长成后，对上部进行收割处理，减少土壤中的重金属含量。结合甘肃地区生态环境，可以选择紫花苜蓿、草木犀等植物大面积种植，在植物生长周期为1年的情况下，每年应对植物生长情况进行监测，并完成土壤中重金属含量检测。采取植物修复技术处理早期、中期形成的矿井周围大面积土壤，能改善周围生态景观，具有长期稳定、无二次污染等优势。

3.3 生物修复

近期形成的矿井污染程度较低，采用生物修复措施防止污染扩散。一方面，可以采用生物炭固定法削弱重金属迁移性。生物炭利用农业废弃有机物热解炭化制成，拥有较大的比表面积和孔隙率，能够产生吸附、络合、离子交换等作用。生物炭中拥有可溶性碳酸盐等物质，可以与土壤中的重金属发生反应，产生化学盐等沉淀，有效吸附和固定重金属污染物。另一方面，可以采用动物和微生物修复技术，通过向周围土壤释放更多的蚯蚓、真菌等吸附、降解和转化土壤中的重金属元素。如采用暹罗芽孢杆菌对Cr、Pb元素呈现较高抗性和耐受性，能够促进植物生长的同时，修复周围土壤重金属污染。结合物种间的共生关系和土壤重金属污染特征展开分析，做到合理投放物种，能够有效抑制重金属运移活性。

4、结论

综上所述，甘肃地区煤矿开采已经引发了土壤重金属污染问题，不仅破坏了周围土体结构，也将通过富集作用给周围生态系统带来影响。考虑到早期开采煤矿形成的煤矸石堆和煤粉堆已经形成了典型的土壤重金属富集现象，同时重金属发生了明显迁移，应尽快通过物理置换和植物修复方法处理污染区土壤，同时采用生物修复方式防止污染扩散，为加强周围环境污染治理奠定良好基础，做到合理开采煤矿资源。

参考文献:

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文章来源:张佳圆.甘肃地区煤矿土壤重金属污染特征研究[J].清洗世界,2024,40(10):105-107.