淮南潘集采煤沉陷区土壤及煤矸石镉环境地球化学特征_杨涛.pdf

第 46 卷 增刊 1煤田地质与勘探Vol. 46 Supp.1 2018 年 7 月COALGEOLOGY the heavy metals in the samples were studied by Tessier’s five-step morphology extraction . The morphology of Cd and its bioavailability were analyzed. Finally, the of geo-accumulation index was used to uate the degree of Cd pollution in soil and coal gangue in the subsidence area. The results showed that the Cd content in the subsidence area of Panji coal mining area in Huainan was 4.17 times higher than the background value of the soil in Huainan, and the Cd content in coal gangue samples was 5.33 times higher than the background value of Huainan soil and coal background value; the residual Cd in coal gangue and soil accounted for the majority, the exchangeable Cd content was low, but the potential bioavailable state content was high; the results of the geo-accumulation index indicate that the moderate Cd contamination in the soil and coal gangue in the subsidence area of Panji coal mining area in Huainan should be controlled by priority measures. Keywords coal mining-induced subsidence area; soil; coal gangue; cadmium; occurrence state 煤炭开采过程中地面发生变形，形成大面积沉 陷区域，地下水和大量雨水汇入，形成面积不等的 沉陷水域，已成为淮南矿区一种特殊地表水体。沉 陷区水域为封闭系统，与外界流通少，地表径流、 化肥农药、煤炭煤矸石淋溶作用等都是其重金属污 染的主要来源，用作养殖或农田灌溉都会对生态环 境造成影响[1]。 土壤作为重金属的天然储库，土壤中 Cd 难以 降解，可以持续累积数百年。重金属 Cd 对植物生 长发育同样产生不利影响，在植物体内迁移转化会 ChaoXing 2煤田地质与勘探第 46 卷 改变细胞膜通透性、抑制光合作用以及破坏抗氧化 酶系统[2]。在受重金属污染土壤中种植农作物会导 致重金属转移到植物可食用部分，通过食物链传递 到人体中，对人体具有潜在危害[3]。 煤矸石作为采煤和洗煤过程中产生的副产品， 在矿区内大量堆积。金属硫化物，特别是黄铁矿， 在煤矸石堆中受自然风化作用影响， 很容易被氧化， 从中释放有毒重金属元素，包括 Cd 在内，对矿区 周边土壤和沉陷区水域构成潜在环境风险[4]。 淮南矿区位于淮河流域中段，煤炭资源极为丰 富， 是国家确定的 14 个亿吨煤生产基地和 6 大煤电 一体化基地之一。由于煤炭的长期高负荷开采已造 成大面积地表沉陷， 对周边生态环境造成巨大影响。 本文研究了淮南潘集采煤沉陷区土壤和煤矸石中 Cd 含量、空间分布特征及赋存形态，运用地累积指 数法对重金属 Cd 污染程度进行评价，为采煤沉陷 区环境污染治理、修复提供科学依据。 1研究区域概况 潘集采煤沉陷区地处安徽省淮南市中北部，南 依淮河，位于东经 11639′52″11705′50″，北纬 3239′11″3256′16″。地势平坦，海拔 2123 m，地 形标高 1827 m。属于暖温带半湿润大陆性季风气 候区，气候特征显著，四季分明，常年盛行偏东风。 年平均气温 15.3℃，年平均降水量 926 mm。现有 4 个现代化矿井，潘一、潘二、潘三和潘北矿，矿井 设计年产量 13 Mt。 2样品采集与实验测试 2.1样品采集 在 2017年 4月对淮南市潘集采煤沉陷区农田土 壤以及矸石山进行了样品采集。 共采集 16 份土壤样 品、4 份煤矸石样。采集 020 cm 表层土壤样品， 去除地表杂物， 每个土样由多个子样均匀混合而成， 四分法缩分后保留 1 kg 储存于密封袋中。依据标准 GB 4752008 商品煤样人工采取方法 ， 为保证样 品具有代表性，按煤矸石堆的形状，将子样分布在 煤矸石堆的顶、腰和底距地面 0.5 m上，采样时先 去除 0.2 m 的表层面，在煤矸石堆的顶、腰和底的 东、南、西、北面各采 1 个混合样，每个子样由 4 个混合样均匀混合而成，3 个子样均匀混合后作为 一个煤矸石样品，四分法至 1 kg 左右。采样点如图 1 所示。 采集的土壤样品，挑出石块、根系、动植物残 体等异物后进行冷冻干燥。煤矸石样品则采用手工 敲碎方式。将处理好的样品经玛瑙研钵研磨使其全 部通过 100 目0.15 mm尼龙筛，四分法后放置于棕 色瓶中避光保存。 图 1潘集采煤沉陷区采样点分布图 Fig.1Distribution of sampling points in coal mining-induced subsidence area of Panji mine 2.2样品测试分析 采用 HNO3∶HF∶HClO4为 5∶5∶3 对样品进 行高温消解，以测定重金属总量。采用 Tessier 五步 提取法[5]分析重金属赋存形态按不同提取阶段划分 为可交换态、碳酸盐态、铁锰氧化态、有机态、残 渣态。样品液中 Cd 总量和各赋存形态含量测定采 用电感耦合等离子体质谱法ICP-MS。通过测定空 白样、平行样和加标回收进行质量控制，回收率为 85115。 2.3评价标准及方法 采用地累积指数法[6]Igeo评价土壤及煤矸石重 金属污染程度。计算公式为 geo2 log n n C I Bk      1 ChaoXing 增刊 1杨涛等 淮南潘集采煤沉陷区土壤及煤矸石镉环境地球化学特征3 式中 Cn为实测样品中元素 n 含量，Bn为元素 n 的 淮南土壤背景值，k 为变动系数1.5。表 1 为地累 积指数 Igeo的详细分级标准与污染划分程度。 表 1地累积指数污染程度分级 Table 1Contamination level for different geo-accumulation inds 分级地累积指数 Igeo污染程度 0Igeo≤0无 10顾桥，说明矿区土壤中重金属具有时间 累积效应。 3.2煤矸石 Cd 含量 由图 2 可知，沉陷区 4 份煤矸石样品中 Cd 含 量在 0.220.39 mg/kg，平均 0.32 mg/kg，是淮南土 壤背景值0.06 mg/kg5.33 倍，同时也是淮南煤背景 值[9]0.66 mg/kg的 5.33 倍。水文地质特征、元素溶 解度和形态等因素共同影响来自非饱和带重金属的 浸出和流动性[10]。党志[11]研究英国威尔士南部露天 采煤矿区，发现由于风化煤矸石表面存在大量有机 质和铁胶粒，以硫化物矿物形式赋存的重金属元素 被吸附，未能进入周围环境中，但是雨水冲刷过程 会导致重金属呈溶解性盐而析出，进入土壤、地表 水。淮南潘集采煤沉陷区大量堆积煤矸石，长期经 受地表潮热、冷冻和风吹日晒，雨水自然淋滤降雨 pH5.17.0，为减少矿区煤矸石飘尘，常用沉陷水 域和地下水对煤矸石堆喷洒，加速了煤矸石风化和 重金属元素的淋溶。淮南潘集矿区，沉陷水域面积 大，煤矸石充填复垦过程中，煤矸石与沉陷区水体 之间长期进行水岩作用，势必造成煤矸石中重金属 元素的迁移。因此，不论是长期地表堆积还是充填 复垦，煤矸石中重金属元素的淋溶和迁移作用都会 导致周围土壤、地下水及地表水污染，这是矿区环 境污染的一个重要源头。 图 2煤矸石 Cd 含量 Fig.2Cd concentration in coal gangue 3.3土壤和煤矸石中 Cd 赋存形态 由图 3 可知，沉陷区土壤中可交换态 Cd 占 1.2812.38，碳酸盐态 Cd 占 6.7120.52，铁 锰 氧 化 态 Cd 占 18.4136.58 ， 有 机 态 Cd 占 3.126.07，残渣态 Cd 占 35.6666.93，各形 态所占百分比表现为残渣态＞铁锰氧化态＞碳酸盐 态＞可交换态＞有机态。 图 3土壤中重金属 Cd 形态分布 Fig.3Distribution of heavy metal Cd in soil 如图 4 所示，煤矸石中可交换态 Cd 占 7.67 17.97，碳酸盐 Cd 占 2.363.55，铁锰氧化态 Cd 占 7.4812.39，有机态 Cd 占 3.326.79， 残渣态 Cd 占 64.2174.26，残渣态占绝大部分。 由此可见，土壤和煤矸石中重金属 Cd 绝大部 分存在于原生及次生硅酸盐矿物等晶格中，十分稳 定，不易向周围环境扩散[12]。 ChaoXing 4煤田地质与勘探第 46 卷 图 4煤矸石中重金属 Cd 形态分布 Fig.4Distribution of heavy metal Cd in coal gangue 不同形态重金属产生不同的环境效应，其中可 交换态易向周围环境扩散，被生物体吸收利用，为 生物可利用态。 沉陷区土壤和煤矸石中可交换态 Cd 质量分数平均值为 6.89和 11.03，说明沉陷区土 壤和煤矸石中重金属生物可利用态含量较低。碳酸 盐态、铁锰氧化态、有机态在强酸环境或其他适当 环境下能够被释放出来，对土壤产生潜在的危害， 为生物潜在可利用态[13]。本研究中 Cd 在沉陷区土 壤 和 煤 矸 石 中 潜 在 可 利 用 态 占 比 分 别 为 29.6156.44和 16.6118.28， 潜在可利用态所 占比例较高。M. YOU 等[14]对淮南矿区不同采矿期 的 30 个土壤样本进行分析， 发现随着采矿时间的延 长， 可交换态、 有机态、 残渣态的比例在增加。 C. C. ZHOU 等[15]研究了淮南煤矸石中重金属迁移转化作 用，发现可交换态、碳酸盐态、硫化物结合态的重 金属在各种反应物理、化学、生物作用条件下易 于释放到周围环境中，是沉陷区环境重金属潜在源 头。 3.4污染评价 经计算，研究区各采样点土壤、煤矸石中 Cd 地累积指数及污染程度如表 3 所示，从表中可以看 出，Cd 的 Igeo值基本都大于 1，属于中度污染和中 度重度污染，说明研究区内 Cd 含量超标严重， 对矿区生态环境有较大影响， 应积极开展治理控制。 表 3土壤和煤矸石 Cd 的地累积指数及污染程度 Table 3Geo-accumulation inds and pollution level of Cd in soil and coal gangue 类型Igeo污染程度 土壤0.97–1.90中度污染 煤矸石1.69–2.12中度重度污染 4结 论 a. 淮南潘集采煤沉陷区土壤 Cd 含量是淮南土 壤背景值的 4.17 倍，煤矸石样品中 Cd 含量是淮南 土壤背景值和煤背景值 5.33 倍。 b. 淮南潘集采煤沉陷区土壤和煤矸石中残渣 态 Cd 占绝大部分，可交换态 Cd 含量低，但潜在生 物可利用态含量高。 c. 地累积指数法结果表明，淮南潘集采煤沉陷 区土壤和煤矸石中 Cd 为中度及以上污染，应采取 措施积极开展治理控制。 参考文献 [1] 徐良骥， 严家平， 高永梅. 煤矿塌陷水域水环境现状分析及综 合利用以淮南矿区潘一煤矿塌陷水域为例[J]. 煤炭学 报，2009，347933–937. XU Liangji，YAN Jiaping，GAO Yongmei，et al. Current water environmental status analysis of subsided water areas and its comprehensive utilization A case of subsided water area in Panyi coal mine[J]. Journal of China Coal Society，2009，347 933–937. 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