煤矸石堆存对周边水生态环境污染与治理的影响及修复措施探讨

刘璐璐

（贵州省聚新水利综合经营有限公司，贵州 贵阳 550000）

1 煤矸石污染现状

1.1 煤矸石的产生及危害

煤矸石是煤矿开采和洗选过程中产生的固体废弃物，煤矿的排矸量约占煤炭开采量的8%～20%，平均约为12%。自20世纪50年代以来，随着煤矿采掘机械化的发展和原煤开采量的不断增加，致使煤矿排出的煤矸石也在不断增加。多年来，我国煤炭系统积存下来的废弃煤矸石堆积如山，现在每年排放出1亿多吨[1]。煤矸石露天堆放，一方面，压占大量的土地，且暴露在空气中极易发生一些物理化学反应，如发生自燃、扬尘等现象，因此，对矿区及其周边地区的大气、水体等造成了严重污染；另一方面，煤矸石山在外力的作用下还有可能发生坍塌、泥石流等地质危害，造成生态破坏、景观破坏，极易引发社会问题，最终危害矿区的生态安全和人类健康。矸石堆场不但占用了大量土地，而且煤矸石中所含的黄铁矿氧化后会释放出氢根离子、二氧化硫、重金属等有毒有害成分，进而污染大气、水源和土壤，给自然环境和人们身体健康造成了严重危害。

1.2 煤矸石对水生态的污染

在自然环境中，降雨对煤矸石堆表面的击溅和冲刷产生了水力侵蚀，一方面，会造成结合在矸石颗粒和矸石团聚体的污染物质的流失；另一方面，矸石中的硫化物（主要是黄铁矿）在大气中氧和降雨的作用下，通过微生物的催化发生氧化，会产生富含硫酸根、铁、锰的酸性废水。在暴雨径流下，这些主要污染物质会形成低pH的酸性水且随地表径流汇入水体，造成了水体的污染和水生生态环境的破坏。地表径流中的主要污染物质包括溶解态和侵蚀泥沙携带的颗粒态两部分[2]，其特点是含有低酸碱度和高浓度的重金属和其他有毒元素，可严重污染地表水和地下水[3]。

煤矿酸性水的pH值一般在3.0～5.0之间，但我国南方大部分地区酸性水的pH值介于2.3～5.7之间[4]。当低pH值的淋溶水进入水体时，会对生物产生巨大的影响，能消灭或抑制水中微生物的生长，妨碍微生物的活动，并降低水体的自净能力。因此，如果酸性矿山的废水随意排放，就会对周围环境和生态系统造成长期损害，且废水中含有的有害金属离子就会在动、植物体内富集，进而通过食物链威胁人体健康[5-6]。

自然堆放的煤矸石山一般坡度较大，有些煤矸石山的安息角高达40°以上。由于煤矸石的粒径较大，在堆放初期，表面的煤矸石风化程度较低，煤矸石山的入渗能力较强。但随着表面煤矸石风化程度的提高，入渗能力江逐渐降低，使煤矸石山的表面径流加大，造成土壤的冲刷。近年来，煤矸石堆放一般需要经过压实，但经过机械碾压的煤矸石山表面会形成致密的“不渗层”，在暴雨天气下其上覆盖的表土极易造成严重的水土流失。

2 修复措施探讨

在实际修复过程中，煤矿矸石周边的水生态治理应遵循“以防为主，防治结合”的原则，并按照“因地制宜，综合治理；整体规划，分步实施；合理布局，加快建设”的方针进行。

2.1 煤矸石生态污染源头治理探索

2.1.1 矸石堆存点的处理

传统的排矸方式一般是先将矸石运到矸石山顶部，然后倾倒并使其自然滚落。这样的“梯田”式堆积为矸石内部提供了大量氧气，空隙的空气中的氧气会从中渗入，而矸石山的中下部硫铁矿和炭质相对集中，易发生氧化[7]。因此，要降低污染，堆置地点需有效防止风蚀，还要保证堆积场不会发生二次污染。在处理过程中，通常选用石块以及黏土对其进行覆盖，这样可以对地下水进行保护，防止硫氧化后污染源头水源酸化水质；同时，还可以避免雨水在沿坡面流淌过程中冲刷覆土，造成矸石外露自燃[8]。并且，也可以将黄土等惰性物料覆盖于燃烧区，以隔绝空气，达到灭火的目的。覆盖法灭火的关键是必须将黄土等惰性物料压实，同时，覆盖前煤矸石必须要经过一定程度的冷却。目前，这种方法主要用于控制自燃煤矸石山火势的蔓延或者用于防止煤矸石自燃，其效果非常好。

2.1.2 煤矸石在建筑材料方面的资源化利用

煤矸石的一个重要资源化利用就是烧结多孔砖[9]，其是以煤矸石的可燃物为自燃热源，原料经粉碎、成型、干燥和焙烧等工序加工而成的一种性能优异的新型墙体材料，具有高孔洞率、高掺渣量、高强度和高保温性能[10]。

煤矸石中的成分和黏土极为相似[8]，利用这一特性还可以代替黏土制备各种砖类产品，这也是煤矸石资源利用的主要途径，是目前很受欢迎的一种建筑材料。还可以利用煤矸石生产砖瓦和水泥。未经自燃的煤矸石可用以配料制砖，并且可以利用其中所含的热值，节约原料煤，这种方法投资不大，方法简单，已广泛应用。

制砖行业所消耗的矸石不仅量大，而且彻底。煤矸石砖的质量完全能满足建筑行业的要求，其强度、耐酸碱和抗冻性均优于普通黏土砖。煤矸石砖的质量已经有国家标准，因此，可以在全国范围内推广使用。另外，煤矸石还可以代替全部或部分黏土，且可以作为生产普通水泥熟料的黏土质原料或作为铝质校正原料，从而为生产水泥提供所需的硅、铝成分[11-12]。

2.1.3 超积累植物生态修复探索

超积累植物是指能够超量吸收重金属并将其转移到地上部的植物。例如：蜈蚣草富集金属As，东南景天富集Zn，印度芥菜富集Cd和Zn。

超积累植物的主要特征为：能在体内积累高浓度的污染物，且在重金属污染程度较高的土壤中，地上部生物量不会明显减少；另外，即使污染物浓度较低，也有较高的积累速率；有的超积累植物能同时积累几种金属；植物在污染地生长快，生物量大。因此，要遵循“宜草则草、宜花则花”的思路，在煤矸石堆场周边可根据重金属的污染情况，来选取不同的富集植物进行种植，以降低矸石堆存造成的重金属污染。典型的超积累植物详见图1。

图1 几种典型的重金属超积累植物

2.1.4 保障措施

落实责任。各产生煤矸石的煤炭洗选企业是煤矸石污染整治的主体责任单位，各有关企业对检查中发现的问题要实行清单式管理，发现一起，挂账一起，整改一起，销号一起，确保整治措施落实到位。各级环保部门也要对煤矸石污染整治强化监管责任，督促企业限期完成各项整改任务，落实各项管理制度，确保煤矸石污染防治落到实处。同时，要对煤炭洗选企业煤矸石的贮存和处置场进行大排查、严治理，切实做到不留死角、不留盲区、不走过场，以更加细实的作风，抓好煤矸石污染整治工作。同时，还要加大对煤炭加工洗选企业对于煤矸石的贮存、处置不规范、违反环评制度等环境违法行为的打击力度，对无贮存、处置场乱倾乱倒以及未按期完成治理任务的企业责令其停产、停业整顿，构成移送条件的要移送司法机关进行处理。

2.2 阻断煤矸石生态污染过程的探索

2.2.1 堆场淋溶水引渠

为了避免酸性淋溶水直接排入河流，堆场旁可修建多条排水沟，以降低矸石受到的雨水冲刷，且排水沟之间可通过边坡导流渠串联起来，将雨水汇集，并统一回收处理。

2.2.2 多级复氧反应池沉淀去除Fe

黄铁矿是贵州煤矸石的主要成分，黄铁矿的连续氧化反应会造成水体酸化，因此，去除酸性废水中Fe离子成为了研究的关键。根据贵州废弃煤矿分布特征和废水排放特点，杨绍章等发现了以碳酸盐岩为主要反应介质中和处理煤矿酸性废水的技术方法，且处理效果显著[13-14]。碳酸盐岩作为煤矿酸性废水治理的反应介质，经过在反应池中的多级反应，对于提升废水中的pH值及去除Fe离子具有很好效果[15]，同时，反应体系中形成的铁氧化物沉积物对废水中其他金属离子也有很好的吸附共沉淀作用[16]。

2.3 煤矸石生态污染末端治理探索

2.3.1 植物覆盖下水生态修复探讨

在实际修复过程中，植被的选择应同时具备功能性、多样性以及季节的变化性，设计也需着重关注环境的生态性，再通过特殊的设计手法将植物合理地搭配组合，从而在特殊的地点利用合理的植物发挥其生态效用，达到调整生态环境的目的。

从修复水生态系统出发，可以植上草坪或灌木。植被覆盖可有效地减少煤矸石地表污染物质的迁移，这与植被浸蚀作用与茎叶对降雨的截留作用、根系对土壤的固结作用和植被对径流传递的阻碍作用有密切的关系[17]，而植被对煤矸石堆径流中的污染物质也有一定的抗冲和抗蚀拦截能力，可以作为水生态保护的屏障，并且，植被种植还可以起到美化景观的作用。在选用修复植物的时候，可以选择经济的植物进行种植，如紫花苜蓿等，也可选择适宜当地种植的植物。

2.3.2 水生植物的生态修复探讨

由于酸性废水的排入，会使河流中的pH值变低，导致水中的动植物出现大量死亡的情况，使生态系统遭到严重地破坏，而水生植物本身就有净水功能，其根系可以吸附一些污染物，同时还可以产生氧气，增加水中溶解氧的浓度；其根系分泌物也可以增强微生物的活性能力，增强污染水体的净化能力，从而达到降低水体污染的目的。因此，水生植物的种植可以成为水生态恢复的重要措施。

3 结论

（1）煤矸石堆场会占用大量土地，且矸石中所含的硫化物、重金属等有毒有害成分会污染水源，而酸性矿山废水任意排放对生物产生了很强的冲击力，其能消灭或抑制水中微生物的生长，妨碍水体自净，也会对周围环境和生态系统造成长期损害，最终通过食物链威胁人体健康。

（2）矸石堆存点通常选用石块以及黏土对其进行覆盖，防止硫氧化后污染源头水源，酸化水质；同时还可以防止雨水在沿坡面流淌过程中冲刷覆土，避免矸石外露自燃。

（3）煤矸石烧结多孔砖是以煤矸石为主要原料，以煤矸石的可燃物为自燃热源，原料经粉碎、成型、干燥和焙烧等工序加工而成的一种性能优异的新型墙体材料。

（4）可根据煤矸石堆场的金属污染情况，选取不同的富集植物进行种植，以此高效修复周边的水生态环境，为水生态系统做好第一道屏障。

（5）为了避免酸性淋溶水直接排入河流，堆场旁可修建多条排水沟，以排除矸山上的雨水冲刷，而排水沟之间由边坡导流渠串联起来，最终将雨水汇集排走并进行统一收集回收处理。

（6）根据贵州废弃煤矿分布特征和废水排放特点，可应用以碳酸盐岩为主要反应介质中和处理煤矿酸性废水的技术方法，且处理效果显。

（7）在河流和堆场中间植上草坪或灌木，可有效地减少煤矸石地表污染物质的迁移，对煤矸石堆径流中的污染物质也会有一定的抗冲和抗蚀拦截能力。

（8）水生植物本身就有净水功能，其根系可以吸附一些污染物，同时还可以产生氧气，增加水中溶解氧的浓度，其根系的分泌物还可以增强微生物的活性能力，进而提高污染水体的净化能力。