粉煤灰充填复垦土壤的污染研究

粉煤灰充填复垦土壤的污染研究

地下采矿形成的地表塌陷造成大量土地和耕地的破坏。在采矿附近的采矿车间，产生了大量固体残渣，即磨损磨损。将粉煤灰作为主要填充材料，不仅可以恢复坍塌的土地，还可以使用煤矿。目前，粉煤灰填充恢复技术在中国得到了广泛应用。粉煤灰的理化特性与自然土壤有较大差异通常采用表层覆土复垦方式.如果覆土质量好且合理地采取相应的施肥措施,在粉煤灰表层覆土种植适宜的作物可以获得中等以上产量.然而,安徽及河南等地的土壤取样测试表明,复垦土壤存在重金属污染,农作物存在二次污染风险.如何改善复垦土壤的环境质量和提高复垦土壤生产力是亟待研究和解决的问题.为此,本研究以安徽淮北和河南平顶山的粉煤灰充填覆土复垦农田的调查取样、样品分析以及淋溶试验和盆栽试验等为依据,对粉煤灰充填复垦土壤的特性及环境风险进行了试验研究.1复土充填土样的测定采用电子显微镜和常规土壤分析方法对粉煤灰的质地、显微结构、pH值、养分含量进行分析;通过淋溶实验进行粉煤灰污染潜势分析.粉煤灰的淋溶实验采用河南平顶山电厂的水力排放粉煤灰,试验用水为去离子水.采用室内柱状淋滤方式,用3根长度500mm、直径75mm的PVC塑料管,一端敞口,另一端封口并开孔,在管底开孔处各内置一片滤纸和一片塑料网,填料后按顺序安放并固定于特制的架子上,每个圆管下面放置烧杯承接淋溶水样.根据实地降水情况模拟降水量定量加注去离子水,试验时间为45d,采集的淋溶水样用等离子光谱法(ICP)和原子吸收光谱法进行元素含量分析.在粉煤灰污染潜势分析的基础上,采集粉煤灰充填复垦土壤进行分析和盆栽实验,以研究粉煤灰充填复垦土壤的污染性.试验地选在河南平顶山市和安徽淮北市,二者同属高潜水位区塌陷复垦地,均将电厂粉煤灰直接充填到塌陷区,然后覆土40cm左右种植.平顶山市复垦地1991年开始种植花生、大豆等浅根系作物;淮北市首批复垦地于1988年开始农林间作,种植槐树,间作小麦和大豆.第2批1992年、第3批1999年开始种植小麦和大豆.附近的另一采煤塌陷地,于1996年采用同样方法复垦,种植小麦和大豆.选此4处作为试验地.现场用100cm3环刀取样,按剖面深度分为0～20cm土、20～40cm土、20～40cm灰、40～60cm灰、60～80cm灰5种样品.选择Cd、Hg、As、Pb、Cr、Cu、Zn、Ni等8项重金属元素进行对比分析.在粉煤灰的温室盆栽实验中,选取了纯粉煤灰、粉煤灰覆土、粉煤灰与煤矸石混合、粉煤灰与土壤混合与塌陷地土壤对照等5种土壤处理措施.实验材料取自平顶山试验地,土壤取自塌陷地,粉煤灰取自排灰场,煤矸石取自附近矸石山.盆栽小麦,重复3次,实验时间为40d,适量浇水.试验结束后,剪下茎叶洗净凉干,采用ICP法与原子吸收光谱法测定重金属含量.2结果与讨论2.1碳灰粉的特性与污染的潜在能力2.1.1粉煤灰的颗粒特性土壤质地往往用土壤颗粒的粒径分布来表示.图1为河南平顶山采煤塌陷地土壤、灰场粉煤灰与充填覆土复垦种植3年粉煤灰的粒径分布图.粉煤灰的粒径分布与土壤相比,较为均一和集中,粒径分布在0.002～0.23mm的灰场粉煤灰颗粒约占总数的90%,复垦地粉煤灰为86%,而试验土壤为64%.粉煤灰中小于0.002mm粒径范围的颗粒含量大大少于试验土壤,从而使得粉煤灰的CEC值较小粉煤灰的中值粒径要比试验土壤的中值粒径大,类似砂壤.复垦4年、种植3年后,粉煤灰的中等粒径颗粒含量减少,细颗粒含量增加,显示了充填粉煤灰的土壤化进程.电子显微镜观察结果表明,粉煤灰外观呈灰白色或灰黑色,粒间松散,其显微结构为一种大小不等、形状不规则的多种结构的颗粒集合体.其中30%左右为玻璃状球形颗粒,其中大多数为实芯球体,少量为空芯状;70%左右为蜂窝状海绵状的颗粒,比表面积较大.2.1.2复垦土壤剖面ph值分布特征粉煤灰的pH值取决于燃煤品种、除尘方式等因素.覆盖土层下面数米厚的粉煤灰,将在相当长的时间内影响覆土层.图2为淮北采煤塌陷地粉煤灰充填复垦土壤剖面pH值随复垦时间的变化情况.各采样点的pH值分布在8.16～9.20之间,呈强碱性.随着复垦年限的增加,覆土层的高pH值性状不仅没有得到显著改善,而且部分土壤有增高的趋势,这与重构土壤剖面水分的垂向运动有关.高pH值是重构土壤生产力提高的限制性因素,不宜用于种植对高pH值敏感的作物.但另一方面,较高的pH值对钝化污染重金属类元素效果显著.2.1.3充填粉煤灰对土壤cec值的影响粉煤灰缺乏有机质和氮素,而且作物所需其他养分也极不平衡.表1数据显示,重构土壤严重缺氮,而重构土壤阳离子代换量CEC值代表着土壤对养分离子的吸附与保存能力.由于粉煤灰的质地较粗,CEC值较小,新排灰CEC值一般不超过5cmol/kg.淮北市复垦种植8年的充填粉煤灰样品CEC值(过1mm筛)不超过10cmol/kg,而对照农田土壤CEC值为14.8cmol/kg,保肥能力较差.充填粉煤灰有效磷的含量低,12年后复垦土壤仍然缺磷.调节土壤酸碱度及增施有机质,对活化土壤磷素,增加其有效度有重要作用.补充适宜的磷肥对提高作物产量也很重要.复垦土壤全钾含量和速效钾含量充足,不需要专门补充钾肥.且随着时间的增长,土壤全氮含量没有明显的提高.2.1.4粉煤灰中k的含量特性粉煤灰的淋溶实验(见表2)表明,粉煤灰30种测试元素的淋溶程度相差较大.从绝对数量上看,Ca、Mg、Na、K淋失最多,分别为655,162,153,16.0mg/L.其中K较Ca、Mg、Na要弱得多,可能与试验粉煤灰颗粒中K的赋存状态和元素间的相互作用有关,在粉煤灰的水浸和酸浸试验分析中,浸出液中K的含量很高,仅次于Ca而居于第2位.淋溶液中Si、B、Mo、Li、Sr、Cr、V的浓度在1.0～15.0mg/L之间,为弱淋溶元素.其余P、Ba、Al、As、Zn、Cu、Ni、Fe、Co、Cd、Pb、Ti、Ag、Be、Bi在0.0～0.5mg/L之间,为极弱淋溶甚至不溶的元素.充填粉煤灰重金属污染元素的淋溶性很弱,只有Cr略高.2.2碳灰粉对恢复土壤和作物的重金属污染分析2.2.1充填矿山对农业重金属污染的影响平顶山和淮北采煤塌陷地复垦土壤剖面取样分析测试结果见表3.粉煤灰充填覆土重构土壤重金属污染严重,重构土壤中Cd含量超过土壤环境质量2级(适用于一般农田土壤)标准5倍,Cu、Pb的含量也较标准高.如果按对普通土壤的要求,粉煤灰充填复垦土壤不适宜种植作物,应该另作林、草、非食用作物种植等其他用途.2.2.2小麦茎叶和籽实重金属含量若按照普通土壤的要求,重构土壤不适宜种植食用作物.但是,许多这类复垦土地实际用于种植食用作物,同时由于这类土地的特殊性,需要进一步分析污染重金属元素对种植作物的污染状况.针对这一目的,作者进行了粉煤灰及其几种处理的温室盆栽实验和实地粉煤灰充填覆土农田作物的调查取样分析.盆栽实验各处理措施小麦茎叶中,各重金属含量如表4所示.所用标准来自于相关国家粮食卫生标准,其中Ni的标准是通过相关研究资料拟定的.虽然粉煤灰重金属污染严重,但小麦茎叶重金属含量均大大低于国家粮食卫生标准.有关资料显示,植物茎叶中的重金属含量大大高于其籽实中的重金属含量,可以认为盆栽小麦茎叶和籽实都不存在上述8种重金属的污染.这主要与试验粉煤灰、试验土壤的高pH值、作物种类及其选择性吸收等有关.但另一方面这也导致小麦茎叶中Cu、Zn等的含量过低.在淮北和平顶山粉煤灰充填覆土复垦农田进行了作物的调查和取样,并对小麦粒、花生粒等进行了重金属含量的ICP和原子吸收光谱法测定.表5是粉煤灰充填覆土复垦农田作物籽实的重金属含量对比.结果显示,虽然粉煤灰覆土复垦土壤中Pb、Cu含量超过土壤环境质量2级标准,但小麦麦粒与花生粒的重金属含量均未超过国家有关标准,籽实样品不存在所列8种重金属污染,这与重构土壤较高的pH值和作物的选择性吸收有关.3粉煤灰的淋溶特性3.1粉煤灰与土壤差别较大,粗颗粒含量高,吸附性黏粒含量少.粉煤灰重金属含量较高,Cd、Cu、Pb含量超过土壤环境质量2级标准,土壤重金属的污染严重.粉煤灰的pH值均较高,从而抑制了作物对高含量污染重金属的吸收,但同时也不利于作物对Zn、Cu等必需元素的吸收.3.2充填粉煤灰的淋溶作用强烈,其中Ca、K、Na、Mg等的淋溶最高.在淋溶试验条件下,将30种测试元素分为强淋溶、弱淋溶和极弱淋溶3类.污染重金属元素的淋溶浓度很低,表明其随水分运动的迁移性