論有毒有害物質(zhì)對地下環(huán)境的污染機(jī)制

論有毒有害物質(zhì)對地下環(huán)境的污染機(jī)制

0煤石及其他金屬尾礦中存在的重金屬-有機(jī)污染物問題固體污染已成為世界前十個環(huán)境問題之一。而礦業(yè)系統(tǒng)所排出的采礦廢石、尾礦、冶煉廢渣(以下簡稱礦業(yè)固廢)數(shù)量隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展而日益增加,僅以煤炭行業(yè)為例,我國煤矸石產(chǎn)量約為原煤總產(chǎn)量的15%?20%,隨著開采量逐年增加,我國矸石的年排放量以1.5～2.0億T/年(占地6.7km2)增加。以此測算,到2002年底,我國煤矸石存儲量達(dá)到45億T左右。由于現(xiàn)階段對矸石山的利用率很低,絕大部分仍舊堆在地表形成矸石山。我國非煤礦山每年排棄的廢石約10億多T,尾礦約為2億多T,且以每年10%的速度增加。煤(矸石)及其他金屬尾礦中含有的多種有毒有害物質(zhì),在水的淋溶和其他介質(zhì)的作用下進(jìn)入表生生態(tài)環(huán)境中,可造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。煤礦年排出礦井水約22億T,很多為高礦化度、酸性、高懸浮物水,對當(dāng)?shù)氐牡叵滤?、地表水及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。礦業(yè)固廢有毒有害物質(zhì)(重金屬、有機(jī)污染物等)含量分配,尤其是有機(jī)物質(zhì)對土壤及地下水的污染是一個普遍存在的環(huán)境問題。這些有機(jī)物主要來源于固體廢物填埋場、地下密封儲存的有害污染物的事故性泄漏及用于農(nóng)業(yè)的除草劑、殺蟲劑等。由于這種局面短時間內(nèi)很難改變,礦業(yè)固廢污染將是長期的、廣泛的,因此必需加強(qiáng)研究。近幾年,對礦業(yè)固廢的研究散見于各種科學(xué)與工程技術(shù)刊物上,大部分針對各自的研究對象,從實(shí)驗(yàn)的角度出發(fā),探討矸石山淋溶污染。本文在掌握大多數(shù)的材料基礎(chǔ)上,初步論述了礦業(yè)固廢在地面貯存過程中,由于水的淋溶和其他介質(zhì)的作用條件下產(chǎn)生的有毒有害物質(zhì)對地下環(huán)境(土壤和水)的污染機(jī)制,重點(diǎn)論述有毒有害物質(zhì)(重金屬、有機(jī)污染物等)含量分配,尤其是有機(jī)污染物對地下水環(huán)境影響。針對其污染特點(diǎn),提出了相應(yīng)解決辦法及今后需做的重點(diǎn)工作。l煤矸石、尾礦及礦渣淋溶物對地下環(huán)境影響自20世紀(jì)80年代以來國內(nèi)外學(xué)者加強(qiáng)了對煤系固廢淋濾行為的研究,取得了一定進(jìn)展。Hasset和Querol分別研究了煤燃燒后的殘?jiān)械脑卦诓煌岫认碌牧転V行為;徐龍君從動態(tài)淋濾的角度討論矸石所含有害元素在自然淋濾狀態(tài)下向水環(huán)境釋放的能力和量;馮新斌研究了煤中部分潛在毒害微量元素在表生條件下的化學(xué)活動性。1.1煤石等金屬微量元素遷移的土壤環(huán)境和遷移模式礦業(yè)固廢在大氣等多種條件的長期作用下,特別是雨水作用使其發(fā)生淋溶,微量元素從中析出,并在水的作用下,滲透到附近的土壤或地下水中,并發(fā)生遷移。其在土壤中遷移的距離及富集能力受水量及其性質(zhì)、土壤性質(zhì)等條件的影響。微量元素進(jìn)入土壤后,其遷移和富集與其到土壤源頭的距離有關(guān),并呈現(xiàn)距離微量元素進(jìn)入土壤源頭越近(煤矸石堆邊緣算起),其遷移、富集越大的規(guī)律性。在垂直方向上隨著距污染源的遠(yuǎn)近,也呈一定的規(guī)律性。金屬微量元素從煤、煤矸石及煤的灰渣中析出進(jìn)入土壤環(huán)境后,在土壤環(huán)境中發(fā)生遷移轉(zhuǎn)化。遷移主要有物理遷移、物理化學(xué)遷移和化學(xué)遷移、生物遷移等形式。微量元素進(jìn)入地下水后,可以看作溶質(zhì)在多孔介質(zhì)中的遷移,發(fā)生對流、擴(kuò)散、動力彌散、吸附和離子交換現(xiàn)象?？梢苑謩e建立固廢淋濾污染物遷移即溶質(zhì)遷移模型和流水模型進(jìn)行定量描述。隨著基因技術(shù)的發(fā)展,利用能夠降解有機(jī)物的微生物進(jìn)行地下水生物修復(fù)技術(shù)自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來,有了很大的發(fā)展。目前,雖然其發(fā)展受到很多因素的制約,但基因技術(shù)的高速發(fā)展,必將極大地推動地下水生物修復(fù)技術(shù)的發(fā)展。1.2模擬淋溶過程中造成的危害煤矸石的污染效應(yīng)研究一般采用“毒性萃取法”靜態(tài)淋濾實(shí)驗(yàn)和模擬降雨式動態(tài)柱狀淋濾法進(jìn)行。圖1簡單給出了萃取過程。在做靜態(tài)浸出實(shí)驗(yàn)時,一般分別在自然酸度和模擬酸雨條件下進(jìn)行,取其值較大者。測定過濾液中無機(jī)鹽的主要成分硫酸鹽硝酸鹽、錳、鈉、鐵、氯化物、硫化物及總硬度、pH值溶解性總固體、濁度、高錳酸鹽指數(shù)等。模擬淋溶液中有害成分溶出結(jié)果是一個極限值。看其是否超過我國的污水排放標(biāo)準(zhǔn)GB8976—1996和地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GHZB1—1999規(guī)定的值(《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》),用以預(yù)測對水和土壤環(huán)境造成的危害程度,找出主要污染因子。表1給出了部分工業(yè)固體廢物毒性鑒別國家標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)模擬淋溶結(jié)果不超過現(xiàn)執(zhí)行的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值時,就可以得出實(shí)際淋溶結(jié)果不會污染環(huán)境的結(jié)論。反之,則根據(jù)《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》判定對水和土壤環(huán)境造成的危害程度,同時還可以為矸石山淋溶污染物最大釋放量及所需的時間估算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。1.3污染控制對礦業(yè)污染的控制一般的文獻(xiàn)上大都從3個方面考慮:一是防治;二是利用;三是制定技術(shù)政策,即所謂“三化”政策(無害化、減量化、資源化)。2有機(jī)污染物對地下水的環(huán)境影響2.1土壤有機(jī)物運(yùn)移特性有機(jī)污染物進(jìn)入地下水系統(tǒng)一般經(jīng)過包氣帶滲漏,由包氣帶向包水帶擴(kuò)散,進(jìn)入包水帶中污染地下水三個階段。進(jìn)入地下水之后一系列的機(jī)制控制著污染物的運(yùn)移:1)地下水流決定了污染物的運(yùn)動方向和速率;2)擴(kuò)散使污染物產(chǎn)生縱向及橫向的轉(zhuǎn)移;3)污染物與土壤顆粒中有機(jī)質(zhì)及礦物質(zhì)之間的吸附解吸、污染物在土壤包氣帶中的水氣界面處的物質(zhì)交換使污染物的運(yùn)移受到阻滯作用;4)由于具有揮發(fā)性,污染物還隨氣體遷移、擴(kuò)散;5)土壤中的生物與化學(xué)作用使污染物降解,生成無害物質(zhì)或其他有害物質(zhì)。就土壤本身而言,對有機(jī)污染物的吸附實(shí)際上是土壤中的礦物組分和土壤有機(jī)質(zhì)兩部分共同作用的結(jié)果。最新的研究表明:土壤有機(jī)質(zhì)對有機(jī)污染物的吸附是主要的。有機(jī)污染物在地下環(huán)境中遷移主要有3種形態(tài):揮發(fā)態(tài)、水溶態(tài)和無水液流態(tài)(NAPL)。絕大多數(shù)有機(jī)物屬于揮發(fā)性有機(jī)污染物。NAPL遷移影響因素主要為污染物的密度、粘滯性和表面濕潤性。水溶性有機(jī)污染物主要遷移轉(zhuǎn)化過程有對流、擴(kuò)散、吸附、化學(xué)及生物轉(zhuǎn)化等。揮發(fā)性有機(jī)污染物通過揮發(fā)、淋浴和擴(kuò)散等在土壤中遷移或逸入空氣、水體中。2.2污染吸附的反應(yīng)模型近幾年,有機(jī)污染物在地下環(huán)境中的遷移機(jī)制研究在理論和實(shí)驗(yàn)上有了很大發(fā)展。有機(jī)污染物進(jìn)入地下環(huán)境,必須考慮氣一固一水三相間的物質(zhì)交換,屬于多相滲流問題。不少學(xué)者從近年的實(shí)驗(yàn)中,已經(jīng)認(rèn)識到污染物在水相與固體顆粒間的吸附一解吸過程具有非平衡性質(zhì),即解吸速度較吸附速度慢,而不是先前所認(rèn)為的吸附一解吸過程是瞬時完成而達(dá)到平衡的。此后針對這一過程,提出了一級反應(yīng)模型與擴(kuò)散模型來說明。實(shí)驗(yàn)證明,在很多情況下,擴(kuò)散模型的預(yù)測比一級反應(yīng)模型更準(zhǔn)確。但是對于特別慢的解吸過程,上述兩種模型不再合適;于是提出了多級反應(yīng)模型:二域模型與快一慢吸附。二域模型把發(fā)生吸附一解吸的區(qū)域劃分為兩個區(qū)域,在一個區(qū)域中,吸附一解吸是瞬時完成的,是一平衡反應(yīng);另一區(qū)域中則發(fā)生非平衡吸附一解吸。在團(tuán)聚體內(nèi)(天然土壤中,土壤顆粒常具有次級結(jié)構(gòu),如團(tuán)聚體或裂隙結(jié)構(gòu))。發(fā)生著兩個有明顯速度差異的吸附過程,即“快”吸附一解吸和“慢”吸附一解吸?？煳揭唤馕钑r間的量級為分鐘級,慢吸附一解吸則為幾星期至幾年?？煳揭唤馕⒎且粋€瞬時完成的過程,所以快一慢吸附的假設(shè)與二域模型的假設(shè)在本質(zhì)上是不同的。污染物運(yùn)移模型按研究對象和目的分為土壤飽和狀況、地球化學(xué)、排序3大類。具體模型,可在相關(guān)資料中找到。3對廢棄礦井地下水的污染治理技術(shù)研究針對近年來廢棄礦井急增,礦業(yè)固廢有增無減,其淋濾有毒有害物質(zhì)對地下環(huán)境影響的長期性廣泛,而相應(yīng)的調(diào)查、研究又相對滯后這一事實(shí)。作者提出以下幾方面的建議。1)礦業(yè)固廢,一旦造成環(huán)境污染,其污染成分的遷移轉(zhuǎn)化,是一個比較緩慢的過程,其危害可能要數(shù)十年才能發(fā)現(xiàn)。因此,對固體廢物要全程管理、研究,要深入現(xiàn)場調(diào)查、分析、預(yù)測其污染程度、范圍及時效。2)鑒于眾