煤矸石污染物原位控制及生物效应研究

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贵州省凯里市煤矿资源主要富集于鱼洞河流域,煤炭开采过程中产生的高硫高铁煤矸石风化氧化后形成的酸性废水已对鱼洞河流域水质造成严重污染,开展煤矸石污染物持续释放的源头控制研究对改善煤矿区生态环境质量及保护鱼洞河流域水环境具有重要意义。植物修复是控制煤矸石污染释放及改善矿区生态质量的重要生态措施,但由于煤矸石含铁、硫高,呈强酸性、强氧化性,且物理性状差,养分状况不佳等严重限制植物修复进程。因此,针对鱼洞河流域煤矸石污染,本研究通过淋滤柱淋滤试验开展了改良剂-植物联合修复作用对煤矸石污染物原位控制效果及其生物效应研究,其中实验共设置5个处理组:对照煤矸石(CK组)、煤矸石+钝化材料(钝化组)、煤矸石+钝化材料+植生改良材料(改良组)、煤矸石+钝化材料+植生改良材料+白三叶(三叶草组)、煤矸石+钝化材料+植生改良材料+黑麦草(黑麦草组)。模拟当地降雨量定期对以上5个处理组进行淋滤(共5次),系统研究“改良剂-植物(白三叶/黑麦草)”体系对煤矸石污染物质释放的影响及其淋滤液对黑麦草种子萌发的影响,并对淋滤后不同垂直剖面煤矸石的理化性质、酸化能力、金属分布特征以及微生物效应进行分析,为鱼洞河流域后期的煤矸石污染物释放原位控制提供理论指导。取得的主要研究结果如下:(1)改良剂-植物联合修复可降低煤矸石污染物释放量,并降低其生物毒性。不同联合修复可降低煤矸石淋滤液Eh、EC值,降低淋滤液中Fe、Mn、Cu、Zn、Cd、Cr、SO42-、F-等物质含量,提高淋滤液对黑麦草种子萌发的发芽率、发芽势,并促进黑麦草种子根、芽的伸长。修复后淋滤液淋出量的大量减少,降低了煤矸石Fe、Mn、Cu、Zn、Cd、Cr等金属离子和SO42-、F-等阴离子的溶出释放量。(2)改良剂-植物联合修复可改善煤矸石生境环境,减少氧化亚铁硫杆菌数量。修复后,煤矸石p H值提升至中性或碱性,电导率和氧化还原电位显著降低,各深度煤矸石中石砾和粗砂粒组分均降低,细砂粒、粉粒和黏粒组分均增加,容重和含水率及含水率在各深度间的分布差异也降低。添加植生改良材料可显著增加煤矸石养分含量以及真菌、细菌、放线菌、硫酸盐还原菌数量及活性,并降低氧化亚铁硫杆菌数量,植物参与则进一步提高煤矸石的速效氮含量,降低速效磷和速效钾含量,硫酸盐还原菌和氧化亚铁硫杆菌数量则分别降低和增加,以黑麦草的作用最为明显。(3)改良剂-植物联合修复可显著降低煤矸石酸化能力,并降低煤矸石中金属和硫的迁移能力,从而降低煤矸石中污染物质的释放潜力。联合修复后,煤矸石酸中和能力显著提高,净产酸量和净产酸潜力明显降低,但改良修复后的煤矸石仍存在继续氧化产酸的能力,属于中度或高度产酸尾矿。经淋滤后,改良修复后的煤矸石中Fe、Mn、Cu、Zn、Cd、Cr、S等物质总量均高于对照煤矸石。煤矸石中的各金属元素主要以可氧化态和残渣态的形式存在,与对照煤矸石相比,添加钝化材料提高各金属元素的可还原态比例和Mn、Zn、Cd、Cr的酸可溶解态比例,添加植生改良材料则在一定程度上降低Fe、Zn、Cd、Cr的可还原态比例,而植物参与在一定程度上降低金属的酸可溶解态比例,提高残渣态比例,并吸收固定煤矸石中的金属和S等元素,从而降低煤矸石中污染物质的迁移和再释放。(4)煤矸石各生境参数间的相关性和主成分分析结果表明,煤矸石基本理化性质、物理和养分状况以及微生物特征之间体现出密切的相关关系,且添加植生改良材料对煤矸石生境改善的贡献大,植物参与后仍能保持良好的生境状况。煤矸石各酸化参数之间以及其与污染物释放参数间的相关性分析结果表明,提高煤矸石中硫酸盐含量、降低氧化亚铁硫杆菌数量可显著降低煤矸石氧化产酸及其污染物质的释放。综上,添加改良剂不仅原位抑制煤矸石污染物质的释放,还可降低淋滤液的生物毒性,改善煤矸石理化和微生物特性,降低煤矸石的酸化能力和金属的迁移释放能力。植物生长后并不影响改良剂效果,并进一步降低煤矸石的酸化能力和金属的再释放潜力。因此,改良剂-植物联合修复可实现煤矸石污染物释放原位控制,并取得良好效果。
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