风化作用下煤矸石中重金属释放的动力学过程及对土壤包气带的影响

The coal gangue weathering was direct influence on the release of heavy metals from coal gangue. The coal gangue was stacked widely, low utilization and long time weathering. The heavy metals releasing from the coal gangue would impose high ecological risk on the soil unsaturated zone. Hence, the project focused on the coal gangue, using the theory and methods of hydrogeochemistry, mineralogy and chemical kinetics, to study the structure characteristics, mineral constituent and heavy metal occurrence characteristics in coal gangue and soil unsaturated zone; to analysis the chemical speciation and geochemical process of heavy metals release from the weathering coal gangue; to reveal the interconnection in weathering and heavy metals release. By study the coupling mechanism of heavy metals release process with migration and transformation in the soil unsaturated zone, and certain the migration patterns of heavy metals in soil unsaturated zone, the influence mechanism on the soil unsaturated zone of heavy metals releasing from the coal gangue was revealed. The results would provide scientific basis for selecting the stacking site and landfill pretreatment of coal gangue.

风化作用直接影响煤矸石中重金属的释放，大范围堆放且低利用率的煤矸石在长期的风化作用下，煤矸石释放的重金属对土壤包气带的影响和潜在的生态风险不可低估。本项目拟以煤矸石为研究对象，综合运用水文地球化学、矿物岩石学、化学动力学等的研究理论与方法，分析不同风化程度的煤矸石和土壤包气带结构特征、矿物组成和重金属赋存特征，研究风化作用过程中煤矸石重金属赋存形态的变化及其释放的地球化学作用，揭示风化作用与煤矸石重金属释放的内在联系；研究煤矸石中重金属释放与在土壤包气带中迁移转化的耦合机制，确定风化作用下重金属在煤矸石-土壤包气带中的迁移模式，揭示煤矸石中重金属释放对浅层包气带的影响机理，为煤矸石堆放场址选择和填埋利用前处理提供科学依据。

风化作用直接影响煤矸石中重金属的释放，露天堆放的煤矸石在长期的风化作用下释放出大量的污染物，煤矸石释放的重金属直接随水入渗土壤包气带。本项目以煤矸石为研究对象，利用煤矸石堆放区周边地表水、地下水、土壤和煤矸石样品的测定结果和室内模拟实验，分析了煤矸石对周边地表水、地下水、土壤环境的影响，确定了煤矸石堆放场周边水土的污染来源，揭示了煤矸石堆放场周边生态环境的污染机理，评价了煤矸石堆放场周边的潜在生态风险。通过分析冻融循环、干湿交替、动态淋滤、静态浸泡、重金属赋存形态提取等模拟实验结果，识别了冻融和干湿交替风化作用下煤矸石重金属赋存特征，阐明了冻融循环和干湿交替风化作用明显增强重金属Cd、Cu和Pb的生物有效性，并促进了重金属的释放。通过分析冻融循环和干湿交替作用后煤矸石浸出液的重金属释放特征，揭示了冻融风化作用后煤矸石在浸泡过程中重金属As、Cr、Cu和Pb的释放随冻融循环次数的增加整体呈现下降的变化趋势；随着干湿交替作用的进行，煤矸石浸出液中Cd、Cr、Cu、Pb和Zn的浓度在干湿交替过程中呈明显上升的变化趋势。依据风化煤矸石-水的水岩相互作用机理，建立了风化煤矸石水岩相互作用过程中的水文地球化学模型。结合煤矸石中释放的重金属随淋滤液入渗土壤包气带的研究分析，确定了风化作用下煤矸石中重金属在煤矸石-土壤包气带中的迁移模式，明确了煤矸石堆放场周边土壤包气带中重金属的释放迁移能力和重金属As、Cd、Cr、Cu、Ni、Pb、V、Zn在煤矸石堆放场下部土壤0-150cm剖面富集系数的变化范围，研究结果不仅揭示了风化煤矸石中重金属释放对浅层包气带的影响机理，而且为煤矸石堆放场址选择和填埋利用前处理提供了科学依据。