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煤矸石是煤炭开采过程中的大宗工业固废,目前处置方式以堆存为主,存在占用土地、生态破坏、地下水污染等问题。煤矿瓦斯在经燃烧利用所产中低温烟气余热未得到有效利用,造成能源的大量浪费。
煤矸石在矿物组成上与土壤具有高度的相似性,但因其粒径粗大、保水性能差等原因,煤矸石大规模生态化利用受限。魏忠义和王秋兵[1]研究认为微粒含量上升即持水率提高是煤矸石复垦的先决条件,胡振琪等[2]认为矿区复垦重点在于土壤性能综合提升。煤矸石颗粒粉化可提升基质持水能力,实现基质成土的初期演替。自然环境中,煤矸石等岩石颗粒的风化粉化主要由温度和水分驱动,但自然扰动强度小、频率低,煤矸石风化进程缓慢。蔡毅等[3]对淮南矿区煤矸石进行采样分析,结果表明风化2~12年的煤矸石持水率才具有较为明显的提升。张清峰等[4]研究表明煤矸石经36个月风化后含水率趋于稳定并超过10%。针对煤矸石风化粉化,梁冰等[5]利用木霉菌对煤矸石进行分解改良,作用30 d后,0.5 mm以下微粒上升了5%左右,时间成本较高;尚志等[6]、ZHANG等[7]采用冻融循环提高煤矸石黏粒细砂含量,研究表明冻融对土壤矿物化学性能改变不大,但对其粒径粉化效果显著,但冻融循环受环境制约难以大规模推广。张素等[8]认为干湿/冷热扰动有利于基质微粒含量的快速提升。通过瓦斯烟气余热利用对煤矸石进行强化风化处理,增强环境扰动的强度和频率,有望实现煤矸石的快速粉化及矿物转化,均衡其土壤学要素,达到综合性能的提升,开辟煤矸石原位风化成土的新途径。所以将煤矸石与瓦斯烟气余热进行协同处理处置,实现资源与能源的高效利用,是煤炭企业绿色可持续发展的重要课题。
针对煤矸石粒径粗大、持水能力薄弱的问题,本研究利用瓦斯烟气余热,强化煤矸石干湿/冷热的交替循环,加速煤矸石结构风化粉化,促进煤矸石的矿物分解与重构,提升风化产物的透气保墒性能,并通过植物生长考核其风化产物的生态化应用效果,以实现煤矸石与瓦斯烟气余热的资源能源的高效利用。
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实验所用煤矸石来自云南恩洪煤矿,岩性以页岩、砂岩、泥岩为主,矿物成分主要为钙长石、伊利石、方解石等,以及少量黄铁矿。实验设置3组样品,初始持水率为6.3%±0.5%,每组样品重量为1 kg,样品粒径分布如表1所示。
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1) 干湿交替实验。对煤矸石进行高频干湿/冷热交替的扰动模拟,将煤矸石用滤布包裹后放入直径15 cm的PVC反应器,向容器中注入1 000 mL超纯水对煤矸石浸泡30 min并记录容器总重;提起滤布取出样品,沥干30 min,然后在45~50 ℃下烘干8 h,此为1个循环。样品分别经历10、20、30次循环,样品命名为CG1、CG2、CG3,干湿交替过程中堆浸液循环使用,每次浸泡时补充超纯水至初始记录总重,堆浸液命名为R1、R2、R3。反应完成后底部煤矸石微粒采用真空抽滤进行分离。
2) 紫花苜蓿生长试验。处理后的样品各取80 g,混匀后放入种植盆,每盆播种20颗紫花苜蓿种子,观察紫花苜蓿发芽及生长状况。每组样品设计3组平行样。
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1) 堆浸液。堆浸液静置沉淀30 min,样品过0.45 μm滤膜,使用电导率仪 (上海雷磁,DDS-11A) 检测其电导率,为减小实验误差,相邻2次电导率取平均值作图。样品分别循环处理完成后,30次循环的堆浸液上清液过0.45 μm滤膜烘干得到堆浸液盐分结晶,测定浸出液盐分的元素种类。样品粒径检测采用干筛法,筛分时间t (
m样品50g×20 s) ,过5、2、1 mm筛后分别记录筛下物质量,质量所占总重比例即为其粒径分布指标;持水率、孔隙度采取室内环刀法测定及计算。2) 风化产物。利用XRD (日本 Rigaku Ultima IV) 检测颗粒矿物种类;将干湿交替循环结束的样品经105 ℃干燥,利用体式显微镜 (江西凤凰 XTL-165-VB) 表征循环处理风化产物表面形貌,用XRF (美国 Thermo Scientific™ Niton™ XL3t 600) 表征结晶盐元素含量,使用SEM-EDS (捷克 TESCAN MIRA LMS) 表征20次循环颗粒表面结晶盐形貌及元素种类;紫花苜蓿发芽后记录发芽时间,待其继续生长7 d后测定其发芽率、用直尺测量茎长。
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如图1所示,干湿/冷热交替过程中,R1、R2、R3堆浸液电导率呈现上升、下降、再次上升的趋势,将0~6次循环划分为干湿交替初期。将7~22次循环划分为干湿交替中期,将22次以后的循环划分为后期。溶液电导率与其离子质量浓度呈正比,说明干湿交替初期煤矸石盐分快速溶出,造成堆浸液电导率上升,中期时堆浸液内盐分下降,而后煤矸石颗粒再次发生溶出。
干湿/冷热交替初期盐分大量溶出,电导率持续上升说明除颗粒表面游离盐分外,煤矸石可溶性组分也不断溶解。干湿交替过程提高了水分的迁移速率,增加了与可溶性组分的接触面积,对其进行溶解,而后在干燥的条件下水分受热蒸发,向颗粒表面移动,盐分随着水流一起向外转移,并进入溶液。这与SHEILA[9]、ZHANG等[10]研究结果相符,干湿交替促进水分不断侵入新区域,还萌生、连接了微裂隙,提高了岩石颗粒孔隙度。可溶组分的持续溶解和溶出通道的形成加速了干湿交替初期煤矸石所含盐分向溶液转移的过程,导致盐分质量浓度的显著上升。
干湿/冷热交替中期堆浸液电导率下降可能的原因是煤矸石颗粒经历了初期的快速溶出,颗粒表面活性组分含量下降,盐分溶出作用受限。而溶液中盐分在干燥作用下发生重结晶,不但堵塞盐分溶出通道还粘附在容器上,从溶液中脱除;除重结晶作用,盐分还被煤矸石中微粒吸附、固定,当盐分脱除速度高于盐分的溶出速度时,溶液盐分质量浓度下降。ZHAO等[11]对砂岩的研究结果表明,随着干湿交替进行,颗粒中低溶性组分相对含量增加,盐分溶出速率下降。HAYNES等[12]、曹勇等[13]认为非晶铝硅酸盐、页硅酸盐以及采矿伴生的黏土对溶液离子有较强吸附作用。本试验初期的盐分溶出使矿物向非晶格形式或次生黏土矿物转变,溶液中离子的吸附固定作用增强,总体而言,溶液盐分含量变化受溶出作用与多方面的固定作用影响,盐分的固定作用强于溶出作用时,溶液盐分质量浓度下降。
干湿/冷热交替后期溶液电导率上升说明颗粒表面可溶组分再次增加,其可能的原因是煤矸石颗粒形成了大量的活性界面,水的溶出作用会降低表面活性,所以这部分活性界面的形成应来源于干湿交替过程中颗粒的物理性损伤。ZHU等[14]研究煤矸石粉改良膨润土裂隙发育的机理,结果表明干湿交替过程中颗粒内部会形成不与外界相连的裂隙,随着循环次数的增加,裂隙不断发育、连接,最终形成宏观裂隙或断面,与外界联系。HUANG等[15]的研究结果也表示风化导致煤矸石中粗孔、大裂隙发育明显,提升了煤矸石元素的溶出速率。MA等[16]研究了干湿交替对固废再生絮凝膏体的破坏作用,发现样品宏观裂隙是逐渐发育的过程,颗粒受到周期性损伤,在中途的4~5个循环时变质程度显著加大。随着干湿/冷热交替的不断进行,煤矸石内微裂隙逐渐发育,形成宏观断面,暴露出新鲜界面,使后期溶液盐分质量浓度再次上升。
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如图2所示,煤矸石颗粒表面出现盐分重结晶,能谱表征显示其为硫酸盐,结果表明干湿/冷热交替过程中煤矸石发生了涉硫组分的溶出与重构。煤矸石中涉硫组分以黄铁矿为主,占总硫组分90%以上,所以认为颗粒表面硫酸盐的来源是黄铁矿氧化溶解。硫酸盐随水分向颗粒表面转移,而后水分蒸发,盐分再结晶并附在颗粒表面。黄铁矿氧化过程如式(1)所示。黄铁矿在氧气和水分作用下氧化,干湿交替增大了煤矸石的孔隙度,从而加速氧气与水分的扩散,提高了黄铁矿的氧化速度。
干湿/冷热交替处理30次的风化产物进行XRD表征,其结果与原煤矸石结果对比如图3所示。处理后煤矸石所含黄铁矿、钙长石、方解石等衍射强度显著降低,黄铁矿峰趋于消失。但煤矸石为复杂矿物混合物,杂峰较多,且本试验未外加溶蚀药剂对矸石浸出,所以图3显示的前后样品结果变化幅度较小,难以直接说明煤矸石矿物溶出重构过程。CHETTY[17]认为矿渣脉石矿物所含长石、伊利石在表面溶蚀作用下向高岭石转变,YUAN等[18]认为中性条件下,长石向高岭石转变并生成正硅酸。基于图3显示的煤矸石黄铁矿、钙长石、方解石发生溶出,在H+存在及中性条件下的条件下,对含钾含钙矿物进行热力学分析,反应如式(2)~(7)所示。
公式(2)~(7)说明钙长石、伊利石等含钾含钙矿物在H+存在时具有自发反应趋势,而在无H+时反应难度较大。煤矸石中含有的黄铁矿在干湿/冷热交替下氧化溶解速率提升,H+产率上升,从而加快长石等硅酸盐矿物溶解速率。NORDSTROM等[19]研究认为硅酸盐矿物、碳酸盐矿物在高浓度酸性矿山废水中起到显著的中和作用,说明黄铁矿的大量氧化形成的H+可与伴生矿物快速反应并导致钾、钙组分的溶出。
样品处理完成后,将30次处理的浸出液烘干得到盐结晶,进行XRD表征,结果如图4所示。堆浸液结晶盐主要成分为硫酸钙、硫酸钠、硫酸钾,说明溶出的盐分中SO42−、K+、Ca2+、Na+含量最高。其中SO42−、K+、Ca2+来源于矿物的溶出,Na+在原煤矸石XRD表征中没有对应的晶型含钠矿物,所以认为钠元素为煤矸石自身所含的可溶性组分,在处理过程中直接溶解在水中,在水分蒸发后与溶液中硫酸根结合,形成硫酸钠。
使用XRF测定堆浸液烘干后的盐结晶,结果如表2所示。除硅酸盐矿物组分外,Fe含量也较高,根据前文结果,认为这部分Fe来自黄铁矿的氧化溶出。干湿/冷热交替过程导致岩石矿物碎裂,进而生成大量高反应活性界面,热力学不平衡也会导致矿物化学键的减弱,所以也存在含钾含钙矿物直接与表面水膜发生物质交换的可能。
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如图5所示,干湿/冷热交替处理完成后观察20次处理的颗粒表面形貌,图(a)、(b)、(c)、(d)表明10~30次处理后产物颗粒都出现盐分重结晶现象。所以煤矸石颗粒的粉化除2.2所述可溶矿物的溶解外,还受盐分结晶的挤压作用。高润东等[20]研究认为干湿交替使含硫混凝土盐分溶出,随着蒸发进行,盐分发生重结晶,而结晶作用可对颗粒产生挤压应力,促使裂隙的进一步发育。CELIK和SERT[21]对安山岩进行冻融、热冲击和盐结晶处理,试验表明空隙的重结晶作用有助于裂隙和孔洞的扩大。AN等[22]对长石砂岩进行干湿交替处理,试验发现盐的结晶作用对砂岩的劣化效果最为显著。干湿/冷热交替加速颗粒组分的结晶频率,从而促使颗粒裂隙发育,侵蚀离子、水分子进入颗粒内部,与新鲜活化界面反应、溶出,使煤矸石粉化反应不断进行。
如图6所示,图(a)、(b)、(c)、(d)表明10~30次处理后煤矸石颗粒都受到损伤,出现裂隙,根据煤矸石颗粒岩性,认为这部分裂隙除盐结晶作用外,还可能是黏土矿物不均匀性膨胀、收缩造成的。煤矸石中伊利石、长石等具有不同的膨胀性能,梁冰等[23]对弱崩解泥岩开展干湿循环试验,结果表明含伊利石、高岭石较多的泥岩在干湿交替过程中,界面结合处发生力学破坏能,加速促进裂隙、微裂隙的扩展。YANG等 [24]对泥岩进行干湿交替处理,发现水的侵入导致黏土矿物膨胀,并产生拉伸应力,失水导致的收缩使裂隙不断发展,进而有利于下一次水分的侵入,展示了混合矿物颗粒裂隙发育原理。因此,煤矸石在干湿交替过程中会发生物理性损伤而粉化。
煤矸石颗粒在干湿/冷热交替过程中发生盐分溶解作用、盐结晶挤压作用、黏土矿物崩解作用,3类作用促使煤矸石颗粒不断粉化,形成微粒,过程如图7所示。
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干湿/冷热交替处理后检测煤矸石粉化效果,测定各粒径范围内煤矸石颗粒的含量变化,结果如表3、图8所示。干湿交替对煤矸石颗粒粉化具有显著效果,3组样品中,5~10 mm颗粒显著下降,1 mm以下微粒显著上升,20和30次循环后1 mm以下细砂含量上升30%以上,可达35.4%,较低扰动强度 (10次循环) 对1 mm以下微粒提升也有较好的效果。ZHANG等[25]实验表明干湿交替处理过程中,10次循环时,岩石颗粒微观结构已发生较大变化,20~30个循环后,颗粒劣化速度趋于稳定。1~5 mm颗粒含量略微上升,说明在此粒径范围内集中的主要是结构较为稳定的矿物或岩石颗粒,粉化作用较5~10 mm颗粒弱。
煤矸石经历干湿/冷热交替后,其粒度显著下降,风化产物的持水率与孔隙度上升,与循环次数呈正比,如图9所示。持水率和空隙度是土壤物理性质的重要指标,两者的提高有利于风化基质的生态化利用。风化产物持水率在30次循环后最大,达到12.82%,该指标满足砂土持水标准。毛管空隙度上升可提高风化产物透气性能,未经处理的煤矸石粒径粗大,颗粒间缝隙大,因此宏观上较为透气,但颗粒本身致密,无法满足土壤基质缓冲、透气的要求。本试验中煤矸石毛管孔隙度随循环次数增加而不断上升,与DEHESTANI等[26]研究结果一致,即岩石颗粒的有效孔隙度与干湿循环次数呈正比。
20与30次循环后,煤矸石1 mm以下微粒增长量相似,但30次循环后风化基质毛管孔隙度提升较多,说明30次循环后样品含有较多的微裂隙或小孔,此结果与前文所述煤矸石电导率变化情况相符合,证明煤矸石颗粒的崩解存在一个缓慢发育的周期,由微裂隙/微孔逐渐扩大,最终形成断面,微粒含量提高。
紫花苜蓿是常见的牧草,是牧业种植的重要经济作物。风化产物进行紫花苜蓿种植,其考核结果如表4所示,经过干湿交替处理的煤矸石基质发芽率、同生长时间茎长等均优于未处理的对照组,图10为3组样品经干湿交替后种植效果展示。
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1) 干湿/冷热交替可显著降低煤矸石的结构强度,加速煤矸石的风化粉化,风化产物中0~1 mm微粒含量上升30%以上,风化产物粒度级配得到优化,显著提升了煤矸石风化产物的透气保墒性能。
2) 干湿/冷热交替促进煤矸石发生矿物分解与重构,加速盐分的溶出与重结晶,产生挤压应力加速煤矸石碎裂及矿物稳定化;硫化矿物发生氧化溶出,并轰击硅酸盐矿物,导致K、Ca、S、Si等元素的溶出,提升煤矸石风化产物的肥力性能。
3) 紫花苜蓿种植结果表明,基于余热利用的干湿循环可显著加速煤矸石风化成土过程,显著提升风化产物的土壤学性能,有效促进苜蓿等绿肥植物的生长,进而为煤矸石的大规模生态化利用提供可靠路径。
基于瓦斯燃烧余热利用的煤矸石快速风化成土
Rapid weathering and pulverization of coal gangue based on gas waste heat utilization
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摘要: 基于瓦斯燃烧的余热利用,对煤矸石进行高频率的干湿/冷热交替处理,加速煤矸石结构风化粉化,提升风化产物的保墒-透气-蓄肥等土壤学性能。结果表明煤矸石在50 ℃下经30次干湿/冷热交替后粒径显著下降,粗砂 (5~10 mm) 比例下降43%,细砂 (<1 mm) 含量上升35%,持水率可达12.78%,达到砂土持水标准,持水率、微粒含量、毛管孔隙度与循环次数呈正比;颗粒粉化主要受矿物溶出产生溶蚀裂隙、矿物重构并干燥产生盐结晶强化裂隙涨裂,以及黏土矿物的不均匀性膨胀/收缩的影响;风化产物种植紫花苜蓿,发芽率在80%以上,发芽时间、茎长等优于低扰动样品。本研究结果可为瓦斯与煤矸石的能源化、资源化协同利用提供参考。Abstract: Utilizing waste heat generated from gas combustion, this study explored the rapid weathering and pulverization of coal gangue through high-frequency dry/wet/cool/hot alternating treatments. The objective was to enhance the soil properties of the weathered products, including moisture retention, ventilation, and fertilizer storage. Experimental results demonstrated that after 30 cycles of dry/wet/hot/cold alternating treatment at 50 ℃, the particle size of coal gangue significantly decreases, with a corresponding 43% reduction in coarse sand (5~10 mm) content and a 35% increase in fine sand (<1 mm) content. The water holding rate reached 12.78%, meeting the standards for moisture retention in sandy soil. Moreover, the water holding rate, particle content, and capillary porosity exhibited a proportional relationship with and number of cycles. Particle pulverization primarily resulted from mineral dissolution, which generated etching cracks, mineral restructuring under dry conditions leading to salt crystallization-induced crack strengthening, and clay minerals' uneven expansion/contraction. Planting alfalfa using the weathered products yielded a germination rate of over 80%, surpassing that of low-disturbance samples in terms of germination time and stem length. This research provides valuable insights for the collaborative utilization of gas and coal gangue, aiming to facilitate their energy and resource co-utilization.
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突发环境事件是由污染物排放或者生产安全事故、自然灾害等次生的,短时间内可能导致环境质量下降或者造成生态环境破坏的事件[1]。云南省矿产资源极为丰富,尤以有色金属及磷矿著称,被誉为“有色金属王国”,尾矿库泄漏事故次生环境风险突出;地形以高原、山地为主,地势起伏,交通险阻,江河纵横,湖库棋布,道路运输事故引发的突发环境事件高发;位于亚欧板块和印度洋板块交界地带,地质运动活跃导致地震多发和地质灾害频发,易造成企业环保设施受损,导致环境事件发生;地处上游地区,河流和湖泊众多,多数河流具有落差大、水流湍急、流量变化大的特点,且跨国境、跨省界河流多,防范流域突发水污染事件压力大。总体来说,云南省突发环境事件风险特征明显且面临易发多发的高风险态势。
“十四五”期间,云南省突发环境事件的高风险态势加剧,生态环境应急形势更加严峻。在重金属、跨界污染风险突出的形势下,随着原油、成品油输送网络的形成和石化产业链的延伸,应对石化相关产业存储、运输和生产环节的环境风险挑战逐渐增多。加快推进的交通运输建设,加之公路货运仍占主体地位,危险化学品运输次生突发环境事件概率增加;水运业务快速增长,港口、码头环境风险增大。7级地震平静时长突破历史记录,“十四五”时期地震形势更加严峻复杂。基础设施重大工程建设将加剧地质灾害次生突发环境事件的概率。
在把握云南省突发环境事件风险特征的基础上,根据云南省“十四五”经济社会发展规划,深入分析产业结构、运输结构、能源结构布局和重点行业发展变化趋势,提前研判“十四五”云南省生态环境应急形势的新特点新趋势,研究生态环境应急规划的思路和重点,针对性做好风险防控和应急准备,提高应急处置及其保障能力,推进生态环境应急体系和能力现代化,对于妥善应对突发环境事件,维护生态环境安全底线,具有十分重要的现实意义。文章立足于云南省环境应急的现状和问题,结合生态环境应急形势分析,提出了云南省“十四五”生态环境应急规划的思路和建议。
1. “十四五”生态环境应急形势分析
1.1 突发环境事件引发因素短期内难以改变
“十三五”时期,云南省管控违法排污造成突发环境事件的成效显著,因违法排污引起的突发环境事件明显减少,但仍需严厉打击危险废物非法转移和倾倒等违法犯罪活动造成的突发环境事件。生产安全事故、道路运输事故和自然灾害次生的突发环境事件多发频发情况短期内难以改变。
1.1.1 生产安全事故因素
支撑云南省高质量发展的基础仍不牢固,在产业发展方面的短板仍然明显,主要表现在发展方式粗放,制造业产业层次普遍偏低[2]。目前,涉及重大环境风险工艺及物质的石化、化纤、医药、化工、轻工、冶炼、港口/码头、石油天然气及其长输管道等行业在全省均有分布。全省共有尾矿库588座,位居全国第四。2021年,云南省生产事故总量仍然偏大,除道路运输事故外,全省发生各类生产安全事故443起,可能次生突发环境事件的金属非金属矿山事故32起,化工和危险化学品事故5起,工贸行业事故75起[3]。
“十三五”期间,中缅油气管道建成运营,云南省建成投运油气管道总里程达到4 914 km,原油、成品油、天然气三大管网已初成体系,中石油云南石化1 300万吨/年炼油项目建成投产。“十四五”期间,将建设覆盖全省各州、市的天然气支线管道,建成一批原油和成品油储备项目,形成以昆明市为中心的放射状成品油管道输送网络,成品油管道达2 500 km以上,输送能力达3 128万吨/年;将推进石化产业向下游产业链延伸,大力发展功能性化学品、化工新材料等精细化工[2]。
1.1.2 道路运输事故因素
云南省山地面积约占全省总面积的94%左右,地形地貌复杂,道路坡陡弯急,路网安全运行基础薄弱,安全防护设施历史欠账较多,极易发生交通事故并次生突发环境事件。2021年,全省发生道路运输事故1 035起,其中较大事故16起,水上交通事故1起,铁路运输事故9起[3]。
到2025 年,云南省综合交通实体线网总里程将达到36万km,其中高速公路通车里程新增6 000 km、达到1.5万 km,新改建国省道3 000 km,新改建农村公路6万km,铁路营运里程新增1 800 km、达到6 000 km。在建及运营运输机场总数量达到20个。新增及改善航道里程1 000 km、达到5 300 km,新增内河港口泊位60个。预计2021~2035年,公路货运仍占主体地位,货物运输仍然集中在滇中地区,水富港至长江中下游水上运输业务快速增长[4-5]。“十四五”规划的37条国家和地方高速公路项目线路涉及54个集中式饮用水水源保护区,规划的13条铁路项目线路涉及34个集中式饮用水水源地保护区[4-5]。
1.1.3 自然灾害因素
云南省自然灾害种类多、分布地域广、发生频率高,属地质灾害多发频发区和地震多发省份,地质、地震和洪涝等自然灾害诱发突发环境事件风险隐患大,各类灾害风险交织叠加,不确定因素多。2021年与近5年灾害发生频次均值相比,地质灾害增加126.56%、洪涝灾害增加44.23%。2021年因地震灾害共造成10个州(市)的23个县(市、区)不同程度受灾[6]。
云南省地质构造复杂,地层岩性复杂,近地表岩土体破碎,不稳定岩土体广泛分布,稳定性差。复杂脆弱的地质环境背景条件,遭遇高强度降雨(雪)或长时间连续降雨等极端天气以及强烈地震,导致滑坡、泥石流和崩塌等地质灾害多发频发。“十四五”交通、水利和能源等大规模基础设施建设工程将加剧地质灾害的发生。地处印度洋板块与亚欧板块碰撞带附近,地壳运动比较强烈,沿构造线或大的断裂带,常有强烈地震发生,具有频度高、强度大、震源浅、分布广的特征。全省91.2%的国土面积处于7度以上地震高烈度区,1 500万人居住并在活动断层控制的盆地区域内从事生产活动。7级地震平静时长突破历史记录,“十四五”时期震情形势更加严峻复杂,大量长距离、大跨度油气管线等基础设施邻近或直接处于大震危险源地带[7-8]。
1.2 环境风险受体敏感
1.2.1 饮用水水源地
目前,云南省县级及以上城市集中式饮用水水源地共236个,除7个为地下水型饮用水源地外,其他均为湖库型和河流型饮用水水源地;“千吨万人”饮用水水源共330个,湖库型和河流型260个,占比78.8%;乡镇级集中式饮用水源共966个,湖库型和河流型685个,占比70.9%。总体来说,全省湖库型和河流型饮用水水源占比大,环境风险受体敏感性突出。存在交通穿越的县级以上集中式饮用水水源地共69个,因流动源造成突发环境事件的风险较大。“十四五”期间,将新建和续建大、中、小型水库13个[2]。
1.2.2 跨国境和省界河流
云南省是“一带一路”建设、长江经济带两大国家发展战略的重要交汇点,涉及水系包括长江(金沙江)水系、珠江(南盘江)水系、元江(红河)水系、澜沧江(湄公河)水系、怒江(萨尔温江)水系和大盈江(伊洛瓦底江)水系。全省跨国境、跨省界河流众多,与缅甸、越南存在跨国境断面,与西藏、四川、贵州和广西省(自治区)存在跨省界断面。16个州(市)中,8个州市涉及跨国境河流,9个州(市)涉及跨省界河流。跨国境断面共22个,涉及红河水系、澜沧江水系、怒江水系和大盈江水系的河流干流及其一、二级支流共20条。跨省界断面共36个,涉及长江水系、珠江水系、怒江水系和大盈江水系的河流干流及其一、二级支流共26条。
1.3 环境风险源风险突出
云南省产业结构性、布局性环境风险依旧突出。产业结构以资源型产业为主,大部分产业处于全球产业价值链中低端,企业“乱、散、小”问题突出,发展质量亟待提高。各类化工园区、企业依水而建,沿江、沿河10 km范围内风险企业较多。全省“一废一库一品”企业较多。云南省是长江经济带省(市)中尾矿库数量最多的省份,纳入监管尾矿库588座,涉及16个州(市)。截至2021年12月底,全省危险废物经营许可证持证企业共100家。目前,共有重大突发环境事件风险企业90余家,较大突发环境事件风险企业近400家。“十四五”全省按照“大抓产业、主攻工业”思路,将着力扩大工业投资,实现规模以上工业企业数量翻番,大力发展新材料、生物医药、先进装备制造、绿色食品加工、电子信息、化工、卷烟及配套产业[9]。
2. 生态环境应急现状和问题
突发环境事件的妥善应对,需要结合本省环境风险源和风险受体特点,针对风险源可能造成的环境影响范围和程度,提前做好风险管控和应急准备。云南省生态环境应急工作起步较晚,应对突发环境事件的准备基础十分薄弱,存在明显的短板和不足,体制机制还未完全理顺,风险底数尚不清楚,应急保障极不充分,应急能力亟须提升。
2.1 环境应急管理体系需加快完善
当前云南省环境应急管理的体制机制与“十四五”环境安全形势发展的要求不相适应,环境应急管理体制不够完善,联动机制不够健全。云南省生态环境厅突发环境事件应急响应预案以及各州(市)突发环境事件应急预案和响应预案更新滞后,不能满足环境应急预案修订时限和环境应急工作高质量发展要求。缺乏生态环境应急管理制度、管理办法和工作规范,环境应急制度化和规范化工作格局尚未形成。与四川、贵州、广西和西藏省(自治区)签订了跨省(区)流域上下游突发水污染事件联防联控机制合作协议,但省内相邻流域、区域的应急协调联动机制普遍未建立,省政府组成机构间生态环境应急协作联动机制尚未建立。
2.2 突发环境事件风险底数不清
云南省至今未开展过突发环境事件风险专项调查和评估工作,全省突发环境事件风险底数不清,包括环境风险源基本情况、环境风险受体信息、环境风险防控与应急处置能力。因此,不能通过分析建立环境风险源和敏感受体之间的影响关联,不能识别环境风险源及其风险物质特点,不能明确风险源可能造成的环境影响途径、范围和程度。进一步导致政府和部门突发环境事件应急预案编制的支撑基础不牢,开展风险防控和应急准备工作的针对性不足,无法构建与风险水平相适应的环境应急技术和保障能力。
2.3 突发环境事件风险防控针对性不足
由于云南省突发环境事件风险底数不清,尚未建立全省突发环境事件风险源和风险受体分类分级风险管控和隐患排查治理监管机制,未能从源头着手防范化解重特大突发环境事件风险。企业编制的应急预案普遍流于形式、质量不高,针对性、实用性和操作性差,不重视、不执行、不管用的问题突出,事件场景设置不合理,且应急资源种类和数量不足,未与政府预案形成体系。集中式饮用水水源地环境应急预案覆盖不全面,并存在针对性和科学性不足的问题。
2.4 环境应急专业能力亟须提升
云南省于2021年成立了省生态环境应急调查投诉中心,曲靖市和昭通市建立了专职环境应急机构,其余14个州、市均未组建专职的环境应急机构和队伍,开展生态环境应急工作的人员多数为兼职人员,人员流动频繁,难以满足当前敏感严峻的环境应急形势需要。无论专职还是兼职环境应急人员,均缺乏系统性和规范化培训。未针对云南省突发环境事件风险特征和形势开展相关技术开发和应用研究,难以科学支撑复杂、难度较大突发环境事件的应对和处置,全省环境应急队伍专业能力亟须提升。
2.5 环境应急保障不充足
云南省未设立各级环境应急专项资金保障突发环境事件的处置。环境应急装备更新较慢,不能达到应急现场防护和快速监测的要求。应急物资信息库管理有待加强,全省未建设环境应急物资储备库和建立应急物资管理、调运机制。多数企业没有根据自身的环境风险特征储备足量的应急物资。环境应急综合管理和指挥平台开发缓慢,信息化工作有待进一步加强,数据共享机制有待建立,不能有效支撑环境应急管理体系和能力现代化要求。总体来说,一旦遭遇重特大突发环境事件,将面临不能充分保障突发环境事件处置的问题。
3. “十四五”生态环境应急工作思路与建议
李昌林等[10]从国家层面提出突发环境事件应急体系及完善建议,着重强调法律法规的衔接性、应急预案编制技术规范、多元主体参与机制、应急技术研发、应急人才培养和应急物资储备规划。朱文英等[11]也从国家层面提出环境应急管理制度体系发展建议,侧重完善事前防范和管理标准体系、提高事中处置规范化水平、增强事后赔偿和修复规范化水平。云南省生态环境应急工作在发展阶段和发展水平上均同国家环境应急整体发展状况存在较大差距,需立足云南省生态环境应急现状及存在的主要问题,基于突发环境事件风险特征和“十四五”生态环境应急面临的形势,按照“强体系、摸底数、防风险、提能力、促保障”的总体工作思路,基于可推动实现的目标,全面贯彻分类分级的理念和主线,“十四五”期间以突发水环境事件为重心,突出重点行业、重点企业、重点环节、重点风险物质,针对性做好风险防控和应急准备,着力防范和应对重特大突发环境事件发生,推进生态环境应急体系与能力现代化。
3.1 完善应急管理体系,健全联动协作机制
加快修订云南省生态环境厅突发环境事件应急响应预案,理顺厅内应急响应程序和机制,明确厅内各部门分级应对突发环境事件的职能职责。形成以风险评估为基础编制政府及其部门突发环境事件应急预案的导向,推进州(市)政府及生态环境部门按期修订突发环境事件应急预案及应急响应预案。根据环境应急重点工作需要,制定出台一系列管理制度、管理办法和工作规范,提高生态环境应急工作制度化和规范化水平。加强区域、流域和部门间协调协作,推进建立高效顺畅的相邻区域、流域应急协调联动机制,推动建立与应急管理、消防救援、水利、能源、交通运输、自然资源和地震等部门的联动协作机制,尤其要建立与应急管理、消防救援、交通运输和水利部门间的信息共享机制。
3.2 全面开展风险评估,动态掌握风险状况
对16个州(市)开展区域突发环境事件风险评估,全面掌握全省突发环境事件风险底数,为提升政府及其部门应急预案的针对性提供支撑,为实现分类分级、重点精准风险管控奠定基础,针对性做好应急准备,构建与风险水平相适应的环境应急技术和保障能力。同时,将风险评估成果信息化,集成在环境应急管理和指挥系统平台,及时根据环境风险源和风险受体变化情况实时更新,实现突发环境事件风险动态管理目标,提高生态环境应急管理精准化和信息化水平。积极推动流域突发环境风险评估试点工作。
3.3 强化多级风险防控,实现重点精准管控
提升突发环境事件风险管控水平,健全环境风险防范化解机制,突出重点行业和企业,坚持从源头上防范化解重特大突发环境事件风险。在掌握风险底数和实现动态更新的基础上,从企业和流域层面系统构建多层级的突发环境事件风险防控体系,推进风险管控能力现代化。建立企业突发环境事件风险分级管控和隐患排查治理双重防控机制。提升应急预案规范化和精准化管理水平,建立企业应急预案核查管理技术要点和方法体系,开展企业突发环境事件应急预案抽查复核。推动县级及以上集中式饮用水水源地环境应急预案全覆盖。全面推广应用“以空间换时间”的“南阳实践”,以“南阳实践”为抓手防控流域突发水污染事件,实现重点河流“一河一策一图”全覆盖。
3.4 加强专业技术支撑,提高事件应对能力
在目前我国应急管理体系为政府主导的治理模式下,着力推动基层生态环境应急机构和队伍建设,推动建立州(市)、县(区)环境应急专职机构。制定环境应急人员系统性、长期性培训计划,提高应对突发环境事件的专业素质和能力,重点强化基层应急人员信息报告和先期处置能力。重视应急技术深化应用,加强与环境应急技术研究单位的交流合作,结合全省产业结构、运输结构、能源结构布局和重点行业发展水平,根据风险评估成果针对性建立环境应急处置技术库并进一步研究提高应用水平,以支撑现场应急处置。完善环境应急监测和应急处置专家库。推动依托企业和社会组织,组建突发环境事故专业救援队伍。
3.5 建立应急保障体系,提升应急保障能力
推动在省和州(市)层面设立生态环境应急专项资金,确保环境应急资金保障。加强环境应急监测能力建设,探索建立企业、市场、政府多方参与的应急监测保障机制。在继续做好环境应急物资信息库建设和管理的基础上,根据区域行业特点、风险源分布和风险物质类型,研究细化应急物资种类、数量及其储备布局、模式和更新周期,建立实物储备、合同储备和生产储备相结合的应急物资储备模式,推动建设常用应急物资储备库。加快建设环境应急综合管理和指挥平台,初步实现环境应急管理和指挥“一张图”。加强环境应急信息化建设,首要以信息化提高环境风险防控精准化及动态管理水平、促进环境应急物资管理、储备和调运等保障能力。
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表 1 煤矸石样品初始粒径分布
Table 1. The initial particle size distribution of coal gangue samples
5~10 mm 2~5 mm 1~2 mm 0~1 mm 68%±5% 6%±2% 12%±2% 14%±2% 表 2 堆浸液结晶盐XRF检测结果
Table 2. XRF detection results of heap leach liquid crystallization salt
mg·kg−1 样品编号 K Ca S Fe R1 2 371 9 557 160.4×103 1 734 R2 4 203 7 396 142.3×103 1 458 R3 820 18.1·103 96.5×103 1 487 表 3 干湿/冷热交替处理前后煤矸石样品粉化粒径分布
Table 3. Pulverized particle size distribution of coal gangue samples before and after dry-wet/cold-heat alternate treatment
粒径分布/mm CG3 CG2 CG1 处理前/% 处理后/% 处理前/% 处理后/% 处理前/% 处理后/% 5~10 71.5 28 66.1 24.5 63.1 34.2 2~5 4.8 7.2 9.5 15 7.1 9.3 1~2 12.2 18 12.2 15.6 15 18.5 0~1 11.5 46.9 12.4 44.9 15.2 38 表 4 紫花苜蓿生长指标
Table 4. Growth index of alfalfa
样品 发芽率/% 茎长/cm 发芽时间/d 原煤矸石 20 0.97 20 10次循环产物 40 1.76 20 20次循环产物 60 2.21 21 30次处理产物 85 2.64 18 -
[1] 魏忠义, 王秋兵. 大型煤矸石山植被重建的土壤限制性因子分析[J]. 水土保持研究, 2009, 16(1): 179-182. [2] 胡振琪, 肖武, 赵艳玲. 再论煤矿区生态环境“边采边复”[J]. 煤炭学报, 2020, 45(1): 351-359. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.YG19.1694 [3] 蔡毅, 严家平, 陈孝杨, 等. 表生作用下煤矸石风化特征研究——以淮南矿区为例[J]. 中国矿业大学学报, 2015, 44(5): 937-943+958. doi: 10.13247/j.cnki.jcumt.000398 [4] 张清峰, 王东权, 于广云, 等. 煤矸石风化对其物理力学性能影响的研究[J]. 中国矿业大学学报, 2019, 48(4): 768-774. doi: 10.13247/j.cnki.jcumt.001032 [5] 孔涛, 黄舒漫, 梁冰, 等. 木霉菌对煤矸石分解和绿化效果的影响[J]. 煤炭学报, 2018, 43(11): 3204-3211. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.2018.0187 [6] 郭海桥, 程伟, 尚志, 等. 水分和冻融循环对酷寒矿区煤矸石风化崩解速率影响的定量研究[J]. 煤炭学报, 2019, 44(12): 3859-3864. doi: 10.13225/j.cnki.jccs.SH19.0797 [7] ZHANG Z, ZHAI J B, Melnikov Andrey, et al. Cryogenic soil—product of mineral weathering processes[J]. Minerals. 2022, 12: 805. [8] 张素, 郑学用, 熊东红, 等. 干湿交替对干热河谷冲沟发育区不同土壤崩解性的影响[J]. 水土保持学报, 2016, 30(2): 111-115+121. doi: 10.13870/j.cnki.stbcxb.2016.02.020 [9] SHEILA D. Application of particle size distribution analysis in evaluating the weathering in coal mine rejects and tailings[J]. Fuel Processing Technology. 2007, 88(3): 295-301. doi: 10.1016/j.fuproc.2006.10.013 [10] ZHANG C Y, Dai Z W, Tan W J, et al. Multiscale study of the deterioration of Sandstone in the three gorges reservoir area subjected to cyclic wetting-cooling and drying-heating[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2022, 55(9): 5619-37. doi: 10.1007/s00603-022-02929-1 [11] ZHOU W, CHENG J L, ZHANG G K, et al. Effects of wetting–drying cycles on the Breakage characteristics of slate rock grains[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2021, 54(12): 6323-6337. doi: 10.1007/s00603-021-02618-5 [12] HAYNES R, ZHOU Y F, WENG X T. Formulation and use of manufactured soils: A major use for organic and inorganic wastes[J]. Critical Reviews in Environmental Science and Technology. 2021, 52: 1-21. [13] 曹勇, 毕银丽, 宋子恒, 等. 物理改良对采矿伴生黏土水分和养分保持能力的影响[J]. 矿业研究与开发, 2021, 41(1): 116-121. doi: 10.13827/j.cnki.kyyk.2021.01.021 [14] ZHU H X, ZHANG Y, LI Z H, et al. Study on crack development and micro-pore mechanism of expansive soil improved by coal gangue under drying-wetting cycles[J]. Materials. 2021, 14(21): 6546. doi: 10.3390/ma14216546 [15] HUANG Y L, LI J M, SONG T Q, et al. Microstructure of coal gangue and precipitation of heavy metal elements[J]. Journal of Spectroscopy, 2017: 3128549. [16] MA D , KONG S B , LI Z H , et al. Effect of wetting-drying cycle on hydraulic and mechanical properties of cemented paste backfill of the recycled solid wastes[J]. Chemosphere, 2021, 282: 131163. [17] CHETTY D. Acid-Gangue interactions in heap leach operations: A Review of the role of mineralogy for predicting ore behaviour[J]. Minerals. 2018, 8(2): 47. doi: 10.3390/min8020047 [18] YUAN W, LIU X R, FU Y. Chemical thermodynamics and chemical kinetics analysis of sandstone dissolution under the action of dry-wet cycles in acid and alkaline environments[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2019, 78(2): 793-801. doi: 10.1007/s10064-017-1162-9 [19] NORDSTROM D K, BLOWES D W, PTACEK C J. Hydrogeochemistry and microbiology of mine drainage: An update[J]. Applied Geochemistry. 2015, 57: 3-16. doi: 10.1016/j.apgeochem.2015.02.008 [20] 高润东, 赵顺波, 李庆斌, 等. 干湿循环作用下混凝土硫酸盐侵蚀劣化机理试验研究[J]. 土木工程学报, 2010, 43(2): 48-54. doi: 10.15951/j.tmgcxb.2010.02.018 [21] CELIK M Y, SERT M. Accelerated aging laboratory tests for the evaluation of the durability of hydrophobic treated and untreated andesite with respect to salt crystallization, freezing-thawing, and thermal shock[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 2021, 79(7): 3751-3770. [22] AN W B, WANG L G, CHEN H. Mechanical Properties of Weathered Feldspar Sandstone afterExperiencing Dry-Wet Cycles[J]. Advances in Materials Science and Engineering, 2020: 6268945. [23] 梁冰, 曹强, 王俊光, 等. 弱崩解性软岩干-湿循环条件下崩解特性试验研究[J]. 中国安全科学学报, 2017, 27(8): 91-96. doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2017.08.016 [24] YANG Y L, ZHANG T, LIU S Y, et al. Mechanical Properties and Deterioration Mechanism of Remolded Carbonaceous Mudstone Exposed to Wetting–Drying Cycles[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering. 2022, 55(6): 3769-3780. doi: 10.1007/s00603-022-02833-8 [25] ZHANG Z Z, NIU Y X, SHANG X J, et al. Deterioration of Physical and Mechanical Properties of Rocks by Cyclic Drying and Wetting[J]. Geofluids, 2021: 6661107. [26] DEHESTANI A, HOSSEINI M, BEYDOKTI A T. Effect of wetting–drying cycles on mode I and mode II fracture toughness of sandstone in natural (pH=7) and acidic (pH=3) environments[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2020, 106: 102448. doi: 10.1016/j.tafmec.2019.102448 -