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user: 3. 数据分析 3.1. 煤矸石浸出液基本特征 浸泡试验统计值见表1，不同粒径煤矸石浸泡所得浸出液pH平均值变化不大，平均值范围为8.0~8.5，浸出液呈碱性，浸出液pH平均值随浸出液粒径的增大而增大，pH方差变化不大。煤矸石浸出液TDS平均值范围为97.3~152.8 mg/L，浸出液TDS平均值随煤矸石粒径的增大而减小，TDS方差变化较大，波动性较强。煤矸石浸出液TOC平均值范围为8.8~17.0 mg/L，浸出液TOC平均值总体随煤矸石粒径的增大而减小。 Table 1 Table of immersion test statistic 统计值 0.075 mm 0.15 mm 0.5 mm 1 mm 2 mm pH 中位数 8.1 8.2 8.3 8.5 8.7 众数 8.1 8.2 8.8 最大值 8.3 8.5 8.8 8.9 9.0 最小值 7.3 7.4 7.3 7.4 7.6 平均值 8.0 8.2 8.3 8.4 8.5 方差 0.1 0.1 0.2 0.2 0.2 TDS (mg/L) 中位数 164.0 123.0 110.7 100.6 97.7 众数 110.9 98.9 最大值 183.1 156.7 116.4 112.4 108.7 最小值 89.3 96.3 90.7 76.1 80.0 平均值 152.8 123.5 108.7 99.1 97.3 方差 758.2 196.4 49.2 105.1 65.2 TOC (mg/L) 中位数 12.4 15.4 7.5 10.3 10.3 众数 最大值 46.3 29.9 14.4 12.6 16.1 最小值 6.1 5.7 5.9 0.9 5.5 平均值 16.0 17.0 9.0 8.8 10.8 方差 11.3 8.2 3.1 3.4 2.8 表1. 浸泡试验统计值表 根据每天实测pH、TDS、TOC数据绘制图3~5，浸出液pH随时间的变化如图3，各粒径各时段浸出液均呈碱性。总体上浸出液呈碱性，pH在7.5~9.0区间内，各粒径浸出液基本稳定在一个确定值周围，煤矸石中的氢氧根离子溶解到浸出液中，随着时间的推移，煤矸石和浸出液中的氢氧根离子浓度达到平衡，淋出液的pH趋于稳定。部分样品存在缓慢下降的趋势，曲线呈现较强波动性。但在开始浸泡时PH出现上升情况，相对来说大粒径煤矸石淋出液碱性更强，波动性更强，而小粒径煤矸石较稳定。 图3. 浸泡试验pH变化百分比堆积柱状图 图4. 浸泡试验TDS变化百分比堆积柱状图 图5. 浸泡试验TOC变化百分比堆积柱状图 从TDS释放变化来看，随时间的增长，前期TDS的波动性较强，而后期则基本在某一确定值附近波动，粒径越大，这一确定值就越小。说明大粒径煤矸石溶解物的释放能力较弱，小粒径煤矸石溶解物释放能力较强。 从TOC角度来看，随着浸泡时间增大，1 mm，2 mm煤矸石呈缓慢上升趋势，0.5 mm、0.075 mm煤矸石在10~15 mg/L附近稳定，而0.15 mm煤矸石波动则较大。在浸泡4天后，除0.5 mm粒径煤矸石外，其他粒径煤矸石总机碳含量趋于稳定，且稳定值较为接近。 煤矸石浸出液基本特征：不同粒径煤矸石浸出液pH在7.5~9之间，呈弱碱性，pH值波动较大且随粒径的不同pH值变化不明显。TDS随浸泡时间的延长变化较小且TDS值随粒径的减小而变大。TOC值总体起伏较大且随粒径的不同变化不明显。同时粒径对煤矸石可溶性固体释放率有较大影响，计算各粒径煤矸石可溶性固体释放率平均值可知随着粒径的增大，煤矸石可溶性固体释放率逐渐降低，释放能力减弱。计算各粒径煤矸石有机物释放率平均值可知随粒径的变化，煤矸石有机物释放率变化规律不明显。 3.2. 煤矸石淋出液基本特征 淋滤试验统计值见表2，使用不同pH淋滤液淋滤煤矸石所得淋出液pH平均值变化不大，平均值范围为9.3~9.5，淋出液呈碱性，pH方差变化不大。煤矸石淋出液TDS平均值范围为106.8~112.3 mg/L，淋出液TDS平均值随淋滤液pH变化不大，TDS方差变化不大。煤矸石淋出液TOC平均值范围为43.0~47.6 mg/L，淋出液TOC平均值随淋滤液pH变化不大，TOC方差变化不大。 Table 2 Table of statistics for the leaching tes 统计值 pH = 4 pH = 5 pH = 6 pH = 7 pH = 8 pH 中位数 9.6 9.5 9.5 9.4 9.6 众数 9.6 9.6 9.4 最大值 9.9 9.8 9.8 9.8 9.8 最小值 8.8 8.5 8.9 8.6 8.9 平均值 9.5 9.5 9.5 9.3 9.5 方差 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 TDS (mg/L) 中位数 84.6 85.9 92.9 103.3 84.2 众数 最大值 237.0 246.0 247.0 187.2 213.0 最小值 48.4 52.8 48.0 62.4 52.3 平均值 108.2 108.7 112.3 109.1 106.8 方差 56.6 54.0 58.0 35.6 48.5 TOC (mg/L) 中位数 31.6 33.7 36.3 41.7 33.6 众数 最大值 95.5 91.8 94.0 92.1 93.5 最小值 17.9 22.3 20.5 24.0 21.3 平均值 43.0 44.0 46.6 47.6 44.3 方差 22.6 19.9 22.6 18.1 20.1 表2. 淋滤试验统计值表 根据每天实测pH、TDS、TOC数据绘制图6~8，pH随时间的变化如图6，采用不同初始pH值的溶液进行动态淋溶时，对淋出液的最终pH值并无较大影响。淋出液的pH值在整个试验期间总体呈现先上升后下降的趋势。在不同起始pH的条件下，淋出液的pH范围为8.00~10.00，表现为碱性，这与煤矸石的主要组成有关，溶液与煤矸石反应消耗淋溶液中的氢氧根离子，随着反应的进行，淋溶液的氢氧根离子浓度降低，碱性减弱，所以淋出液的pH呈现下降趋势。 图6. 淋滤试验pH变化百分比柱状堆积图 图7. 淋滤试验TDS变化百分比柱状堆积图 图8. 淋滤试验TOC变化百分比柱状堆积图 淋滤试验TDS值随着淋滤时间的增加总体上呈现递减趋势，但淋滤初期有些样品先增加再减小，如使用pH = 7的淋滤液淋滤所得曲线，其后呈震荡式下降。在浸泡试验中随时间的增长变化TDS值变化不明显，在淋滤试验中开始TDS值大于浸泡试验TDS值，随时间的增长逐渐变小至小于浸泡试验TDS值，主要与淋出物质随淋出液淋出有关。 从图8中可以看出，整体上5种不同pH淋滤液中总有机碳的含量随着淋滤时间增大而减小，总有机碳的含量范围在10~100 mg/L。在淋滤开始时，淋滤液中溶解性有机碳含量最大。使用不同pH淋滤液淋滤对TOC值影响不大。在淋滤11天后，不同pH淋滤液淋滤煤矸石总机碳含量趋于稳定，且值较为接近。对比浸泡试验，淋滤作用使有机质从煤矸石中迁移出来进而降低煤矸石TOC值。由相关性分析可知不同pH淋滤液与淋出液TOC相关性较差，在同样pH淋滤液淋滤条件下，淋出液TOC与时间与淋滤时间呈负相关关系。 煤矸石淋出液基本特征：不同粒径煤矸石浸出液pH在8.5~9.9之间，呈弱碱性。其中淋出液TDS值随着淋滤时间的增加总体上呈现递减趋势，淋出液TDS稳定在60 ml/L，淋出液TOC值随着淋滤时间的增加总体上也呈现递减趋势。由上述分析可知使用不同pH淋滤液对煤矸石进行淋滤，对淋出液pH、TDS、TOC值影响不大，煤矸石粒径大小对煤矸石中物质的迁移释放影响更大。同时淋滤液pH对煤矸石可溶性固体释放率影响不大，计算各粒径煤矸石有机物释放率平均值可知随淋滤液pH的增大，煤矸石有机物释放率逐渐变大，当pH = 8时释放率反常降低。 3.3. 煤矸石污染物释放能力分析 3.3.1. 粒径对煤矸石污染物释放的影响 在相同的固液比、时间条件下，煤矸石浸出液的pH随粒径的增大而逐渐增大，浸出液的TDS随粒径的减小而增大，随着煤矸石粒径的减小，比表面积增大，使得溶解性固体释放量增大。浸出液的TOC随粒径的不同变化不明显。 3.3.2. 时间对煤矸石污染物释放的影响 在相同的固液比、粒径条件下，煤矸石浸出液的pH随时间波动变化，总体上呈缓慢下降趋势，浸出液的TDS在前六天变化较大，由于浸出液中物质的沉淀析出达到平衡，第七天以后趋于一个稳定值，0.075 mm、0.15 mm、0.5 mm、1 mm、2 mm粒径TDS稳定值分别为164.55 mg/L、127.53 mg/L、112.77 mg/L、105.97 mg/L、101.47 mg/L。浸出液的TOC在浸泡四天后，除0.5 mm粒径煤矸石外，其余粒径煤矸石TOC趋于稳定，且稳定值较为接近，稳定值为12.59 mg/L。 3.3.3. 动态淋滤对煤矸石污染物释放的影响 静态浸泡时，0.5 mm粒径煤矸石浸出液pH平均值为8.26，而动态淋滤时同一粒径的煤矸石淋滤液pH平均值为9.32，这是因为淋滤加快了煤矸石中Ca、Mg等碱性物质的溶解速率；静态浸泡条件下0.5 mm粒径煤矸石平均可溶性固体释放率0.11%，而淋滤条件下同一粒径的煤矸石可溶性固体平均释放率为0.086%，两者差别不大；静态浸泡条件下0.5 mm粒径煤矸石有机物平均释放率0.009%，而淋滤条件下同一粒径的煤矸石有机物平均释放率0.039%，这是因为淋滤加速了煤矸石中有机物的溶解。 3.4. 煤矸石污染物释放的污染评价 单因子指数评价：单因子是水质评价的最简单的表达方式，也是其他各种评价方法的基础。单因子环境质量指数表达式为 [ 34 ]： I i = C i / S i (1) 式中： I i 为第i种污染物的环境指数； C i 为第i种污染物的环境浓度； S i 为第i种污染物的环境评价标准。 多因子评价指数：因为此次参与评价的因子数为3，分别为pH、TDS、TOC，故采用多因子评价环境质量问题。计权型多因子环境评价指数计算公式如下 [ 34 ]： I = ∑ i = 1 n W i I i (2) 式中： W i 对应于第i个因子的权系数 浸泡试验多因子评价指数计算结果见表3： Table 3 Multifactor evaluation index of immersion test (standard pH = 6 to 9 时间/天 0.075 mm 0.15 mm 0.5 mm 1 mm 2 mm 1 4.59~4.62 1.22~1.24 0.80~0.87 0.21~0.32 1.05~1.12 2 5.93~5.97 2.12~2.13 1.77~1.79 0.9~0.96 1.54~1.58 3 0.81~0.82 3.84~3.86 1.41~1.45 0.59~0.68 0.75~0.83 4 1.24~1.25 1.87~1.88 1.03~1.09 1.33~1.38 1.57~1.6 5 1.05~1.06 0.76~0.78 0.94~1 0.9~0.98 0.93~1 6 1.87~1.88 2.91~2.92 1.79~1.81 1.57~1.6 1.52~1.56 7 0.84~0.86 3.78~3.8 0.81~0.88 1.53~1.56 1.3~1.34 8 1.61~1.62 2.83~2.84 0.79~0.81 1.3~1.36 1.99~2 9 1.78~1.79 0.93~0.95 0.94~1.01 0.92~0.99 1.32~1.38 10 1.62~1.63 1.44~1.45 1.06~1.1 1.46~1.49 1.85~1.87 11 1.53~1.54 1.18~1.2 0.9~0.96 1.52~1.57 1.29~1.34 12 2.03~2.04 3.49~3.51 1.7~1.72 1.31~1.36 1.28~1.33 表3. 浸泡试验多因子评价指数(标准pH = 6~9) 根据《地表水环境质量标准GB 3838-2002》、《地下水质量标准 GB 14848-2017》以pH = 6~9、TDS为 ≤ 1000 mg/L、COD ≤ 20 mg/L为标准，利用多因子评价方法，分析所得数据特征，大粒径煤矸石评价指数较小，且基本稳定在1附近，对于环境影响程度小、影响范围小、可恢复性较高。而小粒径煤矸石评价指数规律不明显。 淋滤试验多因子评价指数计算结果见表4： Table 4 Multifactor evaluation index of leaching test (standard pH=6 to 9 时间/天 pH = 4 pH = 5 pH = 6 pH = 7 pH = 8 1 12.353~12.402 11.806~11.867 12.174~12.217 11.887~11.956 12.093~12.145 2 10.01`10.047 9.432~9.477 9.980~10.013 8.856~8.902 8.968~9.003 3 8.452~8.481 8.077~8.113 9.919~9.952 8.591~8.635 8.597~8.629 4 7.292~7.315 7.32~7.351 7.858~7.881 7.079~7.112 7.302~7.327 5 6.4~6.419 6.007~6.029 7.65~7.673 7.0157.047 6.493~6.514 6 5.415~5.429 5.664~5.683 5.863~5.878 6.332~6.359 5.643~5.66 7 3.921~3.927 4.356~4.367 4.719~4.728 5.385~5.406 3.944~3.951 8 3.38~3.383 3.891~3.899 3.225~3.228 4.599~4.614 4.366~4.375 9 3.622~3.627 3.386~3.391 3.662~3.677 5.401~5.422 3.528~3.533 10 4.105~4.112 4.122~4.132 4.307~4.315 4.636~4.651 4.005~4.013 11 2.565~2.566 3.83~3.838 3.594~3.599 3.975~3.986 3.446~3.451 12 2.631~2.632 3.038~3.0342 2.958~2.96 3.191~3.196 3.446~3.451 13 2.334~2.335 2.892~2.896 2.671~2.672 3.126~3.131 2.777~2.779 表4. 淋滤试验多因子评价指数(标准pH = 6~9) 分析所得数据特征，同一pH条件下，煤矸石评价指数随时间变化由大变小，最后基本稳定在2~3附近，对于环境影响程度由大变小、影响范围由远及进。不同pH对评价指数影响有限，不同pH在同一时间，评价指数接近。