大型金屬礦山環(huán)境污染及防治研究

張文江

（昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司云南昆明650051）

0 引言

自80年代以來(lái)，我國(guó)對(duì)礦山環(huán)境的保護(hù)工作取得了較大地進(jìn)展，但是礦山環(huán)境惡化的趨勢(shì)仍然沒(méi)能得到有效遏制。因此，礦山開(kāi)采引起的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題已成為全球性的問(wèn)題，備受關(guān)注，而且礦山生態(tài)恢復(fù)也已成為我國(guó)當(dāng)前所面臨的緊迫任務(wù)，是我國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略所優(yōu)先關(guān)注的問(wèn)題[2]。解決礦山廢石和尾礦中的重金屬釋放對(duì)礦山環(huán)境及河流水體和沿岸土壤的污染問(wèn)題刻不容緩，并且系統(tǒng)分析和研究礦山金屬造成的環(huán)境污染對(duì)礦山環(huán)境污染的防治具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 礦山開(kāi)發(fā)過(guò)程中的環(huán)境問(wèn)題

1.1 礦山開(kāi)采引起的主要環(huán)境問(wèn)題

由于礦山開(kāi)采工藝的限制，在建設(shè)時(shí)需要改變礦區(qū)的地貌、地形,并破壞礦區(qū)的自然地表草地、植被等景觀，這會(huì)造成礦區(qū)土地荒廢、水土流失等環(huán)境問(wèn)題。地下開(kāi)采的礦山還容易在采空區(qū)形成地表塌陷，并誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，最終導(dǎo)致礦山生態(tài)環(huán)境的逐步惡化。重金屬礦山的土壤和廢棄物中均含有大量的重金屬，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的露天堆放后這些重金屬會(huì)經(jīng)過(guò)降雨、風(fēng)揚(yáng)等作用向礦區(qū)附近擴(kuò)散，導(dǎo)致土壤污染的范圍進(jìn)一步擴(kuò)大。重金屬礦山在采礦和選礦的各個(gè)過(guò)程中都需要使用大量的水源，其產(chǎn)生的廢水排入地表水體后，會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)地表水體的重金屬污染和有機(jī)污染，是目前礦山環(huán)境污染的主要問(wèn)題之一。重金屬礦山礦石的破碎、篩分和選礦中還會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵，這些粉塵中含有大量的酸性氣體，會(huì)導(dǎo)致礦山周邊形成酸雨，造成森林及農(nóng)作物的大幅度減產(chǎn)，而且粉塵中的重金屬元素也會(huì)隨著尾氣的流動(dòng)，最終使這些重金屬進(jìn)入土壤和水源中，造成二次污染[3]。

1.2 重金屬污染的特點(diǎn)

金屬礦山的污染多為復(fù)合性污染，與有機(jī)污染物不同，重金屬不能被生物分解，但卻可以在生物體內(nèi)富集并轉(zhuǎn)化為毒性較大的甲基類化合物。礦山的重金屬一般都是通過(guò)與有機(jī)物形成混合物的方式進(jìn)入土壤、水源及空氣中，其對(duì)水源、大氣的污染容易被發(fā)現(xiàn)，但對(duì)土壤的污染需要通過(guò)分析化驗(yàn)才能測(cè)試出來(lái)，而且其危害通常會(huì)滯后較長(zhǎng)的時(shí)間。重金屬的水污染、大氣污染會(huì)隨著氣流和水流進(jìn)行長(zhǎng)距離遷移，而其在土壤中的擴(kuò)散和稀釋較為困難，使得土壤中的重金屬不斷累積，在達(dá)到一定濃度是會(huì)對(duì)植物和農(nóng)作物造成很大危害。大氣和水體受到污染時(shí)，可以在切斷污染源后通過(guò)稀釋和自凈化的方法減輕污染，但累積在土壤中的重金屬很難靠稀釋和自凈化，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和功能的破壞不易恢復(fù)。對(duì)于目前的重金屬污染，其對(duì)土壤的污染必須采用多種治理技術(shù)相結(jié)合的方法才能消除污染，導(dǎo)致治理成本較高、周期較長(zhǎng)。

2 金屬礦山重金屬污染機(jī)制

2.1 金屬礦山污染物質(zhì)的釋放機(jī)制

露天和地下的開(kāi)采金屬礦山都會(huì)產(chǎn)生廢石和尾礦等固體廢棄物，這些固體廢棄物中的重金屬含量較高，在風(fēng)化環(huán)境中容易產(chǎn)生非常細(xì)小的次生礦物顆粒，并隨著雨水遷移到附近水體和土壤中造成生態(tài)系統(tǒng)的破壞。因此，需要對(duì)金屬礦山廢石及尾礦中礦物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、化學(xué)反應(yīng)、礦物轉(zhuǎn)化過(guò)程、遷移機(jī)制進(jìn)行分析，并針對(duì)各種金屬礦山廢棄物中存在的有毒有害物質(zhì)進(jìn)行處理[4]。

尾礦礦物的屬性與礦床類型、礦石品位、硫化物含量、區(qū)域氣候特征等密切相關(guān)，其會(huì)在生態(tài)環(huán)境中發(fā)生氧化反應(yīng)、中和作用、吸附作用、離子交換作用等一系列反應(yīng)，并逐漸釋放出重金屬和酸性物質(zhì)。金屬礦山的尾礦中重金屬和酸性物質(zhì)的含量與硫化物及非金屬礦物的種類、組成密切相關(guān)，硫化物氧化是產(chǎn)酸和釋放重金屬的主要方式，一般來(lái)說(shuō)富硫化物富碳酸鹽的尾礦釋放出的重金屬和酸性物質(zhì)很少，而低硫化物無(wú)碳酸鹽尾礦的重金屬和酸性物質(zhì)的含量均較高。硫化物風(fēng)化產(chǎn)物以硫酸鹽相為主，以單礦物相和集合體形式存在的次生礦物相控制著各自元素的溶解、沉淀以及遷移等。酸性廢水是礦山污染的產(chǎn)物，同時(shí)也是金屬污染物淋濾、擴(kuò)散遷移的重要介質(zhì)，其氧化的速率和程度受pH值、氧逸度、礦形態(tài)和特殊的表面積、硫化物細(xì)菌及水文環(huán)境等影響。

2.2 金屬礦山污染物質(zhì)的遷移機(jī)制

2.2.1 金屬遷移機(jī)制研究

金屬礦山固體廢棄物中硫化物的氧化是金屬元素向環(huán)境擴(kuò)散遷移的第一步，其后金屬會(huì)伴隨著沉淀-水解作用、吸附一解吸作用、同沉淀與離子交換等一系列復(fù)雜變化而發(fā)生遷移。當(dāng)然，由于各金屬礦山的礦物成分與含量都存在一定的差異，各種金屬元素的遷移也會(huì)隨固體礦物及溶液化學(xué)性質(zhì)的不同而變化，其遷移機(jī)理也不是單一的，甚至?xí)r間和空間位置的不同也會(huì)造成金屬遷移形式的差異。

2.2.2 水體及沉積物中重金屬的行為

重金屬在水體的遷移過(guò)程是多種形態(tài)重金屬在水體中發(fā)生的物理、化學(xué)及生物反應(yīng)的過(guò)程，包括隨水流、底泥、吸附于懸浮物和沉積物、生物攝取積累富集及由水面向空氣中氣態(tài)遷移的過(guò)程。河流沉積物是重金屬存在的主要方式，但也會(huì)隨著環(huán)境條件發(fā)生交化，依賴于其遷移性和生物可利用性，要了解金屬礦山污染在水體中的擴(kuò)散情況必須對(duì)水體中的沉積物進(jìn)行研究。一般認(rèn)為，沉積物中的金屬元素除了人為和自然來(lái)源外，其含量與礦物顆粒度的密切相關(guān)，細(xì)小顆粒的比表面積大，其金屬含量也會(huì)較高。

2.2.3 土壤中重金屬的化學(xué)形態(tài)

土壤中的重金屬會(huì)通過(guò)地表徑流或向下淋濾污染水源，還會(huì)通過(guò)植物吸收通過(guò)生物鏈積累在人體中，從而影響人類的健康。土壤中重金屬對(duì)環(huán)境的影響程度除了與其含量有關(guān)，還與其在土壤中的存在形態(tài)相關(guān)，不同形態(tài)的重金屬活性、生物毒性及遷移特征也不同，對(duì)于土壤中重金屬的提取劑和提取步驟也不同，通?？梢园凑杖跛崽崛B(tài)、可還原態(tài)、可氧化態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)等四步進(jìn)行提取。此外，土壤重金屬的積累還是導(dǎo)致地表徑流中重金屬負(fù)荷增加的主要原因。

3 重金屬污染風(fēng)險(xiǎn)控制

近20年來(lái)，金屬礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)規(guī)模越來(lái)越大，而礦山裝備落后、安全隱患多和礦產(chǎn)資源利用率低等因素造成了金屬污染越來(lái)越嚴(yán)重。重金屬不能被生物降解，反而在生物體內(nèi)聚集擴(kuò)大，對(duì)人類有很大的危害性。目前，大部分礦山重金屬污染的治理和控制認(rèn)識(shí)不夠[5]。因此，探索礦山重金屬污染的治理和控制，降低重金屬污染，保護(hù)礦山環(huán)境是非常有必要的，具有深遠(yuǎn)的意義。

3.1 采礦廢水重金屬污染控制

重金屬?gòu)U水主要來(lái)源于采礦廢水、選礦廢水以及工業(yè)廢水等，其中采礦廢水占量最大，對(duì)環(huán)境的污染最嚴(yán)重。礦山廢水未經(jīng)過(guò)達(dá)標(biāo)處理就排入環(huán)境，使土壤或水體受到了嚴(yán)重污染，重金屬進(jìn)入地表水體后，難以降解和破壞，長(zhǎng)期聚集沉積于水體底部，危害持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，嚴(yán)重影響了人類健康。因此，礦山企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)重金屬污染的治理和控制。

3.1.1 礦山廢水治理

不管采用何種方法都很難使廢水中的重金屬分解破壞，只能轉(zhuǎn)移其存在的位置和轉(zhuǎn)移其物理和化學(xué)形態(tài)。目前，處理重金屬?gòu)U水的方法主要有兩大類，第一類是使廢水中溶解的重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗艿闹亟饘倩衔?，?jīng)沉淀后從廢水中除去；第二類是將廢水中的重金屬在不改變化學(xué)形態(tài)的條件下進(jìn)行濃縮和分離。第一類方法需要改變化學(xué)形態(tài)，較第二類復(fù)雜，但是第二類方法耗資較大，因此，兩類方法各有有缺點(diǎn)，通常在處理礦山廢水時(shí)，需根據(jù)廢水的水質(zhì)和水量等情況，選用一種或幾種處理方法組合使用。

通常情況下比較常用的處理方法是沉淀法。該方法的基本原理是在礦山廢水中投入堿性中和劑，使金屬離子與羥基反應(yīng)，生成難溶的金屬氫氧化合物沉淀，進(jìn)而予以分離。在廢水處理過(guò)程中，應(yīng)充分了解多種金屬離子的共存性，調(diào)整和控制最佳的pH值，經(jīng)過(guò)分步處理和沉淀，使廢水的多種重金屬都沉淀分離，讓礦山廢水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 礦山廢水控制

為了達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的，除了對(duì)礦山廢水進(jìn)行處理外，減少礦山廢水重金屬污染源也是非常重要的，通常采用的途徑是提高工業(yè)用水復(fù)用率。礦山廢水主要來(lái)源于坑道廢水和選礦廢水，要想提高工業(yè)用水復(fù)用率，就需要將坑道廢水和選礦廢水重復(fù)用于選礦。因此，充分利用礦山廢水在控制廢水排放和節(jié)約成本方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.2 土壤重金屬污染控制

尾礦壩是重金屬對(duì)土壤污染最嚴(yán)重的污染源，尾礦壩中的重金屬向環(huán)境中釋放遷移，土壤中的重金屬不斷聚集增加，嚴(yán)重影響了土壤資源。因此，要減少尾礦中的重金屬污染，最有效的方法就是控制尾礦排放，提高選礦綜合回收利用率，從源頭上減少資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染。

對(duì)于已經(jīng)污染的土壤，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者也做了相關(guān)的研究和實(shí)踐，積累了不少經(jīng)驗(yàn)和方法，歸納起來(lái)主要有三種方法。第一種方法是用各種物理、化學(xué)和生物的方法改變重金屬在土壤中的存在形態(tài)，使其固定，降低重金屬在土壤的遷移性和生物可利用性。第二種方法是通過(guò)物理、化學(xué)或生物的方法從土壤中除去重金屬污染物。第三種方法是用各種防滲材料將污染區(qū)和未污染區(qū)隔開(kāi)。依據(jù)采取方法的特點(diǎn)，其治理方法又可以分為工程、生物、改良和農(nóng)業(yè)措施。這三種方法各具特點(diǎn)，在實(shí)際處理過(guò)程中，依據(jù)土壤的特點(diǎn)和適用性，根據(jù)污染的實(shí)際情況選擇適宜的修復(fù)方法。該三種方法的共同目的是將污染土壤中的重金屬清除或降低重金屬在土壤中的活性和有效態(tài)組分，以恢復(fù)土壤生態(tài)系統(tǒng)的正常功能，減少土壤重金屬向食物鏈和地下水的轉(zhuǎn)移。

4 結(jié)論

金屬礦山開(kāi)采產(chǎn)生的廢石和尾礦砂長(zhǎng)期堆放以及冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的廢物排放都會(huì)導(dǎo)致重金屬向土壤、水體和大氣中進(jìn)行擴(kuò)散和滲透，并導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞，最終危害人類的生存。通過(guò)對(duì)金屬礦山生產(chǎn)過(guò)程中重金屬的產(chǎn)生和遷移的分析，采取針對(duì)性的措施，可以實(shí)現(xiàn)合理開(kāi)發(fā)利用資源和保護(hù)礦山環(huán)境的目標(biāo)。

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[5]潘喜東.礦山環(huán)境保護(hù)與治理工程研究[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2007(16):89-90.