有色金屬礦區(qū)典型塵源污染機(jī)制與研究策略＊

吳 超，李曉艷

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083)

0 引 言

有色金屬礦山涉及100 多種礦種，其重金屬污染是威脅人類健康和國(guó)土生態(tài)環(huán)境的最嚴(yán)重的污染之一。由于有色金屬礦石品位低，每加工1 噸礦石所產(chǎn)生的尾礦平均估算可達(dá)0.92 t 以上，現(xiàn)積存的尾砂、廢渣已數(shù)以億噸計(jì)。而尾砂、廢渣中的重金屬元素又不斷向周邊環(huán)境釋放遷移，通過(guò)植物、水生生物等食物鏈長(zhǎng)期危害人體健康。在進(jìn)行礦物資源開采、運(yùn)輸和選冶過(guò)程中，都會(huì)產(chǎn)生含有重金屬元素的固體、液體和氣體等廢棄物，這些重金屬一旦進(jìn)入到周圍的大氣、水和土壤環(huán)境中去，便對(duì)當(dāng)?shù)啬酥链蠓秶h(huán)境產(chǎn)生污染和危害。因此，在礦物資源開采過(guò)程中，礦井通風(fēng)、礦石運(yùn)輸、選礦廢水和尾礦庫(kù)等是礦山環(huán)境重金屬污染的重要來(lái)源。

近一、二十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)環(huán)境中的重金屬污染危害、含量分布、化學(xué)特征、環(huán)境化學(xué)行為、遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及重金屬對(duì)生物的毒性等做了大量的研究。礦山環(huán)境重金屬污染的研究主要集中在礦坑污水和尾礦庫(kù)污水等引發(fā)的問(wèn)題，如各種露天及地下開采的礦山主要產(chǎn)生兩種類型的固體廢棄物——廢石和尾礦。尾礦中原生礦物顆粒細(xì)小，一般在70 μm 以下，特別是風(fēng)化產(chǎn)生的次生礦物顆粒非常細(xì)小，由于氧化、淋濾作用產(chǎn)生含有高濃度重金屬的酸性排水。這些尾礦淋濾的酸性水遷移到附近水體和土壤中，進(jìn)一步影響整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。令人們不安的是即使在礦山關(guān)閉幾十年、上百年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，尾礦淋濾液中重金屬對(duì)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重影響仍然存在。關(guān)于礦山重金屬污染與控制國(guó)內(nèi)外研究成果還可以列舉很多，比較系統(tǒng)和詳細(xì)評(píng)述可在文獻(xiàn)得到了解。

有色金屬礦區(qū)粉塵污染過(guò)程往往伴隨著重金屬污染，由礦山粉塵污染方面的調(diào)查研究知:礦山總回風(fēng)井排塵、汽車運(yùn)礦沿途零星散落粉礦和揚(yáng)塵、大面積尾礦庫(kù)干灘在刮風(fēng)時(shí)揚(yáng)塵是有色金屬礦區(qū)含重金屬元素的典型塵源。有色金屬礦山總回風(fēng)井每小時(shí)可排放出上十萬(wàn)到上百萬(wàn)立方米的高含塵污風(fēng)，在大氣自然擴(kuò)散下造成大面積區(qū)域污染;礦區(qū)運(yùn)送礦石或精礦的公路通常有上十公里，汽車沿途散落粉礦并被汽車輪揚(yáng)起而造成路邊土壤污染的面積也非常巨大;大型尾礦庫(kù)的干灘面積有如小型人造沙漠，其刮風(fēng)揚(yáng)塵的污染可想而知。由于粉塵所造成的重金屬污染很難被人們裸眼感知，其危害體現(xiàn)時(shí)間周期比較長(zhǎng)，因此有關(guān)研究長(zhǎng)期被人們所忽略。特別是在2010 年國(guó)家環(huán)境保護(hù)部新修訂頒布的GB 25466—2010《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)施以來(lái)，由于該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)有色金屬礦山大氣污染物排放濃度限值做了更加細(xì)致嚴(yán)格的規(guī)定，有色金屬礦山粉塵排放預(yù)警和干預(yù)問(wèn)題也隨著變得更加迫切，并對(duì)實(shí)現(xiàn)有色金屬重金屬污染環(huán)境評(píng)價(jià)、規(guī)劃和有效治理等具有十分重要的理論和實(shí)際價(jià)值。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

由EI 等數(shù)據(jù)庫(kù)檢索結(jié)果和分析知，盡管國(guó)內(nèi)外很多研究者對(duì)有色金屬礦山的重金屬、砷等典型有毒物質(zhì)的演變、遷移過(guò)程的機(jī)理做了大量的研究，但仍然存在著許多新問(wèn)題、未曾研究的問(wèn)題和需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。國(guó)際上研究有色金屬礦山粉塵引發(fā)的礦區(qū)周邊土壤重金屬污染問(wèn)題非常之少，而含重金屬元素的粉塵引發(fā)的礦區(qū)周邊土壤重金屬污染卻具有面積大、塵源分布廣等特征;現(xiàn)有各種研究主要是針對(duì)具體礦山、具體地點(diǎn)、具體污染問(wèn)題開展的，其成果的典型性及其規(guī)律性有待提升和歸納，重金屬污染程度與礦山生產(chǎn)規(guī)模、生產(chǎn)年限、裝備和開采技術(shù)水平、礦物結(jié)構(gòu)和特征等等都有一定的關(guān)系，一個(gè)礦山的重金屬污染問(wèn)題只能一定程度上說(shuō)明礦產(chǎn)資源開發(fā)引發(fā)了重金屬污染;礦山環(huán)境中外源重金屬是通過(guò)一系列的采礦活動(dòng)向環(huán)境釋放遷移的結(jié)果，礦物中的重金屬如何以各種形態(tài)釋放遷移表生環(huán)境的地球化學(xué)機(jī)理又極其復(fù)雜，大量未知因素還需進(jìn)一步深入研究與探索。礦區(qū)大氣重金屬污染是礦產(chǎn)資源開發(fā)重金屬污染重要的組成部分，其污染規(guī)律、機(jī)制和毒理尚缺乏深入研究;礦山職工和礦區(qū)周邊居民被毒物危害及造成的疾病與采礦活動(dòng)之間的關(guān)系，尚需要進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查和研究，而不同歷史時(shí)期礦區(qū)各種疾病發(fā)病率對(duì)研究采礦活動(dòng)重金屬污染的機(jī)制和控制因素具有重要的現(xiàn)實(shí)意義;礦產(chǎn)資源伴生有鈾、鋰放射性元素污染屬于重金屬污染問(wèn)題，過(guò)去對(duì)放射性元素危害研究很少，伴生的放射性元素在風(fēng)化作用下釋放到土壤、河流環(huán)境中的機(jī)理以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響作用都有必要進(jìn)一步研究確定;礦區(qū)重金屬污染的累積環(huán)境影響研究還很缺乏，針對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)使影響分析的范圍縮小到僅考慮單個(gè)項(xiàng)目、某一具體的環(huán)境特征和地點(diǎn)，而忽視了由多個(gè)項(xiàng)目的疊加、協(xié)同作用、時(shí)間滯后和邊界擴(kuò)大等因素引起的環(huán)境變化，而這正是累積環(huán)境影響的特征;礦區(qū)重金屬污染評(píng)估和管理體系等的建立和完善還存在問(wèn)題，按照現(xiàn)行的環(huán)境影響評(píng)價(jià)概念和管理程序要求，環(huán)境影響評(píng)價(jià)所關(guān)注的是擬建項(xiàng)目預(yù)測(cè)影響，很少關(guān)注項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)所產(chǎn)生的實(shí)際影響;環(huán)境影響預(yù)測(cè)結(jié)果得不到監(jiān)測(cè)和驗(yàn)證，從而導(dǎo)致影響流于形式;缺乏對(duì)項(xiàng)目環(huán)境影響管理有效性和評(píng)估，很少關(guān)注對(duì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理的有效性和對(duì)意外環(huán)境影響的處理能力。

2 需要深入研究的內(nèi)容

針對(duì)“有色金屬礦山總回風(fēng)井排塵”、“汽車運(yùn)送精礦沿途零星散落粉礦和揚(yáng)塵”、“大面積尾礦庫(kù)干灘刮風(fēng)揚(yáng)塵”這三類典型含重金屬元素的塵源，現(xiàn)階段需要深入開展研究的主要內(nèi)容有

1)三類塵源的擴(kuò)散及其在周邊土壤中的沉積、富集規(guī)律與建模研究。包括:分析合理簡(jiǎn)化礦山總回風(fēng)井排塵、汽車運(yùn)礦揚(yáng)塵、尾礦庫(kù)干灘刮風(fēng)揚(yáng)塵的形式，借鑒和修改相關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)和微顆粒擴(kuò)散理論，插入或添加符合現(xiàn)場(chǎng)條件的可變參數(shù)，建立這三類典型含重金屬元素塵源在不同環(huán)境、時(shí)空和動(dòng)力作用條件下的擴(kuò)散、沉積、累積模型，掌握粉塵富集的規(guī)律。

2)含重金屬元素的粉塵在土壤中的原地物理化學(xué)演變、遷移機(jī)制研究。包括:從不同時(shí)間、不同狀態(tài)、不同環(huán)境條件下調(diào)查研究含重金屬元素粉塵的長(zhǎng)期物理化學(xué)分解、變遷和釋放機(jī)理，確定主要污染毒物的氧化還原和離子交換等過(guò)程的類型與模式。

3)含重金屬元素粉塵在土壤中遷移的影響因素的重要度和致使污染物遷移衰減和拮抗途徑的研究。包括:分析不同土壤環(huán)境對(duì)離子滲透的影響;分析重金屬離子在不同介質(zhì)之間的傳遞規(guī)律和滲透機(jī)理;確定重金屬等毒物遷移衰減和拮抗的有關(guān)影響因素及重要度順序，達(dá)到提取干預(yù)污染毒物遷移的關(guān)鍵指標(biāo)和加速其遷移衰減與拮抗的途徑。

4)開展目標(biāo)實(shí)驗(yàn)或針對(duì)性實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)補(bǔ)充在建立重金屬污染物在土壤中演變、遷移、拮抗的一般模型過(guò)程中尚缺少的參數(shù)。包括:已建立的重金屬等毒物的演變、遷移、拮抗的共性模型過(guò)程中尚缺少的參數(shù)或指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)求解，重金屬污染特征表達(dá)的通用模型驗(yàn)證等。

5)定量確定影響重金屬污染的相關(guān)因素的重要度順序和權(quán)重，比較、甄別和確定能夠表征含重金屬元素粉塵污染的預(yù)警特征因子。包括:經(jīng)過(guò)系統(tǒng)歸納提升的相關(guān)污染模型和新建模型的可視化分析、比較，相關(guān)模型各參數(shù)的極值求解和圖形表達(dá)，單因素和多因素影響的多維可視化表達(dá)與分析，有關(guān)影響因子和關(guān)鍵因素的重要度排序以及關(guān)鍵因子、關(guān)鍵點(diǎn)、貢獻(xiàn)率的確定等，求得表征污染的關(guān)鍵特征因子。

6)根據(jù)污染關(guān)鍵特征因子研究結(jié)果，抓住主要矛盾，提出新的有效干預(yù)土壤重金屬污染的原理和方法。包括:基于上述研究成果，比較分析已有污染干預(yù)方法，優(yōu)化現(xiàn)有污染干預(yù)的措施;創(chuàng)新毒物污染干預(yù)和治理方法與理論。

3 目前可采用的主要研究方法

根據(jù)研究有色金屬礦區(qū)典型塵源的方式、資料來(lái)源、手段等對(duì)主要研究方法分類如下

1)由于有色金屬礦區(qū)塵源污染周邊土壤非常復(fù)雜，在研究方法上采取多學(xué)科知識(shí)交叉兼用。這類課題涉及采礦工藝、礦物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、流體力學(xué)、物理化學(xué)、環(huán)境工程學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、仿真學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、創(chuàng)造方法學(xué)等多個(gè)學(xué)科，通過(guò)多個(gè)學(xué)科綜合交叉使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)現(xiàn)新的生長(zhǎng)點(diǎn)。

2)研究需要調(diào)查大量的前人研究成果，首先要檢索的文獻(xiàn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)要齊全，除了EI，SCI，ISTP，CA，中國(guó)知網(wǎng)和國(guó)家圖書館數(shù)據(jù)庫(kù)外，一些專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)和專利數(shù)據(jù)庫(kù)也不能漏項(xiàng)。

3)基于重金屬離子之間協(xié)同作用和拮抗作用原理，分析多種金屬存在條件下，各種金屬離子滲透過(guò)程中的相互的影響作用，定量描述尾礦重金屬離子在環(huán)境中的歸趨過(guò)程，研究不同金屬離子在不同介質(zhì)之間傳遞，即從水體遷移到土壤中的滲透機(jī)理及規(guī)律;運(yùn)用多介質(zhì)模型分析重金屬離子在環(huán)境系統(tǒng)各介質(zhì)中的濃度分布、各種遷移轉(zhuǎn)化作用的過(guò)程速率以及累積量、滯留時(shí)間等重要的環(huán)境化學(xué)參數(shù)。

4)應(yīng)用FLUENT，MATLAB 等數(shù)學(xué)軟件開展污染的可視化仿真研究，以便直觀和定量描述粉塵污染在土壤內(nèi)部和外部的特征。采用PHA，SCL，F(xiàn)TA，ETA 等分析方法辨識(shí)和表達(dá)有關(guān)重金屬污染環(huán)境的危險(xiǎn)因素的層次、內(nèi)在和外在因果關(guān)系，分析各危害因素的結(jié)構(gòu)重要度順序和對(duì)環(huán)境影響的大小與程度。

5)通過(guò)上述多種方法的運(yùn)用，并輔以關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)，達(dá)到確定毒物污染影響因素的重要度順序，確定能夠表征污染的關(guān)鍵預(yù)警特征因子，優(yōu)創(chuàng)出毒物污染的干預(yù)和治理新方法。在研究毒物干預(yù)方法創(chuàng)新涉及形象思維法、創(chuàng)造思維法、逆向發(fā)明法、聯(lián)想發(fā)明法、缺點(diǎn)列舉法等。

4 開展研究的典型技術(shù)方案設(shè)計(jì)

首先在典型有色金屬礦山中找典型含重金屬元素的粉塵污染源，基于實(shí)際原型建立污染擴(kuò)散、沉積、累積的模型;充分利用前人對(duì)重金屬等毒物的演變、遷移、滲透等機(jī)理的研究成果，個(gè)別礦山對(duì)重金屬污染的案例調(diào)查和結(jié)果分析，查清各種直接或間接涉及影響重金屬等毒物污染過(guò)程的因子;在此基礎(chǔ)上開展目標(biāo)實(shí)驗(yàn)，以便減少實(shí)驗(yàn)工作量和提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的利用率;在已有相關(guān)研究成果之上并將其為基礎(chǔ)，運(yùn)用多科學(xué)分析方法進(jìn)行量化、可視化和排序，確定各個(gè)階段各類因素的重要度順序和對(duì)污染的貢獻(xiàn)率;在確定了各階段各種狀態(tài)下的關(guān)鍵污染影響因素之后，抓住主要矛盾，確定能夠表征污染程度的關(guān)鍵預(yù)警因子;基于關(guān)鍵污染影響因素和表征污染的關(guān)鍵因子，提出優(yōu)化現(xiàn)有污染干預(yù)的方法，進(jìn)一步創(chuàng)新含重金屬元素粉塵污染的控制和治理方法。

研究的總體路線如圖1 所示。

圖1 研究總體路線圖Fig.1 Overall technology roadmap of research

5 研究的主要實(shí)驗(yàn)手段

研究的實(shí)驗(yàn)手段涉及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定、理論研究、數(shù)值實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)等，各種測(cè)定和實(shí)驗(yàn)相互補(bǔ)充。

1)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定。主要是運(yùn)用先進(jìn)的便攜式測(cè)塵儀等設(shè)備，在選定的礦山現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，測(cè)定不同時(shí)間、地點(diǎn)和氣象條件下，在總回風(fēng)井主導(dǎo)風(fēng)向的下游、在正在運(yùn)礦的汽車路面兩側(cè)、在尾礦庫(kù)干灘的下風(fēng)側(cè)等，測(cè)定大氣中的粉塵濃度、粉塵沉降量、粉塵的顆粒分布、粉塵的化學(xué)成分等參數(shù)，這些測(cè)定結(jié)果可用于粉塵擴(kuò)散、沉積建模參數(shù)的確定和檢驗(yàn)。

2)現(xiàn)場(chǎng)采樣。在選定的礦山現(xiàn)場(chǎng)，在礦山總回風(fēng)井主導(dǎo)風(fēng)向的下游、在正在運(yùn)礦的汽車路面兩側(cè)、在尾礦庫(kù)干灘的下風(fēng)側(cè)的不同地點(diǎn)的土壤中，根據(jù)研究需要采取代表性樣品，以便用于實(shí)驗(yàn)室的分析、測(cè)定和實(shí)驗(yàn)等。

3)數(shù)值實(shí)驗(yàn)。將借助高性能計(jì)算機(jī)平臺(tái)和ANSYS，F(xiàn)LUENT，MATLAB 等國(guó)際先進(jìn)商業(yè)軟件進(jìn)行，輔以技術(shù)參數(shù)調(diào)節(jié)，對(duì)有關(guān)數(shù)模進(jìn)行各種必要的解算、分析和可視化表達(dá)。

4)實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)。將借助先進(jìn)儀器設(shè)備，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采回的樣品開展化驗(yàn)，包括樣品的物理化學(xué)特征、宏觀和微觀特征、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征等。

5)驗(yàn)證性目標(biāo)實(shí)驗(yàn)。根據(jù)驗(yàn)證目的，在實(shí)驗(yàn)室組裝特殊的裝置，如涉及功能模擬、柱滲實(shí)驗(yàn)、氧化實(shí)驗(yàn)、逆滲實(shí)驗(yàn)、擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)等，對(duì)土壤中重金屬離子之間協(xié)同作用和拮抗作用，重金屬離子滲透過(guò)程中的相互的影響作用，從水體遷移到土壤中的滲透機(jī)理及規(guī)律等涉及的關(guān)鍵參數(shù)和影響因子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)確定。

研究涉及有關(guān)數(shù)值試驗(yàn)和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的流程、方法和技術(shù)手段及其關(guān)系參如圖2 和圖3所示。

圖2 研究涉及數(shù)值試驗(yàn)的流程和方法Fig.2 Research processes and methods involving numerical experiments

圖3 研究涉及實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容和方法及技術(shù)手段Fig.3 Research content，methods and techniques involving experiment in laboratory

6 結(jié) 論

1)在不同環(huán)境、時(shí)空和動(dòng)力作用條件下，通過(guò)研究三類塵源在大氣中的擴(kuò)散及其在周邊土壤中的沉積、累積規(guī)律和模型，可以揭示含重金屬元素的粉塵在土壤中的原地物理化學(xué)演變、遷移衰減和拮抗機(jī)制;通過(guò)確定重金屬污染物遷移的關(guān)鍵特征因子，可以發(fā)現(xiàn)致使污染物遷移衰減和拮抗的途徑;通過(guò)開展驗(yàn)證性目標(biāo)實(shí)驗(yàn)，可以補(bǔ)充描述重金屬污染物在土壤中演變、遷移、拮抗過(guò)程的數(shù)模中尚缺少的參數(shù);通過(guò)定量確定影響重金屬污染的相關(guān)因素的重要度順序和權(quán)重，可以比較和甄別出作為重金屬污染預(yù)警的關(guān)鍵特征因子。基于以上研究可以提出有色金屬礦區(qū)粉塵污染所伴隨的重金屬污染的干預(yù)方法，為評(píng)價(jià)和控制有色金屬礦區(qū)含重金屬元素粉塵污染周邊環(huán)境提供新的理論和途徑。

2)有色金屬礦區(qū)典型塵源污染機(jī)制和治理現(xiàn)狀將會(huì)是今后一個(gè)相當(dāng)貼近民生的研究課題，以下方向可作為今后研究的突破點(diǎn):①有色金屬礦山總回風(fēng)井排塵、汽車路面運(yùn)礦揚(yáng)塵、大面積尾礦庫(kù)干灘刮風(fēng)揚(yáng)塵三類典型含重金屬元素塵源對(duì)礦區(qū)周邊土壤的污染擴(kuò)散、沉積、累積模型的建立;②含重金屬元素的粉塵在土壤中形成有毒物質(zhì)的演變、遷移、拮抗等復(fù)雜過(guò)程的軌跡和機(jī)制，以及影響因素的排序和表征污染狀態(tài)的預(yù)警特征因子的確定;③有色金屬礦區(qū)含重金屬元素粉塵對(duì)周邊土壤污染的干預(yù)新途徑和新方法的發(fā)現(xiàn)。

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