小秦岭金矿区尾矿渣淋溶淋滤实验研究

苏奇童, 张建瑞, 兰 青

(1.河南省地质局地质灾害防治中心,河南 郑州 450000;2.河南省地质环境生态修复工程技术研究中心,河南 郑州 450000)

0 引言

我国是世界上金矿资源储备较丰富的国家之一,由于黄金的高保值货币属性和极强耐腐蚀性,其被各国视为一种重要的战略矿产资源[1-2]。在市场大量需求及产业发展刺激下,我国黄金产量连续多年位居世界第一[3],并在持续开采过程中逐渐形成了胶东、小秦岭、吉辽等黄金生产基地[1]。而开采活动产生的尾矿废物会污染地下水[4-7]、河流[6-8]、土壤农田[7,9-11]等,造成严重的生态问题,甚至危及人体健康[12]。小秦岭地区作为河南省重要的金矿产地,长期的开采冶炼已形成了星罗棋布的尾矿坑,且尾矿渣存在随意露天堆放现象,在大风扬尘及雨水淋溶下易污染空气、土壤、水流。

国内外诸多学者对尾矿渣污染环境问题进行了大量研究,Israel等[13]发现波托西矿区废渣进入河流后,使水库砷浓度超过饮用水标准5倍以上;吴超等[14]对某铅锌矿进行理论分析与实验测试后确认尾矿库为水体、土壤主要污染源;任泓泉等[15]利用 Hakanson 潜在生态风险指数法分析了大伙房水库表层沉积物重金属含量,发现Cd元素对生态危害最大;Parizanganeh 等[16]通过健康风险评价法评估了赞詹市锌工业区周边表层土壤重金属污染状况,认为仅测试重金属浓度并不能真实反映土壤污染状况,应把生活有效性和重金属迁移率纳入重要考量指标。在金矿重金属污染方面,李志成等[17]调查了贵州“红土型”金矿主产区矿渣及浸出液中有害元素,并根据综合污染指数(GTi)划分出不同程度的污染区域;王莹等[18]通过采样采用氰化工艺的金矿渣及模拟含氰尾矿渣自然降解实验,发现氰化物分布均匀、初始降解速度快。针对小秦岭地区金矿污染问题,徐友宁等[19]研究了五种典型污染方式的土壤剖面,其中矿业污染灌溉型综合污染程度最大;刘瑞平等[8]对河流断面水质对比分析得出,重金属、氰化物已造成枣香河持续污染,而铜、铅主要存在于河流底泥中;张江华等[20]研究了小秦岭水系中不同重金属含量水平、分布特征,发现Pb(铅)含量最高、其次是Hg(汞),且北麓水系重金属含量普遍高于南麓。综上所述,现有对小秦岭尾矿渣污染的研究多侧重于程度评价,较少关注重金属污染物的迁移转化,故很难从微观角度细致分析重金属污染的特征与机理,进而导致难以提出相应的技术改善方案与防治措施。

因此,本文以灵宝市小秦岭金矿区尾矿渣为研究对象,对工作区内存在严重的重金属污染问题开展淋溶、淋滤实验,研究重金属离子在尾矿渣-地表水及地下水-土壤垂向上的迁移规律,并基于研究结果提出针对性的污染控制技术和管理措施,以期为尾矿库生态修复工程提供助力。

1 研究区概况

灵宝市西部小秦岭金矿区,累计探明黄金资源量526.7 t;经过近70年的资源开发,现已设立30多处矿权公司[21]。项目区金矿在采矿活动中共造成7处地质崩塌、5处采空区塌陷、22条总长度2160 m的地裂缝,矿区年外排396万立方米的废水使部分区域水质恶化到Ⅲ类以下[22],即过滤清洁后仅可用作普通工业用水,无法作为生活用水。混汞法提金及氰化车间等工序产生的大量尾矿渣在自然降水淋溶后形成重金属溶液,极易污染地表水、地下水和土壤,采样结果显示Ⅲ类及以下水样占比67%,不同程度土壤污染占比24%[21]。

采样发现,研究区土壤中Hg(汞)、Cd(镉)、Pb(铅)、Cu(铜)等污染严重,尾矿渣为主要污染源,其中的重金属元素先是被雨水淋出形成淋溶液,而后淋滤土壤污染环境。为研究尾矿渣中重金属释放特征,首先制作尾矿渣柱,然后采用淋溶法,在室内实验中模拟天然降雨条件,分析重金属在淋溶液中的浓度变化及尾矿渣中的垂向迁移变化规律;为研究土壤重金属污染特征,前期制作纯净土柱,后采用淋滤法,在室内实验中模拟最大重金属浓度淋溶液入渗土壤,以探究重金属在土壤中的垂向迁移规律。

2 实验概况

2.1 实验材料

有机玻璃柱:5个,高1 m,直径10 cm;蠕动泵,滤纸若干、200目尼龙网、蒸馏水、淋溶液、尾矿渣、纯净土。

2.1.1 淋溶实验材料

选取金矿开采区散乱堆放的氰化矿渣,且试验前不施加任何处理措施,后对尾矿渣做理化分析,结果见表1、表2。

表1 尾矿渣中重金属含量

表2 尾矿渣粒度分布

2.1.2 淋滤实验材料

选取最大污染浓度重金属溶液作为淋溶液进行淋滤实验,其重金属含量见表3。选取矿山活动空白区的土壤作为实验样品,样品未受重金属污染,其理化性质见表4。

表3 淋溶液中重金属含量

表4 土壤理化性质

2.2 实验方法

实验装置为有机玻璃柱,底部为玻璃漏斗,一体装置见图1,为防止样品淋出,底部垫有200目尼龙网垫外加一层滤纸。以矿区多年平均降水量为基础,用蠕动泵控制液体流速为2.78 mL/min,见图2。

图1 玻璃柱

图2 蠕动泵

2.2.1 淋溶实验

将尾矿渣样品称重10 kg,均匀装入4个玻璃柱中,使用蒸馏水进行定流速淋溶,分别淋1天、3天、5天、10天、15天,实验现场见图3。

图3 淋溶实验现场

实验结束后,对所得不同淋溶液取样,并在每个尾矿渣柱的10～20 cm、30～50 cm、60～80 cm处,各取1个样品。

2.2.2 淋滤实验

将纯净土壤碾碎、过筛、混匀,然后称重10 kg,均匀投入5个玻璃柱中,之后控制蠕动泵使淋溶液定流速淋滤纯净土壤,实验所用土壤重金属含量背景值见表5。

表5 土壤重金属含量背景值

淋滤实验与淋溶实验所用玻璃柱、蠕动泵等仪器均相同,淋滤结束后土壤柱取样部位与尾矿渣柱一致,两者的液体流速及时间也一致,具体参数见表6。

表6 淋溶(淋滤)时间及液体进入量

3 结果分析

3.1 淋溶实验结果分析

3.1.1 淋溶液重金属浓度变化

蒸馏水淋溶尾矿渣时,会带走尾矿渣中的部分重金属元素,进而形成淋溶液,不同淋溶时间下淋溶液中各元素浓度变化见图4。

图4 淋溶液重金属浓度变化示意图

由图4可知,淋溶液中铅、铜、镉、汞的浓度随淋溶时间的增加而增大,在淋溶10天时浓度达到最大值;到15天时,浓度有所下降。其中,铅浓度范围为3.78～4.76 mg/L,15天时浓度下降为3.92 mg/L;铜浓度范围为1.34～2.98 mg/L,15天时浓度下降为2.63 mg/L;镉浓度范围为0.012～0.039 mg/L,15天时下降为0.03 mg/L;汞浓度在0.0023～0.0083 mg/L之间,15天时下降为0.0067 mg/L。淋溶液中重金属浓度顺序为铅>铜>镉>汞。

查阅其他研究资料,姜艳兴等[23]对大宝山尾矿库尾矿进行淋溶实验研究,发现重金属在初期快速被淋出,随着时间的延长,淋出速度减缓。王兰等[24]对铅锌矿渣进行淋溶,认为淋溶液中铅、镉、锌的浓度变化基本一致,在淋溶初期出现最大溶出量,5～10天开始出现下降。本次实验淋溶时间15天时,重金属溶出浓度开始降低,与相关研究规律基本相同。

3.1.2 尾矿渣重金属浓度垂向分析

通过蒸馏水淋溶尾矿渣样品实验,模拟天然降雨条件下重金属污染物在尾矿渣柱中的垂向迁移。收集不同淋溶天数的尾矿渣,检测尾矿渣中的汞、镉、铅、铜浓度,进行分析,结果见图5。

图5 尾矿渣重金属浓度变化示意图

由图5可知,尾矿渣中汞、镉、铜、铅的浓度随淋溶时间的增加而减小,在不同深度处,各元素浓度随深度的增加而变大。实验测得20 cm以上深度的浓度值较小,浓度在20 cm处增加最大,40 cm以下增加较慢,在60 cm处几乎接近背景值。不同淋溶天数下,镉浓度在0.28～0.37 mg/kg之间;汞浓度范围为8.03～10.63 mg/kg;铜浓度在2681.23～3548.9 mg/kg之间;铅浓度范围为10860.77～14375.4 mg/kg。15天时不同深度处,相较于背景值,镉浓度下降0.032～0.09 mg/kg;汞浓度下降0.86～2.64 mg/kg;铜浓度下降43.1～910.77 mg/kg;铅浓度下降204.6～3719.23 mg/kg。尾矿渣中重金属浓度顺序为铅>铜>汞>镉。

3.2 淋滤实验结果分析

尾矿渣内重金属污染物经降水淋溶后,与地表水/地下水结合入渗土壤,会给土壤及农田造成极大危害,抑制植物幼苗的生长[18]。因此,配制当地最大污染浓度的重金属溶液作为淋溶液匀速淋滤纯净土壤,以此模拟自然条件下被污染水体内最大重金属浓度在土壤中的迁移现象,实验结果见图6。

图6 土壤重金属浓度变化示意图

由图6可知,土柱中镉、铅、铜的浓度随淋滤时间的增加而增大,在不同深度处,各元素浓度随深度的增加而减小,20 cm处浓度最大,60 cm处浓度最小。铅、铜在20～40 cm区间浓度降低剧烈,40 cm以下减少缓慢,在60 cm处浓度最小且等于土壤背景值;而镉在20 cm以下降低缓慢,40 cm以下则减小迅速,在60 cm处浓度最小但远高于土壤背景值。不同淋滤天数下,镉浓度范围为2.1～5.6 mg/kg;铅浓度范围为47.6～220 mg/kg;铜浓度范围为22.2～220 mg/kg。15天时不同深度处,相较于背景值,镉浓度增加1.91～5.41 mg/kg;铅浓度增加0～172.4 mg/kg;铜浓度增加0～197.8 mg/kg。土柱中重金属浓度顺序为铅>铜>镉。

4 防治对策

调查结果显示,金矿工作区内重金属污染主要是地表水重金属污染和土壤重金属污染。项目区内地表水污染最严重的是双桥河流域,其中污染因子主要是铅、镉、汞和氰化物,铅最高超标倍数为186.70倍[15]。土壤污染严重的是弘农涧河流域和双桥河流域,其中弘农涧河流域污染因子主要是汞、铜、铅,铅最高超标倍数为28.10倍;双桥河流域污染因子主要为镉、铅、汞,镉污染最严重,最大超标倍数为4.09倍[15]。现针对地表水和土壤重金属污染提出防治措施。

4.1 地表水重金属污染防治对策

(1)对排入环境的废水进行处理,持续性开展废水的水质水量监测。

(2)实验发现淋溶10天后重金属离子浓度最大,故应关注天气,当存在持续时间超过一周的雨季时,需对废矿渣做好防护,降雨结束后将废水净化后再排入河道。

(3)实验发现水中铅、铜浓度较大,故应选取能高效吸收铅、铜等离子的微生物,将其投放水中,通过生物还原反应将铅、铜离子还原或吸附沉淀。

4.2 土壤重金属污染防治对策

(1)在矿区土地上种植能高效吸收镉、铅、铜等离子的植物,再辅以化学、生物措施改善土壤生态环境。

(2)深翻土壤时深度需达到40 cm,并对翻出的土壤进行污染修复。

(3)实验发现重金属离子主要富集在地表以下40 cm深度内的土壤中,故应定期对该深度土壤进行取样分析;并对土壤添加防渗措施至60 cm深度处。

5 结论

对灵宝市西部小秦岭金矿区的尾矿渣环境污染问题,本文通过尾矿渣内重金属的淋溶淋滤实验,综合分析了重金属在水体、尾矿渣、土壤中的迁移转化规律。得出如下结论:

(1)淋溶实验中,淋溶液重金属浓度逐渐增大,在第10天达到最大值,之后减少,顺序为铅>铜>镉>汞;尾矿渣重金属浓度随淋溶时间增大而减小,随垂向深度增加而升高,在20～40 cm内快速增长,40 cm以下增长缓慢,顺序均为铅>铜>汞>镉。结合尾矿渣背景值,说明在蒸馏水定流速淋溶下,尾矿渣重金属原始浓度越大,越容易淋出,且其浓度在40cm深度范围内减小较快,更大深度时,降低较慢。

(2)淋滤实验中,纯净土重金属浓度随淋滤时间延长而增大,随垂向深度增加而降低,顺序均为铅>铜>镉。铅、铜在20～40 cm内快速减少,40 cm以下减少较缓,而镉元素则正好相反,在40 cm以下减少较快。说明在最大污染浓度淋溶液定流速淋滤条件下,重金属主要淋入纯净土40 cm深度范围内。

(3)基于尾矿渣淋溶淋滤试验结果,提出了地表水和土壤重金属污染防治对策,可为相关尾矿库生态修复工程提供参考。