大型金属矿山环境污染及防治研究

2013-01-28张文江

资源节约与环保 2013年1期

张文江

（昆明有色冶金设计研究院股份公司云南昆明650051）

0 引言

自80年代以来，我国对矿山环境的保护工作取得了较大地进展，但是矿山环境恶化的趋势仍然没能得到有效遏制。因此，矿山开采引起的生态环境问题已成为全球性的问题，备受关注，而且矿山生态恢复也已成为我国当前所面临的紧迫任务，是我国实施可持续发展战略所优先关注的问题[2]。解决矿山废石和尾矿中的重金属释放对矿山环境及河流水体和沿岸土壤的污染问题刻不容缓，并且系统分析和研究矿山金属造成的环境污染对矿山环境污染的防治具有非常重要的现实意义。

1 矿山开发过程中的环境问题

1.1 矿山开采引起的主要环境问题

由于矿山开采工艺的限制，在建设时需要改变矿区的地貌、地形,并破坏矿区的自然地表草地、植被等景观，这会造成矿区土地荒废、水土流失等环境问题。地下开采的矿山还容易在采空区形成地表塌陷，并诱发地质灾害，最终导致矿山生态环境的逐步恶化。重金属矿山的土壤和废弃物中均含有大量的重金属，经过长期的露天堆放后这些重金属会经过降雨、风扬等作用向矿区附近扩散，导致土壤污染的范围进一步扩大。重金属矿山在采矿和选矿的各个过程中都需要使用大量的水源，其产生的废水排入地表水体后，会导致矿区地表水体的重金属污染和有机污染，是目前矿山环境污染的主要问题之一。重金属矿山矿石的破碎、筛分和选矿中还会产生大量的粉尘，这些粉尘中含有大量的酸性气体，会导致矿山周边形成酸雨，造成森林及农作物的大幅度减产，而且粉尘中的重金属元素也会随着尾气的流动，最终使这些重金属进入土壤和水源中，造成二次污染[3]。

1.2 重金属污染的特点

金属矿山的污染多为复合性污染，与有机污染物不同，重金属不能被生物分解，但却可以在生物体内富集并转化为毒性较大的甲基类化合物。矿山的重金属一般都是通过与有机物形成混合物的方式进入土壤、水源及空气中，其对水源、大气的污染容易被发现，但对土壤的污染需要通过分析化验才能测试出来，而且其危害通常会滞后较长的时间。重金属的水污染、大气污染会随着气流和水流进行长距离迁移，而其在土壤中的扩散和稀释较为困难，使得土壤中的重金属不断累积，在达到一定浓度是会对植物和农作物造成很大危害。大气和水体受到污染时，可以在切断污染源后通过稀释和自净化的方法减轻污染，但累积在土壤中的重金属很难靠稀释和自净化，对土壤结构和功能的破坏不易恢复。对于目前的重金属污染，其对土壤的污染必须采用多种治理技术相结合的方法才能消除污染，导致治理成本较高、周期较长。

2 金属矿山重金属污染机制

2.1 金属矿山污染物质的释放机制

露天和地下的开采金属矿山都会产生废石和尾矿等固体废弃物，这些固体废弃物中的重金属含量较高，在风化环境中容易产生非常细小的次生矿物颗粒，并随着雨水迁移到附近水体和土壤中造成生态系统的破坏。因此，需要对金属矿山废石及尾矿中矿物的形态、结构、化学反应、矿物转化过程、迁移机制进行分析，并针对各种金属矿山废弃物中存在的有毒有害物质进行处理[4]。

尾矿矿物的属性与矿床类型、矿石品位、硫化物含量、区域气候特征等密切相关，其会在生态环境中发生氧化反应、中和作用、吸附作用、离子交换作用等一系列反应，并逐渐释放出重金属和酸性物质。金属矿山的尾矿中重金属和酸性物质的含量与硫化物及非金属矿物的种类、组成密切相关，硫化物氧化是产酸和释放重金属的主要方式，一般来说富硫化物富碳酸盐的尾矿释放出的重金属和酸性物质很少，而低硫化物无碳酸盐尾矿的重金属和酸性物质的含量均较高。硫化物风化产物以硫酸盐相为主，以单矿物相和集合体形式存在的次生矿物相控制着各自元素的溶解、沉淀以及迁移等。酸性废水是矿山污染的产物，同时也是金属污染物淋滤、扩散迁移的重要介质，其氧化的速率和程度受pH值、氧逸度、矿形态和特殊的表面积、硫化物细菌及水文环境等影响。

2.2 金属矿山污染物质的迁移机制

2.2.1 金属迁移机制研究

金属矿山固体废弃物中硫化物的氧化是金属元素向环境扩散迁移的第一步，其后金属会伴随着沉淀-水解作用、吸附一解吸作用、同沉淀与离子交换等一系列复杂变化而发生迁移。当然，由于各金属矿山的矿物成分与含量都存在一定的差异，各种金属元素的迁移也会随固体矿物及溶液化学性质的不同而变化，其迁移机理也不是单一的，甚至时间和空间位置的不同也会造成金属迁移形式的差异。

2.2.2 水体及沉积物中重金属的行为

重金属在水体的迁移过程是多种形态重金属在水体中发生的物理、化学及生物反应的过程，包括随水流、底泥、吸附于悬浮物和沉积物、生物摄取积累富集及由水面向空气中气态迁移的过程。河流沉积物是重金属存在的主要方式，但也会随着环境条件发生交化，依赖于其迁移性和生物可利用性，要了解金属矿山污染在水体中的扩散情况必须对水体中的沉积物进行研究。一般认为，沉积物中的金属元素除了人为和自然来源外，其含量与矿物颗粒度的密切相关，细小颗粒的比表面积大，其金属含量也会较高。

2.2.3 土壤中重金属的化学形态

土壤中的重金属会通过地表径流或向下淋滤污染水源，还会通过植物吸收通过生物链积累在人体中，从而影响人类的健康。土壤中重金属对环境的影响程度除了与其含量有关，还与其在土壤中的存在形态相关，不同形态的重金属活性、生物毒性及迁移特征也不同，对于土壤中重金属的提取剂和提取步骤也不同，通常可以按照弱酸提取态、可还原态、可氧化态、残渣态等四步进行提取。此外，土壤重金属的积累还是导致地表径流中重金属负荷增加的主要原因。

3 重金属污染风险控制

近20年来，金属矿产资源开发规模越来越大，而矿山装备落后、安全隐患多和矿产资源利用率低等因素造成了金属污染越来越严重。重金属不能被生物降解，反而在生物体内聚集扩大，对人类有很大的危害性。目前，大部分矿山重金属污染的治理和控制认识不够[5]。因此，探索矿山重金属污染的治理和控制，降低重金属污染，保护矿山环境是非常有必要的，具有深远的意义。

3.1 采矿废水重金属污染控制

重金属废水主要来源于采矿废水、选矿废水以及工业废水等，其中采矿废水占量最大，对环境的污染最严重。矿山废水未经过达标处理就排入环境，使土壤或水体受到了严重污染，重金属进入地表水体后，难以降解和破坏，长期聚集沉积于水体底部，危害持续时间很长，严重影响了人类健康。因此，矿山企业应加强对重金属污染的治理和控制。

3.1.1 矿山废水治理

不管采用何种方法都很难使废水中的重金属分解破坏，只能转移其存在的位置和转移其物理和化学形态。目前，处理重金属废水的方法主要有两大类，第一类是使废水中溶解的重金属转变为不溶的重金属化合物，经沉淀后从废水中除去；第二类是将废水中的重金属在不改变化学形态的条件下进行浓缩和分离。第一类方法需要改变化学形态，较第二类复杂，但是第二类方法耗资较大，因此，两类方法各有有缺点，通常在处理矿山废水时，需根据废水的水质和水量等情况，选用一种或几种处理方法组合使用。

通常情况下比较常用的处理方法是沉淀法。该方法的基本原理是在矿山废水中投入碱性中和剂，使金属离子与羟基反应，生成难溶的金属氢氧化合物沉淀，进而予以分离。在废水处理过程中，应充分了解多种金属离子的共存性，调整和控制最佳的pH值，经过分步处理和沉淀，使废水的多种重金属都沉淀分离，让矿山废水达到排放标准。

3.1.2 矿山废水控制

为了达到保护环境的目的，除了对矿山废水进行处理外，减少矿山废水重金属污染源也是非常重要的，通常采用的途径是提高工业用水复用率。矿山废水主要来源于坑道废水和选矿废水，要想提高工业用水复用率，就需要将坑道废水和选矿废水重复用于选矿。因此，充分利用矿山废水在控制废水排放和节约成本方面具有重要的现实意义。

3.2 土壤重金属污染控制

尾矿坝是重金属对土壤污染最严重的污染源，尾矿坝中的重金属向环境中释放迁移，土壤中的重金属不断聚集增加，严重影响了土壤资源。因此，要减少尾矿中的重金属污染，最有效的方法就是控制尾矿排放，提高选矿综合回收利用率，从源头上减少资源开发过程中对环境的污染。

对于已经污染的土壤，国内外许多学者也做了相关的研究和实践，积累了不少经验和方法，归纳起来主要有三种方法。第一种方法是用各种物理、化学和生物的方法改变重金属在土壤中的存在形态，使其固定，降低重金属在土壤的迁移性和生物可利用性。第二种方法是通过物理、化学或生物的方法从土壤中除去重金属污染物。第三种方法是用各种防渗材料将污染区和未污染区隔开。依据采取方法的特点，其治理方法又可以分为工程、生物、改良和农业措施。这三种方法各具特点，在实际处理过程中，依据土壤的特点和适用性，根据污染的实际情况选择适宜的修复方法。该三种方法的共同目的是将污染土壤中的重金属清除或降低重金属在土壤中的活性和有效态组分，以恢复土壤生态系统的正常功能，减少土壤重金属向食物链和地下水的转移。