矿山水土环境中重金属污染研究进展

彭德海

（贵州省贵阳市白云区环境监测站，贵州 贵阳550003）

1 引言

随着工业化的进程和经济社会的快速发展，人类对各类矿产资源的需求量迅猛增加。然而，这些矿产资源的开采、选冶必然对周围生态环境造成污染和破坏，矿山开采所引起的生态环境问题已成为世界性的问题，受到国内外研究者的广泛关注，因此对矿山开采造成的生态污染进行研究具有现实意义，本文重点论述矿山水环境中重金属污染方面的研究。

2 矿山水环境中重金属污染研究

矿业活动过程中产生的废石、尾矿及冶炼废渣暴露于空气中，使其中的硫化物矿物风化并形成了酸性矿山废水（AMD），水体具有较低的pH值和高含量的可溶性Fe、Mn、SO2－4等，以及重金属元素（Pb、Zn、Cd、Cu等）。矿山废水通过地表径流或渗漏到地下水中，导致整个矿区甚至大区域的水体污染，并影响到整个生态系统。AMD对地表水的影响范围非常大，据Johnson等（2005），在地球上约19300km的河流以及约7200hm2的湖库严重遭受了矿山废水的影响。

在国外，西班牙Urumea河受到Pb、Zn矿开采的影响严重，河流沉积物中Pb、Zn、Cd含量分别为125～1150mg/kg、125～2500mg/kg、2.5～24mg/kg（Sanchez et al，1998）。此外，西班牙西南部Ria of Huelva河口地区硫化物黄铁矿带周围由于矿产开发分布着大量的尾矿渣和废石，地表水流长期将尾矿渣和废石风化产生的重金属和硫酸盐输入该矿带周围的Tinto河和Odiel河，致使这两条河的水体及沉积物受到Cu、Zn、Mn、Cd等的严重污染。根据Sainz等的研究，每天排入河口的Pb和Cd平均通量分别为82kg和43kg。英国Wheal Jane锡矿的铅锌对下游水环境的影响以及Coquimbo铜矿区Zn的扩散。美国Cleveland选矿场废水排放致使其附近的Altos河下游河水中具有极高的重金属含量。日本富山县神通川河流上游神冈矿山的开采，致使下游严重的Cd污染，当地居民长期食用被镉污染的食物和水源，进而患上了“骨痛病”。

在国内，德兴铜矿的酸性矿山废水使其下游的乐安江沉积物受到Cu、Pb、Zn等重金属的严重污染。黔西北土法炼锌区的500多座“马槽炉”每年排入妈姑河的废水含Pb约2.23t，含Cd约61kg，尤其是天桥铅锌选矿厂大量尾矿的注入对河流造成严重污染。致使后河悬浮物中Pb、Zn、Cd和 Cu含量达到35657.37、33240.28、69.79和1106.68mg/kg，沉积物中Pb、Zn、Cd和 Cu最高含量分别为13631.9、27313、49.2和433.071mg/kg。辽宁金矿开发导致卧龙泉河受到矿山来源Cd，Pb，Zn等的污染。广东大宝山大型硫化物多金属矿山的开采导致横石河流域Pb、Zn、Cd、Cu等的严重污染及上坝村居民疾病的频发。湖北大冶铜绿山铜矿尾矿废水造成大冶湖水中Cu的含量是国家标准的2倍，显著高于大冶湖其它部分水域的Cu含量，同时还造成湖水不同程度的Co、Ni、Zn、Mo等污染。

2.1 矿山土壤环境中重金属污染研究

矿业活动中产生的废石、尾矿及冶炼废渣（含Cu、Pb、Zn、Cd等）经风化、淋滤以及风力传输使有害元素迁移至土壤中，不仅造成土壤质量下降，而且污染农作物，进而通过食物链进入人体，危害人类健康。铅锌矿区土壤中常积累重金属Pb、Zn、Cd、Cu等，它们在土壤中的含量常超过了限定值的几十到几百倍。在西班牙Urumea河谷的Pb－Zn矿区周围，土壤中Pb含量为26～1120mg/kg，Zn为105～1390mg/kg。攀枝花矿山基地矿业活动产生的富含Cu等多种重金属元素的废石和尾矿等的堆放使当地土壤受到污染。杨元根等研究黔西北土法炼锌区周围土壤中重金属的污染表明，土壤中Pb、Zn、Cd含量分别为37.24～30100mg/kg、162.23～31625mg/kg、0.5～113mg/kg，大大超过了当地的土壤背景值。李小虎对甘肃白银市周围土壤重金属污染进行研究，表明Cd、Cu、Pb、Zn是主要的重金属污染元素，以东大沟区域土壤污染最为严重。整个区域土壤Cd超标严重，最高含量达99.13mg/kg，是我国土壤环境质量标准（三级）的99倍。李晓燕研究云南某铜矿周围土壤的重金属积累表明，Cu、Cd、Pb、Zn等含量绝大部分已超过对照背景值，重金属累积已较为普遍。冯玮隽研究了汉源唐家铅锌矿区土壤的重金属污染，结果表明，Pb、Zn、Cd污染严重，分别是我国土壤背景值的9.24、11.19和88.17倍。姬艳芳等研究了凤凰铅锌矿区耕层土壤中Pb、Cd等重金属的污染状况。结果表明，该地区的土壤受到多种重金属不同程度的污染，Pb、Cd均值分别达到875mg/kg、10.70mg/kg。

2.2 矿山环境中重金属的迁移转化

重金属在水环境中的迁移过程包括溶解态和悬浮态重金属在水流中的扩散迁移过程；沉积态重金属随底泥的推移过程；溶解态重金属吸附于悬浮物和沉积物向固相迁移过程；悬浮态重金属的絮凝、沉淀过程和沉积态重金属的再悬浮过程；生物摄取、富集、甲基化过程；水体重金属通过水面向空气中迁移的气态迁移过程。几乎包括了水体中所有的物理、化学及生物过程。

河流水体流动过程在地表重金属迁移和重新分配的过程中起到重要作用，重金属既能以溶解态，又能以（悬浮）颗粒态迁移扩散。受矿山影响的河流中重金属除以溶解态迁移外，重金属还以颗粒物表面吸附作用或矿物颗粒同沉淀作用为重要迁移机制。重金属进入自然水体后，它们与水体沉积物发生复杂的物理及化学界面作用，因而重金属元素在自然水体中的迁移、转化主要受重金属与沉积物相互作用能力的控制。研究表明，在水体中重金属不易溶解，绝大部分重金属迅速从水相转入固相，即迅速结合到悬浮物或沉积物中。结合到悬浮物中的重金属在水流搬运过程中，当其负荷量超过搬运能力时，最终进入沉积物中。但重金属不是一成不变地固定在沉积物中，当环境条件发生变化时，如pH值、氧化还原电位和有机配体存在，引起其迁移性和生物可利用性的改变或重新返回水体中。如在酸性条件下，Zn主要以Zn2＋形式进行迁移，在碱性时，则以氢氧化物形式存在，随碱性增加，最终发生沉淀作用。吴攀等对黔西北土法炼锌区河流重金属污染的研究表明，Zn、Pb、Cu、Cd沿河的分布、迁移、释放或积累是污染源、河流水环境条件、悬浮物（泥沙）运动共同作用的结果。河流水环境条件抑制了沉积物中硫化物的氧化，对水体重金属自净有一定的作用。Al等对富含硫化物尾矿中的碳酸盐矿物－水之间相互作用的研究表明，吸附、表面络合和同沉淀作用是水体溶解态金属浓度的控制因素。因此，河流重金属的搬运迁移以悬浮质或泥沙推移等机械搬运为主。沉积物是重金属迁移的重要载体，是潜在的重金属二次污染源。

此外，重金属迁移还受一系列复杂的沉淀－溶解作用、吸附－解吸作用、同沉淀作用与离子交换等地球化学作用的控制。Blowes等认为次生铜蓝的形成可能是Cu2＋交换了硫化物中之Fe2＋或Zn2＋所致。Karthikeyan等研究表明，Cu与富Fe、Al氢氧化物的同沉积及吸附作用对其迁移具有重大意义。Sidle等研究美国新墨西哥州中部废弃Pb－Zn废渣池中重金属的迁移归宿时发现，重金属的迁移性相对顺序为Cd＞Zn＞Cu＞Pb。Cd和Zn相对Cu和Pb有更高的迁移性。已有研究表明，铅锌矿在氧化过程中，镉通常以硫酸盐形式进入水体，并以3种不同方式迁移或转化，即离子或配合物形式、悬浮物（包括胶体）和水体中沉积物对镉等重金属的吸附。Schemel等发现，富Fe、Al胶体的吸附作用对Pb、Zn和Cu的迁移很重要，Zn的溶解态和胶体态的分异取决于溶液的pH值和胶体含量。一般pH值和胶体含量的增加是导致更多Zn被吸附的两个主要因素。通常低pH值条件下金属多呈游离态形式，因此，pH值的降低会导致Cd、Cu、Zn等从Fe、Al胶体中解吸出来。栾兆坤研究发现，在酸性矿山水和天然水混合过程中，酸性矿水中的Fe3＋或Al3＋水解沉淀而导致污染水体中含有大量的富Fe、Al胶体颗粒，这些胶体颗粒对水中溶解态重金属具有强烈的吸附作用，进而控制了酸性矿山水污染河流中重金属的浓度、形态特征及迁移转化。

3 结语

矿山水土环境中重金属污染的研究是环境科学发展的重点研究课题之一，意义重大，有待研究的问题还很多，需要环境学、地学、生态学等不同学科的科技工作者的共同努力和合作，以利推进我国矿山水土中重金属污染研究和环境科学的发展。

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