攀枝花矿区重金属元素钒污染研究现状

2015-08-15何忠庠

冶金与材料 2015年4期

常丹，何忠庠，袁为

(成都理工大学，成都610059)

攀枝花是我国大型矿业基地之一，由于地形的限制，攀枝花的城区与工矿区相互交错，其环境影响着城市50多万人的居住环境以及长江下游两岸城市和农村的水环境，因此矿产开发产生的环境问题越来越受到人们的关注［1，2］。研究重金属元素在环境中的分布和迁移转化规律，对矿山重金属的污染评价以及生态修复具有重要的指导意义。基于攀枝花在中国城市群中的独特性，本文选择该区为研究区，对其重金属元素钒对环境影响的研究进展做综述。

1 钒污染的危害及来源

作为人和动物所必需的微量元素，金属钒在生命体系中起着非常重要的作用。钒不足会导致心脏、血压、骨骼、味觉的病变，而钒中毒则又能严重影响肾、脾、肠道健康［3］。研究证实，过量钒也是一种可以侵害植物、作物甚至整个农业系统的潜在危险化学污染物［4］。环境中的钒大致可分为自然来源和人为来源。自然来源的钒分布非常广泛，主要由天然岩石的风化等产生。矿石的开采、冶炼以及煤和石油的燃烧等则会人为向环境中释放钒，其在环境中积累到一定程度就会带来危害。钒污染的危害及其潜在健康风险已引起世界卫生组织的高度重视，并针对钒及其主要化合物制定了相应的健康标准［5，6］。

攀枝花以V2O5计的钒资源储量达1 580万t，矿业活动导致的钒的污染问题日益突出，并且已成为我国特有的环境问题［7］，该区也是研究钒的人工环境和天然环境都很理想且交互作用典型的地区［8］，所以对攀枝花的钒元素进行各项研究皆具有重大意义。

2 土壤环境中的钒

土壤是环境中各种物质的最大载体，也是研究钒在食物链中循环的基础［9］。攀枝花地区仅采矿剥离的废石已超过6.8亿t。这些固体废弃物经过风化、淋滤后，其中的钒便会被释放进入土壤。自然界土壤中钒的平均含量为90×10－6［10］，美国环保局制定的非水源地保护区土壤中活动态钒的限值的质量分数为50×10－6，中国土壤钒元素环境背景值为82.4×10－6［1］，而攀枝花地区土壤中钒的平均含量已超出我国土壤背景值的2～3倍，钒污染区植物叶片中钒的含量远高于正常区［12］，滕彦国等人研究显示，攀枝花冶炼区、采矿区、城市居住区、农业区土壤中钒的含量范围分别为208.1～938.4×10－6、111.6～591.2×10－6、4.0～183.6×10－6、71.4～227.2×10－6，污染程度由高到低为:冶炼区＞采矿区＞农业区≈城市居住区［7，13］。

除了要对全钒含量进行分析测试，还必须从钒的化学形态以及分布特征着手，搞清各形态与总量及其它因素间的关系和相互作用，这是研究钒的生态影响的一项重要的基础工作［8］。前人［8，14，15］对攀枝花地区不同利用类型区的不同土壤中钒的形态研究显示，各形态的含量顺序为酸可溶态＜可还原态≈可氧化态＜残渣态，土壤总钒中不活泼的残渣态钒占绝大多数，土壤－植物体系中钒的累积特征为弱吸收－中度吸收。从土壤纵向剖面上来看底层主要富集可溶态与有机质结合态的钒，表层主要富集易还原锰结合态、无定形氧化铁结合态钒以及残留态钒。

3 水体环境中的钒

攀枝花市位于金沙江与雅砻江交汇处，1973～1978年期间排入金沙江的V2O5约为2150t/a。2001年长江流域工业废水和城镇生活污水年排放总量达220多亿t，较20年前的排放总量翻了两番［15］。含钒废水主要来自湿法提钒沉淀工序，每吨V2O5产品将会产生约20～50m3含有V5+等重金属离子及高浓度氨氮的废水［16］。自然界正常河水中钒的浓度变化范围是0.01～20μg/L，平均0.5μg/L。前人研究指出，攀枝花采矿区溪水和悬浮物中钒的浓度平均值分别为2.18μg/L、653.31 mg/kg。尾矿库及其下游溪水和悬浮物中钒的浓度范围分别为94～285μg/L、259～2 058mg/kg。矿区水系沉积物中钒的变化范围为261～985 mg/kg，平均631.5mg/kg，Tesier提取方法得到的水系沉积物中钒的形态为:残渣态＞铁锰氧化物结合态＞碳酸盐结合态＞有机物结合态＞离子交换态。尾矿库溪流沉积物中钒的含量范围为96～1816mg/kg，采用改进的BCR提取法得到的钒的形态特征为:酸可溶态＜可还原态＜可氧化态钒＜残渣态，并且以四价为主五价为辅［13］。

4 大气环境中的钒

大气中的钒有很强的催化能力，是酸雨形成的关键性物质之一。攀枝花市在1973～1978年间，排入大气中的钒约为2 160t/a［17］。前人研究指出，攀枝花矿业活动区大气降尘和近地表大气尘中与矿业活动有关的重金属V、Ti等含量是成都经济区其他城市的数倍到十余倍［14］。Hope［18］认为空气中53%的钒都是由钒矿石冶炼和开采等工业活动排入的。自然界中钒在大气中含量极低且相差也很大，其中北美为0.001～2μg/m3，而攀枝花市主要片区地表扬尘中钒的含量范为153～3 850mg/kg，平均值高达1 260mg/kg。地表扬尘中钒的含量与工业活动密切相关特别是冶炼区和采矿区地表扬尘中钒含量较高，采用富集系数评价的地表扬尘钒污染为“严重”级别，Tesier提取方法得到的地表扬尘的各形态含量顺序:残渣态＞有机物结合态＞铁锰氧化物结合态＞碳酸盐结合态＞离子交换态［13］。

5 钒渣提钒工艺现状

钒的冶炼和钒合金的冶炼，是环境中钒污染的重要来源之一。通常在钒的冶炼过程中会有30%左右的冶炼钒排入环境导致污染［19］。钒渣提钒的工艺水平不仅代表一个企业的技术实力，更体现出一个国家钒冶金技术在世界上的整体水平，而且对减少冶炼产生的钒污染也具有重要意义。

在钒渣提钒过程中最重要的是焙烧和浸出技术，针对高钙高磷钒渣难利用的问题，目前已提出的方法工艺主要有钠化焙烧－水浸提钒、含钒溶液溶剂萃取提钒、含钒溶液离子交换提钒、钙化焙烧－碳酸铵浸出提钒工艺和钙化焙烧－草酸盐浸出提钒工艺等。前人［20－22］通过攀钢钒渣的物理、化学性质、钒渣中铁存在形式等的研究，提出了有效控制焙烧过程中钒渣相转化行为以及浸出过程中钒渣浸出行为对于提钒工艺技术的改进具有重要的现实意义。而寻找钙化焙烧除磷添加剂、减少碳酸铵浸出时的浸出剂用量、简化草酸盐浸出时的浸出剂种类等则是高钙高磷钒渣提钒工艺今后的研究方向。

［1］滕彦国，倪师军，张成江，等.攀枝花钢铁基地矿业开发过程中减轻环境影响的对策［J］.中国矿业，2000，9(4):95－98.

［2］滕彦国，倪师军，张成江等.攀枝花钢铁基地环境恢复与生态重建的对策［J］.四川环境，2001，20(1):31－34.

［3］冯子道，生命元素［M］.成都:四川教育出版社，1989.

［4］Ahmed M，BanOO S.Spectrophotometric method of determination of vanadium and its application to industrial，environmental，biological and soil samples［J］.Talanta，1999，48:1985－1094.

［5］World Health Organization.Environmental health criteria 81:Vanadium［R］.Geneva:World Health Organization，1990，1－35.(ISBN 924542810).

［6］World Health Organization.Vanadium Pentoxide and Other Inorganic Vanadium Compounds(Concise International Chemical Assessment Document 29)［R］.Geneva:World Health Organization，2001，1－53.(ISBN 9241530294).

［7］滕彦国，倪师军，张成江，等.攀枝花地区土壤环境地球化学基线的影响因素研究［J］.矿物岩石，2002，22(3):38－42.

［8］黄艺，张仕鹏，倪师军.矿业城市攀枝花土壤中微量重金属元素钒的形态分布研究［J］.广东微量元素科学，2005，11(12).

［9］王平利，张成江.土壤中钒的环境地球化学研究现状［J］.物探化探计算技术，2004，26(3).

［10］柴之芳，祝汉生.微量元素化学概论［M］.北京:原子能出版社，1994.

［11］魏复盛，杨国志，蒋德珍等.中国土壤元素背景值基本统计量及其特征［J］.中国环境监测，1991，7(1):1－6.

［12］廖自基，微量元素的环境化学及生物效应［M］.北京:中国环境科学出版社，1992:444－457.

［13］滕彦国，杨洁，徐争启.攀枝花地区钒的环境生物地球化学［J］.矿物岩石地球化学通报，2011，30卷增刊.

［14］徐争启，攀枝花钒钛磁铁矿区重金属元素地球化学特征［D］.成都理工大学博士论文，2009.

［15］胡金朝.水体重金属污染监测与植物修复［M］河南:河南科学技术出版社，2010.

［16］张清明，艾南山，徐帅等.含钒废水的处理现状及发展趋势［J］科技情报开发与经济，2007，17(2):142－144.

［17］袁莉，陈越.微量元素钒的生物学效应.中国兽医科技，1999，29(1):21－23.

［18］Hope B K.An assessmentof the global impactof anthropogenic vanadium［J］.Biogeochemistry，1997，37:1－13