有色金属矿区典型尘源污染机制与研究策略＊

吴 超，李晓艳

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙410083)

0 引 言

有色金属矿山涉及100 多种矿种，其重金属污染是威胁人类健康和国土生态环境的最严重的污染之一。由于有色金属矿石品位低，每加工1 吨矿石所产生的尾矿平均估算可达0.92 t 以上，现积存的尾砂、废渣已数以亿吨计。而尾砂、废渣中的重金属元素又不断向周边环境释放迁移，通过植物、水生生物等食物链长期危害人体健康。在进行矿物资源开采、运输和选冶过程中，都会产生含有重金属元素的固体、液体和气体等废弃物，这些重金属一旦进入到周围的大气、水和土壤环境中去，便对当地乃至大范围环境产生污染和危害。因此，在矿物资源开采过程中，矿井通风、矿石运输、选矿废水和尾矿库等是矿山环境重金属污染的重要来源。

近一、二十年来，国内外学者对环境中的重金属污染危害、含量分布、化学特征、环境化学行为、迁移转化规律及重金属对生物的毒性等做了大量的研究。矿山环境重金属污染的研究主要集中在矿坑污水和尾矿库污水等引发的问题，如各种露天及地下开采的矿山主要产生两种类型的固体废弃物——废石和尾矿。尾矿中原生矿物颗粒细小，一般在70 μm 以下，特别是风化产生的次生矿物颗粒非常细小，由于氧化、淋滤作用产生含有高浓度重金属的酸性排水。这些尾矿淋滤的酸性水迁移到附近水体和土壤中，进一步影响整个生态系统。令人们不安的是即使在矿山关闭几十年、上百年甚至更长的时间内，尾矿淋滤液中重金属对环境生态系统的严重影响仍然存在。关于矿山重金属污染与控制国内外研究成果还可以列举很多，比较系统和详细评述可在文献得到了解。

有色金属矿区粉尘污染过程往往伴随着重金属污染，由矿山粉尘污染方面的调查研究知:矿山总回风井排尘、汽车运矿沿途零星散落粉矿和扬尘、大面积尾矿库干滩在刮风时扬尘是有色金属矿区含重金属元素的典型尘源。有色金属矿山总回风井每小时可排放出上十万到上百万立方米的高含尘污风，在大气自然扩散下造成大面积区域污染;矿区运送矿石或精矿的公路通常有上十公里，汽车沿途散落粉矿并被汽车轮扬起而造成路边土壤污染的面积也非常巨大;大型尾矿库的干滩面积有如小型人造沙漠，其刮风扬尘的污染可想而知。由于粉尘所造成的重金属污染很难被人们裸眼感知，其危害体现时间周期比较长，因此有关研究长期被人们所忽略。特别是在2010 年国家环境保护部新修订颁布的GB 25466—2010《铅、锌工业污染物排放标准》实施以来，由于该标准对有色金属矿山大气污染物排放浓度限值做了更加细致严格的规定，有色金属矿山粉尘排放预警和干预问题也随着变得更加迫切，并对实现有色金属重金属污染环境评价、规划和有效治理等具有十分重要的理论和实际价值。

1 国内外研究现状

由EI 等数据库检索结果和分析知，尽管国内外很多研究者对有色金属矿山的重金属、砷等典型有毒物质的演变、迁移过程的机理做了大量的研究，但仍然存在着许多新问题、未曾研究的问题和需要进一步研究的问题。国际上研究有色金属矿山粉尘引发的矿区周边土壤重金属污染问题非常之少，而含重金属元素的粉尘引发的矿区周边土壤重金属污染却具有面积大、尘源分布广等特征;现有各种研究主要是针对具体矿山、具体地点、具体污染问题开展的，其成果的典型性及其规律性有待提升和归纳，重金属污染程度与矿山生产规模、生产年限、装备和开采技术水平、矿物结构和特征等等都有一定的关系，一个矿山的重金属污染问题只能一定程度上说明矿产资源开发引发了重金属污染;矿山环境中外源重金属是通过一系列的采矿活动向环境释放迁移的结果，矿物中的重金属如何以各种形态释放迁移表生环境的地球化学机理又极其复杂，大量未知因素还需进一步深入研究与探索。矿区大气重金属污染是矿产资源开发重金属污染重要的组成部分，其污染规律、机制和毒理尚缺乏深入研究;矿山职工和矿区周边居民被毒物危害及造成的疾病与采矿活动之间的关系，尚需要进行系统调查和研究，而不同历史时期矿区各种疾病发病率对研究采矿活动重金属污染的机制和控制因素具有重要的现实意义;矿产资源伴生有铀、锂放射性元素污染属于重金属污染问题，过去对放射性元素危害研究很少，伴生的放射性元素在风化作用下释放到土壤、河流环境中的机理以及对生态环境的影响作用都有必要进一步研究确定;矿区重金属污染的累积环境影响研究还很缺乏，针对建设项目的环境影响评价使影响分析的范围缩小到仅考虑单个项目、某一具体的环境特征和地点，而忽视了由多个项目的叠加、协同作用、时间滞后和边界扩大等因素引起的环境变化，而这正是累积环境影响的特征;矿区重金属污染评估和管理体系等的建立和完善还存在问题，按照现行的环境影响评价概念和管理程序要求，环境影响评价所关注的是拟建项目预测影响，很少关注项目运营所产生的实际影响;环境影响预测结果得不到监测和验证，从而导致影响流于形式;缺乏对项目环境影响管理有效性和评估，很少关注对环境风险管理的有效性和对意外环境影响的处理能力。

2 需要深入研究的内容

针对“有色金属矿山总回风井排尘”、“汽车运送精矿沿途零星散落粉矿和扬尘”、“大面积尾矿库干滩刮风扬尘”这三类典型含重金属元素的尘源，现阶段需要深入开展研究的主要内容有

1)三类尘源的扩散及其在周边土壤中的沉积、富集规律与建模研究。包括:分析合理简化矿山总回风井排尘、汽车运矿扬尘、尾矿库干滩刮风扬尘的形式，借鉴和修改相关的空气动力学和微颗粒扩散理论，插入或添加符合现场条件的可变参数，建立这三类典型含重金属元素尘源在不同环境、时空和动力作用条件下的扩散、沉积、累积模型，掌握粉尘富集的规律。

2)含重金属元素的粉尘在土壤中的原地物理化学演变、迁移机制研究。包括:从不同时间、不同状态、不同环境条件下调查研究含重金属元素粉尘的长期物理化学分解、变迁和释放机理，确定主要污染毒物的氧化还原和离子交换等过程的类型与模式。

3)含重金属元素粉尘在土壤中迁移的影响因素的重要度和致使污染物迁移衰减和拮抗途径的研究。包括:分析不同土壤环境对离子渗透的影响;分析重金属离子在不同介质之间的传递规律和渗透机理;确定重金属等毒物迁移衰减和拮抗的有关影响因素及重要度顺序，达到提取干预污染毒物迁移的关键指标和加速其迁移衰减与拮抗的途径。

4)开展目标实验或针对性实验，重点补充在建立重金属污染物在土壤中演变、迁移、拮抗的一般模型过程中尚缺少的参数。包括:已建立的重金属等毒物的演变、迁移、拮抗的共性模型过程中尚缺少的参数或指标的实验求解，重金属污染特征表达的通用模型验证等。

5)定量确定影响重金属污染的相关因素的重要度顺序和权重，比较、甄别和确定能够表征含重金属元素粉尘污染的预警特征因子。包括:经过系统归纳提升的相关污染模型和新建模型的可视化分析、比较，相关模型各参数的极值求解和图形表达，单因素和多因素影响的多维可视化表达与分析，有关影响因子和关键因素的重要度排序以及关键因子、关键点、贡献率的确定等，求得表征污染的关键特征因子。

6)根据污染关键特征因子研究结果，抓住主要矛盾，提出新的有效干预土壤重金属污染的原理和方法。包括:基于上述研究成果，比较分析已有污染干预方法，优化现有污染干预的措施;创新毒物污染干预和治理方法与理论。

3 目前可采用的主要研究方法

根据研究有色金属矿区典型尘源的方式、资料来源、手段等对主要研究方法分类如下

1)由于有色金属矿区尘源污染周边土壤非常复杂，在研究方法上采取多学科知识交叉兼用。这类课题涉及采矿工艺、矿物学、地质学、流体力学、物理化学、环境工程学、系统工程学、仿真学、统计学、创造方法学等多个学科，通过多个学科综合交叉使用，取长补短，发现新的生长点。

2)研究需要调查大量的前人研究成果，首先要检索的文献资料数据库要齐全，除了EI，SCI，ISTP，CA，中国知网和国家图书馆数据库外，一些专业数据库和专利数据库也不能漏项。

3)基于重金属离子之间协同作用和拮抗作用原理，分析多种金属存在条件下，各种金属离子渗透过程中的相互的影响作用，定量描述尾矿重金属离子在环境中的归趋过程，研究不同金属离子在不同介质之间传递，即从水体迁移到土壤中的渗透机理及规律;运用多介质模型分析重金属离子在环境系统各介质中的浓度分布、各种迁移转化作用的过程速率以及累积量、滞留时间等重要的环境化学参数。

4)应用FLUENT，MATLAB 等数学软件开展污染的可视化仿真研究，以便直观和定量描述粉尘污染在土壤内部和外部的特征。采用PHA，SCL，FTA，ETA 等分析方法辨识和表达有关重金属污染环境的危险因素的层次、内在和外在因果关系，分析各危害因素的结构重要度顺序和对环境影响的大小与程度。

5)通过上述多种方法的运用，并辅以关键实验，达到确定毒物污染影响因素的重要度顺序，确定能够表征污染的关键预警特征因子，优创出毒物污染的干预和治理新方法。在研究毒物干预方法创新涉及形象思维法、创造思维法、逆向发明法、联想发明法、缺点列举法等。

4 开展研究的典型技术方案设计

首先在典型有色金属矿山中找典型含重金属元素的粉尘污染源，基于实际原型建立污染扩散、沉积、累积的模型;充分利用前人对重金属等毒物的演变、迁移、渗透等机理的研究成果，个别矿山对重金属污染的案例调查和结果分析，查清各种直接或间接涉及影响重金属等毒物污染过程的因子;在此基础上开展目标实验，以便减少实验工作量和提高实验结果的利用率;在已有相关研究成果之上并将其为基础，运用多科学分析方法进行量化、可视化和排序，确定各个阶段各类因素的重要度顺序和对污染的贡献率;在确定了各阶段各种状态下的关键污染影响因素之后，抓住主要矛盾，确定能够表征污染程度的关键预警因子;基于关键污染影响因素和表征污染的关键因子，提出优化现有污染干预的方法，进一步创新含重金属元素粉尘污染的控制和治理方法。

研究的总体路线如图1 所示。

图1 研究总体路线图Fig.1 Overall technology roadmap of research

5 研究的主要实验手段

研究的实验手段涉及现场测定、理论研究、数值实验和实验室实验等，各种测定和实验相互补充。

1)现场测定。主要是运用先进的便携式测尘仪等设备，在选定的矿山现场进行，测定不同时间、地点和气象条件下，在总回风井主导风向的下游、在正在运矿的汽车路面两侧、在尾矿库干滩的下风侧等，测定大气中的粉尘浓度、粉尘沉降量、粉尘的颗粒分布、粉尘的化学成分等参数，这些测定结果可用于粉尘扩散、沉积建模参数的确定和检验。

2)现场采样。在选定的矿山现场，在矿山总回风井主导风向的下游、在正在运矿的汽车路面两侧、在尾矿库干滩的下风侧的不同地点的土壤中，根据研究需要采取代表性样品，以便用于实验室的分析、测定和实验等。

3)数值实验。将借助高性能计算机平台和ANSYS，FLUENT，MATLAB 等国际先进商业软件进行，辅以技术参数调节，对有关数模进行各种必要的解算、分析和可视化表达。

4)实验室化验。将借助先进仪器设备，对现场采回的样品开展化验，包括样品的物理化学特征、宏观和微观特征、静态和动态特征等。

5)验证性目标实验。根据验证目的，在实验室组装特殊的装置，如涉及功能模拟、柱渗实验、氧化实验、逆渗实验、扩散实验等，对土壤中重金属离子之间协同作用和拮抗作用，重金属离子渗透过程中的相互的影响作用，从水体迁移到土壤中的渗透机理及规律等涉及的关键参数和影响因子进行实验确定。

研究涉及有关数值试验和验证性实验室实验的流程、方法和技术手段及其关系参如图2 和图3所示。

图2 研究涉及数值试验的流程和方法Fig.2 Research processes and methods involving numerical experiments

图3 研究涉及实验室实验的内容和方法及技术手段Fig.3 Research content，methods and techniques involving experiment in laboratory

6 结 论

1)在不同环境、时空和动力作用条件下，通过研究三类尘源在大气中的扩散及其在周边土壤中的沉积、累积规律和模型，可以揭示含重金属元素的粉尘在土壤中的原地物理化学演变、迁移衰减和拮抗机制;通过确定重金属污染物迁移的关键特征因子，可以发现致使污染物迁移衰减和拮抗的途径;通过开展验证性目标实验，可以补充描述重金属污染物在土壤中演变、迁移、拮抗过程的数模中尚缺少的参数;通过定量确定影响重金属污染的相关因素的重要度顺序和权重，可以比较和甄别出作为重金属污染预警的关键特征因子。基于以上研究可以提出有色金属矿区粉尘污染所伴随的重金属污染的干预方法，为评价和控制有色金属矿区含重金属元素粉尘污染周边环境提供新的理论和途径。

2)有色金属矿区典型尘源污染机制和治理现状将会是今后一个相当贴近民生的研究课题，以下方向可作为今后研究的突破点:①有色金属矿山总回风井排尘、汽车路面运矿扬尘、大面积尾矿库干滩刮风扬尘三类典型含重金属元素尘源对矿区周边土壤的污染扩散、沉积、累积模型的建立;②含重金属元素的粉尘在土壤中形成有毒物质的演变、迁移、拮抗等复杂过程的轨迹和机制，以及影响因素的排序和表征污染状态的预警特征因子的确定;③有色金属矿区含重金属元素粉尘对周边土壤污染的干预新途径和新方法的发现。

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