柴北缘锡铁山矿区尾矿铅锌分布特征及污染防治探讨

王建国，李 玮，张世珍

(青海大学 地质工程系，西宁 810016)

柴达木盆地北缘(简称柴北缘)是青海十分重要的铅锌成矿带，而锡铁山铅锌矿床是该地区最典型的大型铅锌矿床，该矿床于20世纪50年代被发现。锡铁山铅锌矿集区资源量约占全省资源量的70%，具有较大的采、选、冶生产能力，硫化物尾矿是采、冶、选过程中所产生的一种典型固体废弃物。就重金属污染而言，目前仍存在防治成本高、难度大与周期长等实际难题。本文以该矿山尾矿库固废物为研究对象，对重金属Pb、Zn赋存形态、矿物组合、含量及累积过程开展探讨，该研究内容能够有效预防矿山大范围污染事故的发生，有利于绿色矿山建设，对矿山生态环境污染潜在风险评价具有指导意义。

1 研究背景

据初步统计，2017年，我国十种有色金属产量为5 283万t，同比增长2.5%，连续15年居世界第一，其中，铅、锌主要金属产量分别为467万t、627万t，同比增长5.7%、2%，分别占全球总产量的45%、40%，预计2020年铅锌开采量仍会保持稳定增长。但是，人类活动是一把双刃剑。近年来，我国矿业生产活动也产生了约68×108t的尾矿砂，铅锌尾矿排放量约1 661万t /a，尾矿产率为74.74%[1]。我国每年工业固体废弃物排放量中，约86%以上来自于矿山开发，开采矿石不仅会剥离地表植被，产生大量的废弃物，破坏水-土平衡状态，损坏生活环境和自然景观。化学元素迁移与物源及其所处的温度、压力、时间周期、pH值及生态环境等因素密切相关。锡铁山矿区属于典型高寒敏感地区，海拔3 300 m左右，有常年多风、少雨、干寒、温差较大、太阳辐射强等特点，土壤类型主要有栗钙土、风沙土、沼泽土和高寒草甸土等，交通位置见图1。目前，关于锡铁山矿区尾矿固废物高原地表环境下化学元素运移机理方面的研究面临不少问题，尤其是污染元素毒害的机理研究还相当薄弱。就重金属Pb、Zn元素而言，其一系列化学特性决定了它在生态环境中的复杂性，Pb、Zn元素在迁移过程中，还要发生沉淀—水解、离子交换及吸附等一系列复杂物理—化学作用，迁移机理并不是单一的，随时空的不同而有明显的变化和差异[2-5]。污染元素的复杂迁移机理才导致矿山环境的生态复杂响应，使得矿区土壤、水体及植被环境污染物种类和数量发生显著变化[6]。所以，开展重金属元素的迁移分配、累积及不同载体含量动态变化的系统化研究迫在眉睫[7]。

图1 矿区交通位置

2 矿石矿物特征

矿石样品共采集1个，图2为矿石样品(图2a)及镜下显微照片(图2b)，根据野外观察及室内镜下鉴定可知，矿石矿物主要为闪锌矿、方铅矿及黄铁矿，清晰可见方铅矿交代闪锌矿、黄铁矿的氧化边。铅锌矿中含锌67.1%，还含有铁、锰等元素，闪锌矿一般为中粗粒粒状结构，呈半自形—它形分布。方铅矿中含铅86.6%，还含有Cd、Te等元素，呈半自形—它形分布。黄铁矿含铁46.55%，交代其它矿物本身也反映了喷流沉积中金属矿物沉淀特征，矿物结构呈半自形—它形分布。脉石矿物主要有石英、方解石、角闪石及透辉石等，主要矿物及相对含量见表1。

图2 矿石样品及镜下显微照片

表1 矿石主要矿物及相对含量

3 尾矿固废物

3.1 样品采集与处理

尾矿矿物学特征与矿床成因、矿石质量、硫化物类型、区域气候条件及降雨量等因素密切相关，研究尾矿固废物矿物组成是解决生态问题的重要方面[8]。固废物发生的氧化反应、中和作用、以及离子交换反应等是重金属元素释放的化学物理过程。Pb、Zn元素在地表环境中易发生氧化、水解而生成氢氧化物，不断积聚在载体中，具有较强的地域性、长期性、不可逆性等特点，在低pH下，增加了Pb、Zn元素的迁移和生物效应的污染风险[9]。依据混合采样方式，在尾矿沉积物中布设A、B剖面，垂向上采集尾矿固废物样品3个。现场取样所得样品送往自然资源部西宁地质矿产资源监督检测中心进行化验分析。通过野外取样与实验室分析相结合的方法，获得尾矿固废物矿物及Pb、Zn含量化学组分数据(表2)。

表2 锡铁山尾矿Pb、Zn含量测试分析结果

3.2 Pb，Zn含量分布特征

分析发现，尾矿中硫化矿物单体率约78%，其中，硫铁矿主要呈单体形式存在，与方铅矿、闪锌矿相生，方铅矿单体率为48%，闪锌矿单体率为52%，细粒的闪锌矿以单体居多。石英和多数的硅酸盐等原生矿物大部分在风化过程中表现出惰性，所以，研究固废物化学元素迁移，必须先要了解硫化物物理化学性质，硫化矿物晶格中的金属键性代表其主要物理性质。

在A、B剖面的重金属Pb、Zn含量变化趋势也不一致，尾矿相同深度不同剖面内的分布特征。Pb、Zn主要以离子交换态、残渣态、还原态为主，各15 cm分层内，质量分数分布也不均匀。就Pb元素而言，两个剖面上，在0～45 cm深度范围内，随深度的增加其含量有减少的趋势。就Zn元素而言，A、B剖面上，在15～30 cm深度范围内，其含量与Pb含量变化规律是不同的，两个剖面上，均有中部富集分布特征，在0～15 cm和在30～45 cm深度范围内，Zn含量随深度的增加有减少的变化趋势。通过查阅该地区土壤元素背景值发现，尾矿中Pb、Zn含量明显高于背景值，说明该矿山尾矿固废是Pb、Zn元素迁移富集的主导因素。

3.3 矿区Pb、Zn污染防治方法

尾矿中硫化物发生氧化反应能够使pH值降低，通过淋滤、风化氧化等作用进入环境中，释放大量重金属。重金属污染物不能被生物所分解，反而在生物体内会富集，可通过食物链威胁整个生态系统[10]。高浓度的Pb、Zn重金属元素，对环境造成危害，会造成一定范围内土壤和水体重金属污染。为了避免生态环境破坏，势必采取有效的污染防治措施，降解环境中Pb、Zn含量，使其达到安全值。所以，利用典型矿区分析探究不同介质类型下理化性质与重金属污染特征的差异及相互关系十分必要[11]。重金属污染修复一般采取的方法有物理修复、化学修复及生物修复等。为了更好地掌握矿区重金属微域空间分布规律，需要分析微区重金属空间变异特点[12]。锡铁山矿区尾矿库不具备土壤功能，具有气候干燥、风大、植被品种单一且覆盖区小等特点，扬尘会造成空气污染，结合锡铁山环境实际及尾矿特征，防治方法主要采用的是在尾矿Pb、Zn富集区域表层覆盖健康土壤和石块，可以降低或避免Pb、Zn元素的风化程度；采取水泥混合胶结，将Pb、Zn稳定化和降低活性，来固化或限制尾矿库Pb、Zn元素迁移到附近区域；还利用了尾矿固废物充填采空区和资源回收来减少污染物体量，以达到降低Pb、Zn元素富集浓度的目的。同时，对尾矿库进行了防渗透处理，防止溢出的Pb、Zn元素直接污染周边环境。实际上，重金属防治过程中，并没有通过单一的方法可以彻底解决污染问题的，在整个重金属污染防治过程中，是物理方法、化学方法及生物方法的综合应用，使矿山生产与生态环境和谐统一。

4 研究认识对有效预防污染事故的意义

通过对尾矿中矿物组合、铅锌元素的含量及其分布规律开展讨论，掌握了尾矿固废物中Pb、Zn的含量分布区间以及变化趋势，可以有针对性地采用先进的选矿工艺和回收工艺，提高固废物综合利用率，减少Pb、Zn累积物源。确保矿山尾矿库防洪及回水设施运作正常，采取有效防渗措施，最大限度地降低Pb、Zn元素排放引起的环境问题。建立尾矿库Pb、Zn元含量动态监测体系，科学划分尾矿库不同功能区，加强应急训练，准备应急物资，建立健全应对尾矿库重金属污染事件的快速反应和评价机制。建立专题研究长效制度，投入必要资金，开展尾矿库矿物及重金属迁移机理深入研究，解决科学问题。增强企业相关人员的法律意识，实行事故责任人挂牌和倒推制度，奖惩结合。实施重金属污染综合防治方案，确保绿色矿山建设措施落实到位，及时解决生产中的生态环境问题。综上所述，该研究内容、认识及结论能够有效预防矿山大范围污染事故的发生。

5 结论

通过矿石标本镜下观测、矿物组合、尾矿固废物Pb、Zn元素含量测试分析、Pb、Zn分布特征及重金属污染防治探讨，得出如下结论：

1)矿石矿物主要为闪锌矿、方铅矿、黄铁矿，清晰可见方铅矿交代闪锌矿、黄铁矿的氧化边，脉石矿物主要有石英、方解石、角闪石及透辉石等。尾矿中硫化矿物单体率约78%，其中，硫铁矿主要呈单体形式存在，与方铅矿、闪锌矿相生，方铅矿单体率为48%，闪锌矿单体率为52%，细粒的闪锌矿以单体居多。

2)就Pb元素而言，两个剖面上，在0 ～ 45 cm深度范围内，随深度的增加有减少的趋势。就Zn元素而言，A、B剖面上，在0 ～ 15 cm和在30 ～ 45 cm深度范围内，随深度的增加，Zn含量有减少的变化趋势；在15 ～ 30 cm深度范围内，其含量与Pb含量变化规律是不同的，两个剖面上，均有中部富集分布特征，表明Zn元素比Pb元素更容易溶出，迁移能力较强，更易污染环境。

3)通过在尾矿及周边Pb、Zn污染区域表层覆盖健康土壤和石块，可以降低或避免Pb、Zn元素的风化程度；采取水泥混合，来固化或限制尾矿库Pb、Zn元素迁移到附近区域；利用尾矿固废物充填采空区和资源回收来减少污染物体量，以达到降低Pb、Zn元素富集浓度的目的。该研究结论与认识对于掌握矿山尾矿中Pb、Zn含量分布规律、有效预防矿区大范围污染事故的发生以及重金属污染防治具有指导意义。