马鞍山笔架山矿区下游水系污染成因与治理对策*

2022-01-17李书钦裴德健3

现代矿业 2021年12期

李书钦李波裴德健3

（1．中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司；2．国家环境保护矿山固体废物处理与处置工程技术中心）

矿业是国民经济的基础和支柱产业，现代社会90%的能源、80%的工业原料、70%的农业生产资料均来自矿产资源，是人们衣、食、住、行、用都离不开的产业［1］。然而，矿产资源的开采和利用在推动经济持续发展的同时，也破坏了矿区及周围的生态环境，影响当地的经济和人文发展［2-3］。

在矿山采选对周边环境的消极影响中，最突出的是矿山酸性废水（Acid Mine Drainage，以下简称AMD）问题［4-5］。AMD多产生于含硫化铁聚集的岩石中，当硫化矿物暴露在空气和水中时，细菌的存在会加快AMD的产生［6］。AMD通常pH在3.5左右，重金属含量较高。矿山的组成矿物不同，AMD中重金属的组成和含量也会有差异。绿松石是一种含水的铜铝磷酸盐矿物，在外生淋滤条件下由含磷和铜的硫化物岩石风化形成，是常用的雕饰原料。

本研究以马鞍山市笔架山绿松石矿区的AMD为对象，分析其成因和治理对策，为矿区水环境治理和保护提供基础依据。

1 研究区概况

笔架山绿松石矿区位于马鞍山市花山区濮塘镇与雨山区向山镇交界处，于2015年停产至今。矿区治理前，露天采场内汇集了大量的风化岩石淋溶水及雨水，形成了一个大的积水坑，水体呈暗红色，矿区排土场和尾矿库的酸性废水截污系统及水处理站工程不完备，造成下游东方红水系严重污染。主河道水在支流汇入前水质澄清，当支流水汇入后出现大量白色絮状物见图1、图2。

2 样品采集和分析方法

在对项目现场进行踏勘的基础上，对矿坑不同位置水样和汇流后水体中的白色絮状物分别进行采集，对主河道水和汇流后的水也进行采集，采集时尽量做到轻扰动水体，取样前先用待取水洗涤水样瓶和塞子3～5次，然后尽量把取样瓶沉入水面下30 cm处取样，水样用聚乙烯塑料瓶盛装［7］，水样采集后储存在4℃保温箱中。

白色絮状物成因分析时，在6份150 mL的主河道水中分别加入100、150、250、350、450、650 mL的支流水，制成不同混合比例的水样，摇匀后观察水质外观变化，测定水样的pH值。

pH值的测定采用《玻璃电极法》（GB 6920—1986），Mn、Zn、Cu、Cd、Pb、Fe浓度的测定采用《ICP—AES法》（HJ 776—2015），As浓度的测定采用《原子荧光法》（HJ 694—2014），SO42-浓度的测定采用《分光光度法》（GB/T 16489—1996）。

3 结果分析

3.1 矿坑废水水质分析

矿坑废水现场见图3，分析结果见表1，矿坑废水pH值为2.845，《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）要求为6～9。

注：Fe、SO42-含量的标准为《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）一级标准，其余成分的标准为《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）一级标准。

分析表明，与《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）比较，水样的pH值较低，酸性较强，未达标（pH值6～9）；Mn、Cu等金属离子浓度严重超标，其中Mn约为标准的10倍，Cu约为标准的27倍，Cd略高于标准；AMD中SO42-和Fe浓度是水体酸化的重要原因之一［8-10］，上述标准虽未对Fe和SO42-浓度作出要求，但与《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）中的一级标准对比，Fe和SO42-含量远超标准。总体来看，矿坑内废水酸性较强，Mn、Cu、Fe等金属离子严重超标，SO42-严重超标。

3.2 AMD对矿区地表水的影响

水系水质分析结果见表2，主河道水pH值为3.97，支流水pH值为7.26，汇流水的pH值为6.08。

注：Fe、SO42-含量的标准为《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）一级标准，其余成分的标准为《污水综合排放标准》（GB 8978—1996）一级标准（部分元素非污染元素，故没有标准要求）。

分析表明，主河道水质呈酸性，水中Cu、Al等多种金属元素超标，支流水质正常；与主河道水相比，汇流水pH值升高，Cu、Mn、Mg、Ca、Al和Si等元素浓度明显降低。

3.3 白色絮状物成因分析

随着支流水的加入，水样pH值上升；加入0～450 mL支流水时，水样pH值上升较快，继续加入支流水，水样pH值上升缓慢。随着水样pH值的升高，白色沉淀逐渐增多，水样能见度下降（图4）。根据分步沉淀原理，水样pH值由3.97升至6.08时，存在于水中的铝离子首先以白色絮状物氢氧化铝沉淀，并吸附水中的Mn、Mg、Ca等离子，降低水中Mn、Mg、Ca等离子的浓度，最终形成含有Mn、Mg、Ca等元素的白色氢氧化铝絮状沉淀物。

对水样pH值随支流水加入量进行三次多项式拟合，根据pH值与支流水量的关系式，可知当支流水加入量为640.68 mL时，水样pH值有最大值6.32。

试验表明，受笔架山矿区酸性矿坑水渗漏污染的主河道水含大量Al离子，pH值达3.97，在支流水（pH为7.26）汇入后，pH值上升至6.08，水中的Al离子由于pH值的上升而成为氢氧化铝沉淀，并吸附了水中的Mn、Mg、Ca等离子，从而形成了河水中的白色絮状物。

4 治理对策

（1）土地整治。酸性废水中的酸性物质主要是在采矿活动或尾矿堆放活动中，矿石和尾矿中以硫铁矿为主的硫化矿物暴露于地表，经过生物化学氧化作用形成［11-13］。基于笔架山排土场及尾矿库基本处于裸露状态，要想减少和避免大量酸性物质进入废水，首先要对排土场和尾矿库进行土地整治，其中排土场整治后边坡坡度控制在1∶1.5以下，边坡高度小于8 m，平台宽度不小于2 m；尾矿库整治后边坡坡度控制在1∶2.5以下。

（2）土壤重构。土地平整后，在平台和边坡首先回覆30 cm压实黏土，设置水平隔离层（压实度不小于93%），然后在隔离层上部回覆不小于0.5 m满足绿化要求的客土，并适当压实（土壤容重≤1.3 g/cm3）；同时，前3 a种植紫花苜蓿等豆科植物改良土壤，每亩土地回填1 t有机肥料进行土壤熟化。

（3）植被恢复工程。在土壤重构工程实施后，对排土场和尾矿库进行植被恢复：边坡采用铺植生毯撒播灌草混合种子的方式进行绿化，平台复垦为耕地。

（4）排水工程。排水沟标准按10 a一遇24 h降雨量计算，截洪沟采用混凝土结构，台阶排水沟采用浆砌砖结构，矩形断面。

（5）渗滤液截渗导排系统。现场勘查表明，项目区截排水及渗滤液收集系统不完善，未实现“雨污分流”，造成酸性废水进入矿区下游河道，使下游水环境受到污染。在补充排土场水平防渗设施，完善雨水截排水系统的基础上，补充排土场和尾矿库酸性渗滤液截渗及导排系统，实现“雨污分流”，控制酸性渗滤液的源头并进行有效收集。在排土场和尾矿库下游坝脚修建垂直防渗系统及渗滤液导排收集系统，包括修建坝脚截渗墙、渗滤液收集盲沟等，采用双排高压旋喷桩的方式建设防渗墙，建设选用抗硫酸盐水泥。

（6）河道清淤。源头问题解决后，需对下游河道底部白色絮凝物进行清除，提高水环境质量，恢复水生态系统。拟采用履带挖掘机进行分组分段疏挖，疏挖过程中保持水系正常通水，半幅清淤半幅保持流水。围堰采用土质结构，外侧覆压防水材料（如宽幅彩条布等）。围堰修筑完成后，采用污水泵将河道内积水排至围堰下游河道，沿老河道底口边线开挖纵向集水沟，将河道内积水汇集到下游围堰前。在围堰上游开挖集水坑，用污水泵将积水排到围堰下游。河道底部淤积物需进行固废检测，根据鉴定结果确定淤积物处置方式。滩地内淤积物经晾晒脱水，现场设置干化场地，干化后采用密封良好的运输车将淤积物清运至有资质的单位，委托进行处置。