尾矿污染地下水管控修复技术与实例分析

2024-02-20石元帅王健奇王玉晶范书凯

化工环保 2024年1期

韩伟，石元帅，马超，王健奇，王玉晶，范书凯

（1. 生态环境部固体废物与化学品管理技术中心，北京 100029；2. 内蒙古包钢钢联股份有限公司，内蒙古包头 014010；3. 包钢集团节能环保中心，内蒙古包头 014010；4. 矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

地下水是我国重要的饮用水源和战略资源。地下水污染防治是深入打好污染防治攻坚战的重要组成部分，是生态文明建设的重要内容。鉴于地下水资源的重要性，近三年来国家陆续发布了新的地下水污染防治相关政策，尾矿库是重点监管场所。《地下水管理条例》指出，尾矿库运营、管理单位承担保护地下水责任，防止污染地下水［1］。《“十四五”土壤、地下水和农村生态环境保护规划》强调，应加强污染源头预防、风险管控与修复，开展尾矿库地下水污染调查评估［2］。根据《环境监管重点单位名录管理办法》，环境监管等级为一级和二级的尾矿库为地下水污染防治重点关注对象［3］。针对尾矿库的环境监管，近年来生态环境部陆续发布了一些政策文件，如：《尾矿库环境监管分类分级技术规程（试行）》（2021年12月29日），《尾矿污染环境防治管理办法》（2022年4月6日），《尾矿库污染隐患排查治理工作指南（试行）》（2022年5月20日）。以上文件体现了环境监管部门对尾矿环境污染防治工作的高度重视。

2021年，我国产生大宗工业固体废物约4.038 Gt，其中尾矿1.419 Gt，是产生量最大的工业固体废物［4］。我国拥有上万座尾矿库，呈现出势能高、尾矿量大、组分复杂、环境风险高、监管难度大的特点，目前环境风险相对较高的占三分之一，尾矿库造成环境污染的事件时有发生［5-11］。湿法入库是主要的尾矿排放方式，尾矿库中水的来源包括尾砂水、雨雪水、泉涌水等，尾矿库中水的去向主要包括回用、蒸发、无组织的地下渗滤以及有组织的地表外排。尾矿对地下水的污染具有长期性、隐蔽性、滞后性、累积性等特点，对尾矿污染地下水的修复治理是一项复杂工程，具有很大的挑战性。选择合理的管控与修复技术，对于消除尾矿库地下水污染或将污染程度降到最低至关重要。

本文分析了尾矿污染地下水的成因与特征，梳理了其管控修复技术，总结了不同技术的特点及适用场景，介绍了典型的技术应用案例，并展望了未来的技术发展方向，以期为尾矿库地下水污染的风险管控和修复提供参考。

1 尾矿污染地下水的成因与特征

采矿选矿是引起重金属污染的重要人为活动，同时产生大量的尾矿。当尾矿库发生突发泄漏或持续渗漏时，尾矿中的重金属、选矿药剂等有毒有害成分会随着废水、渗滤液等发生环境迁移，对周边土壤、地下水和地表水造成持续污染［12-15］。尾矿污染地下水的成因与特征主要包括以下几个方面。

1）尾矿库选址不合理。由于部分尾矿库建设年代早，设计建设时环境标准滞后，造成选址不合理，威胁下游居民人身安全，同时严重影响下游环境质量。水文地质条件不满足有效阻隔要求等原因造成库内污染物泄漏，如断层、溶洞、岩石缝隙发育等［16］。在我国南方地区，库区岩体破碎，裂隙发育，外围有溶洞，岩体出现不同程度的溶蚀现象及溶蚀裂隙，节理裂隙与溶洞联通形成渗漏通道，导致尾矿水顺溶洞流出。例如湖北大冶铜矿尾矿库，早期选址建设［8］，周边环境敏感点较多。

2）尾矿库建设标准低，污染防控设施不完善。早期建设的尾矿库由于防渗要求低甚至无防渗措施，渗滤液蓄水池、回水装置等设施不健全，缺乏水处理系统等原因，造成一大批“老旧库”和“病危库”，对周边环境带来较大风险。甘肃某金矿尾矿库下游地下水中砷、铅和氰化物分别超标8.23倍、1.70倍和10.48倍，经研究证实主要是尾矿库渗滤液渗漏污染下游地下水所致［17］。

3）历史遗留尾矿库绝大多数资料缺失，责任主体缺乏维护治理能力。据报道，某尾矿库停用12 a仍未闭库，导致下游地下水pH为5.5［18］。黔西南某黄金矿已停用尾矿库未做防渗，堆存含氰尾渣约2 180 km3，对周边环境质量构成严重威胁［18］。

4）尾矿库防渗截渗设施年久失修，局部区域防渗失效。目前我国缺乏对尾矿库防渗土工膜渗漏的监测资料，但有研究表明，使用类似防渗材料的生活垃圾填埋场的破损孔洞渗漏量高达9 936 m3/a［19］。防渗膜底部结构环境不均，尤其是库区拐角陡坡处，随着尾矿抬高，沿阶梯状边坡坡面土工膜的垂向拉力增大，易致其拉裂破损［11］，与土工膜老化以及下伏岩溶裂隙富水等诸多因素叠加，常导致较大泄漏事故发生。

5）尾矿库安全事故导致突发环境污染事件。渗透破坏、坝体垮塌、排洪溢洪系统故障是我国尾矿库突发环境污染事件的主要诱发因素，次要因素包括管道破裂、回水系统故障、初期坝管涌、尾矿库底部穿透等［5，11，16］。2020年黑龙江伊春鹿鸣矿业有限公司尾矿库发生泄漏，2 500 km3尾矿水进入下游环境，造成伊春市、绥化市境内部分河段被污染，钼浓度最高超标80倍［9］。2015年甘肃陇南某锑矿尾矿库排水井拱板脱落、2016年河南栾川县龙宇钼业有限公司尾矿库溢流井坍塌等安全事故均引发次生环境污染，甚至造成跨省界污染，威胁饮水安全［20-23］。泰国某铅锌矿尾矿库发生溃坝事件15 a后，周边地下水中的铅质量浓度仍高达0.23 mg/L［24］。

6）不同尾矿特征污染物差异大，地下水重金属污染问题突出。据文献调研，有色金属矿尾矿库地下水污染风险突出，特征污染物主要为重金属、pH、氰化物和硫酸盐，其中砷和铅是超标频次最高的污染物。不同类型矿种的尾矿地下水特征污染物呈现明显差异性，其中铅锌矿尾矿污染地下水的特征污染物为砷、锌、铅等，稀土矿尾矿污染地下水的特征污染物为硫酸盐，金矿尾矿污染地下水特征污染物为氰化物等。典型尾矿污染地下水的特征污染物见表1。

表1 典型尾矿污染地下水的特征污染物质量浓度，mg/L

2 管控修复技术的类型与特点

尾矿库造成的地下水污染的治理是一项系统工程。根据渗漏液的径流途径以及污染范围和强度，通常可采取断源处理、径流截断、末端治理等手段。常用的风险管控和治理修复技术包括堵漏防渗、截渗疏排、垂直阻隔、可渗透反应墙、抽出处理、制度控制等。“堵、截、隔、治”等组合联用是治理尾矿污染地下水的重要方法，尾矿污染地下水管控修复技术的类型与特点见表2。

表2 尾矿污染地下水管控修复技术的类型与特点

2.1 阻隔防渗

阻隔防渗包括垂直阻隔防渗与水平阻隔防渗。垂直帷幕是阻止尾矿污染地下水向下游扩散的有效方式［33］，帷幕灌浆能有效切断库区岩体节理裂隙与溶洞联通的渗漏通道［34］。尾矿库垂直防渗系统是垂直设置的，可控制库区内地下水的自然排泄和流入，使库区形成一个完整的相对独立的水文地质单元［35-37］，可隔断水平流向的地下水流，阻止污染物向四周扩散。目前，我国仍有大量早期建设的缺乏防渗设施的尾矿库在使用，此类尾矿库重做防渗不现实。根据场地特征结合水文地质条件，可在尾矿坝下游设置阻隔墙，防止受污染的地下水进一步扩散。疏排措施往往与垂直阻隔防渗工程联用，地下水收集导排系统往往在阻隔工程上游，包含截渗沟、集水井、排水泵等。水平阻隔防渗是指在尾矿堆填体之上铺设水平阻隔层（例如土工膜或天然黏土等），阻断外界水体进入场地，防止尾矿中的污染物通过淋滤途径向周边环境迁移扩散。对于历史遗留尾矿库，以封场覆盖形式设置的水平阻隔是消除其环境风险的有效处理方式［36］。

2.2 可渗透反应墙

可渗透反应墙通过在受污染地下水流经的途径上建造由反应介质组成的反应格栅，利用反应介质的吸附、沉淀、氧化还原、生物降解等作用去除地下水中的污染物，常见的可渗透反应墙类型有连续反应格栅、漏斗-导水门和注入式反应带［37-38］。我国的尾矿库以山谷型居多，相比平地型，更适合选用可渗透反应墙修复技术。可渗透反应墙类型、位置和尺寸的选取、地下水数值模拟、反应格栅厚度设计和地球化学特征评估是确保该技术成功应用的关键，而系统堵塞及材料失活是该技术面临的主要挑战。

2.3 抽出处理

抽出处理技术是在尾矿库下游建设成组的地下水井，通过泵将受污染的地下水抽提至地面后进行处理，达标后外排或回灌［29］。抽提会减少污水量，改变地下水流场，避免污染范围扩大。抽出处理的弊端是修复时间长，如美国1977年开始对某铀矿尾矿库附近污染的地下水进行抽出处理修复，20 a后才能达到修复目标［39］。

3 尾矿污染地下水修复案例

结合国内外现有尾矿地下水污染修复案例，梳理了典型修复技术的实际应用方法和成效，包括水平阻隔、制度控制、垂直阻隔、抽出处理、可渗透反应墙及以上相关技术的联合运用等，以期为类似项目的实施提供参考。

3.1 水平阻隔+制度控制应用

美国某历史遗留铜矿矿山及尾矿库地下水（主要被重金属污染）修复项目中，采用了风险管控措施［29，40-41］。该项目涉及2个尾矿库，尾矿库下垫面为砾石、砂等，含水层厚度为0.3～0.9 m。地下水特征污染物为砷、钡和镉，尾矿中含有大量硫化物，还涉及酸性废水。项目采取的措施为水平阻隔和制度控制，具体为在尾矿库周边设置导流沟，防止未受污染的水接触硫化物，收集尾矿库渗流；建设由土壤、植被层、排水层、一级屏障及二级屏障（土工膜及土工合成黏土衬垫等）组成的渗透屏障覆盖系统，防止水和氧气接触尾矿，从而将尾矿库坡脚处渗流产生的酸性废水降至最少，同时建设水处理系统。该项目通过在尾矿库上覆盖水平防渗层，从源头上减少酸性污染水的产生，并阻断其进入地下水的途径。

3.2 垂直阻隔+抽出处理应用

下游阻隔、坝下拦截、渗滤液收集处理往往是无防渗或透水型坝控制环境风险的方式［33，42］。我国西北地区运行了40余年的某大型尾矿库，尾矿堆放量约为0.3 Gt，尾矿库无防渗功能，周边地下水中氟化物质量浓度常高于1 mg/L，超过地下水质量Ⅲ类标准［32］。通过方案比选，在尾矿库下游建设了一道钢筋砼防渗墙对地下水进行阻隔，阻隔材料为C30水泥混凝土，墙厚为800 mm，墙体深度至未风化层基岩。被截留的尾矿污染地下水经处理后由泵输送返回至尾矿库内，实现了“零排放”，尾矿库下游100～500 m范围内无渗流或绕流现象，阻隔墙下游1 600～3 110 m处地下水氟化物质量浓度（0.4～0.5 mg/L）明显低于尾矿库上游地下水（0.9 mg/L），且符合地下水质量Ⅲ类标准。阻隔墙的设置有效阻止了尾矿废水的泄漏扩散风险［40］。

3.3 可渗透反应墙应用

英国希尔伯特矸石堆场地是矸石堆渗滤液严重污染场地，地下水中的特征污染物主要为pH、硫酸盐、铁、锰和铝。在堆场下游设置可渗透反应墙（长宽深分别为180 m、2 m和3 m），填料主要为石灰石碎石、高炉炉渣、有机堆肥等，石灰石与有机质相结合，微生物的呼吸作用迅速消耗溶解氧营造了缺氧条件，促进了异化硫酸盐还原过程，产生的还原性硫化物可与亚铁反应生成金属硫化物沉淀。被拦截的堆场渗滤液经过可渗透反应墙处理后变为碱性溶液，酸浓度降低了80%，铁和铝的浓度减少了90%［43-44］。

我国某稀土矿尾矿库的地下水特征污染物为硫酸盐，浅层地下水中质量浓度高达2 757 mg/L，深层地下水中高达4 444 mg/L。采取注入式可渗透反应墙对地下水进行修复，并在示范反应区两侧设置止水帷幕，所使用吸附填料为沸石、活性炭和阴离子交换树脂，可渗透反应墙注入井设计深度为10～11 m。修复3个月后，硫酸盐的平均去除率为70%，最大去除率为81%，最低质量浓度为111 mg/L，修复区内18口监测井中13口的硫酸盐浓度达到了修复目标值［29］。此外，有学者运用可渗透反应墙技术对某铀矿尾矿污染地下水进行修复，反应墙设在坝体外侧，填料为石灰和砂子的混合物，墙体深度为3 m。实践证明，该工艺使渗水pH变为中性范围，且使渗水中铀的质量浓度从12.2 mg/L降至0.003 mg/L以下［45］。