柴北緣錫鐵山礦區(qū)尾礦鉛鋅分布特征及污染防治探討

王建國，李 瑋，張世珍

(青海大學(xué) 地質(zhì)工程系，西寧 810016)

柴達(dá)木盆地北緣(簡稱柴北緣)是青海十分重要的鉛鋅成礦帶，而錫鐵山鉛鋅礦床是該地區(qū)最典型的大型鉛鋅礦床，該礦床于20世紀(jì)50年代被發(fā)現(xiàn)。錫鐵山鉛鋅礦集區(qū)資源量約占全省資源量的70%，具有較大的采、選、冶生產(chǎn)能力，硫化物尾礦是采、冶、選過程中所產(chǎn)生的一種典型固體廢棄物。就重金屬污染而言，目前仍存在防治成本高、難度大與周期長等實(shí)際難題。本文以該礦山尾礦庫固廢物為研究對(duì)象，對(duì)重金屬Pb、Zn賦存形態(tài)、礦物組合、含量及累積過程開展探討，該研究內(nèi)容能夠有效預(yù)防礦山大范圍污染事故的發(fā)生，有利于綠色礦山建設(shè)，對(duì)礦山生態(tài)環(huán)境污染潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)具有指導(dǎo)意義。

1 研究背景

據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，2017年，我國十種有色金屬產(chǎn)量為5 283萬t，同比增長2.5%，連續(xù)15年居世界第一，其中，鉛、鋅主要金屬產(chǎn)量分別為467萬t、627萬t，同比增長5.7%、2%，分別占全球總產(chǎn)量的45%、40%，預(yù)計(jì)2020年鉛鋅開采量仍會(huì)保持穩(wěn)定增長。但是，人類活動(dòng)是一把雙刃劍。近年來，我國礦業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)也產(chǎn)生了約68×108t的尾礦砂，鉛鋅尾礦排放量約1 661萬t /a，尾礦產(chǎn)率為74.74%[1]。我國每年工業(yè)固體廢棄物排放量中，約86%以上來自于礦山開發(fā)，開采礦石不僅會(huì)剝離地表植被，產(chǎn)生大量的廢棄物，破壞水-土平衡狀態(tài)，損壞生活環(huán)境和自然景觀?；瘜W(xué)元素遷移與物源及其所處的溫度、壓力、時(shí)間周期、pH值及生態(tài)環(huán)境等因素密切相關(guān)。錫鐵山礦區(qū)屬于典型高寒敏感地區(qū)，海拔3 300 m左右，有常年多風(fēng)、少雨、干寒、溫差較大、太陽輻射強(qiáng)等特點(diǎn)，土壤類型主要有栗鈣土、風(fēng)沙土、沼澤土和高寒草甸土等，交通位置見圖1。目前，關(guān)于錫鐵山礦區(qū)尾礦固廢物高原地表環(huán)境下化學(xué)元素運(yùn)移機(jī)理方面的研究面臨不少問題，尤其是污染元素毒害的機(jī)理研究還相當(dāng)薄弱。就重金屬Pb、Zn元素而言，其一系列化學(xué)特性決定了它在生態(tài)環(huán)境中的復(fù)雜性，Pb、Zn元素在遷移過程中，還要發(fā)生沉淀—水解、離子交換及吸附等一系列復(fù)雜物理—化學(xué)作用，遷移機(jī)理并不是單一的，隨時(shí)空的不同而有明顯的變化和差異[2-5]。污染元素的復(fù)雜遷移機(jī)理才導(dǎo)致礦山環(huán)境的生態(tài)復(fù)雜響應(yīng)，使得礦區(qū)土壤、水體及植被環(huán)境污染物種類和數(shù)量發(fā)生顯著變化[6]。所以，開展重金屬元素的遷移分配、累積及不同載體含量動(dòng)態(tài)變化的系統(tǒng)化研究迫在眉睫[7]。

圖1 礦區(qū)交通位置

2 礦石礦物特征

礦石樣品共采集1個(gè)，圖2為礦石樣品(圖2a)及鏡下顯微照片(圖2b)，根據(jù)野外觀察及室內(nèi)鏡下鑒定可知，礦石礦物主要為閃鋅礦、方鉛礦及黃鐵礦，清晰可見方鉛礦交代閃鋅礦、黃鐵礦的氧化邊。鉛鋅礦中含鋅67.1%，還含有鐵、錳等元素，閃鋅礦一般為中粗粒粒狀結(jié)構(gòu)，呈半自形—它形分布。方鉛礦中含鉛86.6%，還含有Cd、Te等元素，呈半自形—它形分布。黃鐵礦含鐵46.55%，交代其它礦物本身也反映了噴流沉積中金屬礦物沉淀特征，礦物結(jié)構(gòu)呈半自形—它形分布。脈石礦物主要有石英、方解石、角閃石及透輝石等，主要礦物及相對(duì)含量見表1。

圖2 礦石樣品及鏡下顯微照片

表1 礦石主要礦物及相對(duì)含量

3 尾礦固廢物

3.1 樣品采集與處理

尾礦礦物學(xué)特征與礦床成因、礦石質(zhì)量、硫化物類型、區(qū)域氣候條件及降雨量等因素密切相關(guān)，研究尾礦固廢物礦物組成是解決生態(tài)問題的重要方面[8]。固廢物發(fā)生的氧化反應(yīng)、中和作用、以及離子交換反應(yīng)等是重金屬元素釋放的化學(xué)物理過程。Pb、Zn元素在地表環(huán)境中易發(fā)生氧化、水解而生成氫氧化物，不斷積聚在載體中，具有較強(qiáng)的地域性、長期性、不可逆性等特點(diǎn)，在低pH下，增加了Pb、Zn元素的遷移和生物效應(yīng)的污染風(fēng)險(xiǎn)[9]。依據(jù)混合采樣方式，在尾礦沉積物中布設(shè)A、B剖面，垂向上采集尾礦固廢物樣品3個(gè)。現(xiàn)場取樣所得樣品送往自然資源部西寧地質(zhì)礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行化驗(yàn)分析。通過野外取樣與實(shí)驗(yàn)室分析相結(jié)合的方法，獲得尾礦固廢物礦物及Pb、Zn含量化學(xué)組分?jǐn)?shù)據(jù)(表2)。

表2 錫鐵山尾礦Pb、Zn含量測(cè)試分析結(jié)果

3.2 Pb，Zn含量分布特征

分析發(fā)現(xiàn)，尾礦中硫化礦物單體率約78%，其中，硫鐵礦主要呈單體形式存在，與方鉛礦、閃鋅礦相生，方鉛礦單體率為48%，閃鋅礦單體率為52%，細(xì)粒的閃鋅礦以單體居多。石英和多數(shù)的硅酸鹽等原生礦物大部分在風(fēng)化過程中表現(xiàn)出惰性，所以，研究固廢物化學(xué)元素遷移，必須先要了解硫化物物理化學(xué)性質(zhì)，硫化礦物晶格中的金屬鍵性代表其主要物理性質(zhì)。

在A、B剖面的重金屬Pb、Zn含量變化趨勢(shì)也不一致，尾礦相同深度不同剖面內(nèi)的分布特征。Pb、Zn主要以離子交換態(tài)、殘?jiān)鼞B(tài)、還原態(tài)為主，各15 cm分層內(nèi)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布也不均勻。就Pb元素而言，兩個(gè)剖面上，在0～45 cm深度范圍內(nèi)，隨深度的增加其含量有減少的趨勢(shì)。就Zn元素而言，A、B剖面上，在15～30 cm深度范圍內(nèi)，其含量與Pb含量變化規(guī)律是不同的，兩個(gè)剖面上，均有中部富集分布特征，在0～15 cm和在30～45 cm深度范圍內(nèi)，Zn含量隨深度的增加有減少的變化趨勢(shì)。通過查閱該地區(qū)土壤元素背景值發(fā)現(xiàn)，尾礦中Pb、Zn含量明顯高于背景值，說明該礦山尾礦固廢是Pb、Zn元素遷移富集的主導(dǎo)因素。

3.3 礦區(qū)Pb、Zn污染防治方法

尾礦中硫化物發(fā)生氧化反應(yīng)能夠使pH值降低，通過淋濾、風(fēng)化氧化等作用進(jìn)入環(huán)境中，釋放大量重金屬。重金屬污染物不能被生物所分解，反而在生物體內(nèi)會(huì)富集，可通過食物鏈威脅整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)[10]。高濃度的Pb、Zn重金屬元素，對(duì)環(huán)境造成危害，會(huì)造成一定范圍內(nèi)土壤和水體重金屬污染。為了避免生態(tài)環(huán)境破壞，勢(shì)必采取有效的污染防治措施，降解環(huán)境中Pb、Zn含量，使其達(dá)到安全值。所以，利用典型礦區(qū)分析探究不同介質(zhì)類型下理化性質(zhì)與重金屬污染特征的差異及相互關(guān)系十分必要[11]。重金屬污染修復(fù)一般采取的方法有物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)及生物修復(fù)等。為了更好地掌握礦區(qū)重金屬微域空間分布規(guī)律，需要分析微區(qū)重金屬空間變異特點(diǎn)[12]。錫鐵山礦區(qū)尾礦庫不具備土壤功能，具有氣候干燥、風(fēng)大、植被品種單一且覆蓋區(qū)小等特點(diǎn)，揚(yáng)塵會(huì)造成空氣污染，結(jié)合錫鐵山環(huán)境實(shí)際及尾礦特征，防治方法主要采用的是在尾礦Pb、Zn富集區(qū)域表層覆蓋健康土壤和石塊，可以降低或避免Pb、Zn元素的風(fēng)化程度；采取水泥混合膠結(jié)，將Pb、Zn穩(wěn)定化和降低活性，來固化或限制尾礦庫Pb、Zn元素遷移到附近區(qū)域；還利用了尾礦固廢物充填采空區(qū)和資源回收來減少污染物體量，以達(dá)到降低Pb、Zn元素富集濃度的目的。同時(shí)，對(duì)尾礦庫進(jìn)行了防滲透處理，防止溢出的Pb、Zn元素直接污染周邊環(huán)境。實(shí)際上，重金屬防治過程中，并沒有通過單一的方法可以徹底解決污染問題的，在整個(gè)重金屬污染防治過程中，是物理方法、化學(xué)方法及生物方法的綜合應(yīng)用，使礦山生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境和諧統(tǒng)一。

4 研究認(rèn)識(shí)對(duì)有效預(yù)防污染事故的意義

通過對(duì)尾礦中礦物組合、鉛鋅元素的含量及其分布規(guī)律開展討論，掌握了尾礦固廢物中Pb、Zn的含量分布區(qū)間以及變化趨勢(shì)，可以有針對(duì)性地采用先進(jìn)的選礦工藝和回收工藝，提高固廢物綜合利用率，減少Pb、Zn累積物源。確保礦山尾礦庫防洪及回水設(shè)施運(yùn)作正常，采取有效防滲措施，最大限度地降低Pb、Zn元素排放引起的環(huán)境問題。建立尾礦庫Pb、Zn元含量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系，科學(xué)劃分尾礦庫不同功能區(qū)，加強(qiáng)應(yīng)急訓(xùn)練，準(zhǔn)備應(yīng)急物資，建立健全應(yīng)對(duì)尾礦庫重金屬污染事件的快速反應(yīng)和評(píng)價(jià)機(jī)制。建立專題研究長效制度，投入必要資金，開展尾礦庫礦物及重金屬遷移機(jī)理深入研究，解決科學(xué)問題。增強(qiáng)企業(yè)相關(guān)人員的法律意識(shí)，實(shí)行事故責(zé)任人掛牌和倒推制度，獎(jiǎng)懲結(jié)合。實(shí)施重金屬污染綜合防治方案，確保綠色礦山建設(shè)措施落實(shí)到位，及時(shí)解決生產(chǎn)中的生態(tài)環(huán)境問題。綜上所述，該研究內(nèi)容、認(rèn)識(shí)及結(jié)論能夠有效預(yù)防礦山大范圍污染事故的發(fā)生。

5 結(jié)論

通過礦石標(biāo)本鏡下觀測(cè)、礦物組合、尾礦固廢物Pb、Zn元素含量測(cè)試分析、Pb、Zn分布特征及重金屬污染防治探討，得出如下結(jié)論：

1)礦石礦物主要為閃鋅礦、方鉛礦、黃鐵礦，清晰可見方鉛礦交代閃鋅礦、黃鐵礦的氧化邊，脈石礦物主要有石英、方解石、角閃石及透輝石等。尾礦中硫化礦物單體率約78%，其中，硫鐵礦主要呈單體形式存在，與方鉛礦、閃鋅礦相生，方鉛礦單體率為48%，閃鋅礦單體率為52%，細(xì)粒的閃鋅礦以單體居多。

2)就Pb元素而言，兩個(gè)剖面上，在0 ～ 45 cm深度范圍內(nèi)，隨深度的增加有減少的趨勢(shì)。就Zn元素而言，A、B剖面上，在0 ～ 15 cm和在30 ～ 45 cm深度范圍內(nèi)，隨深度的增加，Zn含量有減少的變化趨勢(shì)；在15 ～ 30 cm深度范圍內(nèi)，其含量與Pb含量變化規(guī)律是不同的，兩個(gè)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，遷移能力較強(qiáng)，更易污染環(huán)境。

3)通過在尾礦及周邊Pb、Zn污染區(qū)域表層覆蓋健康土壤和石塊，可以降低或避免Pb、Zn元素的風(fēng)化程度；采取水泥混合，來固化或限制尾礦庫Pb、Zn元素遷移到附近區(qū)域；利用尾礦固廢物充填采空區(qū)和資源回收來減少污染物體量，以達(dá)到降低Pb、Zn元素富集濃度的目的。該研究結(jié)論與認(rèn)識(shí)對(duì)于掌握礦山尾礦中Pb、Zn含量分布規(guī)律、有效預(yù)防礦區(qū)大范圍污染事故的發(fā)生以及重金屬污染防治具有指導(dǎo)意義。