銅尾礦中的污染源分析及其安全處置方法研究

李建勇

(山西晉新科源環(huán)保科技有限公司，山西 太原 030024)

引 言

我國(guó)地緣遼闊，擁有非常豐富的礦產(chǎn)資源，這些珍貴的礦產(chǎn)資源為我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了非常重要的貢獻(xiàn)[1]。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)每年開采的礦產(chǎn)資源數(shù)量越來越多。但是礦產(chǎn)資源在開發(fā)利用過程中，會(huì)伴隨著產(chǎn)生大量的尾礦，一般情況下尾礦都是直接堆放在尾礦庫(kù)中[2]。受冶煉技術(shù)水平限制，尾礦中包含的重金屬通常都沒有得以開發(fā)利用，而是直接隨尾礦一起丟棄[3]。在長(zhǎng)時(shí)間的堆放過程中，重金屬會(huì)逐漸滲透到土壤和地下水中，對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境造成重要的不良影響[4]。近年來，我國(guó)對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，社會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境問題的關(guān)注程度同樣有所提升。因此，有必要分析尾礦對(duì)周圍環(huán)境造成的污染，在此基礎(chǔ)上提出針對(duì)性的治理措施，盡可能降低尾礦的不良影響，同時(shí)提升尾礦的有效利用率[5-6]。本文以銅尾礦對(duì)周邊環(huán)境的影響為例，對(duì)尾礦中包含的污染源進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出安全處置方法。

1 銅尾礦樣品采集及處理

1.1 銅尾礦樣品的采集與預(yù)處理

某銅尾礦堆場(chǎng)位于一條小溪旁，距離大約為200 m。當(dāng)前階段此堆場(chǎng)的長(zhǎng)度和寬度分別約為200 m和10 m，高度約為30 m，初步估計(jì)堆積的銅尾礦質(zhì)量達(dá)到10萬t左右。該銅尾礦堆場(chǎng)的存在對(duì)周邊環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅，因此需要對(duì)其進(jìn)行分析和研究，在此基礎(chǔ)提出相應(yīng)的安全處置措施，以改善周圍的生態(tài)環(huán)境。首先，需要對(duì)銅尾礦堆場(chǎng)周邊的土壤進(jìn)行采樣，為了更加真實(shí)地反映銅尾礦的情況，在采樣時(shí)遵循隨機(jī)的原則。在整個(gè)銅尾礦堆場(chǎng)周圍半徑150 m范圍內(nèi)隨機(jī)選取10個(gè)采樣點(diǎn)。將采集得到的樣品進(jìn)行充分混合，再進(jìn)行自然風(fēng)干，然后攪拌均勻，將其進(jìn)行徹底粉碎，要求達(dá)到120目(0.125 mm)以下。將制得的樣品放在105 ℃的烤箱內(nèi)烘烤60 min，然后將其空冷至室溫，進(jìn)一步攪拌均勻，裝袋備用。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其工作條件

通過AA-9000型原子吸收光譜儀對(duì)尾礦中的金屬元素進(jìn)行檢測(cè)。各種重金屬元素檢測(cè)條件為：Cu、Zn、Pb、Cd、Cr、Ni、Mn元素的檢測(cè)波長(zhǎng)分別為324.71 nm、213.87 nm、283.32 nm、228.81 nm、357.92 nm、232.01 nm、279.53 nm；所有元素的狹縫、燈電流和燃燒高度全部分別設(shè)置為0.2 mm、3 mA、10 mm；火焰類型方面，除Cr和Mn分別為復(fù)燃焰和略貧燃焰外，其他元素的火焰類型全部為貧燃焰。為了進(jìn)一步分析銅尾礦的化合物組分，對(duì)銅尾礦開展了常量分析工作，通過這項(xiàng)工作能夠檢測(cè)到銅尾礦中含量超過0.1%的組分。對(duì)于不同的組分需要采用不同的方法進(jìn)行測(cè)定，采用的方法主要包括重量法、容量法、分光光度法和原子吸收光譜法。為了提升實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在化合物檢測(cè)時(shí)共開展2組實(shí)驗(yàn)，最終的結(jié)果取兩組實(shí)驗(yàn)的平均值。實(shí)驗(yàn)過程的正確性和嚴(yán)謹(jǐn)性會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生決定性的影響，所以在開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)過程中，嚴(yán)格按照有關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)完成所有的實(shí)驗(yàn)工作，以確保結(jié)果精度。

2 銅尾礦檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 銅尾礦中的主要化合物組分

按照上文所述的實(shí)驗(yàn)分析方法，可以獲得銅尾礦中的主要化合物組分，結(jié)果如表1所示。由表1中數(shù)據(jù)可以看出，銅尾礦中的主要化合物為鐵、硅和鋁的氧化物，其中，F(xiàn)e2O3、SiO2、Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別達(dá)到了27.655%、25.35%、15.495%。其次為磷和鈣的化合物，P2O5和CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為4.27%和3.155%。以上這些化合物主要為硅酸鹽和磷酸鹽等類，單獨(dú)從化合物對(duì)土壤造成的污染角度出發(fā)，以上這些含量相對(duì)較高的化合物，在常規(guī)的環(huán)境下具有相對(duì)較高的穩(wěn)定性，氧化物不容易發(fā)生分解融化等現(xiàn)象。因此認(rèn)為這些化合物不會(huì)對(duì)土壤、地下水和空氣造成比較嚴(yán)重的污染問題。MgO、TiO2、MnO的含量相對(duì)較低，同樣不會(huì)對(duì)土壤構(gòu)成較大的威脅。

表1 銅尾礦中的主要化合物組分分析結(jié)果(%)

2.2 銅尾礦中主要元素含量

基于AA-9000型原子吸收光譜儀，并采用合適的實(shí)驗(yàn)條件，可以有效地對(duì)尾礦中的金屬元素種類及其含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。表2中還給出了該地區(qū)土壤中的自然背景值，以便與銅尾礦附近土壤中的元素含量進(jìn)行比較。所謂自然背景值指的是沒有受到銅尾礦污染的土壤中包含的各種金屬含量。由表2中數(shù)據(jù)可知，與本地區(qū)的自然背景值相比，銅尾礦附近土壤中的Cu、As、Ni、Cd元素的含量都相對(duì)較高，而Zn、Pb、Cr元素的含量相對(duì)較低。

表2 銅尾礦中主要元素類型及其含量(mg/kg)

2.3 銅尾礦中包含的主要污染源分析

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，銅尾礦中除了包含大量Fe、Si、Al等這些穩(wěn)定的元素氧化物外，還包含有很多其他的重金屬元素，如，Cu、Zn、Pb、As、Ni、Cr、Cd。穩(wěn)定的氧化物雖然不會(huì)對(duì)土壤構(gòu)成污染的威脅，但是這些重金屬元素會(huì)對(duì)土壤及地下水造成嚴(yán)重的污染。某些重金屬元素雖然在常規(guī)條件下是以化合物的形式存在，但是在酸性條件下，這些金屬元素非常容易從氧化物中析出，從而污染周邊的環(huán)境。

將表2中各元素含量與國(guó)家土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)相比較，發(fā)現(xiàn)Cu的含量是自然背景值的18.69倍，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)家土壤二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，其中，二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中Cu的含量分別不得超過100 mg/kg和400 mg/kg，可見，Cu元素是銅尾礦中非常重要的污染源；As和Cd元素含量分別為對(duì)應(yīng)自然背景值的2.33倍和4倍，可見As和Cd元素同樣是銅尾礦中重要的污染源；Ni元素含量只是比自然背景值略高，所以認(rèn)為該元素是銅尾礦中的次要污染源；而Zn、Pb、Cr三種元素的含量比自然背景值相對(duì)更低，說明這三種元素不是銅尾礦的主要污染源。

3 銅尾礦污染安全處置方法研究

綜上所述，銅尾礦如果不對(duì)其進(jìn)行處理，直接堆放在尾礦堆場(chǎng)中，時(shí)間長(zhǎng)久后尾礦中包含的重金屬元素會(huì)滲透到土壤和地下水中，對(duì)土壤和地下水造成嚴(yán)重污染，進(jìn)而威脅到附近居民的身體健康。尤其是Cu、As、Cd元素，通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其含量相對(duì)非常高。具體而言，查閱資料并結(jié)合筆者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為可以通過下述幾種處置方法來降低銅尾礦的污染程度。

3.1 銅尾礦再選

銅礦資源屬于不可再生資源，隨著銅礦資源開采的不斷進(jìn)行，地殼中的存儲(chǔ)量也會(huì)隨之快速降低?；跈z測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，銅尾礦中還包含有大量的Cu元素，其含量是其他地區(qū)Cu元素含量的18.69倍。此外，還包含有多種其他重金屬元素。因此，對(duì)銅尾礦進(jìn)行再選是未來發(fā)展的重要方向，通過尾礦再選不僅能夠提升銅資源以及其他重金屬資源的利用率，同時(shí)還可以顯著降低尾礦中Cu、As和Cd元素的含量，進(jìn)而緩解其對(duì)生態(tài)環(huán)境造成的不利影響。如，可以通過最新的“微生物堆浸-電萃取-電積”提煉方法，對(duì)銅尾礦中的Cu元素進(jìn)行提取。

3.2 利用銅尾礦加工制作建筑材料

銅尾礦作為一種資源，如果直接丟棄會(huì)造成資源的浪費(fèi)，我國(guó)學(xué)者在利用銅尾礦加工制作建筑材料方面進(jìn)行了積極的探索和嘗試。利用尾礦成功制成了砂、水泥、磚塊、路面材料等多種類型的建筑材料，并在實(shí)踐中取得了較好的應(yīng)用效果。這種銅尾礦的處置方式也是比較好的選擇。

3.3 銅尾礦廢棄地復(fù)墾技術(shù)

已有大量的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，通過在尾礦土壤中種植特殊的植物，植物的根系能夠有效富集土壤中包含的重金屬元素，通過這樣的措施能解決尾礦對(duì)土壤造成的重金屬污染問題。如，絲茅草、芭茅草、無葉節(jié)節(jié)草等植物對(duì)于降低銅尾礦土壤中的重金屬具有非常好的效果，在技術(shù)上完全是可行的。與其他銅尾礦治理方式相比較而言，通過廢棄地復(fù)墾技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，屬于最好的治理方法，應(yīng)該優(yōu)先推廣使用。因?yàn)檫@種方式不僅有效降低了土壤中的重金屬含量，同時(shí)通過種植大量植物，有效恢復(fù)了相關(guān)區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，還可以起到改善大氣質(zhì)量的效果。銅尾礦廢棄地復(fù)墾技術(shù)的成本也很低，能夠?yàn)橄嚓P(guān)企業(yè)和政府部門節(jié)省大量的治理資金。

4 結(jié)語(yǔ)

受技術(shù)水平限制，在進(jìn)行銅資源開發(fā)利用時(shí)，銅尾礦中通常會(huì)包含有大量的重金屬元素，這些重金屬元素會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成非常不利的影響。對(duì)某尾礦堆場(chǎng)周邊土壤進(jìn)行采集，分析了土壤中重金屬元素的含量情況。發(fā)現(xiàn)，銅尾礦中的主要污染源為Cu、As和Cd元素，這些元素在土壤中的含量與本地區(qū)自然背景值相比高出好多倍。提出了銅尾礦污染安全處置方法，主要包括銅尾礦再選、利用銅尾礦加工制作建筑材料、銅尾礦廢棄地復(fù)墾。通過采用上述處置方法不僅能夠?qū)︺~尾礦進(jìn)行有效利用，同時(shí)能夠顯著降低其對(duì)周圍環(huán)境構(gòu)成的威脅。