礦山水土污染與防治對策研究

張進德，田 磊，裴圣良

（中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081）

我國是世界上的 礦業(yè)大國，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用具有悠久的歷史。自2012年黨的十八大將生態(tài)文明建設(shè)納入“五位一體”總體布局以來，礦山環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)工作不斷得到加強。礦山環(huán)境問題直接涉及當(dāng)今社會人口、資源、環(huán)境三大主題，是關(guān)系到能否實現(xiàn)礦業(yè)開發(fā)與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要方面[1]。然而，我國大多數(shù)礦山環(huán)境問題是由于長期大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開發(fā)而累積形成的，面對沉重的礦山環(huán)境歷史欠賬和日趨嚴峻的生態(tài)環(huán)境態(tài)勢，深入開展礦山水土環(huán)境研究和水土污染治理尤為重要[2]。

據(jù)全國礦山地質(zhì)環(huán)境摸底調(diào)查資料，目前全國共有非油氣礦山11 萬余個，礦山總面積約1.04 ×105km2，開采礦種187 種，估算年采出礦石總量超過1.36×1010t。按開采礦類，煤炭等能源礦山16 500 多個，金屬礦山10 900多個，建材和化工原料等非金屬礦山83 700 多個[3]。長期大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開發(fā)造成嚴重的水土環(huán)境污染問題，目前的礦山污染防治工作困難重重，大多停留在頭痛醫(yī)頭腳痛醫(yī)腳的水平，缺乏系統(tǒng)性[4]。本文根據(jù)已完成的全國礦山地質(zhì)環(huán)境摸底調(diào)查成果資料，對我國礦山水土環(huán)境污染進行深入的分析和總結(jié)，系統(tǒng)闡述了不同類型礦山、礦山不同開發(fā)階段的水土環(huán)境污染特征及污染物擴散規(guī)律，提出了礦山水土環(huán)境綜合防治對策建議，為加快推進我國礦山水土環(huán)境污染防治工作提供借鑒。

1 不同礦業(yè)活動階段的水土污染風(fēng)險

礦山水土環(huán)境污染物從形態(tài)上可分為固體污染物、液體污染物和大氣顆粒物三種類型[5]。礦山內(nèi)固體廢棄物經(jīng)長期風(fēng)化、降雨淋濾等作用產(chǎn)生有毒堆浸廢水，滲入土壤及淺層地下水；不達標廢水廢液排放到周邊河流、溝谷、池塘中，經(jīng)地表水滲漏、補給污染地下水和土壤，或通過引污水灌溉方式污染土壤；礦山內(nèi)各類場地在風(fēng)力作用下易產(chǎn)生揚塵，細粒有毒物質(zhì)隨揚塵飄落到礦山周邊，造成土壤污染，此外，礦車道路運輸遺撒產(chǎn)生的揚塵也會對周邊土壤造成污染[6]。礦業(yè)活動從勘探階段就存在水土環(huán)境污染風(fēng)險，不同礦業(yè)活動階段污染風(fēng)險因素不同[7]。礦業(yè)活動主要包括勘探、建礦、采礦、洗選和冶煉五個階段。

勘探階段，主要工程活動包括山地工程、鉆探、物探和化探等，構(gòu)成水土污染的風(fēng)險因素是機械設(shè)備的燃油、機油滲漏，化學(xué)藥品的遺撒，鉆探泥漿廢棄，鉆井水的排出，作業(yè)人員生活廢水、垃圾的排放等。

建礦階段，構(gòu)成水土污染的風(fēng)險因素是大規(guī)模表土剝離、開挖、搬運形成的揚塵，廢石土的不合理堆放，礦坑或井硐積水排出，工業(yè)廢料場的油污，作業(yè)人員排放的生活廢水、垃圾等。

采礦階段，構(gòu)成水土污染的風(fēng)險因素是礦石運輸、廢石土清運產(chǎn)生的揚塵，礦坑排水，排土場或廢石堆揚塵和堆浸廢水滲出，工業(yè)廣場和廢料場的落地油污，作業(yè)人員排放的生活廢水、垃圾等[8]。

洗選礦階段，構(gòu)成水土污染的風(fēng)險因素是洗礦場或選礦廠的揚塵，洗礦或選礦產(chǎn)生的大量廢水、廢渣排放，尾礦庫或尾礦壩的滲漏、潰決、漫流等。

冶煉階段，構(gòu)成水土污染的風(fēng)險因素是冶煉產(chǎn)生的煙塵排放與飄落，冶煉廢水排放，冶煉廢渣儲運等[9-10]。

2 不同礦山類型的水土污染物特征

2.1 能源類礦山主要污染物

目前我國開發(fā)的主要能源礦產(chǎn)為煤炭和石油。煤炭礦山的水土污染物主要來源于煤矸石、煤礦廢水和煤本身，因此煤和煤矸石的化學(xué)組分決定了礦山污染特征[11]。煤主要由C、H、O、N、S 等元素組成，還有少量P、As、F、Cl 等元素[12]，而煤矸石的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3和CaO，還包括Cd、Cr、Pb、Zn、Cu、Mn 等重金屬元素以及FeS、PbS 等硫化物[13]。礦井水是煤礦排放最多的廢水，受開采、運輸過程中散落的煤粉、巖粉等影響，在水質(zhì)上通常表現(xiàn)為高懸浮物、高礦化度、偏酸性，且Fe、Mn、F 等元素含量偏高[14]。洗選煤廢水中含有大量懸浮物、硫酸鹽、各種藥劑和Fe3+、Mn2+、Zn2+、Ni2+、Al3+等金屬離子[15]。因此，煤炭礦山水土環(huán)境污染物大致包括：Fe、Mn、F、As、Pb、Zn、Hg、Cd、Cr、硫化物及氮化物等[16-17]（表1）。

油田開采區(qū)水土環(huán)境污染主要來自于漏出的原油、含油污水、鉆井廢水、洗井作業(yè)污水等，主要污染物為石油類、揮發(fā)酚、COD、硫化物、懸浮物、可溶性礦物質(zhì)、有機質(zhì)、可溶性重金屬、高分子處理劑等[18]（表1）。

2.2 金屬類礦山主要污染物

在金屬礦山開采過程中，礦體中的重金屬元素容易產(chǎn)生流失，進入礦山地表水、地下水和土壤中，構(gòu)成水土環(huán)境污染元素。據(jù)統(tǒng)計，我國大部分金屬礦山為金屬硫化物礦床，采礦、選礦產(chǎn)生的大量廢石、礦渣仍含有一定量的硫化物，暴露于大氣中經(jīng)氧化、風(fēng)化、淋濾作用極易產(chǎn)生酸性礦山廢水，并會釋放出大量重金屬離子和硫酸根離子。礦山酸性廢水的形成還會加快金屬離子的釋放和富集。因此，造成金屬礦山水土環(huán)境污染的主要污染物為SO24-、Fe3+、Mn2+、Ca2+、Mg2+、Al3+，重金屬元素Pb、Cu、Cd、Hg、Zn、Cr、Ni、Co[7]，以及類金屬元素As、懸浮物和氰化物[19]（表1）。

2.3 非金屬類礦山主要污染物

我國非金屬礦山中絕大多數(shù)是建材非金屬礦，建材礦山開采過程中會產(chǎn)生大量的粉塵，粉塵降落到土壤表層造成土壤板結(jié)和酸堿度變化，此外建材礦開發(fā)產(chǎn)生的廢水含大量的懸浮物?；ぴ戏墙饘俚V中的鹽礦類開采，其礦山主要水土環(huán)境污染項目是Cl-、SO24-、總硬度、溶解性總固體，而硫鐵礦、明礬礦、芒硝礦等開采會排出含 SO24-的酸性廢水，因此化工原料非金屬礦的水土環(huán)境污染物為 SO24-及Na、K、Fe、Mn 等金屬元素（表1）。

表1 不同類型礦山主要污染物Table 1 Pollutants in different types of mines

3 礦山污染物遷移規(guī)律及其對水土環(huán)境的影響

3.1 污染物遷移規(guī)律

通常情況下，礦山污染物在區(qū)域環(huán)境中的遷移方式有機械遷移、物理化學(xué)遷移和生物遷移三種。污染物的遷移作用又受污染物自身的物理化學(xué)性質(zhì)和外界環(huán)境的物理化學(xué)條件影響。

原子的電負性、離子半徑、電價、離子電位和化合物的鍵性和溶解度等是影響污染物遷移的最主要的物理化學(xué)參數(shù)[20]。外界環(huán)境條件是指區(qū)域氣象、水文、地形地貌、地層巖性和生物分布等自然地理、地質(zhì)條件，其中外界環(huán)境條件中的化學(xué)條件對污染物的遷移有重大影響。如環(huán)境的酸度和堿度影響著重金屬元素的形態(tài)，大多數(shù)重金屬在酸性環(huán)境中形成易溶性化合物，有較高的遷移能力，而在堿性環(huán)境中則形成難溶化合物，難以遷移[21]。

前人研究表明：酸性環(huán)境有利于Ca、Sr、B、Ra、Cu、Zn、Cd、Fe2+、Mn2+和Ni2+的遷移；堿性環(huán)境有利于Se、Mo 和V5+的遷移；某些重金屬如Hg、Cd 等在遷移過程中易在底泥中富集，形成長期潛在的具有積累性的危害[22-24]。

3.2 污染物擴散對礦山周邊水土環(huán)境的影響分析

礦山水土環(huán)境影響分析不能局限于某一個礦的礦界范圍內(nèi)，特別是一個區(qū)域內(nèi)分布著多家開采礦山，周邊的水土環(huán)境顯然不僅僅受某一個礦山的影響，而是受多家礦山的共同影響，污染物的擴散表現(xiàn)出疊加效應(yīng)。因此分析礦山周邊水土環(huán)境的影響應(yīng)綜合考慮多家礦山的污染物擴散影響。

3.2.1 水土環(huán)境污染源與污染途徑

通常礦山周邊的區(qū)域水土環(huán)境受多個污染源影響，影響范圍和程度取決于區(qū)域地理位置和周邊礦山開采程度。礦山地表水體主要包括溝渠、河流、池塘、湖泊等，其主要污染源就是礦山的井口、坑口等排出的礦坑廢水；除此之外，礦山排土場、尾礦庫、廢料場等堆浸廢水滲出或遺漏成為地表水體的另一種污染源，上述污染源也可能成為地下含水層的污染源。淺表層土壤的污染源比水體的污染源復(fù)雜得多，一般包括五種類型：一是礦山廢水流經(jīng)地表土壤直接造成土壤污染，二是利用已污染的地表水進行灌溉造成土壤污染，三是大氣降水沖刷匯集礦山廢液、廢渣等造成土壤表面污染，四是礦山有毒細粒物質(zhì)隨大風(fēng)揚塵飄落到土壤表層滯留造成污染，五是礦山搬運車輛交通道路遺撒礦渣造成道路兩側(cè)土壤污染。因此，礦山土壤污染源屬非點狀污染源，其污染程度和污染范圍具有一定的隨機性。

3.2.2 礦山周邊水土環(huán)境污染范圍

雖然礦山污染物的擴散有多種途徑，但其污染范圍總會有一個限度。任何一個礦山其污染物向環(huán)境中遷移，大都會形成一個以礦山為中心的污染物擴散帶，帶外范圍可以認為其水土環(huán)境不受影響或影響輕微。因此科學(xué)確定礦山水土環(huán)境污染范圍對于合理控制礦山污染物，促進已污染的水土環(huán)境修復(fù)具有重要意義。污染范圍的確定方法：一是根據(jù)礦山所處的地形、地貌、地質(zhì)、水文氣象條件，進出礦山的交通運輸條件等初步確定水土污染大致范圍；二是分別根據(jù)不同的污染源位置和污染物遷移途徑取水土樣品進行分析測試，將污染物含量與該區(qū)域的背景值進行對比，繪制污染物含量等值線圖，進而準確判定礦山周邊污染擴散范圍。

3.2.3 礦山周邊水土污染評價方法

（1）單因子指數(shù)法

單因子指數(shù)法是國內(nèi)外普遍采用的方法之一，可以對土壤中某一項污染物的污染程度進行評價[25-27]。污染程度用超標倍數(shù)或累積污染倍數(shù)來衡量。

當(dāng)單項污染物含量與國家評價標準相比較時，得出污染超標倍數(shù)；當(dāng)單項污染物含量與區(qū)域背景值相比較時，得出累積污染倍數(shù)。通用計算公式為：

式中：Pi—土壤中污染物i 的超標或者累積倍數(shù)；

Ci—污染物i 的含量；

Si—污染物i 的評價標準。

單項污染指數(shù)分級標準共分4 個等級，具體分級標準見表2。

表2 土壤單項污染程度分級標準Table 2 Single factor index method

3.2.4 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法

式中：Pn—樣點綜合污染指數(shù)；

Pmax—樣點中所有評價污染物單項指數(shù)的最大值；

Pave—樣點中所有評價污染物單項指數(shù)的平均值。

內(nèi)梅羅指數(shù)法評價標準可分為5 個等級，具體分級見表3。

表3 內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)評價標準Table 3 Evaluation criteria of integrated pollution index method

單因子指數(shù)法是一種通過計算超標指數(shù)來確定評價等級的方法，計算方法簡單，能夠直觀地反映水土環(huán)境中某一項污染物的超標程度；但它夸大了單項污染因子的作用，弱化了其他因子的作用，無法反映多種污染物對水土污染的綜合貢獻。內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法物理概念清晰、數(shù)學(xué)過程簡潔，它兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和最大值，又突出了某些污染因子的作用；在加權(quán)過程中避免了主觀因素的影響，更能直觀地反映水土環(huán)境污染的總體水平，是目前應(yīng)用較多的一種水土污染評價方法。

4 典型礦山水土環(huán)境污染剖析

2010年投入生產(chǎn)的某大型露天開采銅鉬礦礦山，面積約1.1 km2，年生產(chǎn)能力7.5×105t。礦山內(nèi)設(shè)有露天采礦場、排土場、選礦廠、堆浸場地、生活區(qū)、炸藥庫等。礦山污染源為礦坑水、選礦尾水、堆浸液、生活污水、廢石淋濾水溶液及農(nóng)藥殘留等，主要特征污染物是Ni、Zn、Cu、Cd、SO42-等。

通過對礦石中的元素含量進行分析可知，高品位礦石中主要元素含量從大到小的順序為：S、Cu、Mn、Cr、Zn、Ni、Pb、Co、Hg、Cd、As，低品位礦石中主要元素含量從大到小的順序為：S、Cu、Mn、Zn、Cr、Ni、Co、Pb、Hg、Cd、As。高品位礦石經(jīng)過選礦流程后形成的尾礦中各元素含量順序未發(fā)生變化，但Cu、Hg、S 的含量大幅降低。低品位礦石經(jīng)過酸液堆浸后，各元素的含量發(fā)生了較大變化，從大到小順序為：S、Cu、Mn、Cr、Zn、Ni、As、Pb、Co、Hg、Cd，堆浸后Cu、Hg、S、Cd 的含量存在較大程度降低，但Cr、As、Co、Mn 的含量卻大幅度增加。

根據(jù)礦山土壤樣品中重金屬含量之間的相關(guān)性分析，可以推斷土壤污染物與礦石的相關(guān)性。分析表明，工作區(qū)內(nèi)的Cu、Hg、Mo、Ni、Cd、Pb、Zn 等元素都來自礦石，而As 則可能來自于堆浸液或農(nóng)藥殘留。

通過對礦山土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Mo、Ni、Pb和Zn 等9 種元素超標和累積評價可知，Cr、Hg 和Pb 的含量低于國家土壤環(huán)境質(zhì)量II 級標準限值；As、Cd、Cu、Ni 和Zn 的含量則高于國標限值。與毗鄰區(qū)未開礦地區(qū)土壤重金屬含量背景值相比較，除Hg 外的8 種元素均有不同程度的累積污染，表明工作區(qū)土壤已經(jīng)受到礦業(yè)活動的影響，重金屬開始在土壤中累積，但由于礦山開發(fā)年限較短，累積污染并不嚴重。

5 礦山水土環(huán)境污染防治對策

5.1 礦山水土環(huán)境污染宜分類防治

（1）按礦山開采礦種進行分類防治

由于不同類型礦產(chǎn)資源的開發(fā)，其開發(fā)方式、開采規(guī)模、開采過程中引發(fā)的礦山地質(zhì)環(huán)境問題不同，造成礦山水土環(huán)境污染的污染源、污染方式、特征污染物種類及其含量也不相同，因此，需要按照不同類型礦山進行分類防治，增強防治措施的針對性。

（2）按礦山地質(zhì)環(huán)境條件分類防治

我國地域?qū)拸V，各類礦山所在區(qū)域的氣象、水文、地形、地貌、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等條件差別較大，即使同一個類型的礦山開發(fā)，因其所處的地質(zhì)環(huán)境條件不同，造成水土環(huán)境污染的污染物種類、濃度和擴散方式也千差萬別。因此在開展礦山水土環(huán)境污染防治時，應(yīng)充分考慮礦山的地質(zhì)環(huán)境條件。

（3）按礦山不同污染物特征分類防治

在礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中，礦體及礦體周邊圍巖的礦物成分及其化學(xué)組分決定著礦山污染物的類型，不同礦山會形成不同特征的污染物。根據(jù)礦山的特征污染物類型采取針對性的防治措施，有利于從源頭上控制污染物的擴散。

（4）按礦山水土環(huán)境污染程度分類防治

礦山及周邊不同的場地遭受水土環(huán)境污染的程度不同，在對礦山水土環(huán)境污染調(diào)查分析基礎(chǔ)上，對污染區(qū)域進行劃分，得出不同污染程度級別的區(qū)域。在此基礎(chǔ)上，按照輕重緩急、分步實施的原則，逐個區(qū)域部署防治措施，突出防治重點。

5.2 探索礦山水土環(huán)境污染的治本之策

（1）詳細調(diào)查，摸清礦山水土環(huán)境污染的途徑

查明礦山污染物的形成及其化學(xué)形態(tài)：追蹤礦山污染物產(chǎn)生的源頭，分析污染物產(chǎn)生的物理化學(xué)過程和在水土環(huán)境中的存在形態(tài)（離子形式或分子形式）。

分析礦山污染物的擴散方式：根據(jù)礦山不同污染場地的污染物類型、特征與含量，分析出污染物通過機械遷移、物理化學(xué)遷移和生物遷移的哪一種或哪幾種方式進入到礦山水土環(huán)境中。

跟蹤研究礦山污染物在水土環(huán)境中的富集特征：通過污染物的動態(tài)跟蹤調(diào)查，研究其在水土環(huán)境中的富集規(guī)律和循環(huán)特征。

（2）合理識別礦山水土環(huán)境污染范圍

在我國很多集中開采的區(qū)域內(nèi)分布著許多礦山，確定礦山水土環(huán)境污染范圍時應(yīng)綜合考慮多家礦山的共同影響效應(yīng)，詳細分析各類污染物與每個礦山的關(guān)聯(lián)程度，為今后的綜合防治提供技術(shù)依據(jù)。

（3）聯(lián)合預(yù)防

打破單個礦山的礦界限制，從整個區(qū)域（集中開采區(qū)）的角度上控制所有污染源，形成多礦山步調(diào)一致的防控體系。通過礦山的綠色生產(chǎn)，廢棄物的減排、回收利用和無害化處理等手段，從源頭上控制礦山污染物向環(huán)境中的排放，從而減少污染物的總量，降低區(qū)域污染物負荷。

（4）系統(tǒng)治理

根據(jù)已查明的水土環(huán)境污染區(qū)域、污染物特征和污染程度，采取物理的或化學(xué)的方法進行水土環(huán)境修復(fù)，實現(xiàn)礦山集中開采區(qū)域的連片治理，突出治理區(qū)域的整體性，提高治理成效。

6 結(jié)論及建議

（1）礦產(chǎn)資源開發(fā)作為人類最重要的工程活動，對地質(zhì)環(huán)境的影響是劇烈的，礦山水土環(huán)境污染是采礦活動引發(fā)的主要地質(zhì)環(huán)境問題之一。

（2）礦業(yè)活動造成的水土污染自礦產(chǎn)勘查階段就出現(xiàn)，它貫穿于勘探、建礦、開采、洗選、冶煉等整個礦業(yè)活動全過程，不同階段污染過程和污染程度不同，摸清污染源頭有利于礦山水土環(huán)境污染防控。

（3）不同礦山類型水土環(huán)境的特征污染物不同，特征污染物與礦體母巖呈現(xiàn)高度相關(guān)性；礦山污染物的遷移作用受自身的物理化學(xué)性質(zhì)和外界環(huán)境條件的影響，存在累積效應(yīng)，而礦產(chǎn)資源集中開采區(qū)的污染物擴散表現(xiàn)出疊加效應(yīng)。

（4）采用單因子指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法對某礦山水土污染進行了評價對比，結(jié)果顯示梅羅綜合污染指數(shù)法更能全面反映水土環(huán)境中各污染物的平均污染水平，也突出了不同污染物給環(huán)境造成的危害程度。

（5）礦山水土環(huán)境污染防治應(yīng)標本兼治，首先應(yīng)詳細調(diào)查摸清底數(shù)，其次要根據(jù)開采礦種、地質(zhì)環(huán)境條件、開發(fā)階段、特征污染物類型和污染程度，注重源頭預(yù)防、過程控制，聯(lián)合預(yù)防、系統(tǒng)治理。