馬鞍山筆架山礦區(qū)下游水系污染成因與治理對策*

李書欽 李 波 裴德健3

（1．中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2．國家環(huán)境保護(hù)礦山固體廢物處理與處置工程技術(shù)中心）

礦業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)代社會90%的能源、80%的工業(yè)原料、70%的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料均來自礦產(chǎn)資源，是人們衣、食、住、行、用都離不開的產(chǎn)業(yè)［1］。然而，礦產(chǎn)資源的開采和利用在推動經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的同時，也破壞了礦區(qū)及周圍的生態(tài)環(huán)境，影響當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)和人文發(fā)展［2-3］。

在礦山采選對周邊環(huán)境的消極影響中，最突出的是礦山酸性廢水（Acid Mine Drainage，以下簡稱AMD）問題［4-5］。AMD多產(chǎn)生于含硫化鐵聚集的巖石中，當(dāng)硫化礦物暴露在空氣和水中時，細(xì)菌的存在會加快AMD的產(chǎn)生［6］。AMD通常pH在3.5左右，重金屬含量較高。礦山的組成礦物不同，AMD中重金屬的組成和含量也會有差異。綠松石是一種含水的銅鋁磷酸鹽礦物，在外生淋濾條件下由含磷和銅的硫化物巖石風(fēng)化形成，是常用的雕飾原料。

本研究以馬鞍山市筆架山綠松石礦區(qū)的AMD為對象，分析其成因和治理對策，為礦區(qū)水環(huán)境治理和保護(hù)提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

筆架山綠松石礦區(qū)位于馬鞍山市花山區(qū)濮塘鎮(zhèn)與雨山區(qū)向山鎮(zhèn)交界處，于2015年停產(chǎn)至今。礦區(qū)治理前，露天采場內(nèi)匯集了大量的風(fēng)化巖石淋溶水及雨水，形成了一個大的積水坑，水體呈暗紅色，礦區(qū)排土場和尾礦庫的酸性廢水截污系統(tǒng)及水處理站工程不完備，造成下游東方紅水系嚴(yán)重污染。主河道水在支流匯入前水質(zhì)澄清，當(dāng)支流水匯入后出現(xiàn)大量白色絮狀物見圖1、圖2。

2 樣品采集和分析方法

在對項目現(xiàn)場進(jìn)行踏勘的基礎(chǔ)上，對礦坑不同位置水樣和匯流后水體中的白色絮狀物分別進(jìn)行采集，對主河道水和匯流后的水也進(jìn)行采集，采集時盡量做到輕擾動水體，取樣前先用待取水洗滌水樣瓶和塞子3～5次，然后盡量把取樣瓶沉入水面下30 cm處取樣，水樣用聚乙烯塑料瓶盛裝［7］，水樣采集后儲存在4℃保溫箱中。

白色絮狀物成因分析時，在6份150 mL的主河道水中分別加入100、150、250、350、450、650 mL的支流水，制成不同混合比例的水樣，搖勻后觀察水質(zhì)外觀變化，測定水樣的pH值。

pH值的測定采用《玻璃電極法》（GB 6920—1986），Mn、Zn、Cu、Cd、Pb、Fe濃度的測定采用《ICP—AES法》（HJ 776—2015），As濃度的測定采用《原子熒光法》（HJ 694—2014），SO42-濃度的測定采用《分光光度法》（GB/T 16489—1996）。

3 結(jié)果分析

3.1 礦坑廢水水質(zhì)分析

礦坑廢水現(xiàn)場見圖3，分析結(jié)果見表1，礦坑廢水pH值為2.845，《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）要求為6～9。

注：Fe、SO42-含量的標(biāo)準(zhǔn)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）一級標(biāo)準(zhǔn)，其余成分的標(biāo)準(zhǔn)為《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）一級標(biāo)準(zhǔn)。

分析表明，與《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）比較，水樣的pH值較低，酸性較強(qiáng)，未達(dá)標(biāo)（pH值6～9）；Mn、Cu等金屬離子濃度嚴(yán)重超標(biāo)，其中Mn約為標(biāo)準(zhǔn)的10倍，Cu約為標(biāo)準(zhǔn)的27倍，Cd略高于標(biāo)準(zhǔn)；AMD中SO42-和Fe濃度是水體酸化的重要原因之一［8-10］，上述標(biāo)準(zhǔn)雖未對Fe和SO42-濃度作出要求，但與《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）中的一級標(biāo)準(zhǔn)對比，F(xiàn)e和SO42-含量遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)?？傮w來看，礦坑內(nèi)廢水酸性較強(qiáng)，Mn、Cu、Fe等金屬離子嚴(yán)重超標(biāo)，SO42-嚴(yán)重超標(biāo)。

3.2 AMD對礦區(qū)地表水的影響

水系水質(zhì)分析結(jié)果見表2，主河道水pH值為3.97，支流水pH值為7.26，匯流水的pH值為6.08。

注：Fe、SO42-含量的標(biāo)準(zhǔn)為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3838—2002）一級標(biāo)準(zhǔn)，其余成分的標(biāo)準(zhǔn)為《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 8978—1996）一級標(biāo)準(zhǔn)（部分元素非污染元素，故沒有標(biāo)準(zhǔn)要求）。

分析表明，主河道水質(zhì)呈酸性，水中Cu、Al等多種金屬元素超標(biāo)，支流水質(zhì)正常；與主河道水相比，匯流水pH值升高，Cu、Mn、Mg、Ca、Al和Si等元素濃度明顯降低。

3.3 白色絮狀物成因分析

隨著支流水的加入，水樣pH值上升；加入0～450 mL支流水時，水樣pH值上升較快，繼續(xù)加入支流水，水樣pH值上升緩慢。隨著水樣pH值的升高，白色沉淀逐漸增多，水樣能見度下降（圖4）。根據(jù)分步沉淀原理，水樣pH值由3.97升至6.08時，存在于水中的鋁離子首先以白色絮狀物氫氧化鋁沉淀，并吸附水中的Mn、Mg、Ca等離子，降低水中Mn、Mg、Ca等離子的濃度，最終形成含有Mn、Mg、Ca等元素的白色氫氧化鋁絮狀沉淀物。

對水樣pH值隨支流水加入量進(jìn)行三次多項式擬合，根據(jù)pH值與支流水量的關(guān)系式，可知當(dāng)支流水加入量為640.68 mL時，水樣pH值有最大值6.32。

試驗表明，受筆架山礦區(qū)酸性礦坑水滲漏污染的主河道水含大量Al離子，pH值達(dá)3.97，在支流水（pH為7.26）匯入后，pH值上升至6.08，水中的Al離子由于pH值的上升而成為氫氧化鋁沉淀，并吸附了水中的Mn、Mg、Ca等離子，從而形成了河水中的白色絮狀物。

4 治理對策

（1）土地整治。酸性廢水中的酸性物質(zhì)主要是在采礦活動或尾礦堆放活動中，礦石和尾礦中以硫鐵礦為主的硫化礦物暴露于地表，經(jīng)過生物化學(xué)氧化作用形成［11-13］?；诠P架山排土場及尾礦庫基本處于裸露狀態(tài)，要想減少和避免大量酸性物質(zhì)進(jìn)入廢水，首先要對排土場和尾礦庫進(jìn)行土地整治，其中排土場整治后邊坡坡度控制在1∶1.5以下，邊坡高度小于8 m，平臺寬度不小于2 m；尾礦庫整治后邊坡坡度控制在1∶2.5以下。

（2）土壤重構(gòu)。土地平整后，在平臺和邊坡首先回覆30 cm壓實黏土，設(shè)置水平隔離層（壓實度不小于93%），然后在隔離層上部回覆不小于0.5 m滿足綠化要求的客土，并適當(dāng)壓實（土壤容重≤1.3 g/cm3）；同時，前3 a種植紫花苜蓿等豆科植物改良土壤，每畝土地回填1 t有機(jī)肥料進(jìn)行土壤熟化。

（3）植被恢復(fù)工程。在土壤重構(gòu)工程實施后，對排土場和尾礦庫進(jìn)行植被恢復(fù)：邊坡采用鋪植生毯撒播灌草混合種子的方式進(jìn)行綠化，平臺復(fù)墾為耕地。

（4）排水工程。排水溝標(biāo)準(zhǔn)按10 a一遇24 h降雨量計算，截洪溝采用混凝土結(jié)構(gòu)，臺階排水溝采用漿砌磚結(jié)構(gòu)，矩形斷面。

（5）滲濾液截滲導(dǎo)排系統(tǒng)。現(xiàn)場勘查表明，項目區(qū)截排水及滲濾液收集系統(tǒng)不完善，未實現(xiàn)“雨污分流”，造成酸性廢水進(jìn)入礦區(qū)下游河道，使下游水環(huán)境受到污染。在補(bǔ)充排土場水平防滲設(shè)施，完善雨水截排水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充排土場和尾礦庫酸性滲濾液截滲及導(dǎo)排系統(tǒng)，實現(xiàn)“雨污分流”，控制酸性滲濾液的源頭并進(jìn)行有效收集。在排土場和尾礦庫下游壩腳修建垂直防滲系統(tǒng)及滲濾液導(dǎo)排收集系統(tǒng)，包括修建壩腳截滲墻、滲濾液收集盲溝等，采用雙排高壓旋噴樁的方式建設(shè)防滲墻，建設(shè)選用抗硫酸鹽水泥。

（6）河道清淤。源頭問題解決后，需對下游河道底部白色絮凝物進(jìn)行清除，提高水環(huán)境質(zhì)量，恢復(fù)水生態(tài)系統(tǒng)。擬采用履帶挖掘機(jī)進(jìn)行分組分段疏挖，疏挖過程中保持水系正常通水，半幅清淤半幅保持流水。圍堰采用土質(zhì)結(jié)構(gòu)，外側(cè)覆壓防水材料（如寬幅彩條布等）。圍堰修筑完成后，采用污水泵將河道內(nèi)積水排至圍堰下游河道，沿老河道底口邊線開挖縱向集水溝，將河道內(nèi)積水匯集到下游圍堰前。在圍堰上游開挖集水坑，用污水泵將積水排到圍堰下游。河道底部淤積物需進(jìn)行固廢檢測，根據(jù)鑒定結(jié)果確定淤積物處置方式。灘地內(nèi)淤積物經(jīng)晾曬脫水，現(xiàn)場設(shè)置干化場地，干化后采用密封良好的運輸車將淤積物清運至有資質(zhì)的單位，委托進(jìn)行處置。

5 結(jié)論

（1）馬鞍山市筆架山礦區(qū)下游東方紅水系水質(zhì)呈酸性，含有Al、Mg等離子，支流水（近中性）匯入后發(fā)生了中和反應(yīng)，提高了水體的pH值，從而使水中Al、Cu等離子發(fā)生沉淀，因而東方紅水系中出現(xiàn)大量的白色絮狀物。

（2）要徹底解決東方紅水系的污染問題，必須從源頭杜絕上游酸性水（礦區(qū)地表徑流水）流入。后續(xù)需要對水系上游進(jìn)行詳盡的勘察調(diào)研，以確定解決源頭酸性水問題的方案，提高水環(huán)境治理，早日恢復(fù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)功能。