尾礦污染地下水管控修復技術(shù)與實例分析

韓 偉，石元帥，馬 超，王健奇，王玉晶，范書凱

（1. 生態(tài)環(huán)境部 固體廢物與化學品管理技術(shù)中心，北京 100029；2. 內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014010；3. 包鋼集團 節(jié)能環(huán)保中心，內(nèi)蒙古 包頭 014010；4. 礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

地下水是我國重要的飲用水源和戰(zhàn)略資源。地下水污染防治是深入打好污染防治攻堅戰(zhàn)的重要組成部分，是生態(tài)文明建設(shè)的重要內(nèi)容。鑒于地下水資源的重要性，近三年來國家陸續(xù)發(fā)布了新的地下水污染防治相關(guān)政策，尾礦庫是重點監(jiān)管場所?！兜叵滤芾項l例》指出，尾礦庫運營、管理單位承擔保護地下水責任，防止污染地下水［1］?！丁笆奈濉蓖寥?、地下水和農(nóng)村生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》強調(diào)，應(yīng)加強污染源頭預防、風險管控與修復，開展尾礦庫地下水污染調(diào)查評估［2］。根據(jù)《環(huán)境監(jiān)管重點單位名錄管理辦法》，環(huán)境監(jiān)管等級為一級和二級的尾礦庫為地下水污染防治重點關(guān)注對象［3］。針對尾礦庫的環(huán)境監(jiān)管，近年來生態(tài)環(huán)境部陸續(xù)發(fā)布了一些政策文件，如：《尾礦庫環(huán)境監(jiān)管分類分級技術(shù)規(guī)程（試行）》（2021年12月29日），《尾礦污染環(huán)境防治管理辦法》（2022年4月6日），《尾礦庫污染隱患排查治理工作指南（試行）》（2022年5月20日）。以上文件體現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)管部門對尾礦環(huán)境污染防治工作的高度重視。

2021年，我國產(chǎn)生大宗工業(yè)固體廢物約4.038 Gt，其中尾礦1.419 Gt，是產(chǎn)生量最大的工業(yè)固體廢物［4］。我國擁有上萬座尾礦庫，呈現(xiàn)出勢能高、尾礦量大、組分復雜、環(huán)境風險高、監(jiān)管難度大的特點，目前環(huán)境風險相對較高的占三分之一，尾礦庫造成環(huán)境污染的事件時有發(fā)生［5-11］。濕法入庫是主要的尾礦排放方式，尾礦庫中水的來源包括尾砂水、雨雪水、泉涌水等，尾礦庫中水的去向主要包括回用、蒸發(fā)、無組織的地下滲濾以及有組織的地表外排。尾礦對地下水的污染具有長期性、隱蔽性、滯后性、累積性等特點，對尾礦污染地下水的修復治理是一項復雜工程，具有很大的挑戰(zhàn)性。選擇合理的管控與修復技術(shù)，對于消除尾礦庫地下水污染或?qū)⑽廴境潭冉档阶畹椭陵P(guān)重要。

本文分析了尾礦污染地下水的成因與特征，梳理了其管控修復技術(shù)，總結(jié)了不同技術(shù)的特點及適用場景，介紹了典型的技術(shù)應(yīng)用案例，并展望了未來的技術(shù)發(fā)展方向，以期為尾礦庫地下水污染的風險管控和修復提供參考。

1 尾礦污染地下水的成因與特征

采礦選礦是引起重金屬污染的重要人為活動，同時產(chǎn)生大量的尾礦。當尾礦庫發(fā)生突發(fā)泄漏或持續(xù)滲漏時，尾礦中的重金屬、選礦藥劑等有毒有害成分會隨著廢水、滲濾液等發(fā)生環(huán)境遷移，對周邊土壤、地下水和地表水造成持續(xù)污染［12-15］。尾礦污染地下水的成因與特征主要包括以下幾個方面。

1）尾礦庫選址不合理。由于部分尾礦庫建設(shè)年代早，設(shè)計建設(shè)時環(huán)境標準滯后，造成選址不合理，威脅下游居民人身安全，同時嚴重影響下游環(huán)境質(zhì)量。水文地質(zhì)條件不滿足有效阻隔要求等原因造成庫內(nèi)污染物泄漏，如斷層、溶洞、巖石縫隙發(fā)育等［16］。在我國南方地區(qū)，庫區(qū)巖體破碎，裂隙發(fā)育，外圍有溶洞，巖體出現(xiàn)不同程度的溶蝕現(xiàn)象及溶蝕裂隙，節(jié)理裂隙與溶洞聯(lián)通形成滲漏通道，導致尾礦水順溶洞流出。例如湖北大冶銅礦尾礦庫，早期選址建設(shè)［8］，周邊環(huán)境敏感點較多。

2）尾礦庫建設(shè)標準低，污染防控設(shè)施不完善。早期建設(shè)的尾礦庫由于防滲要求低甚至無防滲措施，滲濾液蓄水池、回水裝置等設(shè)施不健全，缺乏水處理系統(tǒng)等原因，造成一大批“老舊庫”和“病危庫”，對周邊環(huán)境帶來較大風險。甘肅某金礦尾礦庫下游地下水中砷、鉛和氰化物分別超標8.23倍、1.70倍和10.48倍，經(jīng)研究證實主要是尾礦庫滲濾液滲漏污染下游地下水所致［17］。

3）歷史遺留尾礦庫絕大多數(shù)資料缺失，責任主體缺乏維護治理能力。據(jù)報道，某尾礦庫停用12 a仍未閉庫，導致下游地下水pH為5.5［18］。黔西南某黃金礦已停用尾礦庫未做防滲，堆存含氰尾渣約2 180 km3，對周邊環(huán)境質(zhì)量構(gòu)成嚴重威脅［18］。

4）尾礦庫防滲截滲設(shè)施年久失修，局部區(qū)域防滲失效。目前我國缺乏對尾礦庫防滲土工膜滲漏的監(jiān)測資料，但有研究表明，使用類似防滲材料的生活垃圾填埋場的破損孔洞滲漏量高達9 936 m3/a［19］。防滲膜底部結(jié)構(gòu)環(huán)境不均，尤其是庫區(qū)拐角陡坡處，隨著尾礦抬高，沿階梯狀邊坡坡面土工膜的垂向拉力增大，易致其拉裂破損［11］，與土工膜老化以及下伏巖溶裂隙富水等諸多因素疊加，常導致較大泄漏事故發(fā)生。

5）尾礦庫安全事故導致突發(fā)環(huán)境污染事件。滲透破壞、壩體垮塌、排洪溢洪系統(tǒng)故障是我國尾礦庫突發(fā)環(huán)境污染事件的主要誘發(fā)因素，次要因素包括管道破裂、回水系統(tǒng)故障、初期壩管涌、尾礦庫底部穿透等［5，11，16］。2020年黑龍江伊春鹿鳴礦業(yè)有限公司尾礦庫發(fā)生泄漏，2 500 km3尾礦水進入下游環(huán)境，造成伊春市、綏化市境內(nèi)部分河段被污染，鉬濃度最高超標80倍［9］。2015年甘肅隴南某銻礦尾礦庫排水井拱板脫落、2016年河南欒川縣龍宇鉬業(yè)有限公司尾礦庫溢流井坍塌等安全事故均引發(fā)次生環(huán)境污染，甚至造成跨省界污染，威脅飲水安全［20-23］。泰國某鉛鋅礦尾礦庫發(fā)生潰壩事件15 a后，周邊地下水中的鉛質(zhì)量濃度仍高達0.23 mg/L［24］。

6）不同尾礦特征污染物差異大，地下水重金屬污染問題突出。據(jù)文獻調(diào)研，有色金屬礦尾礦庫地下水污染風險突出，特征污染物主要為重金屬、pH、氰化物和硫酸鹽，其中砷和鉛是超標頻次最高的污染物。不同類型礦種的尾礦地下水特征污染物呈現(xiàn)明顯差異性，其中鉛鋅礦尾礦污染地下水的特征污染物為砷、鋅、鉛等，稀土礦尾礦污染地下水的特征污染物為硫酸鹽，金礦尾礦污染地下水特征污染物為氰化物等。典型尾礦污染地下水的特征污染物見表1。

表1 典型尾礦污染地下水的特征污染物 質(zhì)量濃度，mg/L

2 管控修復技術(shù)的類型與特點

尾礦庫造成的地下水污染的治理是一項系統(tǒng)工程。根據(jù)滲漏液的徑流途徑以及污染范圍和強度，通?？刹扇嘣刺幚?、徑流截斷、末端治理等手段。常用的風險管控和治理修復技術(shù)包括堵漏防滲、截滲疏排、垂直阻隔、可滲透反應(yīng)墻、抽出處理、制度控制等。“堵、截、隔、治”等組合聯(lián)用是治理尾礦污染地下水的重要方法，尾礦污染地下水管控修復技術(shù)的類型與特點見表2。

表2 尾礦污染地下水管控修復技術(shù)的類型與特點

2.1 阻隔防滲

阻隔防滲包括垂直阻隔防滲與水平阻隔防滲。垂直帷幕是阻止尾礦污染地下水向下游擴散的有效方式［33］，帷幕灌漿能有效切斷庫區(qū)巖體節(jié)理裂隙與溶洞聯(lián)通的滲漏通道［34］。尾礦庫垂直防滲系統(tǒng)是垂直設(shè)置的，可控制庫區(qū)內(nèi)地下水的自然排泄和流入，使庫區(qū)形成一個完整的相對獨立的水文地質(zhì)單元［35-37］，可隔斷水平流向的地下水流，阻止污染物向四周擴散。目前，我國仍有大量早期建設(shè)的缺乏防滲設(shè)施的尾礦庫在使用，此類尾礦庫重做防滲不現(xiàn)實。根據(jù)場地特征結(jié)合水文地質(zhì)條件，可在尾礦壩下游設(shè)置阻隔墻，防止受污染的地下水進一步擴散。疏排措施往往與垂直阻隔防滲工程聯(lián)用，地下水收集導排系統(tǒng)往往在阻隔工程上游，包含截滲溝、集水井、排水泵等。水平阻隔防滲是指在尾礦堆填體之上鋪設(shè)水平阻隔層（例如土工膜或天然黏土等），阻斷外界水體進入場地，防止尾礦中的污染物通過淋濾途徑向周邊環(huán)境遷移擴散。對于歷史遺留尾礦庫，以封場覆蓋形式設(shè)置的水平阻隔是消除其環(huán)境風險的有效處理方式［36］。

2.2 可滲透反應(yīng)墻

可滲透反應(yīng)墻通過在受污染地下水流經(jīng)的途徑上建造由反應(yīng)介質(zhì)組成的反應(yīng)格柵，利用反應(yīng)介質(zhì)的吸附、沉淀、氧化還原、生物降解等作用去除地下水中的污染物，常見的可滲透反應(yīng)墻類型有連續(xù)反應(yīng)格柵、漏斗-導水門和注入式反應(yīng)帶［37-38］。我國的尾礦庫以山谷型居多，相比平地型，更適合選用可滲透反應(yīng)墻修復技術(shù)?？蓾B透反應(yīng)墻類型、位置和尺寸的選取、地下水數(shù)值模擬、反應(yīng)格柵厚度設(shè)計和地球化學特征評估是確保該技術(shù)成功應(yīng)用的關(guān)鍵，而系統(tǒng)堵塞及材料失活是該技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)。

2.3 抽出處理

抽出處理技術(shù)是在尾礦庫下游建設(shè)成組的地下水井，通過泵將受污染的地下水抽提至地面后進行處理，達標后外排或回灌［29］。抽提會減少污水量，改變地下水流場，避免污染范圍擴大。抽出處理的弊端是修復時間長，如美國1977年開始對某鈾礦尾礦庫附近污染的地下水進行抽出處理修復，20 a后才能達到修復目標［39］。

3 尾礦污染地下水修復案例

結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有尾礦地下水污染修復案例，梳理了典型修復技術(shù)的實際應(yīng)用方法和成效，包括水平阻隔、制度控制、垂直阻隔、抽出處理、可滲透反應(yīng)墻及以上相關(guān)技術(shù)的聯(lián)合運用等，以期為類似項目的實施提供參考。

3.1 水平阻隔+制度控制應(yīng)用

美國某歷史遺留銅礦礦山及尾礦庫地下水（主要被重金屬污染）修復項目中，采用了風險管控措施［29，40-41］。該項目涉及2個尾礦庫，尾礦庫下墊面為礫石、砂等，含水層厚度為0.3～0.9 m。地下水特征污染物為砷、鋇和鎘，尾礦中含有大量硫化物，還涉及酸性廢水。項目采取的措施為水平阻隔和制度控制，具體為在尾礦庫周邊設(shè)置導流溝，防止未受污染的水接觸硫化物，收集尾礦庫滲流；建設(shè)由土壤、植被層、排水層、一級屏障及二級屏障（土工膜及土工合成黏土襯墊等）組成的滲透屏障覆蓋系統(tǒng)，防止水和氧氣接觸尾礦，從而將尾礦庫坡腳處滲流產(chǎn)生的酸性廢水降至最少，同時建設(shè)水處理系統(tǒng)。該項目通過在尾礦庫上覆蓋水平防滲層，從源頭上減少酸性污染水的產(chǎn)生，并阻斷其進入地下水的途徑。

3.2 垂直阻隔+抽出處理應(yīng)用

下游阻隔、壩下攔截、滲濾液收集處理往往是無防滲或透水型壩控制環(huán)境風險的方式［33，42］。我國西北地區(qū)運行了40余年的某大型尾礦庫，尾礦堆放量約為0.3 Gt，尾礦庫無防滲功能，周邊地下水中氟化物質(zhì)量濃度常高于1 mg/L，超過地下水質(zhì)量Ⅲ類標準［32］。通過方案比選，在尾礦庫下游建設(shè)了一道鋼筋砼防滲墻對地下水進行阻隔，阻隔材料為C30水泥混凝土，墻厚為800 mm，墻體深度至未風化層基巖。被截留的尾礦污染地下水經(jīng)處理后由泵輸送返回至尾礦庫內(nèi)，實現(xiàn)了“零排放”，尾礦庫下游100～500 m范圍內(nèi)無滲流或繞流現(xiàn)象，阻隔墻下游1 600～3 110 m處地下水氟化物質(zhì)量濃度（0.4～0.5 mg/L）明顯低于尾礦庫上游地下水（0.9 mg/L），且符合地下水質(zhì)量Ⅲ類標準。阻隔墻的設(shè)置有效阻止了尾礦廢水的泄漏擴散風險［40］。

3.3 可滲透反應(yīng)墻應(yīng)用

英國希爾伯特矸石堆場地是矸石堆滲濾液嚴重污染場地，地下水中的特征污染物主要為pH、硫酸鹽、鐵、錳和鋁。在堆場下游設(shè)置可滲透反應(yīng)墻（長寬深分別為180 m、2 m和3 m），填料主要為石灰石碎石、高爐爐渣、有機堆肥等，石灰石與有機質(zhì)相結(jié)合，微生物的呼吸作用迅速消耗溶解氧營造了缺氧條件，促進了異化硫酸鹽還原過程，產(chǎn)生的還原性硫化物可與亞鐵反應(yīng)生成金屬硫化物沉淀。被攔截的堆場滲濾液經(jīng)過可滲透反應(yīng)墻處理后變?yōu)閴A性溶液，酸濃度降低了80%，鐵和鋁的濃度減少了90%［43-44］。

我國某稀土礦尾礦庫的地下水特征污染物為硫酸鹽，淺層地下水中質(zhì)量濃度高達2 757 mg/L，深層地下水中高達4 444 mg/L。采取注入式可滲透反應(yīng)墻對地下水進行修復，并在示范反應(yīng)區(qū)兩側(cè)設(shè)置止水帷幕，所使用吸附填料為沸石、活性炭和陰離子交換樹脂，可滲透反應(yīng)墻注入井設(shè)計深度為10～11 m。修復3個月后，硫酸鹽的平均去除率為70%，最大去除率為81%，最低質(zhì)量濃度為111 mg/L，修復區(qū)內(nèi)18口監(jiān)測井中13口的硫酸鹽濃度達到了修復目標值［29］。此外，有學者運用可滲透反應(yīng)墻技術(shù)對某鈾礦尾礦污染地下水進行修復，反應(yīng)墻設(shè)在壩體外側(cè)，填料為石灰和砂子的混合物，墻體深度為3 m。實踐證明，該工藝使?jié)B水pH變?yōu)橹行苑秶沂節(jié)B水中鈾的質(zhì)量濃度從12.2 mg/L降至0.003 mg/L以下［45］。

4 結(jié)語與展望

a）尾礦庫種類多、物料組分及區(qū)域分布較為復雜，環(huán)境風險突出，尤其是早期建設(shè)的無防滲尾礦庫對地下水環(huán)境安全構(gòu)成嚴重威脅。常用的尾礦庫地下水污染管控修復措施包括封堵補漏、截滲處理、垂直阻隔、抽出處理、可滲透反應(yīng)墻、制度控制等。

b）不同礦種尾礦的特征污染物類型差異極大。尾礦庫地下水污染治理是一項系統(tǒng)性工程，需結(jié)合具體的污染成因、尾礦類型、污染特征、水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等諸多因素制定合理的修復和管控措施，實現(xiàn)“一庫一策”。污染事件發(fā)生后需采取工程措施、制度控制、長期監(jiān)測等聯(lián)合處理手段。

c）要做好尾礦庫造成地下水污染的防范與治理工作。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件，加強示范工程建設(shè)，多積累經(jīng)驗，總結(jié)不足，為類似污染場地治理提供經(jīng)驗和指導；同時，建立修復技術(shù)指南、技術(shù)評價體系，指導管控與修復技術(shù)的選擇和推廣。