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海南石碌铁矿矿区环境地球化学及环境治理研究

廖香俊  
【摘要】: 矿产开发活动及其废弃物的排放带来了一系列影响深远的环境问题,矿业开发对环境污染的预防和治理、废弃地的生态恢复已成为全世界面临的紧迫任务之一,也是当今世界重要的科学研究课题之一。石碌铁矿是亚洲最大的富铁矿,已有70多年的开采历史,产生了大量的废弃物,2007年开始正式规模开采铜钴矿,并开展铜钴矿的加工和冶炼,矿区的环境压力越来越大,而矿区所在地就是昌江县县城,因此,矿区环境污染的防治和生态保护十分紧迫。本文以地球化学理论为指导,以岩(矿)石—尾矿—土壤—水—水系沉积物—植物—人为系统,采用地球化学、生态学等多学科协同及野外调查—实验测试—栽培试验—模拟试验—综合研究等方法,研究了矿区环境污染的历史、现状、发展趋势及其主要影响因素,研究了矿区环境污染的植物治理与化学治理方案。研究取得以下主要成果: 1、从岩石地球化学特征着手研究了矿区环境的地球化学背景。研究表明,研究区As、Cd、Cu、Hg、Cr、Pb、Zn等有害元素在侵入岩中含量一般都高于全海南岛侵入岩的背景水平,其中,中元古代花岗片麻岩中除Pb外的其他元素含量是最高的;沉积—变质岩中各元素也具有同样的分布特点,且铁矿体、铜钴矿体围岩石碌群中As、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Fe的含量最高。对于矿山开采活动的主体——铁矿石和铜钴矿石而言,铁矿石中除Fe外其他元素含量一般较低,但其围岩中Hg、Ni等元素的含量高;铜钴矿石中除Cu、Co元素外,As、Cd、Hg、Ni、Pb、Zn的含量也很高。因此,铁矿和铜钴矿的开采,都可能带来As、Cd、Hg、Ni、Pb、Zn、Mn等伴生元素以及成矿元素Cu、Co、Fe对环境的影响。 2、对矿区土壤、尾矿、水系沉积物、水、植物等各环境介质的环境地球化学进行了研究。 (1)从海南岛全区土壤到研究区内区域性土壤、与矿山开采影响密切关联的局部土壤、尾矿库区上游土壤、尾矿库区下游土壤,有害元素含量逐步升高,特别是尾矿库区下、上游土壤中元素含量比值明显大于1,说明尾矿是影响其下游土壤有害元素含量的源头。结合表层土壤的富集因子进行的研究区内区域土壤有害元素地球化学异常的解释,表明其成因大多为人为作用即矿山开采所致。 (2)研究区内的各期尾矿库的尾矿和排土场废石中有害元素含量较高,铜钻尾矿中有害元素的含量高于铁矿尾矿。尾矿中最稳定的元素是Cr,有机结合态是尾矿中较常见的有害元素的赋存形式;各期尾矿库表层的有害元素有效态一般高于深层;铜钴尾矿中大部分有害元素的有效态含量及潜在活动性比铁矿尾矿更高。 (3)矿区内上世纪八十年代和当今水系沉积物有害元素特征研究表明,近20年来水系沉积物中有害元素均呈增加态势。对比八十年代与当今两个时间点的有害元素含量,可知尾矿库和铁矿排土场等对水系沉积物中有害元素的改变存在一定时间的延迟,这种延迟也正是尾矿库地球化学演化过程的真实写照。 (4)研究区内地表水在迳流过程中与河床的岩石、土壤、水系沉积物等发生物理、化学、生物及吸附等作用,岩石、水系沉积物、土壤中某些元素如铁、锰及重金属等被水溶解进入水中,使水中元素含量增加,石碌河矿区段河水的铁、锰元素普遍偏高,尤其是与Fe1铁矿尾矿库及铜钴矿尾矿库(Cu-Co2)相连的支流更高,这与尾矿库淋滤水、复杂的区域水岩交换有关。研究区地下水中铁、锰元素含量总体偏高,在矿区尾矿库地段,由于受尾矿渗透的影响,尾矿中铁、锰金属元素和硫化物等组分经溶解进入地下水,使地下水中重金属元素含量剧增。 (5)不同生长背景区小油菜对土壤中有害元素的吸收特性均表现为根大于叶,叶大于茎,而且各部位对土壤的地球化学性质反应灵敏,小油菜和土壤有害元素含量具有正相关特征;土壤中某些元素如Cd、Pb、Zn、Hg等更易于被小油菜吸收。 3、矿山开采、尾矿和矿山废石等改变了矿区土壤、地表水和地下水中的有害元素组成,降低了土壤和水的环境质量,并与区外土壤和水形成了鲜明的对比,最终影响到农作物的安全性。矿区土壤As、Cd、Cu、Hg、Zn等元素大多超过国家土壤环境质量1级标准,尾矿库、排土场下游土壤环境质量更差,有的元素超过3级标准。根据内梅罗指数,矿区石碌河尾矿库河段地表水属严重污染,排土场下游地表水属中度污染,明显不同于矿区外围地表水;尾矿库周围地下水属于严重污染。矿区尾矿库下游土壤中种植的小白菜受到污染,As、Cd、Hg、Pb含量超标。矿区环境质量总体较差。矿区尾矿库尾矿、排土场废石是影响矿区环境质量的主要因素。 4、对土壤的环境质量演化预测表明,研究区内因矿山开采和尾矿库等影响,矿区土壤环境质量呈总体下降趋势;石碌河整个河段河水,在今后30~35年内,其中锰、铁等元素和硫酸盐、硝酸盐等组分含量将超过生活饮用水卫生标准;矿区水系沉积物中有害元素含量也会持续增长。总之,矿区不同环境介质的环境质量将会向下降的趋势进一步演化,随着铜钴矿的规模开采和冶炼的进行,矿区面临的环境压力将越来越大。 5、为寻找尾矿治理的有效植物,开展了尾矿库区的自然植被调查。调查表明,尾矿库中自然生长的植物有40多种,其中狭叶香蒲在海南是首次发现;狭叶香蒲、水蓼、水竹、白茅、斑茅等是尾矿库中的优势植物,其中水蓼、水竹、狭叶香蒲对Fe、Mn、Cu、Pb、Zn、As、Hg等有害元素有较强的吸收能力和耐性;尾矿库区植物的种类、盖度、多样性与尾矿存放的时间及其N、P、K等养分含量关系密切,尾矿存放时间越长,N、P、K等养分含量越高,植物种类越多、盖度和多样性指数越高。 6、开展了尾矿库区自然生长的优势植物水蓼、狭叶香蒲、水竹和海南优势热带作物对有害元素的吸收性和耐性栽培试验研究,取得了重要成果。 (1)水蓼具有较好的治理尾矿中Cu、Pb、Zn、Mn的能力:水蓼对Mn具有很高的吸收能力、富集能力和耐性,对Mn的转移系数、累积系数均大于1,地上部分Mn的含量可高达13681.5mg/kg,具备了对Mn作为超积累植物的特征;水蓼吸收Mn时,对Fe、Cu、Zn等有害金属很少会发生拮抗作用。 (2)狭叶香蒲对Cu、Pb、Zn等有害金属具有较强的吸收能力和耐性,其对环境中Cu、Pb、Zn的最大耐性浓度分别为2000mg/kg、350 mg/kg、10000mg/kg,远远高于这些元素在尾矿中的含量。 (3)剑麻对Pb、Cd等有害金属具有较强的耐性和富集能力,环境中Pb、Cd分别达到15900mg/kg、1000mg/kg时,仍有较强的耐性;Pb、Cd的最高含量,剑麻地上部分别为2220.26mg/kg、2348.08mg/kg,地下部分分别为2544.78mg/kg、16620.52mg/kg,地上部分和地下部分Pb、Cd的含量都很高;尽管Pb、Cd等有害元素在剑麻中转移系数小于1,但剑麻的生物量大,对尾矿中Cu、Cd有较好的治理效果。剑麻的尾矿栽培模拟试验表明,H.11648品种吸收有害元素能力强,并能使尾矿中有害元素有效态减少,是尾矿治理的较好的剑麻品种。 7、为探讨尾矿化学方法治理的可能性,开展了模拟试验。尾矿的EDTA及盐酸淋洗模拟试验表明,在酸性或在有络合物环境中,尾矿中尤其是新尾矿中有害金属不稳定,易于从尾矿中迁出。尾矿化学治理模拟试验表明,石灰、有机肥和生物肥对老尾矿改良效果不明显,而对新尾矿具有一定的改良作用,0.1%石灰和1%的有机肥对新尾矿的改良效果最好。 8、研究区主要的污染源是尾矿库尾矿和排土场废石,其治理以植物方法为主,化学方法相配合;尾矿治理植物的选择遵循“适者生存”自然法则,以尾矿库区自然生长的优势植物为主;污染源的治理要分区域采取不同的方案。创造性提出了热带地区铁铜钴矿山环境治理的新方法。 尾矿库干燥区的治理,采用以种植剑麻为主,以适量石灰和有机肥化学治理为辅的联合协同方案,新尾矿库治理区石灰的使用量为0.1%,剑麻种植坑内有机肥的使用量为1%,剑麻的种植网度为3.6×1.2m就可达到较好的治理效果:按国家二级土壤环境质量标准,旧尾矿库Cd的修复年限为2年,铜钴尾矿库Cd的修复年限为2年,新铁矿尾矿库Cd的修复年限为4年。尾矿库种植剑麻并进行加工,每公顷尾矿库可创年产值7.29万元,经济效益明显。 尾矿库废水沼泽区的治理,主要采用植物治理方案,废水区种植狭叶香蒲,废水区与干燥区过度带种植水蓼和水竹,并让其它生物自然生长,形成人工与自然生长的植物群落。狭叶香蒲和水竹吸收有害元素后不会通过食物链传递给人或其它生物,它们还有较高的经济价值,可用于编制器具和工艺品。 排土场的治理,一是要采取工程措施,防止发生滑坡和泥石流,二是要在植树复垦的基础上,适当套种剑麻进行治理。


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