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离子型稀土矿区残留浸矿剂在土壤中的迁移规律及对地下水的影响研究

任富天  
【摘要】:稀土元素在国家经济、战略上意义重大,随着科学技术快速发展,稀土元素的需求急剧增加,由稀土矿山开采产生的环境污染问题也引起了广泛关注。硫酸铵((NH_4)_2SO_4)原位浸矿工艺是目前离子型稀土矿开采应用最广泛的提取工艺。原位浸矿过程中大量使用高浓度的(NH_4)_2SO_4溶液作为浸矿剂,造成矿区及周边地区水土环境严重氮污染。本研究选择赣南足洞矿区内某典型离子型稀土原位浸矿尾矿场地,通过对矿区内采矿历史概况分析,在2019年6月到7月进行未开发原矿土壤剖面和浸矿后尾矿土壤剖面采样,结合室内试验分析、浸矿剂迁移转化试验土柱模拟和回归方程拟合预测,系统分析尾矿土壤中铵态氮的富集分布特征及其可能的影响因素;揭示铵态氮的垂向运移机制,估算其垂向迁移速率;描绘铵态氮析出和运移的分布图,阐明铵态氮缓慢释放对地下水污染的影响,为离子型稀土尾矿场地的治理提供理论指导。主要结论如下:(1)采矿活动结束多年后,尾矿深层土壤剖面理化性质仍未得到明显改善。研究结果表明,矿山土壤酸化严重,主要表现在p H_(未开矿土壤)=5.73p H_(矿区下游土壤)=4.87p H_(淋洗中尾矿土壤)=4.63p H_(尾矿土壤)=3.87;铵态氮在深层土壤剖面富集,尾矿土壤中铵态氮残留量在60~204.3 mg·kg~(-1),是未开矿土壤铵态氮浓度的12倍~40倍,具有潜在生态风险,同时土壤p H和含水率会显著影响土壤中铵态氮的吸附和解吸附过程;通过实验探究发现尾矿土壤中残留铵态氮不同形态间的比例:水溶态铵(60%)可交换态铵(35%)固定态铵(5%)。(2)揭示了不同降雨量对应的淋洗水量条件下铵态氮沿土壤剖面的时空分布特征,估算其迁移速率。不同降雨量条件下,随着淋洗时间的推移,各土层铵态氮浓度呈现出下降趋势,体系内铵态氮总含量发生不同程度的淋溶损失。汛期,年均降雨量和枯水期降雨量条件下,体系内铵态氮平均含量分别减少了537 mg·L~(-1),338 mg·L~(-1),231 mg·L~(-1),总淋洗效率依次为63.7%,54.8%,31.0%;淋洗过程按照时间尺度可划分为浸出液浓度快速增加阶段(第21天前)和浸出液浓度缓慢增加阶段(第21天-第60天);淋洗过程按照空间尺度可以将土壤剖面划分为五层:完全淋洗带(0-20 cm),有效淋洗带(20-60 cm),过渡淋洗带(60-100 cm),二次吸附带(100-150 cm),未淋洗带(150-200 cm)。(3)拟合并预测了铵态氮沿土壤剖面运移过程,定量分析了不同降雨量条件下铵态氮缓慢释放对地下水污染的影响。铵态氮浓度变化趋势与淋洗水量间的最优拟合关系为三次函数,R~20.85;不同降雨量对应的淋洗水量条件下,土壤剖面铵态氮完全释放所需的淋洗总水量不同,向地下水中排放铵态氮的总量亦不同,汛期土壤中铵态氮完全释放时间为140天,淋洗总水量34.02 L,进入地下水中铵态氮总量为16.28 g;年均降雨量条件下,土壤中铵态氮完全释放时间为196天,淋洗总水量27.20L,进入地下水中铵态氮总量为16.73 g;枯水期土壤中铵态氮完全释放时间为236天,淋洗总水量16.73 L,进入地下水中铵态氮总量为10.02 g。


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