大腳嶺鉛鋅尾礦庫重金屬遷移規律與污染評價

周科平，林允，胡建華，何川，高峰

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大腳嶺鉛鋅尾礦庫重金屬遷移規律與污染評價

周科平，林允，胡建華，何川，高峰

(中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙，410083)

為了保護東江湖的水質生態，以湖區大腳嶺鉛鋅尾礦庫為對象，采用工程取樣、熒光成分分析技術對重金屬遷移規律、遷移機理及污染特征進行分析與評價。研究結果表明：尾礦庫復墾區、尾砂層和深部區的重金屬元素質量分數均超過國家背景值，重金屬污染表現為從上游到下游以及從復墾區到深部區污染程度逐漸變大的趨勢；尾礦庫重金屬遷移機理主要是土壤的吸附作用和雨水的淋濾作用；尾礦庫復墾區、尾砂層和深部區的重金屬綜合污染等級達到了五級，屬于重度污染，因此，應針對重金屬遷移規律和機理及時采取措施對該尾礦庫進行無害化處理。

尾礦庫；重金屬污染；遷移規律；遷移機理；淋濾；吸附

資源與環境是人類賴以生存和發展的基本條件[1]。金屬礦山尾礦庫是亟待開發利用的土地資源，同時也是潛在的環境污染源，如何有效防治重金屬對土壤和水體的污染是目前國際上普遍關注的問題[2?3]。自20世紀70年代以來，有色金屬的生產和污染治理技術一直是多學科研究的活躍領域，其中，尾礦庫周圍土壤的重金屬污染及治理技術的研究較多[4?10]。王國賢等[5]通過對內蒙古東部污灌區的分析認為重金屬在土壤中的遷移是隨著土層厚度增加而減弱的。張明亮等[6?7]分析發現：在尾礦庫周圍土壤中重金屬元素的質量分數隨土層加深而減少，土壤對重金屬元素表現出吸附和淋濾作用。重金屬元素在土層積累的狀況是由重金屬本身的質量分數、遷移性和土壤自然環境等因素共同決定的。韓雪冰等[8]通過對石墨尾礦庫和周圍土壤的重金屬污染分析發現：下層土壤的污染程度高于上層，且不同重金屬的遷移能力存在差異。目前，針對尾礦庫這一污染源的相關研究還較少。大腳嶺鉛鋅尾礦庫距東江湖僅有2.5 km，對東江湖的生態環境構成嚴重威脅，因此，研究該尾礦庫的重金屬質量分數變化情況和遷移特征及規律對尾礦庫的生態恢復和東江湖的污染治理具有重要意義。本文作者以湖南資興大腳嶺鉛鋅尾礦庫為研究對象，分析尾礦庫內的重金屬遷移規律、遷移機理及污染特征。

1 工程概況

大腳嶺鉛鋅尾礦庫位于湖南省資興市清江鎮，地處東江湖上游，其東側有河流經過，該河流在距尾礦庫下游2.5 km處匯入東江湖。尾礦庫現已廢棄，庫內無積水，其下部為尾砂，上部復墾，并生長許多雜草。

1.1 樣品采集

應用洛陽鏟采樣。設3個采樣點：1號點和2號點位于尾礦庫下游，且1號點位于尾礦庫東側，靠近河流；2號點在尾礦庫中部；3號點位于尾礦庫上游。3個采樣點位置示意圖見圖1。其中，1號點和2號點取樣深度為4.0 m，0~60 cm為復墾區，60 cm處為復墾土與尾砂的交界面，60~250 cm 為尾砂層，250~400 cm為深部區；3號點的取樣深度為1.6 m，0~60 cm為復墾區，60 cm處為復墾土與尾砂的交界面，60~130 cm為尾砂層，130~160 cm為深部區。

圖1 采樣點示意圖

1.2 重元素分析

將采集回來的尾礦砂和表層土壤樣品在實驗室內常溫風干，并將風干后的樣品碾碎，通過1 mm孔徑尼龍篩，以除去砂礫和生物殘體。采用X線熒光(XRF)測試法[11]測試樣品的重金屬元素鉛(Pb)、銅(Cu)、鋅(Zn)、砷(As)的質量分數。

2 結果分析

2.1 測試結果

根據對采集的尾礦庫樣品的測試分析，對不同深度Pb，Cu，Zn和As這4種重金屬元素進行測試分 析，其質量分數見表1。土壤重金屬質量分數背景值采用中華人民共和國國家標準之土壤環境質量標準 (GB 15618—1995)中二類標準值[12]。

表1 重金屬元素質量分數

2.2 遷移規律

研究尾礦庫重金屬遷移規律是重金屬污染無害化處理的關鍵[13]。根據對所采集樣品中重金屬質量分數的測試，經origin8軟件統計分析，得出尾礦庫各采樣點中4種重金屬元素的質量分數隨深度變化的曲線如圖2所示。

(a) Pb; (b) Zn; (c) As; (d) Cu

綜合對比分析測試數據和各采樣點重金屬元素質量分數的變化曲線圖，得出重金屬遷移規律如下：

1) 空間分布。在各采樣點垂向上，從復墾表土到復墾土與尾砂交界面，重金屬元素的質量分數隨深度增加而增加，并在交界面處出現富集現象；在尾砂層，重金屬元素的質量分數隨深度增加而減少；在深部區，1號點重金屬元素的質量分數隨深度的增加而增加，2號點重金屬元素的質量分數隨深度的增加而減少。在垂向的遷移規律總體表現為重金屬元素質量分數隨深度增加而減少。對比3個點可以發現：在相同土層中，位于上游的3號點中的重金屬元素質量分數比下游的1和2號點的低，表明重金屬元素有從上游向下游遷移的趨勢。

2) 時間分布。尾礦庫中深部區尾砂堆積時間比尾砂層的長。由3個點重金屬元素質量分數從尾砂層到深部區逐漸減少的趨勢表明：重金屬元素的質量分數與尾砂堆積時間呈負相關。

3) 離子分布。樣品檢測分析結果表明：尾礦庫中的4種重金屬元素表現出的價鍵分別為Pb2+，Zn2+，Cu2+和As3+，它們與土壤中的負離子結合成為化合物或被吸附固定或溶于水而遷移。其中，Cu元素主要是以有機絡合物的形式存在，遷移活性低，易出現富集現象[14]。

2.3 遷移機理

尾礦庫重金屬元素的遷移機理主要包括雨水淋濾作用與地下水徑流作用以及土壤吸附作用，其中土壤吸附作用又包括毛細吸附作用、生物化學吸附作用和物理吸附作用。

1) 雨水淋濾作用和地下水徑流作用主要包括2個方面：一是以離子鍵形式存在的重金屬元素在水介質作用下發生水解反應而溶于水[15]，并隨雨水和地下水遷移；二是雨水通過影響土壤的pH[16]來改變重金屬元素的遷移能力，一般pH越小(即酸性越強)，重金屬元素的遷移能力越大。郴州地處南方，酸雨較多，雨水降低了土壤的pH，使得尾礦庫中的重金屬元素遷移活性增加。

2) 毛細吸附作用主要是植物根系及土壤中多孔顆粒對重金屬元素的吸附。植物的生長需要從土壤中吸收水分和營養元素，尾砂層中重金屬元素發生水解作用而溶于水，進而被植物根系所吸收；在重金屬元素向植物根系遷移的過程中，土壤多孔顆粒對重金屬元素的動力吸附作用使得部分重金屬元素被固定而沉淀下來，因而，復墾區的重金屬元素質量分數會超標且在交界面處出現富集現象。

3) 生物化學吸附作用。重金屬元素被土壤中的微生物吸收并轉變為有機體而固定下來。主要過程是以離子態存在的重金屬元素被OH?，CO32?和SO42?等離子結合為化合物而沉淀或固定[17?18]，從而導致重金屬元素的遷移能力發生改變。

4) 物理吸附作用。土壤中存在許多有機質、鐵鋁等的水合氧化物以及碳酸鹽等對重金屬元素有一定的吸附固定作用，而且各組分存在復雜的相互作用，尤其是鐵氧化物發生化學反應后會形成各種膠體和黏性物質，對重金屬元素有吸附作用，從而改變重金屬的遷移能力。

由此可以預測：在未來一段時間內，尾礦庫上游重金屬質量分數會持續下降，復墾區重金屬元素質量分數會因毛細吸附作用而增加；在雨水淋濾和地下水徑流作用下，尾砂層和尾礦庫中心點深部區的重金屬元素質量分數會有所減少，靠近河流的點深部區質量分數會有所增加。

3 重金屬污染評價

3.1 評價標準

重金屬污染采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法進行分析評價[19]。

單因子指數法是目前國內普遍的方法之一，是評價土壤、土壤環境質量等級所用的一種相對的量綱一的指數，能全面反映各污染的污染程度，其計算公式為：

P=C/S(1)

內梅羅綜合污染指數法兼顧了單因子污染指數的平均值和最大值，突出污染較重的重金屬污染物的作用，其計算公式為：

z={[(C/S)2max+(C/S)2ave]/2}1/2(2)

式中：P為尾礦庫中污染物的單因子污染指數；C為污染物的實測質量分數(mg/kg)；S為尾礦庫中污染物的背景值(mg/kg)；z為內梅羅綜合污染指數；(C/S)max為尾礦庫污染指數中的最大值；(C/S)ave為尾礦庫污染指數的平均值。

重金屬污染程度分級標準[8]見表2。

表2 重金屬污染等級劃分標準

3.2 重金屬污染評價分級

尾礦庫重金屬污染程度采用單因子指數法和內梅羅綜合污染指數法來進行評價，不同深度重金屬元素單因子污染指數和內梅羅綜合污染指數如表3所示。

表3 重金屬污染指數

由表3可知：在尾礦庫復墾區、尾砂層和深部區，Pb，Cu，Zn和As這4種重金屬元素的單因子污染指數均大于1.00，且不同深度重金屬元素的內梅羅綜合污染指數都大于3.00，表明尾礦庫重金屬污染上下都有發展且綜合污染等級達到5級，已造成嚴重污染。對比分析各采樣點中4種重金屬元素的單因子污染指數可知：在復墾區，4種重金屬元素的污染程度由高到低依次為Zn，As，Pb，Cu；在尾砂層中，4種重金屬的污染程度由高到低分別為Pb，Zn，As，Cu；在深部區，4種重金屬元素的污染程度由高到低分別為Zn，Pb，As，Cu。

根據表3中尾礦庫復墾區、尾砂層和深部區的內梅羅綜合污染指數得到3點不同深度重金屬元素的內梅羅綜合污染指數的變化趨勢，如圖3所示。

1—樣品1；2—樣品2；3—樣品3

由圖3可知：污染程度由大到小依次為復墾土與尾砂交界面、尾砂層、深部區、復墾表土區。

3.3 工程措施建議

通過對尾礦庫復墾區、尾砂層和深部區的重金屬污染定性與定量分析可知，大腳嶺鉛鋅尾礦庫重金屬元素質量分數嚴重超標，污染情況十分嚴重，嚴重威脅東江湖區生態環境安全，應及時采取治理措施。針對尾礦庫重金屬污染特征和遷移規律，建議采取以下措施進行治理：1) 栽種對重金屬吸收作用較強的植物，考慮到重金屬易在植物內富集，宜栽種建材和風景林木等非人食性的植物[20]以達到控制雨水淋濾與徑流作用、固化表層的目的；2) 在尾礦庫下游構筑防滲墻，阻止庫內重金屬元素隨地下水和河流進入東江湖。重金屬元素已遷移到尾礦庫下游深部區4 m處，因此，防滲墻深度應大于4 m。

4 結論

1) 重金屬元素呈現出沿徑流方向從西向東、從上游向下游、從尾砂層向深部區遷移的趨勢，并且影響到東江湖的重金屬污染，對東江湖區的生態環境構成極大的威脅。

2) 尾礦庫重金屬元素的遷移主要是受重金屬元素的遷移性、雨水的淋濾作用、地下水的徑流作用和土壤吸附作用的共同影響。

3) 尾礦庫復墾區、尾砂層和深部區的Pb，Zn，As，Cu這4種重金屬元素的質量分數均超過國家土壤重金屬質量分數的背景值，重金屬綜合污染等級達到五級，污染十分嚴重，污染程度高低依次為復墾區與尾砂交界面、尾砂層、深部區、復墾區。

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Migration disciplinarian and pollution assessment of heavy metal of Dajiaoling tailings reservoir of lead and zinc

ZHOU Keping, LIN Yun, HU Jianhua, HE Chuan, GAO Feng

(School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

To protect the water quality and environmental ecology, taking Dajiaoling lead-zinc tailings reservoir in lake ridge as an object, the heavy metal migration patterns, the migration mechanism and pollution characteristics were analyzed and evaluated using engineering sampling and fluorescent composition analysis technology. The results show that the mass fraction of heavy metal element in reclamation area, backfilling materials and deep layer of tailings reservoir is more than the background value of countries. Heavy metal pollution gradually expands from upstream to downstream and from reclamation area to the deep area. Heavy metal migration mechanism of the tailings reservoir is mainly the adsorption effect of soil and the leaching effect of the rain. The comprehensive pollution levels of heavy metals in reclamation area, backfilling materials and deep layer in the tailings reservoir reach grade 5, which belongs to high levels of pollution. Therefore, it is necessary to take measures on heavy metal migration disciplinarian and mechanism timely to makethe tailing reservoir harmless.

tailings reservoir; heavy metal pollution; migration disciplinarian; migration mechanism; leaching; absorption

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.05.051

X705

A

1672?7207(2015)05?1953?06

2014?05?10；

2014?08?26

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2012BAC09B02)；國家自然科學基金資助項目(51204205)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2013zzts261) (Project(2012BAC09B02) supported by the National Science and Technology Pillar Program during the “Five-year” Plan Period; Project(51204205) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2013zzts261) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

胡建華，博士，副教授，從事高效安全采礦與巖土工程穩定性分析的研究；E-mail: hujh21@csu.edu.cn

(編輯 趙俊)