鋁土礦開采引起的錳污染分析
——以貴州××礦山為例

楊曉松，趙遠由

（貴州省有色金屬和核工業地質勘查局三總隊，貴州遵義563000）

環保督察中發現××鋁土礦山附近的地表水中錳含量嚴重超標，要求立即整改。礦山對錳超標的原因百思不得其解，原因有二：①開采的是鋁土礦，不是錳礦，且礦山附近沒有錳礦；②鋁土礦并未在現場做任何的深加工，原礦即用汽車運走，并無含錳的化學添加物。哪來的錳污染呢?礦方找到當地環保部門，環保部門也無法說清，不查清形成污染的原因，如何整改？查明污染原因成了任務。

1 貴州鋁土礦及開采概況

貴州鋁土礦資源豐富，是中國第二大鋁土礦資源基地，其鋁土礦資源量約占全國總量的17%；主要分布在修文—清鎮、凱里—黃平、遵義—甕安和正安—道真4個礦集區。鋁土礦的含礦層位主要有3個（下石炭統、上石炭統和中二疊統），含礦層位在空間分布上具有由南向北、由西向東逐漸變新的特點；下伏地層提供了成礦物質和聚礦空間；礦床類型為古風化殼再沉積型，含礦巖性均為鋁質巖，開采礦物為一水硬鋁石；礦石自然類型以土狀、碎屑狀和致密狀為主，礦石工業類型以低鐵低硫型礦石為主；4 個礦集區鋁土礦的化學組分和礦物組分相似，只是在含量上有所差別[1]。

目前貴州開采的鋁土礦埋藏淺，礦體覆蓋層主要為第四系浮土，局部為原生或半風化的鋁質泥巖。開采方式以露天開采為主，主要開采過程一般為先將上覆層剝離集中堆放，之后開采鋁土礦石。開采手段為機械開采，主要機械為挖機。運礦機械為載重汽車。在開采過程中，沒有污水排放，也沒有含錳的物源帶入。

2 鋁土礦含礦巖系特征

鋁土礦含礦巖系是指賦存鋁土礦的巖石組合單元，其通常與上覆、下伏地層的巖性區別較大。貴州鋁土礦四大礦集區含礦巖系剖面各具特色。

務川—正安—道真地區：鋁土礦含礦巖系隸屬二疊系中統梁山組（P2l），一般厚2.0～16m。含礦巖系通常分為3段：上段為深灰色薄層炭質、鈣質、鋁質頁巖；中段為含鋁（鋁土礦）巖系；下段為雜色頁巖、粘土巖，含鐵綠泥石巖。其與下伏志留系韓家店組雜色泥巖、泥砂巖、頁巖呈假整合接觸，部分區域下伏地層為石炭系上統黃龍組淺灰色、灰色厚層至塊狀中晶白云質灰巖；其上覆地層為二疊系中統棲霞組石灰巖，呈整合接觸。

貴陽地區：鋁土礦含礦巖系為石炭系下統九架爐組（C1jj），厚度變化大，一般厚20m 左右。含礦巖系常為3 段：下段含鐵礦巖系，中段含鋁土礦巖系，上段砂頁巖偶夾灰巖、泥質白云巖巖系。其與上覆石炭系下統擺佐組白云巖呈整合接觸，與下伏寒武系中—上統婁山關組（或清虛洞組）白云巖夾粘土巖呈假整合接觸。

遵義地區：鋁土礦含礦巖系為石炭系下統九架爐組（C1jj），厚度變化大，一般厚約20m，從下到上由鋁質巖、鐵鋁質粘土巖、鋁土礦層和鋁質巖或鋁質泥巖組成，下部常含硫鐵礦，局部硫含量達工業要求。其與下伏奧陶系下統桐梓組（O1t）白云巖呈假整合接觸。鋁土礦產于一套鋁質泥巖之中，與上覆二疊系中統梁山組（P2l）黑色粉砂質粘土巖、炭質泥巖亦呈假整合接觸。

凱里—黃平—福泉—甕安地區：含礦巖系為二疊系中統梁山組(P2l)。按巖性可分為3 段，上段含煤（炭質）層、中段含鋁土層、下段含鐵質層。其與下伏地層泥盆系上統高坡場組白云巖呈假整合接觸，與上覆地層二疊系中統棲霞組灰巖呈整合接觸。

總體上，鋁、鐵、硅是鋁土礦含礦巖系的主要組成成分，其次含有硫、鈦等。

3 鋁土礦的礦物及化學組成

貴州省的鋁土礦主要為一水硬鋁石型，礦石中主要礦物為一水硬鋁石，占礦物總量60%～95%，另有少量一水軟鋁石、膠鋁石，偶見三水鋁石（見表1）。其次為伊利石、蒙托石、高嶺石等，約占礦物總量1%～25%，其中以高嶺石、蒙脫石為主。再次為綠泥石、角閃石、斜長石、褐鐵礦、赤鐵礦、纖鐵礦、黃鐵礦、石英、白云石、方解石、石膏等，約占礦物總量1%～18%不等[2]。

表1 鋁土礦石礦物成份表

鋁土礦的主要化學組成為：Al2O3、SiO2、Fe2O3、S，占鋁土礦總量的80%～85%（見表2）。硫在鋁土礦及其圍巖中，主要以硫鐵礦的形式存在，其含量變化大，一般在鋁土礦中含量相對較低，但在圍巖中局部可達30%以上[3]，形成工業礦體[4]（見圖1）。

4 ××礦山情況

表2 鋁土礦調查情況表（據貴州高硫鋁土礦開發利用前景分析刪減）

在20世紀80～90年代初，礦區內有硫鐵礦開采活動，開采方式為坑采，形成的采礦廢渣就地堆放，廢渣中的硫含量很高。廢渣氧化后，經大氣降水的沖刷淋濾，呈強酸性，對地表水徑流區造成污染。

該鋁土礦埋藏淺，露天開采。其開采過程為先將地表土剝離，集中堆放于棄土場。剝露出鋁土礦后，裝載機將鋁土礦裝車運離礦山。鋁土礦在礦山停留時間不長。在鋁土礦賦存的標高之上，沒有河流、水塘等地表水體。礦山生產不用水，所以不產生工業污水。除大氣降水外，沒有其他的補給水。由于降雨，在礦山的低洼處形成積水。因礦山在山頂附近，匯水面積很有限，因此積水不多。這些積水在短時間內變為紫紅色（見圖2、圖3），之后逐漸變為紅褐色。這些水的pH值低，達1～2，酸性強，其所到之處，寸草不生。礦山為解決酸性水問題，在礦區低洼處分級挖積水池，將雨水攔存于積水池中。之后用生石灰進行中和，在pH值達到排放標準后外排。這樣的處理方法已運行數年，積水的排放對周邊的農作物、植被和水體內生物的生長沒有明顯影響。當地居民沒有異議。

在處理積水時，主要監測水的pH 值，沒有對排放水做更多的化學元素指標分析。督察組在取樣做化學分析后，發現錳超過排放標準幾十倍，要求整改。

5 礦區錳地球化學背景

據克拉克統計結果，地殼中錳的豐度值為800ppm，黎彤的統計結果，地殼中錳的豐度值為1300ppm，據遲清華等統計結果表明[5]，中國東部地區富鋁泥（頁）巖含錳245ppm，鐵鋁質泥（頁）巖含錳510ppm。

為了查清錳的來源，對礦區內礦體上覆層浮土進行取樣,分析錳和三氧化二鐵。分析表明，泥土含錳在70～330ppm之間（表3），平均155ppm。

對礦山的鋁土礦石的Al2O3、SiO2、Fe2O3、S、Mn 進行化學分析，檢測結果表明，鋁礦石含錳在180～660ppm之間（見表4），平均在348ppm。

對用于中和積水的生石灰分析，其含錳為40ppm。對礦山周邊無水力聯系的地下水以及無徑排關系的地表水調查結果表明，這些區域的地下水和地表水含錳很低，與區域上的水體含錳一致。

經與克拉克值對比，采區內泥土、鋁土礦石、生石灰中的錳含量均低于區域背景值，并無異常情況。

6 錳污染分析

6.1 錳來源分析

（1）礦山開采是機械開采，處理污水用的生石灰含錳僅40ppm，遠低于采區內泥土、巖石、礦石中的錳含量。無含錳的物源帶入，均未人為形成污染源。說明礦山積水中的錳不是外來物質，而是來源于礦山本地。

（2）在礦山周邊無水力聯系的地下水和無徑排關系的地表水中的錳含錳很低，與區域上的水體含錳一致。說明礦山攔存的積水中含錳高與區域水文并無聯系，只是局部的大氣降水沖刷了礦山的巖石和泥土后，使錳含量變高，也說明錳不是外來的。

表3 采場內礦體上覆層泥土檢測分析結果表

表4 采場內礦石檢測分析結果表

6.2 成因分析

硫鐵礦是存在于還原環境當中的礦物，鋁土礦區經過長期的風氧化之后，地表及淺部鋁土礦石和圍巖中的硫鐵礦被風氧化后，整個水環境達到pH值近中性的一個平衡狀態。水中和各種元素含量沒有異常狀況。自然界中錳是變價元素，在化合物里可呈2+、3+、4+、5+、6+、7+多種價態，自然界錳的轉化方式大致有以下幾種情況：

MnCO3（菱錳礦）+O2=2MnO2（軟錳礦）+CO2↑

Mn（OH）2（羥錳礦）+O2=2Mn2O3·H2O（水錳礦）+H2O

2MnO（方錳礦）+O2=2MnO2（軟錳礦）

6MnO（方錳礦）+O2=6Mn3O4（黑錳礦）

Mn3O4（黑錳礦）+O2=3MnO2（軟錳礦）

在自然的風氧化條件下，原生錳礦物經風氧化，最終形成錳相對較穩定價態為Mn4+。所以，在地表土壤中的錳大部分以軟錳礦的形式存在，其價態為正4價[6]。軟錳礦難容于水。在正常區域的水體和土壤溶液中錳的含量很低。

在鋁土礦開采時，揭開了地表風化較徹底的覆蓋層，使下部含硫鐵礦的巖（礦）石暴露于地表，硫鐵礦被氧化。在礦山低洼處積水和礦山攔存池中的水主要是大氣降水淋濾氧化的巖（礦）石之后水，pH值在1～2左右，顯極強的酸性。

巖石和土壤中的錳處于一種暫時的動態平衡，而當環境的pH值發生變化時，各種形態錳之間的含量變化會彼此消長，從一種結合狀態轉化為另一種結合狀態[7]。當pH值升高時，部分錳轉變成了高價錳（Mn7+），易溶于水，使礦山局部低洼處的積水變為紫紅色，使積水中的錳陡然升高。

7 結論建議

（1）地表氧化條件下的巖（礦）石和土壤中的錳絕大部分以Mn4+形式存在，這類錳穩定性好，中性的地表水和地下水對這類錳溶出很少，所以在沒有采礦活動區域的水體中含錳一般都可達三類水質標準。強酸環境使巖（礦）石和土壤中的錳轉化為高價錳而易溶于水，使水中的錳含量劇增。硫鐵礦的氧化是使礦區地表積水中含錳劇增的根本原因。

（2）鋁土礦開采過程中，會形成大量的棄土，對于蓋層較厚的鋁土礦更是如此，鋁土礦也有堆放和轉運過程。棄土和鋁土礦或多或少含有硫鐵礦。硫鐵礦的氧化使淋濾棄土和礦石的雨水呈酸性而含錳增加。這樣的雨水會使徑流區的水體含錳增加，若是在飲用水源地上游附近，將會造成嚴重后果。

（3）采礦棄土不能隨意堆放，應有專門的棄土場。對棄土場要做防滲漏預處理，以防淋濾液下滲而污染地下水。對淋濾棄土場的地表水也要做好收集、存貯處理，達標后再排放。否則會污染徑流區域的水體。

（4）鋁土礦中的硫鐵礦在堆放過程中也會被氧化，鋁土礦堆場的淋濾液也或強或弱的顯酸性，所以鋁土礦的堆場也應選擇合適的位置，并做好淋濾液的收集。盡量做有頂棚堆場，避免雨水淋濾礦石。

（5）如何處理淋濾液中的錳和從源頭上治理錳污染，現沒有科學、合理、經濟、有效、成熟的方法。國內鋁土礦開采礦山較多，其他礦區或多或少會有類似情況存在。建議相關部門引起重視，做錳及重金屬等污染情況調查、研究，并施行相應防治對策。