尾礦污染地下水管控修復技術與實例分析

韓 偉，石元帥，馬 超，王健奇，王玉晶，范書凱

（1. 生態環境部 固體廢物與化學品管理技術中心，北京 100029；2. 內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司，內蒙古包頭 014010；3. 包鋼集團 節能環保中心，內蒙古 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略資源。地下水污染防治是深入打好污染防治攻堅戰的重要組成部分，是生態文明建設的重要內容。鑒于地下水資源的重要性，近三年來國家陸續發布了新的地下水污染防治相關政策，尾礦庫是重點監管場所。《地下水管理條例》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］。《“十四五”土壤、地下水和農村生態環境保護規劃》強調，應加強污染源頭預防、風險管控與修復，開展尾礦庫地下水污染調查評估［2］。根據《環境監管重點單位名錄管理辦法》，環境監管等級為一級和二級的尾礦庫為地下水污染防治重點關注對象［3］。針對尾礦庫的環境監管，近年來生態環境部陸續發布了一些政策文件，如：《尾礦庫環境監管分類分級技術規程（試行）》（2021年12月29日），《尾礦污染環境防治管理辦法》（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）。以上文件體現了環境監管部門對尾礦環境污染防治工作的高度重視。

2021年，我國產生大宗工業固體廢物約4.038 Gt，其中尾礦1.419 Gt，是產生量最大的工業固體廢物［4］。我國擁有上萬座尾礦庫，呈現出勢能高、尾礦量大、組分復雜、環境風險高、監管難度大的特點，目前環境風險相對較高的占三分之一，尾礦庫造成環境污染的事件時有發生［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、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，具有很大的挑戰性。選擇合理的管控與修復技術，對于消除尾礦庫地下水污染或將污染程度降到最低至關重要。

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，總結了不同技術的特點及適用場景，介紹了典型的技術應用案例，并展望了未來的技術發展方向，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，同時產生大量的尾礦。當尾礦庫發生突發泄漏或持續滲漏時，尾礦中的重金屬、選礦藥劑等有毒有害成分會隨著廢水、滲濾液等發生環境遷移，對周邊土壤、地下水和地表水造成持續污染［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年代早，設計建設時環境標準滯后，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境質量。水文地質條件不滿足有效阻隔要求等原因造成庫內污染物泄漏，如斷層、溶洞、巖石縫隙發育等［16］。在我國南方地區，庫區巖體破碎，裂隙發育，外圍有溶洞，巖體出現不同程度的溶蝕現象及溶蝕裂隙，節理裂隙與溶洞聯通形成滲漏通道，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［8］，周邊環境敏感點較多。

2）尾礦庫建設標準低，污染防控設施不完善。早期建設的尾礦庫由于防滲要求低甚至無防滲措施，滲濾液蓄水池、回水裝置等設施不健全，缺乏水處理系統等原因，造成一大批“老舊庫”和“病危庫”，對周邊環境帶來較大風險。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資料缺失，責任主體缺乏維護治理能力。據報道，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，對周邊環境質量構成嚴重威脅［18］。

4）尾礦庫防滲截滲設施年久失修，局部區域防滲失效。目前我國缺乏對尾礦庫防滲土工膜滲漏的監測資料，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］。防滲膜底部結構環境不均，尤其是庫區拐角陡坡處，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生。

5）尾礦庫安全事故導致突發環境污染事件。滲透破壞、壩體垮塌、排洪溢洪系統故障是我國尾礦庫突發環境污染事件的主要誘發因素，次要因素包括管道破裂、回水系統故障、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有限公司尾礦庫發生泄漏，2 500 km3尾礦水進入下游環境，造成伊春市、綏化市境內部分河段被污染，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有限公司尾礦庫溢流井坍塌等安全事故均引發次生環境污染，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生潰壩事件15 a后，周邊地下水中的鉛質量濃度仍高達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。據文獻調研，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 質量濃度，mg/L

2 管控修復技術的類型與特點

尾礦庫造成的地下水污染的治理是一項系統工程。根據滲漏液的徑流途徑以及污染范圍和強度，通常可采取斷源處理、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包括堵漏防滲、截滲疏排、垂直阻隔、可滲透反應墻、抽出處理、制度控制等。“堵、截、隔、治”等組合聯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的類型與特點見表2。

表2 尾礦污染地下水管控修復技術的類型與特點

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巖體節理裂隙與溶洞聯通的滲漏通道［34］。尾礦庫垂直防滲系統是垂直設置的，可控制庫區內地下水的自然排泄和流入，使庫區形成一個完整的相對獨立的水文地質單元［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的缺乏防滲設施的尾礦庫在使用，此類尾礦庫重做防滲不現實。根據場地特征結合水文地質條件，可在尾礦壩下游設置阻隔墻，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用，地下水收集導排系統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境遷移擴散。對于歷史遺留尾礦庫，以封場覆蓋形式設置的水平阻隔是消除其環境風險的有效處理方式［36］。

2.2 可滲透反應墻

可滲透反應墻通過在受污染地下水流經的途徑上建造由反應介質組成的反應格柵，利用反應介質的吸附、沉淀、氧化還原、生物降解等作用去除地下水中的污染物，常見的可滲透反應墻類型有連續反應格柵、漏斗-導水門和注入式反應帶［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墻修復技術。可滲透反應墻類型、位置和尺寸的選取、地下水數值模擬、反應格柵厚度設計和地球化學特征評估是確保該技術成功應用的關鍵，而系統堵塞及材料失活是該技術面臨的主要挑戰。

2.3 抽出處理

抽出處理技術是在尾礦庫下游建設成組的地下水井，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

結合國內外現有尾礦地下水污染修復案例，梳理了典型修復技術的實際應用方法和成效，包括水平阻隔、制度控制、垂直阻隔、抽出處理、可滲透反應墻及以上相關技術的聯合運用等，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，防止水和氧氣接觸尾礦，從而將尾礦庫坡腳處滲流產生的酸性廢水降至最少，同時建設水處理系統。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生，并阻斷其進入地下水的途徑。

3.2 垂直阻隔+抽出處理應用

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境風險的方式［33，42］。我國西北地區運行了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量濃度常高于1 mg/L，超過地下水質量Ⅲ類標準［32］。通過方案比選，在尾礦庫下游建設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處理后由泵輸送返回至尾礦庫內，實現了“零排放”，尾礦庫下游100～500 m范圍內無滲流或繞流現象，阻隔墻下游1 600～3 110 m處地下水氟化物質量濃度（0.4～0.5 mg/L）明顯低于尾礦庫上游地下水（0.9 mg/L），且符合地下水質量Ⅲ類標準。阻隔墻的設置有效阻止了尾礦廢水的泄漏擴散風險［40］。

3.3 可滲透反應墻應用

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。在堆場下游設置可滲透反應墻（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，石灰石與有機質相結合，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，產生的還原性硫化物可與亞鐵反應生成金屬硫化物沉淀。被攔截的堆場滲濾液經過可滲透反應墻處理后變為堿性溶液，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墻對地下水進行修復，并在示范反應區兩側設置止水帷幕，所使用吸附填料為沸石、活性炭和陰離子交換樹脂，可滲透反應墻注入井設計深度為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%，最低質量濃度為111 mg/L，修復區內18口監測井中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墻技術對某鈾礦尾礦污染地下水進行修復，反應墻設在壩體外側，填料為石灰和砂子的混合物，墻體深度為3 m。實踐證明，該工藝使滲水pH變為中性范圍，且使滲水中鈾的質量濃度從12.2 mg/L降至0.003 mg/L以下［45］。

4 結語與展望

a）尾礦庫種類多、物料組分及區域分布較為復雜，環境風險突出，尤其是早期建設的無防滲尾礦庫對地下水環境安全構成嚴重威脅。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性工程，需結合具體的污染成因、尾礦類型、污染特征、水文地質條件、周邊環境等諸多因素制定合理的修復和管控措施，實現“一庫一策”。污染事件發生后需采取工程措施、制度控制、長期監測等聯合處理手段。

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