矿山水土污染与防治对策研究

发布时间：2022-09-17

　　摘要：矿山水土环境污染是采矿活动引发的主要环境地质问题之一，我国矿山数量众多，水土污染比较普遍，尤以金属矿山最为严重，矿山水土污染防治是今后开展国土空间生态保护修复的重要内容。文章基于全国矿山地质环境摸底调查成果资料，对矿业活动不同阶段的水土污染风险，以及不同矿山的水土污染类型、特征和污染物迁移演化规律等进行了研究。分析指出：矿业活动过程包括勘探、建矿、开采、洗选、冶炼等多个阶段，而水土污染风险贯穿于矿业活动全过程，不同阶段的污染风险不同;矿产资源开发造成的水土污染物类型、特征因开采的矿产类型不同而不同，呈现出特征污染物与矿体母岩的高度相关性;矿山及其周边的污染物的迁移作用受污染物自身的物理化学性质和外界环境条件的影响，在矿山长期持续开采条件下矿山水土污染物存在累积效应，而矿产资源集中开采区的污染物扩散表现出叠加效应;通过某典型水土环境污染分析评价案例研究，初步证实了上述推断。根据我国矿山水土环境污染的多发性和复杂性特点，建议今后加强矿山水土污染防治应区分不同类型矿山、不同地质环境条件、不同污染物特征、不同污染程度等，采取分类施策、系统修复、标本兼治，实现矿山环境明显改善。

　　关键词：矿山环境;水土污染;矿山污染物;污染评价

　　我国是世界上的矿业大国，矿产资源的开发利用具有悠久的历史。2012年党的十八大将生态文明建设纳入“五位一体”的总体布局以来，矿山环境治理与生态修复工作不断得到加强。矿山环境问题直接涉及当今社会人口、资源、环境三大主题，是关系到能否实现矿业开发与生态环境协调发展的重要方面[1]。然而，我国大多数矿山环境问题是由于长期大规模的矿产资源开发而累积形成的，面对沉重的矿山环境历史欠账和日趋严峻的生态环境态势，深入开展矿山水土环境研究和水土污染治理尤为重要[2]。

　　据全国矿山地质环境摸底调查资料，目前全国共有非油气矿山11万余个，矿山总面积约1.04×105km2，开采矿种187种，估算年采出矿石总量超过1.36×1010t。按开采矿类，煤炭等能源矿山16500多个，金属矿山10900多个，建材和化工原料等非金属矿山83700多个[3]。长期大规模的矿产资源开发造成严重的水土环境污染问题，目前的矿山污染防治工作困难重重，大多停留在头痛医头脚痛医脚的水平，缺乏系统性[4]。本文根据已完成的全国矿山地质环境摸底调查成果资料，对我国矿山的水土环境污染进行了深入的总结和分析，系统阐述了不同类型矿山、矿山不同开发阶段的水土环境污染特征及污染物扩散规律，提出了矿山水土环境综合防治对策建议，为加快推进我国矿山水土环境污染防治工作提供借鉴。

　　1矿业活动不同阶段水土污染风险

　　矿山水土环境污染物从形态上可分为固体污染物、液体污染物和大气颗粒物三种类型[5]。矿山内固体废弃物经长期风化、降雨淋滤等作用产生有毒堆浸废水，渗入土壤及浅层地下水;不达标废水废液排放到周边河流、沟谷、池塘中，经地表水渗漏、补给污染地下水和土壤，或通过引污水灌溉方式污染土壤;矿山内各类场地在风力作用下易产生扬尘，细粒有毒物质随扬尘飘落到矿山周边，造成土壤污染，此外，矿车道路运输遗撒产生的扬尘也会对周边土壤造成污染[6]。矿业活动从勘探阶段就存在水土环境污染风险，不同矿业活动阶段污染风险因素不同[7]。矿业活动主要包括勘探、建矿、采矿、洗选和冶炼五个阶段。

　　勘探阶段，主要工程活动包括山地工程、钻探、物探和化探等，构成水土污染的风险因素是机械设备的燃油、机油渗漏，化学药品的遗撒，钻探泥浆废弃，钻井水的排出，作业人员生活废水、垃圾的排放等。

　　建矿阶段，构成水土污染的风险因素是大规模表土剥离、开挖、搬运形成的扬尘，废石土的不合理堆放，矿坑或井硐积水排出，工业废料场的油污，作业人员生活废水、垃圾的排放等。

　　采矿阶段，构成水土污染的风险因素是矿石运输、废石土清运产生的扬尘，矿坑排水，排土场或废石堆扬尘和堆浸废水渗出，工业广场和废料场的落地油污，作业人员生活废水、垃圾的排放等[8]。

　　洗选矿阶段，构成水土污染的风险因素是洗矿场或选矿厂的扬尘，洗矿或选矿产生的大量废水、废渣排放，尾矿库或尾矿坝的渗漏、溃决、漫流等。

　　冶炼阶段，构成水土污染的风险因素是冶炼产生的烟尘排放与飘落，冶炼废水排放，冶炼废渣储运等[9-10]。

　　2不同矿山类型水土污染物特征

　　2.1能源类矿山主要污染物

　　目前我国开发的主要能源矿产为煤炭和石油。煤炭矿山的水土污染物主要来源于煤矸石、煤矿废水和煤本身，因此煤和煤矸石的化学组份决定了矿山污染特征[11]。煤的化学元素主要由C、H、O、N、S组成，还有少量P、As、F、Cl等其他元素[12]，而煤矸石主要化学成分为SiO2、Al2O3和CaO，还包括Cd、Cr、Pb、Zn、Cu、Mn等重金属元素以及FeS、PbS等硫化物[13]。矿井水是煤矿排放最多的废水，受开采、运输过程中散落的煤粉、岩粉等影响，在水质上通常表现为高悬浮物、高矿化度、偏酸性，以及Fe、Mn、f等元素含量偏高[14]。洗选煤废水中含有大量悬浮物、硫酸盐、各种药剂和Fe3+、Mn2+、Zn2+、Ni2+、Al3+等金属离子[15]。因此，煤炭矿山水土环境污染物大致包括：Fe、Mn、F、As、Pb、Zn、Hg、Cd、Cr、硫化物以及氮化物等[16-17]。

　　油田开采区水土环境污染主要来自于漏出的原油、含油污水、钻井废水、洗井作业污水等，主要污染物为石油类、挥发酚、COD、硫化物、悬浮物、可溶性矿物质、有机质、可溶性重金属、高分子处理剂等[18]。

　　2.2金属类矿山主要污染物

　　在金属矿山开采过程中，矿体中的重金属元素容易产生流失，进入矿山地表水、地下水和土壤中，构成水土环境污染元素。据统计，我国大部分金属矿山属金属硫化物矿床，采矿、选矿产生的大量废石、矿渣仍含有一定量的硫化物，暴露于大气中经氧化、风化、淋滤作用极易产生酸性矿山废水，并会释放出大量重金属离子和硫酸根离子。矿山酸性废水的形成还会加快金属离子的释放和富集。因此，造成金属矿山水土环境污染的主要污染物为SO42-、Fe3+、Mn2+、Ca2+、Mg2+、Al3+，重金属元素Pb、Cu、Cd、Hg、Zn、As、Cr、Ni、Co[7]，以及悬浮物和氰化物[19]。

　　2.3非金属类矿山主要污染物

　　我国非金属矿山中绝大多数属建材非金属矿，建材矿山开采过程中会产生大量的粉尘，粉尘降落到土壤表层造成土壤板结和酸碱度变化，此外建材矿开发产生的废水含大量的悬浮物。化工原料非金属矿中的盐矿类开采，其矿山主要水土环境污染物是Cl-、SO42-、总硬度、溶解性总固体，而硫铁矿、明矾矿、芒硝矿等开采会排出含SO42-的酸性废水，因此化工原料非金属矿的水土环境污染物为SO42-及Na、K、Fe、Mn等金属元素。

　　3矿山污染物迁移规律及其对水土环境影响分析

　　3.1污染物迁移规律

　　通常情况下，矿山污染物在区域环境中的迁移方式有机械迁移、物理化学迁移和生物迁移三种。污染物的迁移作用又受污染物自身的物理化学性质和外界环境的物理化学条件影响。

　　相关期刊推荐：《水文地质工程地质》1957年创刊，由中华人民共和国国土资源部主管、中国地质环境监测院主办，是我国水文地质、工程地质和环境地质领域创刊较早、发行较广，并具有权威性、综合性的学术理论与实践刊物之一。本刊面向国内外水文地质、工程地质、环境地质、农业地质、地热地质等多学科以及交叉学科的广大读者与作者。

　　原子的电负性、离子半径、电价、离子电位和化合物的键性和溶解度等是影响污染物迁移的最主要的物理化学参数[20]。外界环境条件是指区域的气象、水文、地形地貌、地层岩性和生物分布等自然地理、地质条件，其中外界环境条件中的化学条件对污染物的迁移有重大影响。如环境的酸度和碱度影响着重金属元素的形态，大多数重金属在酸性环境中形成易溶性化合物,有较高的迁移能力,而在碱性环境中则形成难溶化合物,难以迁移[21]。

　　前人研究表明：酸性环境有利于Ca、Sr、B、Ra、Cu、Zn、Cd、Fe2+、Mn2+和Ni2+的迁移;碱性环境有利于Se、Mo和V5+的迁移;某些重金属如Hg、Cd等在迁移过程中易于在底泥中富集，成为具有长期潜在的和积累性的危害[22-25]。

　　3.2污染物扩散对矿山周边水土环境影响分析方法

　　矿山水土环境影响分析不能局限于某一个矿的矿界范围内，特别是一个区域内分布着多家开采矿山情况，周边的水土环境显然不仅仅受某一个矿山的影响，而是受多家矿山的共同影响，污染物的扩散表现出叠加效应。因此分析矿山周边水土环境的影响应综合考虑多家矿山的污染物扩散影响。

　　(1)区域水土环境污染源与污染途径分析

　　通常矿山周边的区域水土环境受多个污染源影响，影响范围和程度取决于区域的地理位置和周边矿山开采程度。矿山地表水体主要包括沟渠、河流、堤坝、池塘、湖泊等，其主要污染源就是矿山的井口、坑口等排出的矿坑废水;除此之外，矿山排土场、尾矿库、废料场等堆浸废水渗出或遗漏成为地表水体的另一种污染源，上述污染源也可能成为地下含水层的污染源。浅表层土壤的污染源比水体的污染源复杂得多，一般包括五种类型：一是矿山废水流经地表土壤直接造成土壤污染，二是利用已污染的地表水进行灌溉造成土壤污染，三是大气降水冲刷汇集矿山废液、废渣等汇聚土壤表面造成污染，四是矿山有毒细粒物质随大风扬尘飘落到土壤表层滞留造成污染，五是矿山搬运车辆交通道路遗撒矿渣造成道路两侧土壤污染。因此，矿山土壤污染源属非点状污染源，其污染程度和污染范围具有一定的随机性。

　　(2)矿山周边水土环境污染范围判定

　　虽然矿山污染物的扩散有多种途径，但其污染范围总会有一个限度。任何一个矿山其污染物向环境中迁移，大都会形成一个以矿山为中心的污染物扩散带，带外范围可以认为其水土环境不受影响或影响轻微。因此科学确定矿山水土环境污染范围对于合理控制矿山污染物，促进已污染的水土环境修复具有重要意义。污染范围的确定方法：一是根据矿山所处的地形、地貌、地质条件，水文气象条件，进出矿山的交通运输条件等初步确定水土污染大致范围;二是分别根据不同的污染源位置和污染物迁移途径取水土样品分析测试，将污染物含量与该区域的背景值进行对比，绘制污染物含量等值线图，进而准确判定矿山周边污染扩散范围。

　　(3)矿山周边水土污染评价

　　单因子指数法：单因子指数法是国内外普遍采用的方法之一，是对土壤中的某一项污染物的污染程度进行评价[26-28]。污染程度用超标倍数或累积污染倍数来衡量。

　　当单项污染物含量与国家评价标准相比较时，得出污染超标倍数，当单项污染物含量与区域背景值相比较时，得出累积污染倍数。

　　单因子指数法是一种通过计算超标指数来确定评价等级的方法，计算方法简单，能够直观地反映水土环境中某一项污染物的超标程度，它夸大了单项污染因子的作用，弱化其他因子的作用，无法反映多种污染物对水土污染的综合贡献;内梅罗综合污染指数法物理概念清晰、数学过程简洁，它兼顾了单因子污染指数的平均值和最大值，又突出了某些污染因子的作用。内梅罗综合污染指数在加权过程中避免了主观因素的影响，更能直观地反映水土环境污染的总体水平，是目前应用较多的一种水土污染评价方法。——论文作者：张进德，田磊，裴圣良