礦山水土環境中重金屬污染研究進展

彭德海

（貴州省貴陽市白云區環境監測站，貴州 貴陽550003）

1 引言

隨著工業化的進程和經濟社會的快速發展，人類對各類礦產資源的需求量迅猛增加。然而，這些礦產資源的開采、選冶必然對周圍生態環境造成污染和破壞，礦山開采所引起的生態環境問題已成為世界性的問題，受到國內外研究者的廣泛關注，因此對礦山開采造成的生態污染進行研究具有現實意義，本文重點論述礦山水環境中重金屬污染方面的研究。

2 礦山水環境中重金屬污染研究

礦業活動過程中產生的廢石、尾礦及冶煉廢渣暴露于空氣中，使其中的硫化物礦物風化并形成了酸性礦山廢水（AMD），水體具有較低的pH值和高含量的可溶性Fe、Mn、SO2－4等，以及重金屬元素（Pb、Zn、Cd、Cu等）。礦山廢水通過地表徑流或滲漏到地下水中，導致整個礦區甚至大區域的水體污染，并影響到整個生態系統。AMD對地表水的影響范圍非常大，據Johnson等（2005），在地球上約19300km的河流以及約7200hm2的湖庫嚴重遭受了礦山廢水的影響。

在國外，西班牙Urumea河受到Pb、Zn礦開采的影響嚴重，河流沉積物中Pb、Zn、Cd含量分別為125～1150mg/kg、125～2500mg/kg、2.5～24mg/kg（Sanchez et al，1998）。此外，西班牙西南部Ria of Huelva河口地區硫化物黃鐵礦帶周圍由于礦產開發分布著大量的尾礦渣和廢石，地表水流長期將尾礦渣和廢石風化產生的重金屬和硫酸鹽輸入該礦帶周圍的Tinto河和Odiel河，致使這兩條河的水體及沉積物受到Cu、Zn、Mn、Cd等的嚴重污染。根據Sainz等的研究，每天排入河口的Pb和Cd平均通量分別為82kg和43kg。英國Wheal Jane錫礦的鉛鋅對下游水環境的影響以及Coquimbo銅礦區Zn的擴散。美國Cleveland選礦場廢水排放致使其附近的Altos河下游河水中具有極高的重金屬含量。日本富山縣神通川河流上游神岡礦山的開采，致使下游嚴重的Cd污染，當地居民長期食用被鎘污染的食物和水源，進而患上了“骨痛病”。

在國內，德興銅礦的酸性礦山廢水使其下游的樂安江沉積物受到Cu、Pb、Zn等重金屬的嚴重污染。黔西北土法煉鋅區的500多座“馬槽爐”每年排入媽姑河的廢水含Pb約2.23t，含Cd約61kg，尤其是天橋鉛鋅選礦廠大量尾礦的注入對河流造成嚴重污染。致使后河懸浮物中Pb、Zn、Cd和 Cu含量達到35657.37、33240.28、69.79和1106.68mg/kg，沉積物中Pb、Zn、Cd和 Cu最高含量分別為13631.9、27313、49.2和433.071mg/kg。遼寧金礦開發導致臥龍泉河受到礦山來源Cd，Pb，Zn等的污染。廣東大寶山大型硫化物多金屬礦山的開采導致橫石河流域Pb、Zn、Cd、Cu等的嚴重污染及上壩村居民疾病的頻發。湖北大冶銅綠山銅礦尾礦廢水造成大冶湖水中Cu的含量是國家標準的2倍，顯著高于大冶湖其它部分水域的Cu含量，同時還造成湖水不同程度的Co、Ni、Zn、Mo等污染。

2.1 礦山土壤環境中重金屬污染研究

礦業活動中產生的廢石、尾礦及冶煉廢渣（含Cu、Pb、Zn、Cd等）經風化、淋濾以及風力傳輸使有害元素遷移至土壤中，不僅造成土壤質量下降，而且污染農作物，進而通過食物鏈進入人體，危害人類健康。鉛鋅礦區土壤中常積累重金屬Pb、Zn、Cd、Cu等，它們在土壤中的含量常超過了限定值的幾十到幾百倍。在西班牙Urumea河谷的Pb－Zn礦區周圍，土壤中Pb含量為26～1120mg/kg，Zn為105～1390mg/kg。攀枝花礦山基地礦業活動產生的富含Cu等多種重金屬元素的廢石和尾礦等的堆放使當地土壤受到污染。楊元根等研究黔西北土法煉鋅區周圍土壤中重金屬的污染表明，土壤中Pb、Zn、Cd含量分別為37.24～30100mg/kg、162.23～31625mg/kg、0.5～113mg/kg，大大超過了當地的土壤背景值。李小虎對甘肅白銀市周圍土壤重金屬污染進行研究，表明Cd、Cu、Pb、Zn是主要的重金屬污染元素，以東大溝區域土壤污染最為嚴重。整個區域土壤Cd超標嚴重，最高含量達99.13mg/kg，是我國土壤環境質量標準（三級）的99倍。李曉燕研究云南某銅礦周圍土壤的重金屬積累表明，Cu、Cd、Pb、Zn等含量絕大部分已超過對照背景值，重金屬累積已較為普遍。馮瑋雋研究了漢源唐家鉛鋅礦區土壤的重金屬污染，結果表明，Pb、Zn、Cd污染嚴重，分別是我國土壤背景值的9.24、11.19和88.17倍。姬艷芳等研究了鳳凰鉛鋅礦區耕層土壤中Pb、Cd等重金屬的污染狀況。結果表明，該地區的土壤受到多種重金屬不同程度的污染，Pb、Cd均值分別達到875mg/kg、10.70mg/kg。

2.2 礦山環境中重金屬的遷移轉化

重金屬在水環境中的遷移過程包括溶解態和懸浮態重金屬在水流中的擴散遷移過程；沉積態重金屬隨底泥的推移過程；溶解態重金屬吸附于懸浮物和沉積物向固相遷移過程；懸浮態重金屬的絮凝、沉淀過程和沉積態重金屬的再懸浮過程；生物攝取、富集、甲基化過程；水體重金屬通過水面向空氣中遷移的氣態遷移過程。幾乎包括了水體中所有的物理、化學及生物過程。

河流水體流動過程在地表重金屬遷移和重新分配的過程中起到重要作用，重金屬既能以溶解態，又能以（懸浮）顆粒態遷移擴散。受礦山影響的河流中重金屬除以溶解態遷移外，重金屬還以顆粒物表面吸附作用或礦物顆粒同沉淀作用為重要遷移機制。重金屬進入自然水體后，它們與水體沉積物發生復雜的物理及化學界面作用，因而重金屬元素在自然水體中的遷移、轉化主要受重金屬與沉積物相互作用能力的控制。研究表明，在水體中重金屬不易溶解，絕大部分重金屬迅速從水相轉入固相，即迅速結合到懸浮物或沉積物中。結合到懸浮物中的重金屬在水流搬運過程中，當其負荷量超過搬運能力時，最終進入沉積物中。但重金屬不是一成不變地固定在沉積物中，當環境條件發生變化時，如pH值、氧化還原電位和有機配體存在，引起其遷移性和生物可利用性的改變或重新返回水體中。如在酸性條件下，Zn主要以Zn2＋形式進行遷移，在堿性時，則以氫氧化物形式存在，隨堿性增加，最終發生沉淀作用。吳攀等對黔西北土法煉鋅區河流重金屬污染的研究表明，Zn、Pb、Cu、Cd沿河的分布、遷移、釋放或積累是污染源、河流水環境條件、懸浮物（泥沙）運動共同作用的結果。河流水環境條件抑制了沉積物中硫化物的氧化，對水體重金屬自凈有一定的作用。Al等對富含硫化物尾礦中的碳酸鹽礦物－水之間相互作用的研究表明，吸附、表面絡合和同沉淀作用是水體溶解態金屬濃度的控制因素。因此，河流重金屬的搬運遷移以懸浮質或泥沙推移等機械搬運為主。沉積物是重金屬遷移的重要載體，是潛在的重金屬二次污染源。

此外，重金屬遷移還受一系列復雜的沉淀－溶解作用、吸附－解吸作用、同沉淀作用與離子交換等地球化學作用的控制。Blowes等認為次生銅藍的形成可能是Cu2＋交換了硫化物中之Fe2＋或Zn2＋所致。Karthikeyan等研究表明，Cu與富Fe、Al氫氧化物的同沉積及吸附作用對其遷移具有重大意義。Sidle等研究美國新墨西哥州中部廢棄Pb－Zn廢渣池中重金屬的遷移歸宿時發現，重金屬的遷移性相對順序為Cd＞Zn＞Cu＞Pb。Cd和Zn相對Cu和Pb有更高的遷移性。已有研究表明，鉛鋅礦在氧化過程中，鎘通常以硫酸鹽形式進入水體，并以3種不同方式遷移或轉化，即離子或配合物形式、懸浮物（包括膠體）和水體中沉積物對鎘等重金屬的吸附。Schemel等發現，富Fe、Al膠體的吸附作用對Pb、Zn和Cu的遷移很重要，Zn的溶解態和膠體態的分異取決于溶液的pH值和膠體含量。一般pH值和膠體含量的增加是導致更多Zn被吸附的兩個主要因素。通常低pH值條件下金屬多呈游離態形式，因此，pH值的降低會導致Cd、Cu、Zn等從Fe、Al膠體中解吸出來。欒兆坤研究發現，在酸性礦山水和天然水混合過程中，酸性礦水中的Fe3＋或Al3＋水解沉淀而導致污染水體中含有大量的富Fe、Al膠體顆粒，這些膠體顆粒對水中溶解態重金屬具有強烈的吸附作用，進而控制了酸性礦山水污染河流中重金屬的濃度、形態特征及遷移轉化。

3 結語

礦山水土環境中重金屬污染的研究是環境科學發展的重點研究課題之一，意義重大，有待研究的問題還很多，需要環境學、地學、生態學等不同學科的科技工作者的共同努力和合作，以利推進我國礦山水土中重金屬污染研究和環境科學的發展。

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