馬鞍山筆架山礦區下游水系污染成因與治理對策*

李書欽 李 波 裴德健3

（1．中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司；2．國家環境保護礦山固體廢物處理與處置工程技術中心）

礦業是國民經濟的基礎和支柱產業，現代社會90%的能源、80%的工業原料、70%的農業生產資料均來自礦產資源，是人們衣、食、住、行、用都離不開的產業［1］。然而，礦產資源的開采和利用在推動經濟持續發展的同時，也破壞了礦區及周圍的生態環境，影響當地的經濟和人文發展［2-3］。

在礦山采選對周邊環境的消極影響中，最突出的是礦山酸性廢水（Acid Mine Drainage，以下簡稱AMD）問題［4-5］。AMD多產生于含硫化鐵聚集的巖石中，當硫化礦物暴露在空氣和水中時，細菌的存在會加快AMD的產生［6］。AMD通常pH在3.5左右，重金屬含量較高。礦山的組成礦物不同，AMD中重金屬的組成和含量也會有差異。綠松石是一種含水的銅鋁磷酸鹽礦物，在外生淋濾條件下由含磷和銅的硫化物巖石風化形成，是常用的雕飾原料。

本研究以馬鞍山市筆架山綠松石礦區的AMD為對象，分析其成因和治理對策，為礦區水環境治理和保護提供基礎依據。

1 研究區概況

筆架山綠松石礦區位于馬鞍山市花山區濮塘鎮與雨山區向山鎮交界處，于2015年停產至今。礦區治理前，露天采場內匯集了大量的風化巖石淋溶水及雨水，形成了一個大的積水坑，水體呈暗紅色，礦區排土場和尾礦庫的酸性廢水截污系統及水處理站工程不完備，造成下游東方紅水系嚴重污染。主河道水在支流匯入前水質澄清，當支流水匯入后出現大量白色絮狀物見圖1、圖2。

2 樣品采集和分析方法

在對項目現場進行踏勘的基礎上，對礦坑不同位置水樣和匯流后水體中的白色絮狀物分別進行采集，對主河道水和匯流后的水也進行采集，采集時盡量做到輕擾動水體，取樣前先用待取水洗滌水樣瓶和塞子3～5次，然后盡量把取樣瓶沉入水面下30 cm處取樣，水樣用聚乙烯塑料瓶盛裝［7］，水樣采集后儲存在4℃保溫箱中。

白色絮狀物成因分析時，在6份150 mL的主河道水中分別加入100、150、250、350、450、650 mL的支流水，制成不同混合比例的水樣，搖勻后觀察水質外觀變化，測定水樣的pH值。

pH值的測定采用《玻璃電極法》（GB 6920—1986），Mn、Zn、Cu、Cd、Pb、Fe濃度的測定采用《ICP—AES法》（HJ 776—2015），As濃度的測定采用《原子熒光法》（HJ 694—2014），SO42-濃度的測定采用《分光光度法》（GB/T 16489—1996）。

3 結果分析

3.1 礦坑廢水水質分析

礦坑廢水現場見圖3，分析結果見表1，礦坑廢水pH值為2.845，《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）要求為6～9。

注：Fe、SO42-含量的標準為《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）一級標準，其余成分的標準為《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）一級標準。

分析表明，與《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）比較，水樣的pH值較低，酸性較強，未達標（pH值6～9）；Mn、Cu等金屬離子濃度嚴重超標，其中Mn約為標準的10倍，Cu約為標準的27倍，Cd略高于標準；AMD中SO42-和Fe濃度是水體酸化的重要原因之一［8-10］，上述標準雖未對Fe和SO42-濃度作出要求，但與《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）中的一級標準對比，Fe和SO42-含量遠超標準。總體來看，礦坑內廢水酸性較強，Mn、Cu、Fe等金屬離子嚴重超標，SO42-嚴重超標。

3.2 AMD對礦區地表水的影響

水系水質分析結果見表2，主河道水pH值為3.97，支流水pH值為7.26，匯流水的pH值為6.08。

注：Fe、SO42-含量的標準為《地表水環境質量標準》（GB 3838—2002）一級標準，其余成分的標準為《污水綜合排放標準》（GB 8978—1996）一級標準（部分元素非污染元素，故沒有標準要求）。

分析表明，主河道水質呈酸性，水中Cu、Al等多種金屬元素超標，支流水質正常；與主河道水相比，匯流水pH值升高，Cu、Mn、Mg、Ca、Al和Si等元素濃度明顯降低。

3.3 白色絮狀物成因分析

隨著支流水的加入，水樣pH值上升；加入0～450 mL支流水時，水樣pH值上升較快，繼續加入支流水，水樣pH值上升緩慢。隨著水樣pH值的升高，白色沉淀逐漸增多，水樣能見度下降（圖4）。根據分步沉淀原理，水樣pH值由3.97升至6.08時，存在于水中的鋁離子首先以白色絮狀物氫氧化鋁沉淀，并吸附水中的Mn、Mg、Ca等離子，降低水中Mn、Mg、Ca等離子的濃度，最終形成含有Mn、Mg、Ca等元素的白色氫氧化鋁絮狀沉淀物。

對水樣pH值隨支流水加入量進行三次多項式擬合，根據pH值與支流水量的關系式，可知當支流水加入量為640.68 mL時，水樣pH值有最大值6.32。

試驗表明，受筆架山礦區酸性礦坑水滲漏污染的主河道水含大量Al離子，pH值達3.97，在支流水（pH為7.26）匯入后，pH值上升至6.08，水中的Al離子由于pH值的上升而成為氫氧化鋁沉淀，并吸附了水中的Mn、Mg、Ca等離子，從而形成了河水中的白色絮狀物。

4 治理對策

（1）土地整治。酸性廢水中的酸性物質主要是在采礦活動或尾礦堆放活動中，礦石和尾礦中以硫鐵礦為主的硫化礦物暴露于地表，經過生物化學氧化作用形成［11-13］。基于筆架山排土場及尾礦庫基本處于裸露狀態，要想減少和避免大量酸性物質進入廢水，首先要對排土場和尾礦庫進行土地整治，其中排土場整治后邊坡坡度控制在1∶1.5以下，邊坡高度小于8 m，平臺寬度不小于2 m；尾礦庫整治后邊坡坡度控制在1∶2.5以下。

（2）土壤重構。土地平整后，在平臺和邊坡首先回覆30 cm壓實黏土，設置水平隔離層（壓實度不小于93%），然后在隔離層上部回覆不小于0.5 m滿足綠化要求的客土，并適當壓實（土壤容重≤1.3 g/cm3）；同時，前3 a種植紫花苜蓿等豆科植物改良土壤，每畝土地回填1 t有機肥料進行土壤熟化。

（3）植被恢復工程。在土壤重構工程實施后，對排土場和尾礦庫進行植被恢復：邊坡采用鋪植生毯撒播灌草混合種子的方式進行綠化，平臺復墾為耕地。

（4）排水工程。排水溝標準按10 a一遇24 h降雨量計算，截洪溝采用混凝土結構，臺階排水溝采用漿砌磚結構，矩形斷面。

（5）滲濾液截滲導排系統。現場勘查表明，項目區截排水及滲濾液收集系統不完善，未實現“雨污分流”，造成酸性廢水進入礦區下游河道，使下游水環境受到污染。在補充排土場水平防滲設施，完善雨水截排水系統的基礎上，補充排土場和尾礦庫酸性滲濾液截滲及導排系統，實現“雨污分流”，控制酸性滲濾液的源頭并進行有效收集。在排土場和尾礦庫下游壩腳修建垂直防滲系統及滲濾液導排收集系統，包括修建壩腳截滲墻、滲濾液收集盲溝等，采用雙排高壓旋噴樁的方式建設防滲墻，建設選用抗硫酸鹽水泥。

（6）河道清淤。源頭問題解決后，需對下游河道底部白色絮凝物進行清除，提高水環境質量，恢復水生態系統。擬采用履帶挖掘機進行分組分段疏挖，疏挖過程中保持水系正常通水，半幅清淤半幅保持流水。圍堰采用土質結構，外側覆壓防水材料（如寬幅彩條布等）。圍堰修筑完成后，采用污水泵將河道內積水排至圍堰下游河道，沿老河道底口邊線開挖縱向集水溝，將河道內積水匯集到下游圍堰前。在圍堰上游開挖集水坑，用污水泵將積水排到圍堰下游。河道底部淤積物需進行固廢檢測，根據鑒定結果確定淤積物處置方式。灘地內淤積物經晾曬脫水，現場設置干化場地，干化后采用密封良好的運輸車將淤積物清運至有資質的單位，委托進行處置。

5 結論

（1）馬鞍山市筆架山礦區下游東方紅水系水質呈酸性，含有Al、Mg等離子，支流水（近中性）匯入后發生了中和反應，提高了水體的pH值，從而使水中Al、Cu等離子發生沉淀，因而東方紅水系中出現大量的白色絮狀物。

（2）要徹底解決東方紅水系的污染問題，必須從源頭杜絕上游酸性水（礦區地表徑流水）流入。后續需要對水系上游進行詳盡的勘察調研，以確定解決源頭酸性水問題的方案，提高水環境治理，早日恢復區域生態系統功能。