西部干旱區金礦歷史遺留堆浸氰化尾渣污染管控技術及應用

郝建青,何新春,文 星,徐冬冬

(中國恩菲工程技術有限公司)

引 言

堆浸氰化尾渣是以金礦石為原料,經破碎后按一定層次和高度堆放到鋪有防滲漏且能自動收集含金貴液場地上,采用氰化物淋洗礦堆氰化浸出提金后的工業固體廢物[1-2]。氰化提金工藝具有工藝成熟、成本低廉、金回收率高、對礦石適應性強、可以就地產金等優點,在當前黃金工業生產中處于主導地位[3]。但是,該工藝生產過程中產生的堆浸氰化尾渣綜合利用處置率低,歷史累積量更是巨大。據統計,全國黃金冶煉廠每年氰化尾渣產生量約2 000萬t[4]。巨量氰化尾渣堆存占用大量土地,同時存在極大的水體和土壤污染等風險[5-6]。中國西部干旱地區生態系統屬于典型生態脆弱地區,具有穩定性差、結構單一等特點。長期礦業活動影響了其生態系統的結構及功能,造成水體和土壤污染,引起了社會的關注[7]。

堆浸氰化尾渣中氰化物污染防控技術主要包括物理、化學、生物、自然降解等方法[5,8],不同工藝通過相應的技術方法對其中的氰化物進行脫除處理,以達到相關標準中處置或利用要求,從而降低其對環境的危害程度。目前,對于堆浸氰化尾渣資源化利用的研究,多集中在提金方法的改進方面[9-13],以此實現最大化的有價金屬回收。對于暫不具備資源化利用條件,尤其是無主礦區堆浸氰化尾渣,無法按照HJ 943—2018 《黃金行業氰渣污染控制技術規范》處理處置,亦無條件按照危險廢物處理處置的大部分廢渣存在極大環境風險隱患[14]。此外,氰化物含量較低的歷史遺留堆浸氰化尾渣污染控制相關的研究較少。

本文以西部干旱區金礦歷史遺留堆浸氰化尾渣為研究對象,利用原位封存阻隔實現堆浸氰化尾渣污染管控,可以有效阻隔污染物通過降雨等方式擴散和滲透,工程實施后管控效果明顯,達到預期的工程目標。

1 工程概況

本文作為案例研究的金礦歷史遺留堆浸氰化尾渣位于中國西部,該金礦于20世紀90年代開始采用公路拓展汽車運輸方案露天開采,金礦石為地表氧化礦,采用氰化堆浸提金工藝。歷經10余年的開采,累計共生產黃金2.5 t,目前該金礦地表氧化礦資源已經枯竭。金礦采坑兩側遺留有近百個堆浸氰化尾渣堆,總占地面積約63.40萬m2,堆存方量約240萬m3,這部分堆浸氰化尾渣體量巨大且無任何環保措施。

1.1 氣候環境

該金礦所處區域屬大陸性寒溫帶干旱氣候,冬季嚴寒且漫長,夏季炎熱干燥,春秋季短暫,日照充足,年平均日照2 900 h,平均氣溫3.0 ℃,極端最高氣溫42.2 ℃,極端最低氣溫-51.5 ℃,平均無霜期137 d,全年干旱少雨,年平均降水量僅158.3 mm,多集中在7—8月,冬季降雪厚度400 mm左右,年蒸發量約1 731.5 mm。

1.2 水文地質

該金礦所處區域水文地質條件相對簡單,第四系覆土層為不含水層,地下水類型為石炭系基巖裂隙水,其儲水構造為石炭系碎屑巖的節理裂隙。含水層厚度和深度隨裂隙發育而變化,為非均質含水層。地下水富水性為極貧乏,埋深較大,為6.20～51.53 m。地下水主要接受冰雪融水、溝谷潛流及暴雨洪流入滲補給,地下水流徑流水力坡度為12 ‰。礦區位于地下水徑流區,主要以礦坑涌水、人工開采及泉水的方式進行排泄。根據前期水文地質調查資料,渣堆底部0～2 m的第四系天然包氣帶防污性能為中—弱,礦區基巖包氣帶的防污性能為強。現場照片見圖1。

圖1 現場照片

2 堆浸氰化尾渣污染特征

該礦區堆浸氰化尾渣堆原責任主體滅失,堆浸生產資料嚴重缺失,根據僅有的資料和現場勘查,部分堆浸氰化尾渣堆底部設計的防滲層結構為:原始地面平整+300～500 mm黏土壓實+土工布+防滲膜(HDPE膜/LLDPE膜/彩條布)+PVC保護板+小粒徑礦石保護層,但大多遺留堆浸氰化尾渣堆為倒堆后的堆體,底部無任何防滲措施。根據項目前期調查資料,礦區污染源主要為未做任何防護措施的堆浸氰化尾渣,主要污染物為氰化物、砷。

2.1 堆浸氰化尾渣檢測分析

對堆浸氰化尾渣樣品進行浸出毒性(酸性)試驗,并對檢測結果進行統計分析(見表1),樣品中鉻、銀、鎳、鋇、硒、六價鉻、烷基汞均低于檢出限,pH值為7.28～12.15,銅、鋅、鉛、鎘、鈹、砷、汞、氟化物、氰化物有檢出,但所有檢測指標均小于GB 5085.3—2007 《危險廢物鑒別標準 浸出毒性鑒別》規定的浸出毒性鑒別標準濃度限值。酸浸污染物檢出率見圖2,污染物濃度范圍與限值關系見圖3。

由試驗結果可知:堆浸氰化尾渣雖然屬于《國家危險廢物名錄(2021年版)》規定的危險廢物,但由于長期的自然降解,主要污染物質量濃度低于浸出毒性鑒別標準濃度限值。

對堆浸氰化尾渣樣品進行浸出毒性(水浸)試驗(見表2),樣品中色度、總銀、總鉛、總鉻、六價鉻、烷基汞、硫化物均低于檢出限,pH、懸浮物、磷酸鹽、總砷、總鎘、總氰化合物指標超過GB 8978—1996 《污水綜合排放標準》中第二類污染物最高允許排放濃度一級標準,樣品總超標率達到98.06 %。水浸污染物檢出率與超標率見圖4,污染物濃度范圍與限值關系見圖5。

表1 浸出毒性(酸性)試驗結果

圖2 酸浸污染物檢出率

圖3 酸浸污染物濃度范圍與限值關系

表2 浸出毒性(水浸)試驗結果

圖4 水浸污染物檢出率與超標率

圖5 水浸污染物濃度范圍與限值關系

由試驗結果可知:堆浸氰化尾渣具有第II類一般工業固廢的特性,在自然狀態下,尾渣中的污染物通過雨水淋溶擴散,存在污染環境的風險[15]。

2.2 環境調查

對堆浸氰化尾渣堆底部和周邊土壤進行取樣檢測,土壤樣品中汞、砷、鎘、鉛、鎳、銅及氰化物均有檢出,六價鉻無檢出。其中,渣堆底部土壤中氰化物檢出率為82.5 %,渣堆外圍土壤中氰化物檢出率為11.4 %。土壤中主要污染因子為砷,為6.9～16 963 mg/kg,超標率為92.5 %。在95 %置信區間下,渣堆底部土壤含砷2 796～4 934 mg/kg;渣堆外圍土壤含砷25.2～245.5 mg/kg。渣堆底部及周邊土壤由于受渣堆中砷的污染,表現為渣堆底部土壤含砷明顯偏高,渣堆周邊土壤含砷也高于礦區外圍土壤背景值,但由于礦區周邊主要是巖石,且多數堆浸氰化尾渣堆所處地勢較低,影響范圍內的土壤較少,厚度較薄。經過風險評估,確認污染土壤具有不可接受的環境風險。

礦區地下水含砷超過GB/T 14848—2017 《地下水質量標準》Ⅲ類地下水質標準,滿足Ⅳ類地下水質標準。礦區下游直線距離3 km外的地表河流達到GB 3838—2002 《地表水環境質量標準》地表水Ⅲ類水質要求。

3 污染風險管控技術方案

3.1 方案確定

符合HJ 943—2018 《黃金行業氰渣污染控制技術規范》進入堆浸場進行原位關閉作業的金礦石氰化尾渣、金精礦氰化尾渣需滿足的技術要求為,氰渣或氰化尾礦漿中總銅、總鉛、總鋅、總砷、總汞、總鎘、總鉻、鉻(六價)低于GB 18598—2019 《危險廢物填埋污染控制標準》入場填埋污染控制限值要求,且根據HJ/T 299—2007 《固體廢物浸出毒性浸出方法 硫酸硝酸法》制備的浸出液中氰化物(CN-計)按照HJ 484—2009 《水質 氰化物的測定 容量法和分光光度法》測得的值不大于5 mg/L。因此,對于底部防滲結構還保留的氰化尾渣具備原位關閉作業的條件,可利用原位關閉并鋪設有效表面封場覆蓋防滲層的方式實現污染防控的目的。

在酸浸條件下,堆浸氰化尾渣不具備危險廢物浸出毒性的特性,氰化物質量濃度遠低于5 mg/L。但堆浸氰化尾渣水浸結果表明,其具有明顯的第II類一般工業固廢的特性。根據項目區域水文地質調查報告,區域地下水埋深較深。渣堆底部0～2 m的第四系天然包氣帶防污性能為中—弱,但其下部的巖石和巖體的滲透系數較小,基巖包氣帶的防污性能強。因此,在良好水文地質條件下,倒堆后形成的堆浸氰化尾渣堆也具有較好的天然底部防滲條件,也可以進行原位關閉,并結合氰化尾渣堆表面封場覆蓋防滲阻隔方案達到進一步污染防控的目的。

綜合考慮原位封存阻隔污染防控的可行性、項目所在區域經濟發展情況、氣候環境及礦區周邊環境敏感目標等因素,可采用原位整形后對該金礦歷史遺留堆浸氰化尾渣堆進行原位封存阻隔,以達到污染防控的目的。

3.2 原位封存阻隔方案

原金礦石破碎后堆浸作業前,部分在堆浸場底部采取了防滲措施。因此,這部分堆浸氰化尾渣堆可利用原堆浸場底部防滲措施,對分散的堆浸氰化尾渣堆及周邊受污染的土壤進行清運集中,采用封存覆蓋進行污染防控。對于已經倒堆形成的渣堆,根據礦區水文地質條件及降水等綜合條件,也可以采用原位阻隔的方法就地封存。

1)氰化尾渣清運集中。礦區范圍內的堆浸氰化尾渣堆大多呈線性分布在采礦區兩側,無需清運。對于其他區域零星分布且堆渣量較小的渣堆,需進行清運,并集中堆存在工程條件較好、堆放量較大的堆浸氰化尾渣堆區域。清運過程應做好二次污染防治措施和安全衛生措施,防止運輸過程中遺撒及氰化物中毒事件發生。

2)污染土壤清運集中。需要清運的污染土壤主要為兩部分:一是被清運堆浸氰化尾渣堆底部的污染土壤,二是原渣堆周邊受污染的土壤。污染土壤集中堆存在工程條件較好的堆浸氰化尾渣堆附近,同氰化尾渣堆一并進行污染防控。

3)渣堆修整。為了便于封場覆蓋防滲層的鋪設,利于坡面雨水的收集導排,以及保持場區土方的整體平衡,需要對現有堆浸氰化尾渣堆邊坡修整。渣堆邊坡修整的原則是在滿足設計和工程目的的要求下,盡量減少挖填方量。當氰化尾渣堆邊坡高度大于6 m時,進行削坡開級,每級臺階高度不超過4 m,臺階寬度不小于3 m,以便于施工機械作業。修整后的邊坡坡度不大于1∶3.0。

4)污染防控。按照GB 18598—2019 《危險廢物填埋污染控制標準》封場要求,對堆浸氰化尾渣堆進行封場覆蓋,采用的柔性封場結構自下而上為:

(1)防滲層。采用厚度1.5 mm以上的糙面HDPE膜或LLDPE膜;采用黏土時,厚度不小于30 cm,飽和滲透系數小于10×10-7cm/s。本方案防滲層選用雙糙面HDPE膜,厚度為1.5 mm。

(2)排水層。滲透系數不應小于0.1 cm/s,邊坡應采用土工復合排水網;排水層與堆浸氰化尾渣堆四周的排水溝相連。

(3)植被層。其由營養植被層和覆蓋支持土層組成。營養植被層厚度應大于15 cm;覆蓋支持土層應由壓實土層構成,厚度大于45 cm。本方案植被層由營養植被層150 mm+覆蓋支持層450 mm構成。

5)生態恢復及區域排水。該金礦所處區域年降雨量較少,周邊無可直接利用的灌溉養護用水。因此,在降雨比較集中的月份進行生態恢復,覆土完成后及時播撒草籽,并進行一次噴灌養護,后期進行自然生態恢復。堆浸氰化尾渣堆經過修理整平和封場覆蓋施工后,需在堆體外圍補充修建截水溝,避免在暴雨季節受雨水沖刷,防止水土流失。

6)輔助工程。堆浸氰化尾渣屬于危險廢物,按照GB 15562.2—1995 《環境保護圖形標志—固體廢物貯存(處置)場》的要求,原位封存阻隔后應在明顯的位置設置警示牌,防止封存后的堆浸氰化尾渣堆體在生態恢復初期受當地牲畜的踩踏,造成生態植被和封存阻隔污染防控工程的破壞,因此在渣堆區域設置鐵絲圍欄。

3.3 管控監測及輔助方案

按照HJ 943—2018 《黃金行業氰渣污染控制技術規范》和有關法律法規規定,原位封存阻隔污染防控工程施工完成后應制訂監測方案,對堆浸氰化尾渣堆后期的污染物狀況及其對周邊環境的影響開展監測。

根據礦區水文地質條件、地下水補徑排特點,結合可能的污染影響,以控制地下水水質變化為原則,合理布設地下水監測點。本方案地下水監測井布設要求如下:

1)本底井,1眼,設在處置場地下水流向上游30～50 m處。

2)污染擴散井,2眼,分別設在垂直處置場地下水流向的兩側,30～50 m處。

3)污染監視井,2眼,分別設在處置場地下水流向下游30 m、50 m處。

地下水監測因子由金礦生產運營中可能產生的污染物確定。本污染防控技術方案特征污染測定項目至少包括氰化物、銅、鉛、鋅、砷、汞、鎘、鉻(六價)。

污染防控工程竣工后的第1年,采樣頻次每月至少1次;1年后,采樣頻次每季度至少1次。若發現地下水水質出現異常,應加大監測頻次。

3.4 滲濾液收集處理系統

根據現場實際情況,堆浸氰化尾渣堆底部完全無滲濾液流出或無下滲的跡象,項目區域較小的降雨量和極大的蒸發量導致基本無滲濾液產生。此外,由于原位封存阻隔工程的實施完全阻斷了降水進入堆浸氰化尾渣堆對其進行淋濾的途徑,更進一步阻斷了滲濾液產生的可能性,因此本方案不設置滲濾液收集處理系統。

3.5 應用效果

該堆浸氰化尾渣污染管控技術已在工程中應用,根據工程實施效果,原位封存阻隔可以有效阻隔氰化尾渣中污染物通過降雨等方式擴散和滲透,環境污染風險得到有效控制,項目周邊環境得到明顯改善。此外,由于渣堆整形改造和生態恢復措施的實施,渣堆表面復綠效果明顯,達到預期工程目標。工程現場見圖6。

圖6 污染管控工程實施后氰化渣堆效果

4 結 論

1)采取原位封存阻隔技術處理金礦無主礦區歷史遺留堆浸氰化尾渣和受重金屬污染土壤,實現污染防控的目的。該技術方案與異位風險管控技術相比,不需要新建危廢渣庫,不需要搬運大量廢渣,節省了工程投資,降低了環境風險,工藝技術方案可行。

2)在具有良好水文地質環境和干旱少雨的氣候條件下,對西北干旱區金礦歷史遺留堆浸氰化渣進行原位封存阻隔污染防控。該工程實施后,環境污染風險得到有效控制,周邊環境得到明顯改善,工程效果良好。

3)原位封存阻隔污染防控技術可以使堆浸氰化尾渣中污染物得到有效防控,消除下游地表水體、地下水及土壤環境的污染安全隱患,且項目所在區域植被得到有效恢復,生態環境得到顯著改善,具有良好的環境效益和社會效益。堆浸氰化尾渣堆原位封存阻隔污染防控的實施,為以后具備開發條件的氰化尾渣的二次開發利用提供了便利。