（环境工程专业论文）尾矿区土壤重金属污染特征及评价——以内蒙古××尾矿区为例.pdf

尾矿区土壤重金属污染特征及评价 以内蒙古尾矿区为例 摘要 对处于内蒙古草原生态系统的尾矿区土壤重金属污染状况进行了研 究，旨在为治理尾矿库区的土壤重金属污染提供理论依据。重金属含量结果表 明，尾矿库区周围不同方向土壤中p b 、z n 、m n 和f e 的浓度随距离变化显 著，且平均值均高于内蒙古土壤背景值，其他元素浓度变化不显著。不同方向 上p b 、z n 、和f e 的最大浓度出现在距尾矿1 0 0m 范围内。单项污染指数法 评价表明尾矿不同方位土壤都受到了重金属p b 、c u 、z n 、和f e 的污染，各 重金属的平均污染程度为 p b z n f e c u c r n i a s a l ；内梅罗综 合污染指数法评价表明，尾矿东南方向土壤重金属污染最为严重，综合污染指 数为1 0 9 ，不同方位污染程度为东南 东北 西南 西北，主要受尾矿库区常 年主导风向西北风的影响。尾矿库区周围土壤重金属的污染特征，与尾矿 砂中同种重金属浓度相对应，已经对当地环境质量的健康稳定构成了威胁，应 当从源头治理，增加植被面积进行生态恢复。 关键词：尾矿库区；土壤；重金属污染；主导风向；评价 t a i l i n ga r e as o i lh e a y ym e t a l p o l l u t i o nd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c a n da s s e s s m e n t - r t a n gi n n e rm o n g o l i at a i l i n g a r e a a sa ne x a m p l e a b s t r a c t t h ep o u u t i o ns t a c u sa n dt o t a lc o n c e n t i ：a t i o no fs o i lh e a v ym e t a l s 、e r ea n a l y z e d a r o u n d t a i l i n gr e s e r v o i rl o c a t e dm b n e rm o n 9 0 1 i ag r a s s l a n de c o s y s t e m a i m o ft h es t u d yi st oc o n t r o ls o i lh e a v ym e t a lp o l l u t i o no f t a i l i n g sa j l dp r o v i d et h e b a s i cd a t ai n f o n n a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tc o n c e n t r a t i o n so fp b ，z n ，m na n df e 丘o md i 虢r e n td i r e c t i o n so ft h et a i l i l l gr e s e o i rc h a n g e ds i g n i f i c a n t l yw i t hd i s t a n c e a n dw e r eh i 曲e rt h a i lt 1 1 e b a c k g r o u n dv a l u e so fi r u l e rm o n g o l i a a c c o r d i n gt ot h e s i n g l ef a c t o rp 0 1 l u t i o ni n d e x ，s o i l s 舶md i 髋r e n td i r e c t i o n sw e r ec o n 切m i n a t e db yp b ， c u ，z n ，m na n df e t h ep o u u t i o nd e g r e ew a si no r d e r ：l 洫 p b z n f e c u c r n i a s a 1 a c c o r d i n gt on e m e r o w ss y n t h e t i c a lp 0 1 1 u t i o ni n d e x ，s o i l sc o l l e c t e d 盘o mt h es o u t l l e a s to ft h e t a i l i n g r e s e r v o i rh a dt h em o s ts e r i o u sh e a 、7m e t a l c o n t 锄i n a t i o n ，t h em d e xw a s1o 9 t h eo r d e ro fp o l l u t i o nl e v e l i nd i 虢r e n td i r e c t i o n s w a ss o u t l l e a s t n o r t h e a s t s o u t h w e s t n o n h w e s t ，w h i c hw a sm a i l l l ya f f e c t e db yt h e d o m i n a l l tw i n do fn o n h w e s t i i lg e n e r a l ，t h ep o l l u t i o nc h a r a c t e r i s t i ca 1 1 dt h ee l e m e n t s o fh e a v ym e t a lc o n t a n = l i n a t i o nw e r ec o r r e s p o n d m gw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n so fi r o n t a i l i n g s t h eh e a l t ha n ds t a b i l i z a t i o no fe n v i r o m e n t a lq u a l 毋a r eb e i n g 缸e a t e n e d b y s o i lh e a 、可m e t a l s k e y w o r d s ：t a i l i n g s ，s o i l ，h e a 、，ym e t a lp o l l u t i o n ，d o m i n a n tw i n dd i r e c t i o n ， a s s e s s m e n t 3 内蒙古大学工程硕士学位论文 1 1 土壤重金属污染问题 第1 章绪论 1 1 1 重金属及土壤重金属污染 重金属指相对密度大于4 0 c m 3 的约6 0 种金属元素( 含个别类金属，如a s 等) 或相 对密度在5 0g c m 3 以上的4 5 种元素，主要有h g 、c d 、p b 、c u 、z n 、n i 、c r 、c o 、s e 和 a s 等。环境学主要研究生物毒性显著的h g 、c d 、p b 、c r 、a s 以及具有毒性的c u 、z n 、 n i 等。目前最引人关注意的是h g 、c d 、p b 、c r 以及a s 。 重金属污染是指由重金属及其化合物引起的环境污染。重金属污染物在环境中难以降 解，能在生物体内积累，通过食物链逐步富集，其含量可成千成万甚至成百万倍地增加， 最后进入人体造成危害，是危害人类最大的污染物之一【l j 。 随着经济社会的发展，人们对矿产资源的开发速度日趋加快，而矿产资源的开发和利 用不可避免地导致了一系列严重的生态环境问题，例如采矿地区地质地貌的破坏，矿区及 其周边地区水体水质的恶化，土壤重金属污染，植被破坏和物种多样性丧失，水土流失与 土地沙漠化等问题【2 ，3 1 都日益严重。尤其是土壤重金属污染问题，已引起国内外越来越多学 者的关注【4 蚓。 土壤是环境的重要组成部分，是人类赖以生存的自然环境和农业生产的重要资源。随着 全球经济的快速发展，含重金属的污染物通过各种途径进入土壤，造成土壤中相应重金属元 素的富集。土壤污染不但影响农产品产量与品质，而且涉及大气和水环境质量，并可通过食 物链危害动物和人类的生命和健康，影响到整个人类生存环境的质量【_ 7 1 。土壤重金属污染是 指由于人类活动将重金属带入到土壤中，致使土壤中重金属含量明显高于背景含量、并可能 造成现存的或潜在的土壤质量退化、生态与环境恶化的现象。金属矿山的开采，特别是铜矿 床、铅锌矿床、含硫多金属矿床的开采过程中，由于采矿废水和选矿废液的直接排放，废石 和尾矿等固体废弃物的堆放和淋滤，使矿区土壤中富集大量的重金属，造成了严重的污染， 形成了金属矿区最突出的环境问题【8 1 。矿区土壤重金属的污染可以使土壤质量下降，生态系 统退化，农作物减产；重金属在土壤中发生累积，在一定条件下可向下迁移，污染地下水， 对饮用水安全构成威胁；也可以通过食物链将污染物从土壤转移到生物体中，并最终威胁人 内蒙古大学工程硕士学位论文 体健康【9 】o 我国以往的矿业开发工作大多只注重经济利益，对矿区土壤重金属的研究相对落 后。重金属污染引起的环境问题己成为制约地方经济发展及社会稳定的重要因素。随着经济 的发展以及公众环保意识的增强，重金属污染的调查、评价等工作越显重要。 1 1 2 土壤重金属污染的来源 土壤重金属污染来源包括天然来源与人为来源两个方面。天然来源主要有地质活动如地 震与火山喷发导致的地壳重金属元素暴露于地表，造成局部含量过高；人为污染主要来自金 属采矿、金属冶炼、金属工业、灌水( 特别是污灌) 、固体废弃物( 污泥、垃圾等) 、农药和化 肥，以及大气沉降物等。周建利等1 0 1 总结了重金属的主要人为来源及主要污染物如表1 1 所示。 最主要的污染源是采矿、石化燃料、冶炼以及使用重金属的工业企业，尤其是有色金属矿产 资源开发 1 1 】。自上世纪2 0 3 0 年代以来，人类对重金属的开采、冶炼、加工及商业制造活动 日益增多，造成不少外源重金属进入大气、水和土壤环境，产生了严重的环境污染。 表1 1重金属污染主要人为来源 t a b l e1 1m a i l lo r i g i no f h e a v ym e t a lp o l l u 伽1 t sb yh u m a i la c t i v i t i e s 来源污染物 矿产开采、冶炼、加工排放的废气、废水、废渣 煤和石油燃烧过程中排放的浮尘 电镀工业废水 塑料、电池、电子工业排放的废水 汞工业排放的废水 染料、化工制革工业排放的废水 汽车尾气 农药 铬、汞、砷、铅、镍、钼等 铬、汞、砷、铅 铬、铅、锡、镍、铜 汞、铅、镉 汞 铬、镉 铅 镉、砷 1 1 3 土壤重金属污染的特点 重金属作为自然界组成的基本元素，不能通过降解、降低浓度等作用从土壤中彻底的去 除。它只能通过生物富集、转移、沉淀等方式处理回收。重金属污染的特点如下【1 2 。1 5 】： ( 1 ) 具有隐蔽性和滞后性。大气污染、水污染和废弃物污染等污染问题一般都较直观， 通过感官就能有所发现。但是土壤污染则不一样，需要通过对土壤样品进行分析化验和对 农作物的残留检测，甚至通过研究人畜健康状况才能确定。所以，土壤重金属污染从污染 产生到出现问题通常会滞后较长的时间。如日本的“痛痛病”经过了l o 一2 0 年之后才被人 内蒙古大学工程硕士学位论文 们所认识。 ( 2 ) 具有生物累积性。污染物质在大气和水体中，一般都比在土壤中更容易迁移和扩散。 这使得重金属在土壤中并不像在大气和水体中那样易扩散和稀释，因此容易在土壤中不断 积累而超标，使土壤中的重金属具有显著的地域性限制，同时也具有食物链累积的特点。 ( 3 ) 具有不可逆转性。重金属对土壤的污染基本上是一个不可逆转的过程，许多有机化 学物质的污染也需要较长的时间才能降解。如：被某些重金属污染的土壤可能要经过 1 0 0 2 0 0 年时间才能够恢复。 ( 4 ) 治理难且周期长。如果大气和水体受到污染，切断污染源之后可通过稀释作用和自 我净化作用有可能使污染问题不断逆转，土壤重金属污染则很难通过稀释和土壤自我净化 作用来消除，必须采用各种有效的治理技术才能解决污染问题，但是这些方法所耗的成本 高、治理周期长。 1 2 尾矿区重金属污染研究现状 1 2 1 尾矿概念及其环境污染 尾矿是指矿山的选矿厂在特定的经济技术条件下，将矿石破碎、筛分、研磨、分级、 再经重选浮选或氰化等选别工艺流程、选出有用金属后的剩余部分，其有用成分含量很低， 这部分产物称之为尾矿。这些尾矿由于数量大，含有暂时不能处理的有用或有害成分，随 意排放，将会造成资源流失，大面积覆没农田或淤塞河道，污染环境。尾矿库中堆积的尾 矿对环境的污染具体表现在： ( 1 ) 尾矿在选矿过程中经受了破磨，体重减小，表面积变大，堆存时易流动和塌漏，造 成植被破坏，尤其在雨季极易引起塌陷和滑坡。 ( 2 ) 在气候干旱风大的季节或地区，尾矿粉尘在大风推动下飞扬至尾矿坝周围地区，造 成土壤污染、土质退化，甚至使周围居民致病。 ( 3 ) 尾矿成分及残留选矿药剂对环境的污染，尤其是含重金属的尾矿，其中的硫化物产 生酸性水进一步淋浸重金属，其流失将对整个生态环境造成危害，而残留于尾矿中的氯化 物、氰化物、硫化物、松醇油、絮凝剂、表面活性剂等有毒有害药剂，在尾矿长期堆存时 会受空气、水分、阳光作用和自身相互作用产生有害气体或酸性水，加剧尾矿中重金属的 流失，流入耕地后污染农作物，使农作物中重金属含量成倍或十几倍地增加；流入水系又 会使地面水体或地下水源受到污染，毒害水生生物。 ( 4 ) 尾矿流入或排入溪河湖泊，不仅毒害水生生物，而且会造成其它灾害，有时甚至涉 内蒙古大学工程硕士学位论文 及相当长的河流沿线。因此，为保护人类生存环境的洁净与安全，减小矿业开发对自然生 态的破坏，尾矿库土地复垦已是矿业土地复垦工作的中心任务之一。 1 2 2 尾矿区重金属污染研究现状 鉴于尾矿堆积对环境尤其是土壤环境所造成的污染问题，国内外对金属尾矿区土壤重 金属污染问题进行了大量研究，涉及到铜尾矿、铅锌尾矿、铁尾矿及其他金属尾矿区土壤。 杜立宇等1 6 1 对红透山铜尾矿重金属分布及尾矿区和农田区土壤重金属污染状况的研究结果 显示：尾矿中4 种重金属c u 、z n 、p b 、c d 均出现不同程度的淋滤一富集现象，对周围土 壤存在较大的环境威胁。缪福俊等【1 7 】对兰坪铅锌尾矿区的土壤和自然发生植物的调查分析 发现该尾矿区土壤污染以c d 最为严重，是云南土壤背景值的3 5 0 倍，其次是以p b 、z n 为 主，并且尾矿区自然发生多种植物类群。王兆茹【1 8 】通过对盘古山钨矿尾矿及植被恢复区土 壤重金属含量研究表明，裸露尾矿山顶、淤泥、3 年马尾松林的表层土壤h g 、a s 、c u 、p b 和c r 含量较高，提出利用植物修复的方法来减少重金属对环境的污染。许超等【l9 j 对粤北大 宝山矿山槽对坑尾矿库尾砂及其下农田土壤中重金属( c d 、z n 、p b 、c u ) 的形态分布特征 研究发现农田土壤重金属有效性较尾砂大，尾砂和农田土壤重金属生物有效性均以p b 为最 高。有效性越大的重金属就会很容易发生迁移并被作物吸收富集，最终通过食物链进入人 体影响人体的健康。滕应等【2 0 j 对浙江省天台铅锌银尾矿污染区土壤酶活性进行了测定，结 果表明，污染区土壤酶活性随着重金属污染程度的加剧而显著降低，其中脱氢酶和脲酶活 性下降最明显。得出了可采用酶活性构筑的土壤信息系统的总体酶活性，表征矿区土壤的 重金属污染状况。曾清如等【2 l j 研究了湖南省郴县东坡铅锌矿自然扩散晕内重金属的污染特 征及污染控制措施，结果表明，该区域内的环境污染是以p b 、z n 、c d 和a s 为主的多金属 复合污染，污染物在土壤中的化学形态以残渣态为主，水体中的细微尾矿砂颗粒物是重金 属的主要迁移载体。饶运章等【2 2 j 通过分析某黄铁铅锌矿尾矿库1 4 年的废水监测数据，研究 了高酸、高碱环境对尾矿硫化物重金属溶出的影响，揭示了废水酸化与重金属污染的内在 机制，提出了在尾矿浆中添加碱性物质以中和h + 、切断重金属离子溶出反应链等根治尾矿 库废水酸化与重金属污染的控制技术。 在国外，墨西哥s a l l r am a r i ad el ap a z 的p b z n c u - a u 矿带上，矿山开发及其尾矿堆 积导致1 0 0 2 土地受污染【2 引。附近地区种植的蔬菜叶中s n 和p b 的含量分别超出当地正 常水平的2 0 倍和5 0 倍。显然，食物链中金属的这种高度富集将严重威胁人们的健康。巴 西的t e i e i r aec 等【2 4 j 对rsb a i x oj a c u i 地区的煤矿区尾矿周围土壤中重金属进行研究，评 价选则c o 、c r 、c u 、f e 、m n 、n i 、p b 和z n 等元素的可迁移及生物的可利用率为指标， 内蒙古大学工程硕士学位论文 结果表明该区受到了煤矿开采及尾矿渣堆积引起的c u 、f e 、n i 、p b 和z n 污染；p r a s a db 等【2 5 1 对意大利北部的v i g o n z a l l o 区的铜矿开采产生的尾矿渣进行研究，发现区内己经产生 c r 、n i 、c u 、c o 的富集现象，并解释可能是尾渣在矿区内堆放，对水体中z n 、f e 、c d 含 量升高有影响，因此对此类矿物中重金属的赋存方式进行了研究，以更有效地管理矿区环 境。h 0 1 i n s t r o m 等【2 6 1 对l v a e r 和s t e k e 巧o k k 矿山尾矿淋滤对比实验研究得出的最重要结论是： 为了防止尾矿重金属淋滤进入周围环境，使尾矿始终保持中性或接近中性的p h 值是非常重 要的。在尾矿中保持高p h 值有两方面的作用，一方面是高p h 值下重金属溶解度大大降低， 防止了重金属的淋滤；另一方面，高p h 值下氢氧化物的形成使硫化物氧化速率随时间而降 低。目前，国外对尾矿重金属的研究主要集中在不同因素对尾矿中重金属淋溶、迁移、转 化的影响，对尾矿区土壤重金属问题的研究较少【2 7 j 。 1 3 研究意义及目的 内蒙古地域辽阔，矿产资源极其丰富，在世界已探明的1 4 0 多种矿产资源中，内蒙古 就有1 3 5 种。探明储量居全国第一的有5 种，居全国前十位的有6 7 种，是我国重要的矿产 资源省区之一。其中黑色金属、有色金属、贵金属等金属矿产种类繁多，储量丰富。丰富 的矿产资源为自治区经济的发展创造了基础条件，矿业已成为自治区经济发展的支柱产业， 在国民经济中占有重要的地位。然而，在内蒙古草原地区大规模工业采矿带来巨大经济效 益的同时，却几乎是不可避免地导致了严重的生态破坏与环境污染，问题的核心则是大面 积矿业废弃地的产生。其中，由于采用各种分选方法分选出精矿后剩余物排放所形成的尾 矿废弃地所带来的问题最为严重。据有关部门统计，我国尾矿产生量可占到工业固体废弃 物产生总量的3 0 【2 8 】，目前全国建有大、中型尾矿库约1 5 0 0 多座，累积尾矿堆存量己达 5 0 多亿t ，并以每年4 5 亿t 的排放量递增【2 引，其中铁尾矿2 6 亿t ，有色金属尾矿2 1 亿t ， 金矿尾矿3 亿t 【3 0 】，全国因尾矿堆放已占地5 万多公吲3 1 】。与其它地区的矿业开采活动相比， 由于内蒙古的矿业开采活动处于抗干扰能力较弱的草原生态系统中，其导致的生态破坏与 环境污染问题也更加严重。首先，金属尾矿的堆放将破坏和占用大面积的草原资源，使得 草原退化、荒漠化加速。其次，由于物理结构不良，尾矿砂以风或水为载体而传播扩散， 成为水体、土壤及大气的重金属污染源，造成严重而持久的草原污染。然而，目前我国针 对草原生态系统矿业开发中所涉及的生态与环境污染问题的研究还很少，所以对草原矿区 及其周围土壤重金属污染状况、特征进行调查和评价显得尤为重要。 本文对处于内蒙古草原生态系统的尾矿区土壤重金属污染状况进行研究，从不同方 内蒙古大学工程硕士学位论文 向对矿区土壤重金属污染状况进行系统的调查，分析测定重金属元素含量，合理评价土壤重 金属污染状况，旨在了解矿区土壤重金属的分布规律和污染特征，为土壤重金属污染治理和 矿区的生态恢复重建提供科学论依据，从而减少矿产资源开发和利用过程中重金属对人类健 康和当地草原生态系统造成的危害。 内蒙古大学工程硕士学位论文 2 1 研究区概况 第2 章研究区概况及材料方法 尾矿区位于市区西1 2k m ，地形北高南低。该区域属半干旱中温带大陆性季风 气候，低温少雨，干旱多风，温差变化大，常年主导风向为西北风；年均气温8 8 ，最低 气温2 6 6 ，最高气温4 0 4 ；年降水量2 8 9 9m m ；年最大风速1 5 0 “s ，平均风速1 8 州s ； 年日照时数2 9 8 7h ；年均相对湿度5 2 。 尾矿库区域的土壤分为栗钙土、浅色草甸土和盐化沼泽土三大类。栗钙土分布在北部 及西北部；浅色草甸土分为轻、中、重度浅色草甸土，分布在东、南、西部；盐化沼泽土 分布在尾矿库和粉煤灰场附近的下游地区。本区地处温带草原和荒漠的过渡地带，由于受 人为生产活动的影响，草原和荒漠的植被景观已被破坏。野生植物以菊科、禾本科、豆科、 蓼科和藜科为主并有少量灌木，亦见散生人工载植的杨、榆、沙枣和柽柳等乔灌木。 该尾矿库南距铁路3 0 0m ，北与工业开发区相邻，东与热电厂灰渣坝毗邻， 西部是村，并有滞洪区和农田。尾矿库采用矿粉平地筑坝围成，现采用周边放矿、上 游式机械筑坝，其东西宽约3 2k m ，南北长约3 5k m ，坝体周长1 1 5k m ，占地面积1 0m 2 ， 现库容面积8 3 4 7k m 2 ，汇水面积5 7 2 3k m 2 。尾矿库四周设有防渗沟，南部建有渗漏泵站， 将汇集在防渗沟内的渗漏水打回尾矿库供循环使用。原设计堆积坝标高为1 0 4 5m ，坝高2 0 m ，总库容8 5 1 0 6m 3 ，有效库容6 8 8 3 1 0 6m 3 ，服务年限到1 9 9 7 年。1 9 9 5 年对尾矿库进 行了加高、扩容、改造设计，现堆积坝标高为1 0 4 7 5m ，坝体相对高度2 2m 。目前尾矿库 已储存1 6 0 1 0 6t 尾矿，尾矿库水位为1 0 4 6 3m ，尾矿沉积滩长度为3 0 0 4 0 0m 。 目前，由于周边稀土厂和其他工业排水较多，造成坝内水质恶化，水中氟化物、含盐 量、硫酸根和氨氮等污染物严重超标；尾矿库大量的渗漏水影响了地下水，水质远远超出 饮用水的指标，严重影响了周边居民的健康和干扰了周边居民的生活；破坏了坝内水生态 平衡，造成鱼类和水草等大量死亡。随着坝体的逐年增高，尾矿的裸露面积不断扩大，同 时没有进行有效的生态治理，造成周围环境不断恶化。 内蒙古大学工程硕士学位论文 2 2 材料与方法 2 2 1 土壤样品的采集 该尾矿区常年主导风向为西北风，据此设计了4 个采样方位，如图2 1 所示，分别为垂 直于主导风向的东北方位( s 1 ) 和西南方位( s 3 ) ，下风向的东南方位( s 2 ) 以及上风向的 西北方位( s 4 ) 。 图2 1 研究区内4 个采样方位位置示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i 楚即mo fm es t u d ya r e aa n dl o c a t i o no ff o u rs 锄p l i n gd i s 仃i c t s 沿上述4 个采样方位的直线方向分别采集5 0 0m 范围内的土壤样品。每个采样方位各 设置了1 8 个采样点，距尾矿库坝的距离分别为5 、1 0 、1 5 、2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 、 1 5 0 、2 0 0 、2 5 0 、3 0 0 、3 5 0 、4 0 0 、4 5 0 、5 0 0m 。对所选定区域从2 0 0 9 年5 月9 月间进行采 样。具体采样方法是：在每个采样点附近随机采集3 5 个样品混合为一个代表样，采样深 度为o 2 0c m ，每个混合样采集1 埏左右。 本研究采集并测定了尾矿坝铁尾矿砂中p b 、c u 、c r 、z n 、n i 、m n 、a s 、f e 和a l 九种 重金属的含量( 见表2 1 ) 。根据铁矿物中所含矿石类型，尾矿砂中重金属的组成和含量差 异以及内蒙古地区土壤中不同元素的背景值含量，选择这九种重金属作为研究的目标元素， 以探讨它们对尾矿库区周围土壤造成的影响。 内蒙古大学工程硕士学位论文 2 2 2 土壤样品前处理与分析 土壤样品采集后去除沙砾、植物根系等异物，避光自然风干，对每一份样品采用四分 法取样进行磨碎处理，过1 0 0 目( 0 1 4 9m m ) 土壤筛，保存待消煮测定3 2 1 。土壤样品的分 析采用王水一高氯酸( h n 0 3 一h c 卜h c l 0 4 ) 开放式消煮法 3 3 】，称取土壤lg 左右，加王水5m l ， 1 2 0 消煮2 4h 左右，至消煮液为1m l 左右，冷却至室温后加高氯酸3m l ，1 4 0 继续消 煮7 2h ，直至土壤消煮至灰白色，消煮液透明澄清为止。消煮过程结束后，消煮液用超纯 水稀释至5 0m l ，然后过滤到经酸泡过的干净p e 塑料瓶中。空白和标准样品( g b w 0 8 3 0 3 ， 国家标准物质研究中心) 同时消煮，以确保消煮及以后测定的准确度和用于回收率的计算。 采用i c p o e s ( i n d u c t i v e l yc o u p l e dp l a s m a0 p t i c a le m i s s i o ns p e c t r o m e t e r ，0 p t i m a2 0 0 0d v p e 越ne 1 m e r ，u s a ) 测定土壤样品消煮液中的重金属p b 、c u 、c r 、n i 、z n 、m n 、f e 和a l 的浓度，采用原子荧光分光光度计( a f s 一9 3 0 ，北京海光分析仪器公司) 测定土壤样品消煮 液中的a s 浓度。 2 2 3 土壤重金属污染评价方法 根据不同采样点位和不同区段的整体调查，对研究区域土壤重金属污染状况分别采用单 因子指数法和内梅罗综合污染指数法进行综合评价。 ( 1 ) 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，是对土壤中的某一污染物的污染程度进行 评价【3 4 1 。其计算公式为： 马一q s ( 2 1 ) 式中，p ，为土壤中污染物f 的环境质量指数；白为污染物f 的实测浓度( m g k 分1 ) ；s 为污染物 f 的评价标准( m g k g 1 ) ，选用内蒙古土壤中重金属元素的几何平均值。 内蒙古大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 内梅罗综合污染指数法 内梅罗综合污染指数法可全面反映土壤中各污染物的平均污染水平，也突出了污染最严 重的污染物给环境造成的危害【3 训。其计算公式为： 踟= 【( q 佤) z m a x + ( c f 偶) z 吖。】2 ) “z ( 2 2 ) 式中，尸为综合污染指数；( q s ) m 强为各污染物中污染指数最大值；( c f 劝种。为各污染物 中污染指数的算术平均值。 依据单因子指数法和内梅罗综合污染指数法可将土壤重金属污染划分为5 个等级( 表2 ) 。 表2 2 土壤重金属污染分级标准 t a b l e2 2c r i t e r i af o rc l a s s i f i c a t i o no fs o i lh e a v ym e t a lp o l l u t i o n 内蒙古大学工程硕士学位论文 第3 章结果与讨论 3 1 尾矿区周围土壤中重金属浓度及分布特征 尾矿库东北方向土壤重金属含量见表3 1 。由表3 1 可知，尾矿东北方向土壤中c u 、c r 、 n i 、a s 和灿五种重金属的含量随距离变化不明显；p b 、z n 、f e 四种重金属的含量随 距离尾矿库的远近有较大变化，其中p b 在距尾矿4 0m 处含量最高，为1 2 7 3m g k g ，超过 内蒙古土壤背景值8 4 9 倍；z n 、m 1 1 和f e 的含量在5 0m 处有最大值，分别为3 9 3 8 、4 9 3 6 、 9 8 2 5m g g ，分别超过背景值8 1 0 、1 1 0 7 、4 6 3 倍。在5 0m 以后，土壤中p b 、z n 、m n 、 f e 的含量随距离增加整体上呈明显降低的趋势。 表3 1 尾矿库区东北方向土壤中重金属含量 t a b l e3 1 c o n c e n t r a t i o n so f h e a 、m e t a li i lt h es o i l so f t h en o r t l l e a s to f t a i l i n g s 距尾矿距离 p bc uc rz nn im na sf ea l m m g k 9 1m g k 菩1m g k 9 1m g k 9 1m g k 岔1m g k 分1m g k 9 1m g 9 1m g 9 1 58 7 6 81 6 0 63 5 5 84 8 8 91 5 3 14 6 0 53 4 5 52 7 1 02 1 3 2 1 0 1 5 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 8 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 0 平均值 内蒙古 土壤背景值 4 6 9 7 2 3 2 8 7 2 4 9 4 0 4 4 1 2 7 3 8 1 3 5 5 8 4 9 1 4 9 1 3 0 0 3 2 2 3 7 1 0 2 9 3 4 5 9 3 1 4 9 3 6 7 4 2 5 1 8 2 4 9 0 2 1 5 2 3 9 5 1 1 5 0 1 6 3 5 1 8 1 9 1 5 4 3 1 4 7 7 1 4 1 1 1 3 6 7 1 4 4 6 1 4 7 9 1 5 8 5 1 5 4 4 1 5 3 0 1 6 2 6 1 6 0 2 1 6 9 7 1 6 0 4 1 6 3 2 1 6 4 3 1 5 6 9 1 2 9 4 2 4 2 4 9 9 7 4 6 4 9 4 1 0 9 3 8 4 7 3 1 5 0 4 4 0 9 4 7 2 3 4 6 0 2 5 0 3 8 5 6 4 7 4 7 2 1 5 3 3 2 5 1 1 5 4 2 5 9 4 9 0 6 5 5 8 6 4 6 0 5 3 6 5 1 l o 5 1 1 0 1 1 5 1 9 1 3 4 2 2 6 9 9 3 9 3 8 2 0 5 5 5 3 9 0 1 2 5 o 8 0 6 2 5 8 0 8 1 3 3 1 8 8 3 3 9 3 1 7 7 0 1 8 6 5 7 4 6 2 3 6 1 2 5 3 4 8 6 1 5 5 2 1 7 5 0 1 6 6 4 1 5 6 l 1 4 7 2 1 3 4 8 1 6 0 4 1 7 5 3 1 8 0 5 1 7 6 8 1 9 6 l 1 6 9 8 1 7 9 8 1 8 4 1 1 7 0 9 1 8 1 6 1 8 5 l 1 6 9 3 1 7 3 1 1 8 83 7 4 44 0 7 8 2 6 0 5 1 2 9 83 2 5 33 8 5 22 7 1 9 l8 0 23 2 8 24 6 9 92 8 8 3 1 5 8 93 4 114 0 3 62 8 4 7 3 4 5 23 4 317 6 2 33 4 0 4 4 9 3 63 4 5 29 8 2 53 5 7 0 2 1 7 53 4 3 26 3 0 93 6 0 7 6 6 3 53 4 5 73 1 6 62 2 7 3 8 6 3 03 3 6 63 5 6 42 3 2 6 6 9 0 1 5 4 7 1 3 9 0 83 3 4 1 3 0 7 33 4 4 1 2 1 6 4 2 2 1 8 6 3 9 23 9 1 63 3 4 22 1 4 1 7 1 9 53 9 0 23 7 1 42 1 3 1 8 4 0 04 3 8 73 8 5 82 2 9 5 7 7 2 02 9 7 73 2 5 32 2 1 3 7 3 6 83 8 7 531 6 82 0 6 1 6 6 9 93 6 9 13 7 3 72 3 0 3 1 3 3 6 4 4 6 3 5 5 64 3 1 82 5 5 0 6 32 1 25 4 - 3 内蒙古大学工程硕士学位论文 尾矿库区东南方向土壤重金属含量见表3 2 。由表3 2 可知，尾矿东南方向土壤中p b 、 z n 、和f e 四种重金属的含量随距离尾矿库的远近变化显著，在由近及远距离尾矿库大 约1 0 0m 范围以内四种重金属的含量较高，随后显著降低，在大约1 0 0 5 0 0m 范围间含量 变化趋于稳定。在距尾矿5m 处p b 、z n 和f e 的含量最高，分别为4 9 5 2 、9 3 1 9 、1 9 1 5m g g ， 土壤中p b 、z n 和f e 的平均含量分别为1 8 7 5 、5 0 5 9 、1 0 1 7m g k g 。的含量最大值出 现在4 0m 处，达到了1 1 6 0 4m g k g ，是内蒙古土壤背景值的2 6 0 2 倍，并且在该方向上 m n 的平均含量也达到了6 5 0 4m g k g 一。c u 、c r 、n i 、a s 和舢的含量在1 0 0m 范围内变化 不明显，从1 5 0m 处开始，含量均开始增大，并且分别在3 5 0 、3 0 0 、3 0 0 、1 5 0 、3 0 0m 处 含量最高。 表3 2尾矿库区东南方向土壤中重金属含量 t a b l e3 2c o n c e n 仃a t i o n so f h e a v ym e t a li nt l l es o i l so ft h es o u t h e a s to f t a j l i n g s 内蒙古大学工程硕士学位论文 尾矿库西南方向土壤重金属含量见表3 3 。由表3 3 可知，尾矿西南方向土壤中c u 、c r 、 n i 、a s 和a l 五种重金属含量随距离的变化程度不明显，但c u 、c r 、n i 的含量最大值均在 3 5 0m 处出现，分别为2 2 0 0 、4 6 3 5 、1 9 2 3m g k g ，超过了内蒙古土壤背景值。p b 、z n 、 m n 、f e 四种重金属的含量均在距尾矿最近处最大，分别为1 1 4 8 、3 5 6 6 、4 1 3 4 、8 7 7 4m g ，g ， 是背景值的7 6 5 、7 3 4 、9 2 7 、4 1 4 倍，随距离尾矿库的远近变化，由近及远含量整体上呈 逐渐减小的趋势，即距尾矿越近，重金属的含量越高，其富集的程度越高。 表3 3尾矿库区西南方向土壤中重金属含量 7 i a b l e3 3c o n c e n n 。a t i o n so f h e a v ym e t a li nt h es o i l so f m es o u t h w e s to f t a i l i n g s 尾矿库区西北方向土壤重金属含量见表3 4 。由表3 4 可知，尾矿西北方向土壤中p b 、 z n 、m n 、c u 、c r 、n i 、a s 、f e 和a l 九种重金属含量在距尾矿最近处最大，但是随距离增 内蒙古大学工程硕士学位论文 加，它们的含量变化均不明显。 表3 4尾矿库区西北方向土壤中重金属含量 t 曲l e3 4c o n c e n 仃a t i o n so 仆e a v ym e t a li nt h es o i l so ft h en o 抽w e s to f t a i l i n g s 通过对表3 1 3 4 的分析可知，尾矿各个方向土壤中p b 、z n 、m n 和f e 四种重金属的 平均含量差异较大，选用内蒙古土壤中重金属元素的几何平均值作为土壤背景值，尾矿库 区周围土壤中的p b 、z n 、m n 、f e 和c u 含量都超出了土壤背景值，4 个研究方位土壤中 c r 和n i 的含量在土壤背景值上下波动，而a s 和a l 的含量均低于土壤背景值。说明在尾矿 的长期堆积过程中已经引起周围区域土壤中部分重金属元素的积累。另外，随着采样点距 尾矿坝边缘距离的增加，东北、东南和西南方向土壤中p b 、z n 、m n 和f e 四种重金属的含 内蒙古大学工程硕士学位论文 量在一定距离范围内含量最大，之后随距离的增加含量逐渐降低，其中在尾矿坝东南方向 含量变化趋势最为明显；所研究的九种重金属的含量在尾矿坝西北方向不同采样距离均没 有显著变化；尾矿库区四个研究方向土壤中c u 、c r 、n i 和a s 的含量随距离变化均不显著， 可能是铁尾矿砂中四种重金属含量较低的原因。在距离尾矿坝边缘相等的采样区间内尾矿 库区东南方向土壤重金属平均含量最大，其次为东北 西南 西北。 3 2 尾矿区周围土壤重金属污染评价 根据尾矿库区不同方向土壤中p b 、c u 、c r 、z n 、n i 、a s 、f e 和舢九种重金属的 平均含量、污染物的评价标准和公式( 2 1 ) 、( 2 2 ) ，分别采用单因子指数法和内梅罗综合污染 指数法评价尾矿库区不同方位土壤重金属污染情况，得到不同方向土壤重金属污染评价指 数，如表3 5 所示。 对于尾矿库区周边不同方向土壤，分析表3 5 中各单项污染指数可知，尾矿库区周围四 个方向土壤中p b 、c u 、z n 、m n 和f e 的污染指数都大于1 0 ，受到了五种重金属不同程度 的污染，其中东北方向p b 、z n 、m n 和f e 的单项污染指数处于2 o 3 o ，污染级别均为中 度污染；东南方向土壤中p b 、z n 、和f e 的单项污染指数分别为1 2 5 、1 0 4 、1 4 6 和4 4 6 ， 都达到了重污染；西南和西北方向p b 、z n 、m n 和f e 的污染级别为轻污染；尾矿的四个方 向c u 都处在轻度污染水平。而c r 和n i 只对某些方向的土壤造成了轻度污染；a s 和a l 未 对尾矿周围土壤造成污染。各重金属的平均污染程度为m n p b z n f e c u c r n i a s a l 。这表明铁尾矿的堆积已经导致了尾矿坝周边土壤中重金属不同程度的积累富集， 造成了土壤的污染，严重影响了周边的生态环境。杜立宇等【l6 j 通过对辽宁抚顺红透山铜尾 矿区土壤重金属污染状况进行研究，也获得了同样的结果，认为尾矿中p b 、c u 、z n 等均出 现不同程度的富集现象，对周围土壤有较大的环境威胁。张慧智等【3 5 】对湖南省1 0 个矿区的 尾砂土壤进行了采样调查，分析了尾砂土壤重金属含量以及重金属各种化学形态的含量， 结果显示大部分土样中的p b 、c d 、c u 和z n 都超过了土壤中植物正常生长的最高容许含量。 内梅罗综合污染指数( 表3 5 ) 评价结果表明，尾矿东南方向土壤重金属污染最为严重， 综合污染指数为1 0 9 ，已经到达了重度污染水平；其次是东北方向，综合污染指数为2 4 2 ， 污染水平为中度污染；污染水平最轻的是西南和西北方向，但这两个方向土壤中的重金属 含量也达到了轻度污染水平，污染指数分别为1 9 7 和1 5 8 。造成尾矿周围土壤不同程度的 污染的主要贡献元素是p b 、c u 、z n 、m n 和f e ，这是因为该钢铁公司从铁矿采矿，而 内蒙古大学工程硕士学位论文 在公司进行选矿，经选矿工艺后将剩余矿浆全部输入尾矿坝，铁矿是一个大型的综合性 多金属共生矿床，其不同矿体的主要矿物组成中含有方铅矿、闪锌矿、锰铌铁矿、钡铁锰 矿、黄铜矿等，其中含有大量的p b 、z n 、m n 、f e 、c u 等重金属元素，故尾矿砂中这几种 元素的含量也很高，容易造成尾矿区土壤中p b 、c u 、z n 、f e 和等重金属的污染。另外， 结合尾矿库区常年主导风向为西北风以及该地区地势平坦开阔的实际情况分析，尾矿周围 地区四个方位的土壤重金属污染水平最严重的正是处于下风向的东南方向，污染最轻的为 上风向的西北方向。这是由于尾矿库采用尾矿粉筑坝，矿粉暴露面积大，坝体外坡又基本 未采取抑尘措施，致使粉尘随风飘散，沉降于周边土壤所造成的。说明该地区主导风向对 重金属在土壤中的分布特征有重要影响，这一结果与国内许多学者的研究结果一致，例如 刘扬林【3 6 】等对株洲市白马乡土壤及其农作物中重金属含量进行了调查并对其污染进行了评 价，主要和各测点与最大重金属尘污染源距离的远近、方位及风向有关。王陆军和朱恩平【3 7 】 的研究发现秦岭风县铅锌矿冶炼厂周边区域土壤主要重金属z n 、p b 、c d 、c u 等污染严重， 冶炼厂区常年主导下风向土壤的污染程度高于上风向土壤，且随着距厂区围墙距离的增加 土壤中重金属含量呈下降趋势。 表3 5 尾矿库区土壤重金属污染评价指数 1 曲l e3 5 p o l l u t i o n 印p r a i s a li n d e x e s0 fs o i lh e a 、，) rm e t a l si n t a i l i