粤北大宝山矿尾矿铅污染迁移及生态系统环境响应

1、第 21卷 第 3期 2007年 9月现 代 地 质GE OS C I E NCEVol 121 No 13Sep 12007粤北大宝山矿尾矿铅污染迁移及生态系统环境响应付善明1, 2, 周永章 2, 张澄博 2, 丁 健 2, 窦 磊 2, 赵宇鴳2(11广州大学 环境科学与工程学院 , 广东 广州 510006; 21中山大学 , 510275 收稿日期 :20061026; 改回日期 :20070605; 责任编辑 :潘令枝。 基金项目 :广东省自然科学基金研究团队项目 (2004A3030800 ; 广东省科技厅重大专项攻关项目 (2005A30402006 ; 教育部支持中 作者简介

2、 :付善明 , 男 , 博士 , 1977年出生 , 环境地球化学专业 , 主要从事矿山与环境地球化学研究。 E mail:fs m iles1631co m 。 通信作者 :周永章 , 男 , 教授 , 博士生导师 , 1963年出生 , 环境地球化学专业。 Email:eeszhoumail1sysu 1edu 1cn 。摘要 :, 携 带浸滤出的大量重金属离子随着酸水排入下游河道 , 。将矿床 土壤 (含河流底 泥 水体 , 对重金属 Pb :, 并受水体 pH 值的显著影响 ; 河流底泥能够大 , , 在水体 pH 值降低时 , Pb 会被再次从河流底泥中释放出来 , 形成河流 二次污

3、染 ; pH 值和土壤粒度的影响 ; 食用蔬菜中 Pb 的高含量受土壤 Pb 高含量决定 , 并受土壤 pH 值的影响 , 通过改善农业灌溉水质 , 提高土壤 pH 值 , 可以降低蔬菜重金属 Pb 含量 。 关键词 :Pb; 酸性废水 ; 重金属污染 ; 环境地球化学 ; 大宝山矿 ; 广东中图分类号 :X142 文献标识码 :A 文章编号 :1000-8527(2007 03-0570-08Tran sfer and Ecosyste m Effects of L ead Con t am i n a ti on i n Dabaoshan M i n e Ta ili n gs, Nor

4、thern GuangdongF U Shan 2m ing 1, 2, ZHOU Yong 2zhang 2, ZHANG Cheng 2bo 2, D I N G J ian 2, DOU Lei 2, ZHAO Yu 2yuan2(11School of Environm ental Science and Engineering, Guangzhou U niversity, Guangzhou, Guangdong 510006, China;21Center for Earth Environm ent and Resources, Sun Yat 2sen U niversity

5、, Guangzhou, Guangdong 510275, China Abstract:M ining activities have caused severe s oil envir on ment changes in Dabaoshan M ine, Guangdong, Southern China . The acid m ine drainage and heavy metal i ons drained directly int o the Hengshihe river, which conta m inated severely the ecol ogical envi

6、r onment al ong the river . The tailings, s oils, sludges, water and p lants are regarded as whole ecosyste m , the envir onmental res ponses of whole ecosyste m t o acid m ine drainage and heavy metal i ons are investigated . The lead in river water ca me fr om the tailings, and the lead concentrat

7、i on is affected distinctly by the pH value of water . R iver sludges can accumulate stably lead of water in high pH value water, but it should be released fr om the depositswhen the pH value of water is l ow, for m ing the secondary con 2ta m inati on . The lead concentrati on in s oils is affected

8、 by pH value and granularity of s oils . The high lead con 2centrati on in p lants is related with the t otal lead in s oils, and is affected by the pH value of s oils, thus increas 2ing s oils pH value can reduce lead concentrati on in p lants by i m p r oving irrigati on water quality .Key words:l

9、ead; acid m ine drainage; heavy metals conta m inati on; envir onmental geoche m istry; Dabaoshan m ine; Guangdong 矿山的开发 , 特别是金属硫化物矿山的开发给 环境带来了严重的危害 。采选冶产生的废液及废 石和尾矿等固体废弃物堆积产生的淋滤酸水 , 导致了严重的环境问题 1-4。酸性废水浸滤出的大量有毒有害重金属离子随着酸水排入下游河道 , 严重地危害矿区及酸水流域的生态环境 5-8, 这些源自 尾矿的大量重金属离子 , 往往导致最严重的土壤污染 9-11。Pb 是大宝山矿主要的

10、污染重金属元素之一 。 当受污染土壤中 Pb 含量过高时 , 种植水稻的糙 米产量下降 , 小麦籽粒中 Pb 含量会大幅度增加 。 土壤高铅对蔬菜的生长影响也很大 , 可使蔬菜减 产 , 并增加蔬菜 Pb 含量 , 且蔬菜 Pb Pb 12累积过量的 经学缺 陷 障 , 能 引 起 血 液 、造血 、消化 13。侵入人 体的铅还能随血液流进脑组织 , 损伤小脑和大脑皮质细胞 14。 Pb 对 6岁以下儿童具有更大的毒 害性 , 儿童往往比成年人对铅更敏感 , 他们的身体能够 吸收 和保留 比成 人更多 的铅 于体 内 15。 铅会影响儿童的生长发育和智力发育 , 损伤他们 的语言能力 , 导致

11、行为紊乱等 16-17。因此 , 阻止重金属对环境的危害研究有重要意义 , 本文以 系统科学理论为指导 , 将矿床 土壤 (含河流底 泥 水体 生命体视为 统一 的生态 环境 系统 , 探讨整个生态环境系统对 Pb 的环境响应 , 为污 染治理提供有效的理论及实验支持 。 Google Earth 1htt p:/earth1google 1com, 2006.1 区域地质地理概况大宝山矿地处广东省韶关市曲江和翁源两县 的交界处 , 流域范围为东经 11340 11343 , 北 纬 2430 2436 , 属于亚热带季风气候区 , 温暖 潮湿多雨 , 表层岩石风化强烈 。 大宝山矿是一座大

12、型铁多金属伴生矿床 , 矿区主矿体上部为褐铁矿 体 , 中部为铜硫矿体 , 下部为铅锌矿体 , 并伴生有 钨 、 铋 、 钼 、 金和银等有色金属矿和多种微量毒害 元素 (A s, Hg, Cd, Ga, I n, Tl, Se, Te, Mn, Sb, Sn等 18。 选矿产生的尾砂及废石主要沿着河谷排 入两个由尾砂坝拦截形成的大型尾矿库 (铁龙尾砂 库和槽对坑尾砂库 , 部分常年被水淹没 。矿石 、 尾砂及废石等含有大量的黄铁矿和黄铜矿等多种 金属硫化物 , 各种采矿活动使其与空气接触后很快 被氧化并形成酸性废水 , 同时释放出大量有毒有害 重金属离子 。携带毒害重金属离子的酸性废水分 别

13、自两个尾砂库出水口排出 , 沿着河谷流向下游至图 1大宝山矿区及水系卫星遥感图 (据 Google Earth, 2006 Fig 11 Satellite re mote sensing i m age of Dabaoshan m ining ar 2ea and water syste m 凉桥处汇合后流入横石河水 (图 1 , 至中下游处有 来自陈公湾的河水 (非矿山污染区 汇入 , 最终向 下游流进滃江 。矿山废水和尾砂的排放量决定了 下游河流的水流状况和污染程度 。源自尾砂库的含有大量毒害重金属离子的酸 性废水未经处理就直接排入下游河流之中 , 已经造 成矿区及其河流沿岸生态环境的

14、严重恶化 。最为 严重的是位于河流下游地势低平的新江镇上坝村 , 该区域河段河水颜色赤红 , 底泥发黑 , 河内鱼虾绝 迹 , 用河水灌溉或受洪泛影响的农田 , 土质被破 坏 , 农作物产量逐年下降 19-21, 严重恶化的生态 环境还损害了村民的健康 , 曾经的鱼米之乡 , 已成了远近闻名的污染区 19。2 样品的采集及测试211 采样点选择及样品采集研究区域包括尾矿库周围及尾矿库酸性废水 影响的横石河 , 下游至上坝村的污水灌溉区 。 据此 共设计采样点 14个 (图 2 , 分别为铁龙尾砂库中 央 01, 铁龙尾砂坝出水口 02, 铁龙支流 03和 04(汇合前 1km , 槽对坑尾砂库

15、 05, 槽对 坑尾砂坝出水口 06, 华屋村 07(距 06点 1k m , 槽对坑支流 08(汇合前 1k m , 凉桥 09175 第 3期 付善明等 :粤北大宝山矿尾矿铅污染迁移及生态系统环境响应 图 2 大宝山矿区及水系取样示意图Fig 12 Locati on of Dabaoshan m ining area and sa mp ling points(汇合后 1k m , 水楼下村 10, 上坝桥 11, 上坝村灌溉水渠 12, 上坝村水田 13, 陈公湾14(非矿山污染区 。每个取样点均取水样 , 于01和 05两个尾砂库中部掘取尾砂剖面 , 并取尾砂样品 , 于 04、 0

16、7、 09、 10、 11、12、 13点 取 河 流 沉 积 物 样 品 , 于 04、07、 08、 09、 10、 13点河岸水稻田中掘取土壤剖面 , 于居民生活的华屋村 07、凉桥村 09、 水楼下村 10和上坝村 13各取食用蔬菜及其根际土壤样品 。 取样前 3个月 , 企业已暂停矿产开采 , 尾砂库尾砂暂停排放 , 并在铁龙尾砂坝出水口堆放生石灰 , 以期治理污水的排放 。212 制样及仪器测试水样在野外采集时当场测试其 pH 值 , 并用塑料瓶取回实验室后随即进行 Pb 和 S O 2-4离子浓度测试 ; 尾砂及底泥样品自然风干后研磨过 200目筛 ,经王水 、 高氯酸和氢氟酸混

17、酸消解后进行 Pb 浓度总量测试 , 并取部分尾砂进行 X 射线粉晶衍射测定其矿物组成 ; 土壤样品自然风干后过 1mm 筛备用 , 并计算大于 1mm 砂砾含量 , 取部分过筛土壤进行 pH 值测试 22, 另再取部分过筛土壤研磨过200目筛后经王水 、 高氯酸和氢氟酸混酸消解后进行 Pb 浓度测试 ; 蔬菜样品取食用部分 , 经清水洗净泥土后用高纯水冲洗多次 , 烘干后经浓硝酸消解并进行 Pb 浓度测试 。 Pb 浓度由 I CP -AES 测得 ,S O 2-4离子浓度由离子色谱仪测量 。3 结果与讨论311 尾砂组成大宝山矿床为 S 和 Fe 、 Cu 、 Pb 、 Zn 等多金属 组

18、成的综合大型矿床 , 其尾砂成分复杂多样 , X 射 线粉晶衍射结果显示其主要由硫化物矿物黄铁矿 、 磁黄铁矿 、黄铜矿 、褐铁矿 、方铅矿 、闪锌矿 、 辉铜矿 、毒砂 、云母及石英等矿物组成 。硫是尾 砂矿物中的主要组成成分 , 其含量可高达 26%23, 这些硫化物矿物在与空气接触后很快被氧化并产 生硫酸 。 酸水对金属离子的释放有直接作用 , 这使 得伴生的多种毒害重金属元素进入河流之中 , 成为 危害环境的直接根源 。图 3为铁龙尾砂库中央掘取的尾砂剖面中 Pb 含量随深度变化图 。整个剖面可以分为颜色分明 的两层 , 上层 030c m 颜色为浅黄到灰黄色 , 主 要为停产时期河流

19、冲刷至尾砂库的土壤与尾砂的 混和堆积层 。 Pb 含量在该层呈增加趋势 , 表层含 量为 35391019mg/kg, 向下逐渐增加至 69781001 mg/kg 。 3050c m 层为深黑色 , 主要成分为生产 时期排放的尾砂 , 雨季时尾砂库水位上涨 , 常浸泡 该层 。其 Pb 含量相对上层较低 , 其变化范围为 1767198829301396mg/kg 。 50c m 以下的颜色 和成分与第二层相近 , 常年被积水淹没 。275现 代 地 质 2007年 图 3 铁龙尾砂库尾砂剖面中 Pb 含量图Fig 13 Pb concentrati ons in tailing p r o

20、file of Tiel ong tailings该剖面显示一个异常的特征 , 含尾砂较多的下层 Pb 含量低于土壤含量高的上层 。酸性水对尾砂 的浸泡分解及土壤对重金属离子的强吸附作用可 能是引起该现象的原因 。华南湿热多雨的季节气 候常使全部尾砂被水淹没 , 酸性水周而复始地浸泡 和分解尾砂 , 释放出大量的重金属离子 , 并随着水 位的上升向上渗透或迁移至上层 。土壤含有大量 细粒黏土矿物 、 有机质等组分 , 对金属离子有较强的吸附作用 24-25, 这使得上层 Pb 含量高于下面的 尾砂层 , 且越接近尾砂层的部分 , Pb 含量越高 。 这也说明 , 高金属含量的尾砂是土壤环境直接

21、的污 染源 , 对下游的潜在污染危害是明显和严峻的 。 312 河流对酸水和 Pb 污染的响应大量的研究表明 , 在受金属污染的水体 , 水相 中金属的含量较少 , 而且随机性很大 , 常随排放状况与水力学条件而变化 25。在硫多金属矿产开发产生的废水中 , 酸度和 S O 2-4离子浓度成为影响废 水中的重金属浓度的重要因素 。 通常情况下 , 金属 浓度在 pH 7的废水中 , 浓度比较 低 26。 大量强酸阴离子 S O 2-4的存在 , 会驱动土壤 中 Ca 2+和 A l 3+等盐基阳离子大量淋滤 , 有机质分 解减弱 , 毒害金属元素高度累积 , 致使土壤板结 ,农作物生长发育受阻

22、 , 甚至衰亡 5, 26。图 4为水体中 Pb 浓度与 pH 值变化图 。样点 0104取自铁龙尾砂库排放河段 。 01 点为图 4 水体 Pb 浓度与 pH 值对应关系图Fig 14 Pb concentrati ons and pH values of water尾矿库中央流水 , 该处尾砂在雨季时可被水淹没 ,表面流水 pH 低至 2157, Pb 浓度为 01186mg/L。 02点位于长期蓄水的坝出水口 , 淹没大量尾砂 , 受堆积石灰的影响 , 其 pH 值略高 (pH =4110 , Pb浓度仅为 01059mg/L。 03和 04点位于该河段 下游 , 其 pH 值均显 示为

23、 碱性 , 分别为 8184和 9142, Pb 的浓度也较低 , 分别为 01066mg/L和 01056mg/L。 点 0508位于槽对坑尾砂库排放河段 , 该河段未受生石灰的影响 , 其废水的 Pb 浓度均高于铁龙尾砂库河段 , 库中央和出水口的 Pb 浓度分别为 01626mg/L和 01345mg/L,河段下 游也分别为 01195mg/L和 01165mg/L,pH 变化范 围为 21374173。 pH 值对 Pb 浓度的影响明显 , 并表现为负相关 。 0911为混和河段 , 其 Pb 浓度 (0107801154mg/L 和 pH 值 (41304153 变化相对稳定 。 点

24、 13为上坝村水田水 , 其 pH 低 至 3130, Pb 离子浓度增至 01345mg/L,高出地表 水环境质量标准 V 类农业用水质标准 (011mg/L,pH =69, G B3838-2002 。点 14为非矿山污 染区的河流 , 其 pH =7190, Pb 的浓度也仅为 0104mg/L,未受金属 Pb 的污染 。图 5为各取样点 Pb 浓度与 S O 2-4离子浓度的对 应关系图 。 可以看出 S O 2-4离子浓度变化与 pH 值 正好相反 , 向下游呈现出降低趋势 , 铁龙和槽对坑 尾砂库中 , S O 2-4浓度均较高 , 分别为 3801000mg/L和 2621320mg/L,向下游则逐渐降低 。在汇合后 的凉桥处 09点降低至 1281060mg/L,流至上坝村 13水田时 , 其 S O 2-4浓度仅为 511600mg/L。 总体而言 , 除在尾砂库中央及出水口处 , S O 2-4离子 浓度高出地表水环境质量标准 (250mg/L,G B3838-2002 外 , 下游河段 S O 2-4离子浓度并未超标 。 由 此可见 , 在出水口堆放生石灰对下游酸水和重金属375 第 3期 付善明等 :粤北大宝山矿尾矿铅污染迁