资源描述:
1 0 2 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 2 1 年第3 期 d o j l o .3 9 6 9 ,j .i s s n .1 0 0 7 7 5 4 5 .2 0 2 1 .0 3 .0 1 6 某铅锌矿区土壤重金属污染分析 张永康1 ’2 ”,冯乃琦1 ’2 “,张耀1 ’2 “,王庆1 ’2 ~,王振宁1 ’2 ⋯,刘佳1 ’2 ’3 1 .中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所,郑州4 5 0 0 0 6 ; 2 .自然资源部多金属矿综合利用评价重点实验室,郑州4 5 0 0 0 6 ; 3 .西北地质科技创新中心,西安7 1 0 0 5 4 摘要分析检测了某铅锌矿区水、土壤、尾矿、废石等样品重金属元素含量,追踪调查了尾矿库、排土场下 游土壤重金属污染程度和分布范围,并对重金属元素相关性进行了研究。结果表明铅锌矿区土壤环境 质量总体较差,铅锌矿区重金属污染集中分布在尾矿库和排土场下游地块;铅锌矿区主要污染元素为 C d 、C u 、P b 、z n 、A s ,污染程度以轻度一中度污染为主;尾矿库下游重金属元素C u 、P b 、z n 、A s 污染分布在 16 0 0m 内;排土场重金属污染范围主要集中在下游4 0 0m 内。土壤样品C u 、P b 、Z n 与A s 、C d 元素呈显 著正相关性,C u 、P b 、z n 、A s 、c d 元素来自同一源头,可能源自尾矿、废石等固体废物;H g 、C r 、N i 元素来 自另一源头,与矿业活动无关。 关键词铅锌矿;重金属污染;相关性 中图分类号X 8 2 5文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 2 1 0 3 一0 1 0 2 一0 7 A n a l y s i so fH e a V yM e t a lP o l l u t i o ni nS o i lo faL e a d 。z i n cM i n i n gA r e a Z H A N G Y o n g k a n 9 1 2 ”,F E N GN a i q i l ’2 ”,Z H A N GY a 0 1 2 ~, W A N GQ i n 9 1 厄3 ,W A N GZ h e n n i n 9 1 也3 ,L I UJ i a l ’2 ’3 1 .Z h e n g z h o uI n s t i t u t eo fM u l t i p u r p o s eU t i l i z a t i o no fM i n e r a lR e s o u r c e sC A G S ,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 6 ,C h l n a ; 2 .K e yL a b o r a t o r yf o rP o l y m e t a l l i cO r e s ’E v a l u a t i o na n dU t i l i z a t i o n ,M N R ,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 6 ,C h i n a ; 3 .N o r t h w e s tCh i n aC e n t e rf o rG e o s c i e n c e sI n n o v a t i o n ,X i ’a n7 1 0 0 5 4 ,C h i n a ; A b s t r a c t C o n t e n t so fh e a v ym e t a le l e m e n t si ns a m p l e so fw a t e r ,s o 订,t a i l i n g sa n dw a s t er o c k sf r o ma l e a d z i n cm i n i n ga r e aw e r ea n a l y z e d .P o l l u t i o nd e g r e ea n dd i s t r i b u t i o no fh e a v ym e t a l i nd o w n s t r e a ms o i lo f t a i l i n g sp o n d a n dd u m pw e r e s u r v e y e d , a n dc o r r e l a t i o nb e t w e e nt h e s e h e a v ym e t a le l e m e n t sw a s s t u d i e d .T h er e s u l t ss h o wt h a ts o i le n v i r o n m e n t a lq u a l i t yo fl e a d ’z i n cm i n i n ga r e ai sp o o r , w h e r eh e a v ym e t a l p o l l u t i o ni sc o n c e n t r a t e di nd o w n s t r e a mp l o t so fb o t ht a i l i n g sp o n da n dd u m p .T Ⅵa i np o U u t a n t si n Ⅱ1 i n i n ga r e aa r e C d ,C u ,P b ,Z na n dA s ,a n dp 0 1 l u t i o nd e g r e eo fC d ,C u ,P b , Z na n dA si s m a i n l yf r o ml i g h t t o m o d e r a t e .H e a v ym e t a lp o l l u t i o ni nd o w n s t r e a mp l o to ft a i l i n g sp o n de x c e e d st h es t a n d a r dG B1 5 6 1 8 2 0 1 8w i t h i n 16 0 0m ,w h i l ep o l l u t i o ni sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nd o w n s t r e a ma r e aw i t h i n4 0 0m .E I e m e n t so fC u ,P ba n dZ ni n s o i ls a m p l e ss h o ws i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t hA sa n dC d , a n dt h e yc o m ef r o mt h es a m es o u r c ew h i c hm a y b et a i l i n g s ,w a s t er o c k sa n do t h e rs o l i dw a s t e S .E 1 e m e n t so fH g ,C ra n dN ia r el i k e l yt oc o m ef r o ma n o t h e rs a m e s o u r c e ,w h i c hp o s s i b l yh a dn o t h i n gt od ow i t hm i n i n ga c t i v i t i e s . K e yw o r d s l e a d z i n co r e ;h e a v ym e t a lp o l l u t i o n ; c o r r e l a t i o n 收稿日期2 0 2 0 0 5 1 4 基金项目中国地质调查局地质调查项目 D D 2 0 1 9 0 2 6 9 作者简介张永康 1 9 8 7 一 ,男,江西上饶人,硕士,工程师 万方数据 2 0 2 1 年第3 期 有色金属 冶炼部分 h t t l //y s y l .b g r i m m .c n 1 0 3 铅锌矿是我国重要的战略性矿产资源。然 而,铅锌丁业产生的废气、废渣、废水也对生态环境 造成了严重威胁,土壤重金属污染具有难降解、持续 时间长、隐蔽性和滞后性等特点∽t ,因此,土壤重金 属污染防治一直是人们关注的热点。目前,科研工 作者对土壤重金属污染分析评价一。7 、来源分 析m 。1 “、污染防治n 2 。18 J 等方面开展了卓有成效的工 作,取得了大量成果。针对铅锌矿区土壤重金属污 染分析评价多集中在采用单因子指数法一”、内梅罗 综合污染指数法∽“一、地质累积指数法一”j 、潜在生态 危害指数法心引等方法分析评价矿区土壤污染程 度。本文采集_ 『长江中游某铅锌矿区典型水、土 壤、尾矿、废石等样品,以尾矿库、选矿厂、排土场 等矿山废物堆积区为重点区域,结合矿区气候、地 貌特征,重点分析了重金属污染范围及污染程度, 同时分析了土壤样品中各重金属元素的相关性。 1调查区概况 某铅锌矿调查区面积约为1 lk m 2 ,采矿品种为 铅锌矿。区域内矿产为多金属矿,以铅、锌、铜、硫、 钴、铁为主,伴生有银、镉、砷等。选矿工艺采用铜、 铅、锌、硫优先浮选流程,依次产出铜精矿、铅精矿、 锌精矿、硫精矿;采矿方式为露天开采,开采工艺为 水平台阶开采。 矿石开采后,汽车运输至破碎车间,剥离的废石 运送至排土场。矿山现有尾矿库1 座,矿石经选矿 作业,尾矿通过管道输送至尾矿库内。尾矿库所在 沟谷汇人一东西流向的溪流,溪流周边分布大片农 田,部分农田已荒废。 矿区为构造剥蚀丘陵地形,总体地势为南东高、 北西低。区内属亚热带季风气候区,气候温和、雨量 充沛,全年主导风向为东风,次主导风向为东北偏东 风,平均风速1 .5m /s 。区内土壤类型主要为红壤, 成土母质以砂质岩类及第四纪红土为主。 2材料与方法 2 .1 样品布设与采集 矿山排土场采集典型废石样品2 件 2 0 0k g /件 , 尾矿库中采集典型尾砂样品1 件。尾矿库下净化 池中采集水样 尾矿水 1 件,露天采场矿坑水 1 件。 土壤样品采集总体以网格布设的方法采样,网 格密度3 件/k m 2 ,剖面样品采样深度o ~1 2 0c m ,表 层土壤样品采样深度o ~2 0c m 。 针对矿山尾矿库、选矿厂、排土场等矿业活动集 巾区,通过加密布设样品,追踪重金属污染范围,重 点考察水力传播、淋滤等作用对重金属元素迁移、扩 散的影响。因矿区全年主导风向为东风,下风向地 块主要为丘陵 次生林生长繁盛 ,基本无农用地分 布,且矿区风速小 平均风速1 .5m /s ,不考虑风力 作用对重金属传播的影响。共采集土壤样品3 3 件, 同时详细记录采样地点、坐标、周边地貌、农作物种 植等情况。采样点布设如图l 所示。 图l土壤采样点分布示意图 F i g .1 D i s t r i b u t i o ns k e t c hm a po f s o i ls a m p l i n gp o i n t s 2 .2 样品处理与检测 废石样品经破碎、混匀、缩分、四分法取样,废石 样品和尾砂样品烘干后磨细至一o .0 7 4m m ,送检测 分析。 除去土壤样品外包装袋,除去石块、草根等杂 物,阴凉通风处自然阴干。过筛混匀,四分法取样, 干燥磨细后至一O .0 7 4m m ,送检测分析。 水样采集后现场加入分析纯硝酸酸化至p H 小 于2 保存,三天内送检测分析。 采用电感耦合等离子体质谱法检测样品中C u 、 P b 、Z n 、C r 、N i 、C d 元素含量,原子荧光法分析A s 和 H g 元素含量,玻璃电极法测定p H 。 2 .3 评价与分析方法 采用单因子指数法_ 9 ] 对铅锌矿区土壤重金属 状况进行分析评价,参比标准为G B1 5 6 1 8 2 0 1 8 农用地土壤污染风险管控标准中的农用地土壤风 险筛选值。采用S P S S 2 0 .o 统计分析软件分析铅锌 矿区土壤重金属元素之间的相关性。 万方数据 1 0 4 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 2 1 年第3 期 3 结果与讨论 3 .1 土壤样品检测结果分析 铅锌矿区土壤样品各重金属的含量结果如表1 所示。以铅锌矿区土壤样品检测值平均值计,除 C r 、N i 、A s 、H g 元素含量低于农用地土壤风险筛选 值外,其他元素含量均高于对应的土壤风险筛选值, 说明铅锌矿区周边土壤环境质量总体较差;C d 元素 超标较严重,超标率为8 4 .8 5 %,其次是Z n 、C u 、P b 、 A s 、H g 元素,超标率分别为5 4 .5 5 %、4 5 .4 5 %、 4 2 .4 2 %、2 7 .2 7 %和1 5 .1 5 %;N i 元素仅1 件样品超 标,c r 元素无超标样品。对照采样记录发现,超标 样品主要分布在尾矿库和排土场下游区域。 由表1 可知,P b 、Z n 元素含量中位数和平均数 相差大,标准差数值也很大,表明样品中P b 、Z n 元 素含量分布不平均,离散度高,存在极值。调查区内 土壤P b 、Z n 元素含量可能受外来因素的影响。由 表2 可知,铅锌矿区土壤主要污染元素为C d 、C u 、 P b 、Z n 、A s ,污染程度以轻度一中度污染为主,C d 元 素污染较严重。 表1土壤重金属检测结果统计 T a b l e1S t a t i s t i cr e s u l t so fh e a V ym e t a l si n s O i I 注表中各元素实测含量和标准限值单位均为m g /k g 表2 单因子指数分析结果 T a b l e2R e s u l t so fs i n g l ef a c t o ri n d e xm e t h o d 3 .2 尾矿库、排土场下游区域土壤重金属污染分析 为研究尾矿库北侧下游土壤重金属污染状况,沿 水流方向布设了6 件土壤样品,采样位置距尾矿库的 距离分别为5 0 、4 0 0 、8 0 0 、12 0 0 、16 0 0 、32 0 0m 。土壤 样品重金属含量结果如图2 所示。由图2 可知,尾 矿库北侧沿水流方向土壤样品中C u 、P b 、Z n 、A s 元 素含量总体呈下降趋势,N i 、C r 元素含量基本保持 不变,N i 、C r 、H g 元素含量不超标,C d 元素含量均 超标;距尾矿库16 0 0m 后,样品中C u 、P b 、Z n 、A s 元素含量均不超标。这说明尾矿下土壤样品中C u 、 P b 、Z n 、A s 污染范围分布在其下游16 0 0m 内。 乞 竽 面 加 榀 1 R 噬 铺 1 1 矗1 图2 尾矿库下沿水流方向土壤 重金属元素分析结果 F i g .2 R e s u l t so fh e a V ym e t a l si n s o i l a l 咖gd i r e c t i 蚰o fw a t e rf l o w d o w n s t r e a mO ft a i l i n g sp o n d 乞 竽 蒜 加 懈 喀 _ 普 在尾矿库下游沿水流方向距尾矿库5 0m 的荒 废农田内布设了1 个垂向土壤剖面,重金属元素检 万方数据 2 0 2 1 年第3 期有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 1 0 5 测结果如图3 所示。由图3 可知,尾矿库下剖面样 重金属污染较严重,0 ~1 2 0c m 深度样品中C u 、P b 、 Z n 、C d 元素含量均超标,N i 、C r 和H g 元素含量基 本不变;剖面土壤中C u 、P b 、Z n 、A s 元素含量随深 度总体呈先上升后下降的趋势;在采样深度为6 0 ~ 8 0c m ,C u 、P b 、Z n 、C d 、A s 元素含量达到最大值,这 说明土壤中重金属元素污染已在垂直向方向迁移、 扩散,并在6 0 ~8 0c m 深度处富集。可见尾矿库下 游重金属污染地块垂直向淋滤作用明显。 图3 尾矿库下剖面土壤样品分析结果 F i g .3 R e s u l t s0 fp r O f i l es a m p l e s d o w n s t r e a mO ft a i l i n g sp o n d 排土场北侧沿水流方向布设了5 件土壤样品, 采样位置距排土场距离分别为4 0 0 、8 0 0 、12 0 0 、 15 0 0 、18 0 0m 。由图4 可知,排土场下沿水流方 向,5 件样品中C d 元素含量均超标,P b 、C r 元素不 超标;样品中重金属含量总体呈先下降后上升的趋 势。距排土场4 0 0m 的样品中C u 、Z n 、N i 、C d 、A s 、 H g 元素均超标,距排土场8 0 0 ~18 0 0m ,仅C d 元 素超标;对照采样记录,距排土场15 0 0m 的采样点 附近有渔业养殖、蔬菜种植、生活垃圾堆放。因此, 推测距排土场15 0 0 ~18 0 0m 的土壤样品重金属 含量升高的原因与农业生产等活动有关。排土场水 流方向重金属污染范围主要集中在下游4 0 0m 内。 沿水流方向距排土场4 0 0m 的荒地内布设一 垂直向土壤剖面,样品分析检测结果如图5 所示。 由图5 可知,排土场下剖面样重金属污染集中在表 层o ~2 0c m ,在此深度C u 、Z n 、N i 、C d 、A s 、H g 元素 含量均超标,2 0 ~4 0c m 处仅Z n 、C d 元素轻微超标, 4 0c m 以下深度重金属元素含量均不超标。这表明 土壤中重金属元素污染已出现垂直向方向迁移、扩 散的趋势。 , 。吣 一 ● 吕 ≤ 删 抽 懈 1 R 噬 铺 沿水流方向与排土场的距禹/“ 图4 排土场下沿水流方向土壤 重金属元素含量分析结果 F i g .4 R e s u l t s0 fh e a v ym e t a l si n s o i la l o n gd i r e c t i o no fw a t e rn o w d o w n s t r e a mo fd u m p 图5 排土场下剖面土壤样品 重金属含量分析结果 F i g .5 R e s u l t so fh e a V ym e t a l si np r o f i l e s a m p l e sd o w n s t r e a mo fd u m p 3 .3 重金属元素污染相关性分析 有文献[ 2 3 ’2 4 ] 表明,通过样品重金属含量相关性 分析可推断出各重金属元素来源是否相同,重金属 元素含量之间显著相关,则表明他们可能同源。根 据这一理论,采用S P S S 2 0 .O 统计软件分析了样品 重金属元素的相关性,结果如表3 所示。由表3 相 关性结果分析可知,C u 、P b 、Z n 与A s 、C d 元素呈显 著正相关,H g 元素与C u 、P b 、Z n 、C d 呈负相关,C r 、 N i 元素与C u 、P b 、Z n 元素呈负相关,H g 、C r 、N i 呈 正相关,推断C u 、P b 、Z n 、A s 、C d 元素污染来自同一 万方数据 1 0 6 有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 2 0 2 1 年第3 期 源头,主要来自尾矿、废石等固体废弃物,与矿业活 动密切相关;H g 、C r 、N i 元素来源另一源头,可能来 自农业活动,与矿业活动无关。相较于C u 、P b 、Z n 元素正相关水平,C d 元素与C u 、P b 元素相关性稍 弱,推测C d 元素可能还有另一源头,可能源自C d 元素高背景区。 表3 土壤样品中各元素相关性分析 T a b l e3 C o r r e l a t i O na n a l y s i so fh e a V ym e t a le l e m e n t si ns o s a m p l e s 注* 在o .0 1 水平 双侧 上显著相关 3 .4 铅锌矿区废石、尾矿、尾矿水等样品分析 废石、尾砂和尾矿水等样品中各重金属元素含 量如表4 所示。从表4 可知,废石1 、废石2 和 尾砂等样品中C u 、P b 、z n 、C d 和A s 元素含量远高 于土壤风险筛选值,样品中C r 和N i 元素含量低于 土壤风险筛选值。尾矿水重金属元素含量满足地 表水环境质量标准 G B3 8 3 8 2 0 0 2 中Ⅲ类水指 标,矿坑水中除Z n 元素含量稍高外,其他重金属含 量也符合Ⅲ类水指标。可见,尾矿砂、废石等固体废 弃物若随意堆放,重金属可能释放进人周边环境,造 成土壤重金属污染。废石、尾矿样品的分析结果进一 步佐证了C u 、P b 、z n 、A s 、C d 元素同源性分析的结论。 表4 废石、尾矿和尾矿水样品中重金属含量 T a b l e4c o n t e n t so fh e a v ym e t a l si nw a s t er o c k s 。t a i l i n gs a n da n dt a i l i n gw a t e r / m g k g 一1 注* 水质样品重金属元素检测结果单位为m g /L ;* * 无单位 4结论 1 铅锌矿区土壤环境质量总体较差,重金属污 染集中分布在尾矿库和排土场下游地块,主要污染 元素为C d 、C u 、P b 、Z n 、A s ,污染程度以轻度一中度污 染为主,C d 元素污染较严重。 2 铅锌矿区尾矿库下游重金属元素C u 、P b 、 Z n 、A s 污染分布在16 0 0m 内,排土场重金属污染 范围主要集中在下游4 0 0m 内;尾矿库和排土场 下游地块重金属元素在垂直向方向已出现扩散、 迁移。 3 土壤样品C u 、P b 、Z n 与A s 、C d 元素呈显著 正相关性,其来自同一源头,可能来自尾矿、废石等 固体废物;H g 、C r 、N i 元素来自另一源头,可能来源 于农业活动,与矿业活动无关。 参考文献 [ 1 ] 刘晓,张宇,王楠,等.我国铅锌矿资源现状及其发展对 策研究[ J ] .中国矿业,2 0 1 5 增刊1 6 ~9 . L I UX ,Z H A N GY ,W A N GN ,e ta 1 .P b Z nm e t a l r e s o u r c e ss i t u a t i o na n ds u g g e s t i o nf o rP b Z nm e t a l s i n d u s t r yd e v e l o p m e n ti nC h i n a [ J ] . c h i n aM i n i n g M a g a z i n e ,2 0 1 5 S 1 6 9 . [ 2 ] L IL ,Z H UL .I n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n tt r e n da n a l y s i s f o rp a t e n t e dt e c h n 0 1 0 9 yo ft h es o i l h e a v ym e t a l p o l l u t i o na n dr e m e d i a t i o n [ J ] .s c i e n c eF o c u s ,2 0 1 6 , 1 1 2 2 5 3 2 . [ 3 ]何林华,高小红.三江源区土壤重金属的累积特征及潜 在生态风险评价一以青海省玉树县为例[ J ] .农业环境 科学学报,2 0 1 6 ,3 5 6 1 0 7 1 1 0 8 0 . H ELH ,G A 0XH .A s s e s s m e n to fD o t e n t i a l 万方数据 2 0 2 1 年第3 期有色金属 冶炼部分 h t t p //y s y l .b g r i m m .c n 1 0 7 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] e c 0 1o g i c a lr i s kf o rs o i lh e a v ym e t a lsi nS a n ji a n g s o u r c er e g i o n Ac a s es t u d yo fY u s h uc o u n t y ,Q i n g h a i p r o v i n c e [ J ] .J o u r n a lo fA g r o E n v i r o n m e n ts c i e n c e , 2 0 1 6 ,3 5 6 1 0 7 1 1 0 8 0 . 刘晓媛,刘品祯,杜启露,等.地质高背景区铅锌矿废弃 地土壤重金属污染评价[ J ] .有色金属 冶炼部分 , 2 0 1 9 2 7 6 8 2 . L I UXY ,L 1 UPZ ,D UQL ,e ta 1 .E v a l u a t i o no fh e a v y m e t a lp 0 1 l u t i o ni ns o i Io fI e a d z i n cm i n ew a s t el a n dw i t h g e o l o g i c a lh i g hb a c k g r o u n d [ J ] . N o n f e r r o u sM e t a l s E x t r a c t i v eM e t a l l u r g y ,2 0 1 9 2 7 6 8 2 . 常家华,杨世利,余江.典型企业场地土壤重金属污染 及风险水平研究[ J ] .东北师大学报 自然科学版 , 2 0 1 9 ,5 1 1 1 5 4 1 6 0 . 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