历史遗留尾矿库原位中和稳定试验研究

历史遗留尾矿库原位中和稳定试验研究

陈允建郭进周涛吴柳宗穆显任

云南地质工程第二勘察院有限公司，云南昆明 650218

摘 要：研究旨在通过现场试验综合分析，确定满足实际处理要求的石灰需要量和处理液渗透系数，为尾矿库原位中和稳定治理提供必要的工艺参数。通过改良曲线法和试坑法进行石灰需要量和渗透系数试验测试，当石灰添加量为3.75~6.67 kg. t-1，稳定30天后，酸性尾矿pH可达到中性稳定状态，同时有助于尾矿中金属离子铜、锌从活跃态向残渣态转变。渗透系数随尾矿深度和管道工艺变化明显，30~40 cm为最佳渗透深度，可达0.0830 ml / min·cm2。本文从原位处理技术及工艺角度进行了可行性试验研究，得出了较优的技术参数，为实际的历史遗留尾矿污染原位治理提供了有力借鉴。

关键词： 酸性矿山废水；硫化矿物；原位处理；石灰添加量；渗透系数

含硫尾矿的环境污染问题已成为全世界矿业生产和各级自然资源主管部门面临的环境难题。硫化矿物在露天环境中会受到空气、外界水中的溶解氧及Fe3+缓慢氧化，释放出质子、硫酸盐和溶解金属，从而产生一种低pH、高重金属和硫酸盐的污染废水，可对矿区周围的地下水、地表水及土壤产生酸化协同重金属污染[1-3]，如黄铁矿（FeS2）、磁黄铁矿（Fe1-xS）、方铅矿（PbS）、闪锌矿（ZnS）等。黄铁矿是自然界中存在最广泛的硫化矿物，被认为是AMD产生的主要病因。其氧化速率在尾矿沉积后达到最大，因为此时尾矿表面新鲜，硫化物直接暴露于环境中，O2的扩散路径最短[4]。在不同的条件下，黄铁矿的氧化反应不同，反应1-5是黄铁矿氧化的主要氧化过程：

                       （1）

                      （2）

                              （3）

                               （4）

                  （5）

本研究旨在通过实验室和现场试验分析，得出可行性较高、效果较好的过程参数，为历史遗留尾矿库硫化矿物污染提供低成本、易实施的原位处理技术解决方案。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究现场试验场地及实验室所用尾矿为云南某锡尾矿库，主要由六个尾矿库组成，具体情况如下图1。前期已对六块尾矿库进行了场地调查，并采集样品59个，其中钻孔样品39个、环刀样品8个、尾矿样品6个、废土石样品4个、土壤样品2个。

图1 云南某锡尾矿库卫星区块图

本文主要对4号地块进行研究，优选具有代表性三处尾矿进行取样。该尾矿采自表层0-20 cm，尾矿质地主要为粉土。在实验室分析之前，将尾矿于实验室自然风干，过2 mm筛，密封保存备用。

1.2 方法

1.2.1 改良缓冲曲线法

称取10 g风干尾矿于6支100 mL塑料管中，分别加入0、10、25、50、75、100 mg碳酸钙粉末，然后加入25 mL去离子水，充分摇匀后震荡4 h，静置20 h，以此循环30天，然后用空压机按2 L/min的通气量往尾矿悬液中吹2 min，立即用pH计测定尾矿悬液的pH值，做一组平行实验。根据测定结果作尾矿缓冲曲线，计算尾矿的石灰需要量[5]。

1.2.2 毒性浸出法

根据毒性浸出实验测定尾矿中铜、锌的浸出毒性[6]。

1.2.3 试坑法

表层干土中挖一定深度（30~50 cm）的方形或圆形试坑，坑底距离地下水位3~5 m，坑中填埋不同规格PVC注浆管，然后向管内注水。为了持续监测和维持适宜的水力梯度，试坑中的水位应始终高出坑底约10 cm。求出单位时间内从坑底渗入的水量Q，除以坑底面积F，即得出平均渗透速度V = Q/F。当坑内水位高度较低（约10 cm）时，可以认为水头梯度近于1，此时的渗透系数（K）可认为等于平均渗透速度（V）。

2 结果与分析

2.1 石灰需要量试验

图2 缓冲法拟合曲线

根据图2可知，随着向尾矿中投加的石灰量越多，尾矿pH值逐渐升高，当其pH值接近中性时，随着施加量的增加，pH值变化不明显。同理，尾矿随着悬液pH值的升高，缓冲容量逐渐增大，即随着反应的进行，pH值每升高一个单位所需的碳酸钙越多。当尾矿样品1-3石灰添加量分别为6.67、4.48、3.75 kg. t-1时，体系pH均可达到6.5且保持稳定。由Aitken和Moody以及姜军[7]的研究可知道当尾矿pH值在4.0 ~6.0之间时，尾矿pH值的变化和加入碱的量呈线性关系，且能近似呈一阶线性关系。因此可以根据图2预测出中和到不同pH值的石灰需要量。

2.2 石灰的施加对重金属元素有效态分析

图3 石灰的施加对重金属有效态影响

由图3可知，随着石灰的添加，尾矿pH值增大，而尾矿中铜、锌这两种金属的浸出量均减小，即这两种金属的浸出浓度均随pH值的升高而降低。随着尾矿石灰施加量的增加，有效锌降低了50.2%，有效铜降低了61.3%，这主要是由于锌离子、铜离子在碱性条件下容易形成氢氧化物或硫化物等沉淀，从而降低了其有效性

[8]。所以，随着石灰施加量的增加，pH不断升高，使尾矿中有效铜和有效锌降低，尾矿的稳定性提高。

2.3 渗透系数试验

图4 野外试坑法现场图

表1 注浆管参数及渗透系数

由表1可知，柱6的渗透系数（0.0131）明显高于柱1（0.0049），说明柱6的侧边开孔起到了正向的促进作用，横向扩散明显，有助于中和浆液的快速渗透扩散。对比柱2~5，可以发现随着深度越深，渗透系数越小，说明深层尾矿粘性较强，更加难以渗透。并且在试验过程中柱4出现了周边表层尾矿土的湿润，可能是由于表层土的蒸发吸水，这增大了横向失水，不利于渗透过程，所以实际实施时管道布置应在30-40cm为宜。

3 结论

本实验通过石灰需要量试验和渗透系数试验研究了利用石灰进行历史遗留尾矿库原位中和稳定处理的技术可行性，综合可得石灰和尾矿中的酸性物质完全反应时间为30天左右，通过改良缓冲曲线法可得到硫化矿物中和稳定处理达到所需pH的石灰需要量。同时，随着尾矿石灰施加量的增加，尾矿中的铜、锌金属离子从活跃态向残渣态转变，有效锌降低了50.2%，有效铜降低了61.3%，尾矿的稳定性提高。30~40 cm侧边开孔注浆管为较优注浆参数，渗透系数可达0.0795-0.0830 ml / min·cm2。本研究针对原位中和稳定处理关键技术进行了试验研究，操作简单、成本低廉、效果显著，可为实际的历史遗留尾矿污染原位治理提供数据支撑。

参考文献

[1]Aguiar A O, Andrade L H, Ricci B C, et al. Gold acid mine drainage treatment by membrane separation processes: An evaluation of the main operational conditions. Separation & Purification Technology, 2016, 170: 360.

[2]Qureshi A, Maurice C, Öhlander Björn. Potential of coal mine waste rock for generating acid mine drainage. Journal of Geochemical Exploration, 2016, 160: 44.

[3]Grande J A, Torre M L D L, Ceron J C, et al. Overall hydrochemical characterization of the Iberian Pyrite Belt. Main acid mine drainage-generating sources (Huelva, SW Spain). Journal of Hydrology, 2010, 390(3-4): 123.

[4]Gunsinger M R, Ptacek C J, Blowes D W, et al. Evaluation of long-term sulfide oxidation processes within pyrrhotite-rich tailings, Lynn Lake, Manitoba. Journal of Contaminant Hydrology, 2006, 83(3-4): 149.

[5]漆玉邦, 曾令军. 西南红黄壤的缓冲特性及石灰施用量的确定[J]. 西南农业学报, (2期): 123-127.

[6]陈璐. 铅锌尾矿及其周边土壤重金属形态分布与浸出特征研究[D]: 新疆大学.

[7]姜军, 徐仁扣, 赵安珍. 用酸碱滴定法测定酸性红壤的pH缓冲容量[J]. 土壤通报, 2006,(06): 1247-1248.

[8]胡敏, 向永生, 鲁剑巍. 石灰用量对酸性土壤pH值及有效养分含量的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2017,000(004): 72-77.

作者简介：陈允建(1996—)，男，硕士研究生。研究方向：矿山污染治理和固废资源化等.