湖南锡矿山锑矿酸性矿山废水产生的地球化学过程及锑污染研究

发布时间：2017-07-28 14:15

  本文关键词：湖南锡矿山锑矿酸性矿山废水产生的地球化学过程及锑污染研究

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【摘要】：中国是世界上锑产量最大的国家,锡矿山锑矿是世界最大的锑矿,有“世界锑都”之称。锡矿山锑矿位于湖南冷水江北部13公里处,具有200多年的采矿历史,多年的采矿活动引发了大量的环境问题。大量的研究集中于锡矿山锑矿矿坑排水的环境影响,尤其是土壤、植物、地表水和地下水污染及人类健康的影响评价。然而对于矿山酸性废水的产量和影响以及矿坑排水化学组分的空间变化等主要地球化学过程,仍缺少概念评价。本文以锡矿山为典型监测区,力图弄清矿山酸性废水的产能及其影响矿坑排水质量的地球化学过程。为了完成上述目标,本文运用针对性的地球化学手段综合分析区内矿坑排水及矿山废弃物特征。本文主要研究目标及内容是：(1)查明矿坑排水是否处于氧化环境及中和酸性产物组分的矿物种类；(2)利用多元统计方法确定水化学类型及其空间分布特征；(3)查明影响AMD产生、中和及其对水质影响的地球化学特征；(4)探索废石、废渣及尾矿的产酸潜力及碳酸盐岩的中和能力；(5)评价矿区内与矿山废弃物相关的地表水、地下水中Sb和As的分布。这些目标及内容主要是通过水和矿山弃废物地球化学评价确定潜在风险的控制策略。本文研究结论如下：1.利用热力学化学平衡模型确定碳酸盐矿物利用热力学化学平衡模型确定影响锡矿山锑矿区矿坑排水质量的矿物种类及特征。Eh-pH关系图表明,含铁矿物以Fe203为主,硫化物矿物以SO42-为主,进一步表明了酸的产生。通过计算产酸矿物的饱和指数发现发生氧化作用的矿物主要有黄铁矿、磁黄铁矿、砷黄铁矿及菱铁矿。矿坑水内产生SO42-的其他硫化物矿物包括石膏和泻利岩。另外,饱和指数还表明,起中和作用的碳酸盐矿物主要是方解石和白云石。然而,矿区内其它碳酸盐矿物包括含钙矿物(碳酸钙镁石、氢氧钙石、砷酸钙)、含镁矿物(菱镁矿、水碳镁石、纤菱镁矿)和含钠矿物(碳酸钠、一水碳酸钠)。主要产酸及耗酸矿物的确定对于矿区水的有效管理具有至关重要的作用。2.地下水的水文地球化学特征矿山酸性废水管理事关环境可持续性,因此了解地下水化学类型及质量的水文地球特征至关重要。调查矿区矿山酸性废水及其对水质影响的水文地球化学过程,共采集矿区内地下水样品24个。温度、pH、Eh和总溶解固体(TDS)在野外现场测定,主要离子及微量元素在实验室测定。通过Piper三线图分析发现,34%的地下水样品为Ca-HC03-S04类型水,这些水是由Ca-SO4-HCO3类型水通过方解石和白云石对AMD的中和作用演变而来的。借助PHREEQC模拟分析发现,地下水中的SO42-、ca2+和Mg2+来源于方解石和白云石对AMD的中和反应过程。研究还表明,地下水中的As和Sb浓度超过了饮用水标准值,而其它组分仍在可接受范围内。3.利用因子分析评价影响地下水质量的矿物来源利用因子分析确定锡矿山内地下水中化学组分的特征及空间分布。共采集30水样并进行实验室测试分析,其中pH.Eh和总溶解固体(TDS)在现场测定。因子分析过程中发现有4个因子共得分84.7%。其中,因子1(K+、Na+、 Ca2+、Mg2+、Cl-、F-、SO42-、NO3-和TDS)得分40.8%,表明研究区地下水的地球化学过程主要受该组离子的影响。Ca2+、Mg2+和SO42-共存表明,FeS2的氧化受白云石和方解石的影响以及石膏溶解的发生。同时Ca2+、Mg2+和SO42-的共存还表明,研究区地下水中的化学组分以Ca2+,Mg2+和SO42-为主。因子2得分18.5%,其中只有HCO；与其它组分呈反相关关系,Sb和As与其它组分呈一定的相关关系。因子3和4得分18.7%,其中Fe和pH与其它组分呈显著地相关关系,而HCO3-呈较小的反相关关系。该模型结果表明,弄清矿区及周围地下水中As和Sb污染区域是非常必要的。4.矿山废弃物的产酸潜力及水中As和Sb的分布通过pH、ABA和ABA方法分析矿区内产酸潜力。另外,分析矿区内地表水、地下水中As和Sb的分布。在矿区内采集水样和不同时期(现在、10年、50年)的矿山废弃物,包括废石、冶炼渣和尾矿。静态浸泡试验表明10和50年的废石和冶炼渣产酸,而新鲜废石和尾矿不产酸(pH7),这表明了碳酸盐反应的存在。因此,AMD的产生可能发生在碳酸盐溶解之后。水样分析发现,水中Sb的浓度大于As的浓度,分别为3.74 mg/L和0.19 mg/L。北矿废石堆周围淋滤水中Sb的浓度最大,达39.16 mg/L,矿坑水中Sb的浓度也较大,为14.25mg/L。另外,地表水中也有较高的Sb浓度,北矿平均值为4.56 mg/L,北矿平均值为10.28 mg/L。这表明地表水受到了矿山废弃物的影响。因此,适当的矿山废弃物管理及废石堆和尾矿库淋滤水的收集、治理等措施是防治矿区水污染的有效手段。本文的创新点有两个：(1)首次运用地球化学方法评价了锡矿山闭坑北矿和活动南矿的AMD产生潜力,并证实了废石储存方法的有效性；(2)本区域性研究对矿山水管理提出了具体有效的措施,对该领域特别是矿山环境领域内水环境管理工作具有重要意义。
【关键词】：锑 矿山排水 地球化学 采矿 碳酸盐 地球化学静态实验
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X753
【目录】：

• Author Introduction10-13
• 摘要13-16
• Abstract16-24
• Chapter One:Introduction24-50
• §1.1 Study Background24-28
• §1.2 Statement of the Problem28-30
• §1.3 Geochemistry of Mine Wastes30-38
• 1.3.1 Occurrence of Acid Mine Drainage30-33
• 1.3.2 Antimony Contamination in Aquatic System33-35
• 1.3.3 Oxidation of Antimony (Sb) and Arsenic (As)35-36
• 1.3.4 Acid Neutralization36-38
• §1.4 Types of minerals in mine waste38-44
• 1.4.1 Primary minerals hosting potential inorganic contaminants39-40
• 1.4.2 Other primary minerals40-41
• 1.4.3 Compounds produced by ore processing41-42
• 1.4.4 Secondary minerals formed from weathering of mine waste42-44
• §1.5 Study Area geology and hydrogeology44-48
• 1.5.1 Geology of Mine Area44-47
• 1.5.2 Hydogeological Conditions47-48
• §1.6 Research Objectives48
• §1.7 Novelty of This Research48-50
• Chapter Two:Hydrogeochemical Characteristics of Groundwater50-78
• §2.1 Introduction50-52
• §2.2 Methods and Materials52-54
• 2.2.1 Sampling52
• 2.2.2 Chemical Analysis and Calculations52-54
• §2.3 Results and Discussion54-76
• 2.3.1 Water Chemistry55-57
• 2.3.2 Identification of Metal Ions57-61
• 2.3.3 Major Minerals Influencing Water Type61-63
• 2.3.4 Hydrogeochemical Processes63-68
• 2.3.5 Identification of Chemical Components in Water68-72
• 2.3.6 Groundwater Quality Assessment72-76
• §2.4 Conclusion76-78
• Chapter Three:Using Factor Analysis to Assess the Source of MineralsInfluencing Water Quality78-87
• §3.1 Introduction78-79
• §3.2 Materials and Methods79
• §3.3 Statistical Analysis79-80
• §3.4 Results and Discussion80-86
• 3.4.1 Univariate Analysis and Correlation Coefficients80-81
• 3.4.2 Factor Analysis81-86
• §3.5 Conclusion86-87
• Chapter Four:Mine waste acidic potential and distribution of Sb and As inwater87-103
• §4.1 Introduction87-88
• §4.2 Materials and Methods88-92
• 4.2.1 Field Sampling88-89
• 4.2.2 Water Chemical Analysis and Calculations89-90
• 4.2.3 Static Test Procedures90-92
• §4.3 Results and Discussion92-101
• 4.3.1 Static Tests Prediction92-96
• 4.3.2 Water Chemistry96-97
• 4.3.3 Dissolved Antimony and Arsenic Concentrations97-98
• 4.3.4 Cluster Analysis of Water Quality Data98-100
• 4.3.5 Speciation Calculation100-101
• §4.4 Conclusion101-103
• Chapter Five:Conclusion103-107
• §5.1 Summary of Findings103-105
• §5.2 Recommendations105-107
• Acknowledgements107-108
• References108-133

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