巴彦淖尔市乌拉特中旗矿区地下水资源金属污染特征分析

李俊琴，陈晓爽，刘 杨，井 瑾

(巴彦淖尔市乌拉特中旗环境监测站，内蒙古 乌拉特中旗 015300)

引 言

随着经济的高速发展，相关生产活动对矿产资源的需求量在持续增加。为满足正常制造业生产的需求，我国对矿产资源的开采量逐渐增加[1]。然而，过度开采会对地下水环境造成不良影响[2-3]，例如一些矿区的过渡开采，使地面出现塌方，且隔层受到破坏，导致污水更容易渗入到地下水中，造成地下水的污染。其中金属污染是矿区地下水污染的主要类型之一。受到金属污染的地下水，是导致人体中毒和植被死亡的罪魁祸首，会给人类和生态环境带来的巨大危害。例如2010年，徐州旗山煤矿矿井水铁、锰严重超标，受污染水体近1000万m3，威胁饮水安全，影响周围约30万人的生产生活。地下水是水资源的重要组成部分，是为人们提供饮用水的源头之一，因此需要对其采取合理的治理手段。在现阶段，地下水水污染治理问题已经取得了初步的成效[4～6]。在治理过程中，需及时对矿区周围地下水进行采样，获取地下水污染情况，并提出合理的修复措施，以此来保障矿区周围人们日常生活的用水安全[7-8]。当下现有的矿区地下水资源修复措施相对较多，大多矿区主要通过物理修复、化学修复、生物修复，这几种形式实现水资源修复。

目前，在针对地下水污染特征的研究中，已有相关学者针对矿区地下水污染问题展开分析。有学者分析了矿区表土金属空间污染特征[9]。该方法能够分析矿区地下水多种金属污染特征，但仅能够针对土地表面污染分析，对于地下水体深度污染的分析不够全面。也有学者分析了洞庭湖区表层沉积物重金属污染特征[10]，该方法可精准分析水资源内的重金属污染，但该方法并未有效提出合理的修复措施。因此，本文针对巴彦淖尔市乌拉特中旗某铀矿区地下水资源金属污染特征展开分析，并设计了相应的修复措施，希望能够有效改善矿区地下水资源质量。

1 矿区地下水资源金属污染情况研究

1.1 研究区概况

乌拉特中旗位于祖国正北方、巴彦淖尔市东北部，全旗总面积2.3万km2，总人口11.2万，与蒙古国有184km的边境线，拥有常年开放的国家陆路口岸—甘其毛都，是内蒙古向北开放的重要“桥头堡”。乌拉特中旗资源富集、潜力巨大，其中巴彦淖尔市乌拉特中旗某铀矿区是一个典型的矿区，该矿区位于乌拉特中旗昂根苏木店格巴以西。该地区主要岩体在岩石地球化学特征上具有一定的共性，都具有高钾、高碱、铝过饱和的S型花岗岩特征，形成的构造背景为华北板块北缘与西伯利亚板块南缘同碰撞结束一后碰撞开始的构造转换期，其岩浆很可能来源于中新元古代渣尔泰山群变质岩的部分熔融。这一特征对铀成矿十分有利。区域范围内出露地层较为简单，主要为新太古界乌拉山群、色尔腾山群。地貌为沙化草地，地质构造复杂，褶皱、断裂都很发育，因此形成了较多的矿产资源。因昂根苏木店格巴地区地下水的排泄处于半封闭状态，导致地下水的交替过程非常缓慢，多以蒸发排泄为主，使得地下水中的铀元素被不断浓缩，长久以来形成铀矿。该铀矿以花岗岩型为主，主要产于石炭纪罕乌拉岩体和三叠纪乌和尔图岩体等花岗岩体及其内外接触带中，受断裂蚀变带、糜棱岩化带控制，以硅质破碎带、硅质脉型铀化为主，具体如图1所示。且研究区地域辽阔，气候差异很大，具有高原寒暑剧变的特点，属大陆性干旱气候区。年平均气温在3.0℃～6.8℃之间，降水偏少。因此本文将巴彦淖尔市乌拉特中旗某铀矿区作为研究环境，针对该地区的地下水金属污染情况展开分析。

图1 乌拉特中旗某铀矿地质图Fig.1 Geological map of a uranium mine in urad middle banner

1.2 样品采集

在遵守GB/T 5750.2-2006标准的前提下，在矿区内设置20个位置分别采集水样，地下水样品经过钻孔采集，每个水样样品采集5kg，采集到的样品密封后置于采样瓶内并编号。

1.3 水样检测

为更全面获取矿区地下水资源金属污染情况，本文首先对矿区水质进行检测。测定水质的pH值、金属含量等内容。

将12份水样样品静置10min，之后吸取每份样本中5mL的水放置于试管中，开始水质检测[11-12]，采用相关常量检测仪，测定水样内的金属含量。采用图2所示的流程实现水样检测。

图2 水质检测流程Fig.2 Water quality testing process

经检测后合理保存试验水样，并对水样进行相关分析，得到水样金属污染特征。

1.4 数据处理

本文利用SPSS17.0软件对上述得到的水样检测数据展开统计分析，并通过Visio软件绘制相关插图。

1.5 矿区地下水资源金属污染情况分析

1.5.1 矿区地下水资源内梅罗污染指数评价

内梅罗污染指数法能够合理评估污染物对环境的污染情况，可有效反应水资源受金属的污染状态[13-15]。

可通过下述计算得到水样的内梅罗污染指数：

(1)

1.5.2 矿区地下水资源污染等级划分

本文根据内梅罗指数计算情况，对矿区地下水资源污染情况进行评价，并对水样污染等级进行划分，具体划分情况如表1所示。

表1 地下水资源污染等级划分Tab.1 Classification of groundwater pollution levels

1.6 地下水资源金属污染修复措施

1.6.1 现有修复措施分析

对现有矿区地下水资源修复措施分析如下。

1.6.1.1 物理修复

物理修复通常包括热处理法、电动修复法等。热处理主要用于治理汞污染，较为局限。而电动修复法是指控制电的状态，使水中的重金属离子能够得到分离[16～18]，但电动修复方式成本较大，对于污染面积较大、污染范围较广的环境并不适用。

1.6.1.2 化学修复

化学修复知识采用化学反应达到地下水资源修复的目的，通常采用化学试剂、化学材料等内容实现，可以有效改善水质的电解性，提升水体有机质含量[19]。

1.6.1.3 生物修复

生物修复是指采用真菌、微生物等生物吸取地下水中的重金属污染，使水内金属含量降低[20]。但该技术受温度和污染物含量的影响，且费时。

由于研究矿区地域辽阔，污染范围较广，气候差异很大，降水偏少，且经研究发现该矿区的采集水样内存在较多的金属元素。因此，本文采用化学修复形式，选用铁屑作为修复材料，来改善矿区地下水资源质量。

1.6.2 试验材料与设备

本文采用铁屑作为地下水资源金属污染的修复材料，试验材料通过机械厂车间获取，取出铁屑后过28目标准筛，并将其装袋备用。得到废铁屑后开始进行实验，铁屑主要化学成分含量及所需的试验设备分别如表2和表3所示。

表2 铁屑主要化学成分含量Tab.2 Main chemical components of iron filings

表3 试验用仪器与设备Tab.3 Test instruments and equipment

1.6.3 试验方法

首先对所准备的铁屑进行酸洗，之后取0.5mol/L的氯化氢(HCl)，将酸洗后的铁屑放入HCl中并进行搅拌，直至混合物不存在气泡，停止搅拌并采用去离子水对混合物进行清洗。

在锥形瓶中进行地下水资源金属污染修复测试，将铁屑装入锥形瓶中，并在瓶内存放200mL的水样，经反应后，对水样进行过滤，以此测定溶液的金属污染情况。

2 结果分析

2.1 地下水资源金属污染特征变化

2.1.1 金属污染指数分析

通过内梅罗指数，评价地下水水样中，汞、镉、钴、铬、铜、镍、锌、锡、砷金属的整体污染情况，分析结果如表4所示。

表4 水样各金属元素梅罗指数值Tab.4 Merlot index of each metal element in water sample (mg/L)

根据表4可知，在检测元素中，砷元素的污染程度最大，属于中度污染，其次是锌元素的污染程度，属于轻度污染阶段，水样中的锡、镍、铜、钴、镉以及汞含量几乎可以忽略，而铬元素的污染系数虽然略高，但依然处于安全范围内，由此可知，被检测元素中，金属污染指数由高到低依次为砷>锌>铬>铜>镍>钴>镉>锡>汞。

对不同水体采样点在丰水期、平水期以及枯水期依次进行采样，分析每个采样点水样在不同时期水体内金属污染变化，检测水体内镭、铅、钋、砷、锰、锌、铬几种金属元素的污染情况，检测结果如图3所示。

图3 不同时期水样金属污染变化Fig.3 Changes of metal pollution in water samples in different periods

由图3(a)可以看出，不同采样点之间镭活度较为平均，未出现较大差距，在丰水期时，镭活度较低，说明较大水流可以降低镭的活度，使丰水期内水样处于安全状态，当处于平水期与枯水期时，镭活度增加，尤其是枯水期时镭活度最高，说明水样流动性较低时镭元素增加，但依然保持在0.7Bq/L以下，说明水样的镭元素始终处于安全状态，未达到污染标准。

图3(b)中，水样在平水期的铅元素含量最高，枯水期的铅元素含量最低，说明水流静止时水体内铅的含量会由此上升，但检测得到的铅元素属于安全水平，最高未超出安全临界值，因此，水体内铅元素未对水样造成污染。

图3(c)中，在丰水期与平水期钋元素始终保持较低水平，当在枯水期时，钋元素含量波动较大，但钋含量均为超出安全范围，因此该元素不会引起水样污染。

图3(d)中，在丰水期、平水期与枯水期，水样内砷含量较为接近，其中枯水期内砷含量较高，但未与其他时期产生较大差距，在三个时期内，砷含量均处于0.9mg/L～2.4mg/L之间，超出安全标准，属于警戒～中度污染状态之间，说明在不同时期下，水样均存在砷元素污染现象。

图3(e)中，丰水期下水样内锰元素含量较高，而枯水期锰含量最低，不同测点测得的锰含量区别较大，但每个测点测得的锰元素均保持在0.7mg/L之内，说明水样内锰元素属于安全水平，未达到污染状态。

图3(f)中，在丰水期、平水期与枯水期，水样内锌含量均超过1mg/L，其中枯水期内锌含量较高，已超出安全标准，属于警戒～轻度污染状态之间，说明在不同时期下，水样均存在锌元素污染现象。

图3(g)中，枯水期下水样内铬元素含量较高，但未超过0.4mg/L，而丰水期铬含量最低，但在不同测点测得的铬含量区别较大。在三个不同时期测得水样内的铬元素均保持在0.7mg/L之内，说明水样内铬元素属于安全水平，未达到污染状态。

通过对水资源不同时期金属含量的检测，可知该矿区水体内锌、砷含量处于超标状态，而镭、铅、钋、锰元素均处于安全状态。

2.1.2 地下水金属污染pH值分析

利用SPSS17.0软件分析枯水期与丰水期地下水金属污染pH值变化，分析结果如表5所示。

表5 水样金属污染pH值变化分析Tab.5 Change analysis of PH value of metal contamination in water samples

根据表5可知，在丰水期内水样pH值的最大值较高，但该时期内的pH平均值较低，根据污染标准范围6.5～8.5可知，该矿区内pH值的最大值为7.801，并未超出标准范围，说明地下水资源金属污染并未造成pH值较大现象，但枯水期与丰水期内采样得到的pH最小值低于标准范围，因此，金属污染导致水样pH值偏低，使水体呈强酸性。

2.2 金属污染修复措施验证

通过上述对地下水资源中各金属元素的污染分析可知，只有Zn，As是超标的。因此接下来，通过试验来验证铁屑对Zn，As金属污染的去除率变化，分析添加不同含量的铁屑对水样内Zn，As两种金属元素含量造成的影响，分析结果如图4、图5所示。

图4 水样内金属元素Zn的去除率变化情况分析Fig.4 Analysis on the change of metal element Zn removal rate in water sample

图5 水样内金属元素As的去除率变化情况分析Fig.5 Analysis on the change of metal element As removal rate in water sample

根据图4和图5可知，当反应时间不断增加，不同铁屑添加量引起的Zn和As两金属元素的去除率均有所上升。在图4中，0.5g铁屑对于Zn金属元素的去除率相对较低，始终保持在60%以下，而1g铁屑添加量可明显增强Zn金属元素的去除率，而1.5g铁屑添加量的Zn金属元素去除率最高，当反应时间达到120min时，该添加量下的Zn金属元素去除率已达到80%以上，且最高去除率保持在90%左右，说明添加1.5g铁屑含量可明显去除水样内的Zn金属污染。而在图5中，同样0.5g铁屑对于As金属元素的去除率相对较低，始终保持在40%左右，而1g铁屑添加量使As金属元素的去除率明显增强，提高了20%，而1.5g铁屑添加量的As金属元素去除率最高，当反应时间达到150min时，该添加量下的As金属元素去除率已达到90%以上，且最高去除率保持在95%左右，说明添加1.5g铁屑含量可明显去除水样内的Zn、As金属污染。

本文针对水样中的锌元素进行详细去除分析，分析通过铁屑修复试验后，对矿区中的地下水压进行测量，其压力越大，流速越快。经测量获取到5mL/min、10mL/min、15mL/min三种不同的流速，接着在三种不同水体流速下进行锌、砷去除率分析，分析结果如图6、图7所示。

图6 锌元素去除率分析Fig.6 Zinc removal rate analysis

图7 砷元素去除率分析Fig.7 arsenic removal rate analysis

根据图6和图7可知，随着锌和砷浓度的增多，在不同水体流速下，通过铁屑去除两种金属元素的去除率也随之下降。图6中，在15mL/min流速下锌的去除率最低，说明流速加快会导致去除效果变差，在10mL/min流速下，去除率出现明显上升，但也随着浓度的增加逐渐降低，而5mL/min流速下锌去除率较高，最低去除率也保持在40%以上。图7中，同样在15mL/min流速下砷的去除率最低，在10mL/min流速下，砷的去除率也明显上升，但同样随着浓度的增加逐渐降低，而5mL/min流速下砷去除率较高，最低去除率也保持在40%。由此可以看出，通过铁屑去除锌、砷两金属元素的能力较强，可以有效修复矿区地下水资源。

3 结 论

本文研究矿区地下水资源金属污染特征分析，并对矿区地下水资源金属污染进行了修复措施。首先详细分析矿区地下水资源受到的重金属污染情况，获取不同金属元素的污染特征，并针对污染状态，最后提出了合理的修复手段，使矿区地下水资源得到有效的修复。通过对地下水资源中各金属元素的污染分析可知，只有Zn、As超标。通过试验来验证铁屑对Zn、As金属污染的去除率变化，先分析了不同含量的铁屑对水样内Zn、As两种金属元素含量造成的影响，然后分析了5mL/min、10mL/min、15mL/min三种不同流速下锌、砷的去除率，如此得出：

(1)当铁屑添加量增多，反应时间不断增加，所引起的Zn和As两金属元素的去除率均有所上升。

(2)0.5g铁屑对于Zn、As金属元素的去除率均相对较低；而当铁屑的添加量为1g时，Zn、As金属元素的去除率明显增强；当铁屑添加量为1.5g时，Zn、As金属元素去除率最高，说明添加1.5g铁屑含量可明显去除水样内的Zn、As金属污染。

(3)随着锌和砷浓度的增多，在不同水体流速下，通过铁屑去除两种金属元素的去除率也随之下降。

(4)在15mL/min流速下Zn、As的去除率最低，说明流速加快会导致去除效果变差；在10mL/min流速下，As、Zn的去除率都明显上升，但都随着浓度的增加而降低。

(5)通过铁屑去除锌、砷两金属元素的能力较强，可以有效修复矿区地下水资源。

在未来研究阶段，可利用现有实验结果以及修复技术，对不同矿区地下水资源污染进行处理，进一步改善地下水环境。