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硫铁矿采冶混合废渣Cd、Zn、As释放迁移规律研究

作　者: 刘晋
导　师: 李东伟; 焦斌权
学　校: 重庆大学
专　业: 安全技术及工程
关键词: 硫铁矿废渣环境安全释放迁移健康风险评估
分类号: X50
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

硫铁矿是分布最广泛的硫化物矿物，是提取硫和制造硫酸的主要原料。由于利益的驱动，上个世纪后半期兴起土法炼硫，提取硫磺、硫酸。土法炼硫生产方式原始而落后，硫资源利用率低，大量废渣弃于山谷，资源散逸空间，并造成严重的重金属污染。本论文选取土法炼硫后的历史遗留采冶废渣及周边土壤作为研究对象，对其重金属释放、迁移规律进行探讨，为从根本上解决该废渣的环境威胁寻找科学方法。整个渣场平均海拔约1130米，占地约1.35×106平米，废渣堆存量约为2.7×106立方米。实验室测定废渣的密度约为1.14吨/立方米，估算整个渣场堆存量约3.43×106吨。废渣粒径跨度较大，矿渣表面粗糙，形貌凹凸不平，被腐蚀的迹象明显，表面重金属元素较少；通过XRF实验了解废渣的基本元素组成；废渣体相以SiO2主，表面附着大量黄钾铁矾（MFe3(SO4)2(OH)6）等沉淀物质，同时有金属氧化物和硫酸盐、硅酸盐、砷酸盐、碳酸盐等盐类存在。渣场的地表水酸化明显，pH平均值为2.47。溪水中重金属大部分超过地表水三级标准的标准值。同时，在水样中发现硫铁矿区常见的氧化亚铁硫杆菌（Thiobacillus ferrooxidans）和氧化硫硫杆菌（Thiobacillus thiooxidans）的混合菌群，该类微生物可以加速氧化，促使重金属释放速度提高。整个渣场及周边土壤为弱酸性环境。废渣的重金属含量较高，特别是砷（砷为类金属，为方便描述，本文统称为重金属）、锌，对周围环境构成威胁；但废渣重金属浸出值较低。渣场周边土壤中重金属含量也较高，与土壤质量标准对比得出：As远超过标准值119倍；Ni、Zn、Cu、Pd、Cd已经超出允许含量，说明此硫铁矿冶炼废渣的重金属经过长时间的雨水浸淋，部分已大面积的迁移，且影响的范围较广。通过形态分析实验发现Cd、Zn和As的可浸出态分别为27.98%，2.47%和0.08%，表明虽然该废渣虽暂时不具备浸出毒性，但是仍有相当多的可浸出量，随着堆弃时间的增加和雨水的冲刷及微生物的作用，会缓慢释放，具有较高的环境毒性。废渣中As主要是以残渣态的形式存在，达99.92%，说明其在风化过程中形成相对稳定的晶体，随着其他重金属元素的不断释放、流失，而造成了As的相对富集。通过重金属释放实验发现，在酸性溶液中，空气与微生物作用下，重金属有持续微量释放，且微生物的存在加速了重金属的释放，通过引入动力学模型得到了渣场内重金属元素在酸性环境下的释放模型。设计迁移实验，对重金属浸出液在渣场附近土壤的渗透和弥散性质进行研究。通过实验发现，重金属迁移性质随着溶液中重金属的浓度变化而变化。含重金属离子的溶液渗透系数低于水溶液，溶液中重金属浓度越高其渗透系数越小，即渗透系数与溶液中重金属浓度成反比；当渗透速度相同，溶液中重金属浓度越高，弥散系数也越小；非饱和土壤中的渗透系数和弥散系数均小于饱和土壤，即渗透系数和弥散系数与含水率成正比。在本研究的最后，通过对暴露途径和迁移方式进行分析，设置符合我国国情的暴露因子，并借鉴毒理数据，探索性设计风险评估软件。最后，通过RBCA评估系统计算得到，在渣场内及采样范围的农田内活动人群都有着较高健康风险。因此建议立即采取相应的修复措施，使风险降低到人体健康能够接受的水平。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-12
1 绪论  12-30
  1.1 研究目的及意义  12-15
    1.1.1 矿产资源开发与环境安全  12-14
    1.1.2 硫铁矿废渣的环境安全问题  14-15
    1.1.3 研究意义  15
  1.2 国内外研究现状  15-27
    1.2.1 重金属污染研究进展及现状  15-18
    1.2.2 硫化矿渣重金属释放机理研究进展及现状  18-22
    1.2.3 土壤中重金属迁移模型研究进展及现状  22-25
    1.3.4 污染场地人群健康风险评价系统研究进展及现状  25-27
  1.3 研究目的  27
  1.4 研究内容及预期结果  27-30
    1.4.1 研究内容及技术路线  27-28
    1.4.2 预期结果  28-30
2 渣场现场调研及样品采集  30-42
  2.1 现场调研  30-35
    2.1.1 渣场的环境背景  30-31
    2.1.2 渣场的历史背景  31
    2.1.3 土法炼硫的危害  31-33
    2.1.4 渣场现状  33-35
  2.2 样品采集  35-40
    2.2.1 布点原则  35-36
    2.2.2 废渣采样品采集  36-37
    2.2.3 土壤样品采集  37-38
    2.2.4 矿石样品采集  38-39
    2.2.5 地表水样品采集  39-40
  2.3 本章小结  40-42
3 样品表征分析  42-68
  3.1 废渣粒度分析  42-44
    3.1.1 激光粒度仪分析原理  42
    3.1.2 分析仪器及样品选择  42-43
    3.1.3 分析结果与讨论  43-44
  3.2 废渣形貌及 X 射线能谱分析  44-53
    3.2.1 扫描电镜及能谱分析原理  44-45
    3.2.2 分析仪器及样品选择  45-46
    3.2.3 分析结果与讨论  46-53
  3.3 废渣及矿石成分分析  53-57
    3.3.1 XRF 分析原理  53
    3.3.2 分析仪器及样品选择  53-54
    3.3.3 分析结果与讨论  54-57
  3.4 废渣及矿石物相分析  57-62
    3.4.1 XRD 分析原理  57-58
    3.4.2 分析仪器及样品选择  58
    3.4.3 分析结果与讨论  58-62
  3.5 地表水分析  62-66
    3.5.1 渣场地表水腐蚀性分析  62
    3.5.2 渣场地表水中重金属含量  62-63
    3.5.3 渣场地表水微生物赋存分析  63
    3.5.4 水样中氧化亚铁硫杆菌的富集-分离-纯化  63-66
  3.6 本章小结  66-68
4 废渣重金属赋存现状研究  68-84
  4.1 实验设计  68-71
    4.1.1 腐蚀性分析实验  68
    4.1.2 全量分析实验  68-69
    4.1.3 浸出毒性分析实验  69-70
    4.1.4 主要实验仪器及设备  70-71
    4.1.5 主要实验试剂  71
  4.2 腐蚀性鉴别实验  71-73
    4.2.1 样品选择与实验过程  71-72
    4.2.2 结果与讨论  72-73
  4.3 全量实验  73-80
    4.3.1 样品选择与实验过程  73-75
    4.3.2 结果与讨论  75-79
    4.3.3 土壤环境质量  79-80
  4.4 浸出毒性鉴别实验  80-82
    4.4.1 样品选择与实验过程  80-81
    4.4.2 结果与讨论  81-82
  4.5 本章小结  82-84
5 废渣重金属释放潜能及模型研究  84-124
  5.1 实验设计  84-88
    5.1.1 形态分析实验  84-86
    5.1.2 重金属释放模拟实验  86-87
    5.1.3 主要实验仪器及设备  87
    5.1.4 主要实验试剂  87-88
  5.2 形态分析实验  88-94
    5.2.1 样品选择与实验过程  88-90
    5.2.2 结果与讨论  90-94
  5.3 重金属释放模拟实验  94-106
    5.3.1 样品选择与实验过程  94-95
    5.3.2 结果与讨论  95-102
    5.3.3 浸后形貌  102-106
  5.4 废渣的重金属释放机理  106-112
    5.4.1 表面氧化及酸化  106-109
    5.4.2 表面溶解与吸附  109
    5.4.3 微生物氧化  109
    5.4.4 原电池反应  109-111
    5.4.5 废渣的风化过程模型  111-112
  5.5 重金属释放动力学模型  112-121
    5.5.1 模型理论  113-115
    5.5.2 结果与讨论  115-121
  5.6 本章小结  121-124
6 渣场周边土壤重金属迁移规律研究  124-148
  6.1 实验设计  124-131
    6.1.1 重金属迁移动力学模型  124-130
    6.1.2 土壤渗透实验  130
    6.1.3 重金属土壤迁移实验  130
    6.1.4 主要实验仪器及设备  130
    6.1.5 主要实验试剂  130-131
  6.2 土壤渗透实验  131-136
    6.2.1 样品选择及实验过程  131-132
    6.2.2 结果与讨论  132-136
  6.3 重金属土壤迁移实验  136-145
    6.3.1 样品选择与实验过程  136-137
    6.3.2 结果与讨论  137-144
    6.3.3 迁移模型  144-145
  6.4 本章小结  145-148
7 重金属污染场地人群健康风险评估系统开发  148-170
  7.1 系统研究目标  148-149
    7.1.1 评估系统设计的总体目标  148
    7.1.2 具体目标  148
    7.1.3 适用范围及人员准备  148-149
  7.2 系统设计  149-158
    7.2.1 评价流程  149-150
    7.2.2 暴露评价  150-154
    7.2.3 剂量反应评估  154-155
    7.2.4 评估层次  155-158
    7.2.5 风险值判定  158
  7.3 评估软件开发  158-164
    7.3.1 开发平台选择  158
    7.3.2 模块开发  158-160
    7.3.3 编码设计  160
    7.3.4 数据库表格设计  160-161
    7.3.5 输入输出界面设计  161-163
    7.3.6 运行环境  163-164
  7.4 渣场内外健康风险评估及系统调试  164-167
    7.4.1 污染浓度设置  164
    7.4.2 评估结果  164-166
    7.4.3 对比验证  166-167
  7.5 本章小结  167-170
8 结论及建议  170-176
  8.1 结论  170-173
  8.2 创新点  173-174
  8.3 建议  174-176
致谢  176-178
参考文献  178-190
附录  190
  A 作者在攻读学位期间发表的论文目录  190
  B 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录  190

硫铁矿采冶混合废渣Cd、Zn、As释放迁移规律研究

内容摘要

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