李俊琴，陳曉爽，劉 楊，井 瑾

(巴彥淖爾市烏拉特中旗環(huán)境監(jiān)測站，內蒙古 烏拉特中旗 015300)

引 言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，相關生產活動對礦產資源的需求量在持續(xù)增加。為滿足正常制造業(yè)生產的需求，我國對礦產資源的開采量逐漸增加[1]。然而，過度開采會對地下水環(huán)境造成不良影響[2-3]，例如一些礦區(qū)的過渡開采，使地面出現(xiàn)塌方，且隔層受到破壞，導致污水更容易滲入到地下水中，造成地下水的污染。其中金屬污染是礦區(qū)地下水污染的主要類型之一。受到金屬污染的地下水，是導致人體中毒和植被死亡的罪魁禍首，會給人類和生態(tài)環(huán)境帶來的巨大危害。例如2010年，徐州旗山煤礦礦井水鐵、錳嚴重超標，受污染水體近1000萬m3，威脅飲水安全，影響周圍約30萬人的生產生活。地下水是水資源的重要組成部分，是為人們提供飲用水的源頭之一，因此需要對其采取合理的治理手段。在現(xiàn)階段，地下水水污染治理問題已經(jīng)取得了初步的成效[4～6]。在治理過程中，需及時對礦區(qū)周圍地下水進行采樣，獲取地下水污染情況，并提出合理的修復措施，以此來保障礦區(qū)周圍人們日常生活的用水安全[7-8]。當下現(xiàn)有的礦區(qū)地下水資源修復措施相對較多，大多礦區(qū)主要通過物理修復、化學修復、生物修復，這幾種形式實現(xiàn)水資源修復。

目前，在針對地下水污染特征的研究中，已有相關學者針對礦區(qū)地下水污染問題展開分析。有學者分析了礦區(qū)表土金屬空間污染特征[9]。該方法能夠分析礦區(qū)地下水多種金屬污染特征，但僅能夠針對土地表面污染分析，對于地下水體深度污染的分析不夠全面。也有學者分析了洞庭湖區(qū)表層沉積物重金屬污染特征[10]，該方法可精準分析水資源內的重金屬污染，但該方法并未有效提出合理的修復措施。因此，本文針對巴彥淖爾市烏拉特中旗某鈾礦區(qū)地下水資源金屬污染特征展開分析，并設計了相應的修復措施，希望能夠有效改善礦區(qū)地下水資源質量。

1 礦區(qū)地下水資源金屬污染情況研究

1.1 研究區(qū)概況

烏拉特中旗位于祖國正北方、巴彥淖爾市東北部，全旗總面積2.3萬km2，總人口11.2萬，與蒙古國有184km的邊境線，擁有常年開放的國家陸路口岸—甘其毛都，是內蒙古向北開放的重要“橋頭堡”。烏拉特中旗資源富集、潛力巨大，其中巴彥淖爾市烏拉特中旗某鈾礦區(qū)是一個典型的礦區(qū)，該礦區(qū)位于烏拉特中旗昂根蘇木店格巴以西。該地區(qū)主要巖體在巖石地球化學特征上具有一定的共性，都具有高鉀、高堿、鋁過飽和的S型花崗巖特征，形成的構造背景為華北板塊北緣與西伯利亞板塊南緣同碰撞結束一后碰撞開始的構造轉換期，其巖漿很可能來源于中新元古代渣爾泰山群變質巖的部分熔融。這一特征對鈾成礦十分有利。區(qū)域范圍內出露地層較為簡單，主要為新太古界烏拉山群、色爾騰山群。地貌為沙化草地，地質構造復雜，褶皺、斷裂都很發(fā)育，因此形成了較多的礦產資源。因昂根蘇木店格巴地區(qū)地下水的排泄處于半封閉狀態(tài)，導致地下水的交替過程非常緩慢，多以蒸發(fā)排泄為主，使得地下水中的鈾元素被不斷濃縮，長久以來形成鈾礦。該鈾礦以花崗巖型為主，主要產于石炭紀罕烏拉巖體和三疊紀烏和爾圖巖體等花崗巖體及其內外接觸帶中，受斷裂蝕變帶、糜棱巖化帶控制，以硅質破碎帶、硅質脈型鈾化為主，具體如圖1所示。且研究區(qū)地域遼闊，氣候差異很大，具有高原寒暑劇變的特點，屬大陸性干旱氣候區(qū)。年平均氣溫在3.0℃～6.8℃之間，降水偏少。因此本文將巴彥淖爾市烏拉特中旗某鈾礦區(qū)作為研究環(huán)境，針對該地區(qū)的地下水金屬污染情況展開分析。

圖1 烏拉特中旗某鈾礦地質圖Fig.1 Geological map of a uranium mine in urad middle banner

1.2 樣品采集

在遵守GB/T 5750.2-2006標準的前提下，在礦區(qū)內設置20個位置分別采集水樣，地下水樣品經(jīng)過鉆孔采集，每個水樣樣品采集5kg，采集到的樣品密封后置于采樣瓶內并編號。

1.3 水樣檢測

為更全面獲取礦區(qū)地下水資源金屬污染情況，本文首先對礦區(qū)水質進行檢測。測定水質的pH值、金屬含量等內容。

將12份水樣樣品靜置10min，之后吸取每份樣本中5mL的水放置于試管中，開始水質檢測[11-12]，采用相關常量檢測儀，測定水樣內的金屬含量。采用圖2所示的流程實現(xiàn)水樣檢測。

圖2 水質檢測流程Fig.2 Water quality testing process

經(jīng)檢測后合理保存試驗水樣，并對水樣進行相關分析，得到水樣金屬污染特征。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本文利用SPSS17.0軟件對上述得到的水樣檢測數(shù)據(jù)展開統(tǒng)計分析，并通過Visio軟件繪制相關插圖。

1.5 礦區(qū)地下水資源金屬污染情況分析

1.5.1 礦區(qū)地下水資源內梅羅污染指數(shù)評價

內梅羅污染指數(shù)法能夠合理評估污染物對環(huán)境的污染情況，可有效反應水資源受金屬的污染狀態(tài)[13-15]。

可通過下述計算得到水樣的內梅羅污染指數(shù)：

(1)

1.5.2 礦區(qū)地下水資源污染等級劃分

本文根據(jù)內梅羅指數(shù)計算情況，對礦區(qū)地下水資源污染情況進行評價，并對水樣污染等級進行劃分，具體劃分情況如表1所示。

表1 地下水資源污染等級劃分Tab.1 Classification of groundwater pollution levels

1.6 地下水資源金屬污染修復措施

1.6.1 現(xiàn)有修復措施分析

對現(xiàn)有礦區(qū)地下水資源修復措施分析如下。

1.6.1.1 物理修復

物理修復通常包括熱處理法、電動修復法等。熱處理主要用于治理汞污染，較為局限。而電動修復法是指控制電的狀態(tài)，使水中的重金屬離子能夠得到分離[16～18]，但電動修復方式成本較大，對于污染面積較大、污染范圍較廣的環(huán)境并不適用。

1.6.1.2 化學修復

化學修復知識采用化學反應達到地下水資源修復的目的，通常采用化學試劑、化學材料等內容實現(xiàn)，可以有效改善水質的電解性，提升水體有機質含量[19]。

1.6.1.3 生物修復

生物修復是指采用真菌、微生物等生物吸取地下水中的重金屬污染，使水內金屬含量降低[20]。但該技術受溫度和污染物含量的影響，且費時。

由于研究礦區(qū)地域遼闊，污染范圍較廣，氣候差異很大，降水偏少，且經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)的采集水樣內存在較多的金屬元素。因此，本文采用化學修復形式，選用鐵屑作為修復材料，來改善礦區(qū)地下水資源質量。

1.6.2 試驗材料與設備

本文采用鐵屑作為地下水資源金屬污染的修復材料，試驗材料通過機械廠車間獲取，取出鐵屑后過28目標準篩，并將其裝袋備用。得到廢鐵屑后開始進行實驗，鐵屑主要化學成分含量及所需的試驗設備分別如表2和表3所示。

表2 鐵屑主要化學成分含量Tab.2 Main chemical components of iron filings

表3 試驗用儀器與設備Tab.3 Test instruments and equipment

1.6.3 試驗方法

首先對所準備的鐵屑進行酸洗，之后取0.5mol/L的氯化氫(HCl)，將酸洗后的鐵屑放入HCl中并進行攪拌，直至混合物不存在氣泡，停止攪拌并采用去離子水對混合物進行清洗。

在錐形瓶中進行地下水資源金屬污染修復測試，將鐵屑裝入錐形瓶中，并在瓶內存放200mL的水樣，經(jīng)反應后，對水樣進行過濾，以此測定溶液的金屬污染情況。

2 結果分析

2.1 地下水資源金屬污染特征變化

2.1.1 金屬污染指數(shù)分析

通過內梅羅指數(shù)，評價地下水水樣中，汞、鎘、鈷、鉻、銅、鎳、鋅、錫、砷金屬的整體污染情況，分析結果如表4所示。

表4 水樣各金屬元素梅羅指數(shù)值Tab.4 Merlot index of each metal element in water sample (mg/L)

根據(jù)表4可知，在檢測元素中，砷元素的污染程度最大，屬于中度污染，其次是鋅元素的污染程度，屬于輕度污染階段，水樣中的錫、鎳、銅、鈷、鎘以及汞含量幾乎可以忽略，而鉻元素的污染系數(shù)雖然略高，但依然處于安全范圍內，由此可知，被檢測元素中，金屬污染指數(shù)由高到低依次為砷>鋅>鉻>銅>鎳>鈷>鎘>錫>汞。

對不同水體采樣點在豐水期、平水期以及枯水期依次進行采樣，分析每個采樣點水樣在不同時期水體內金屬污染變化，檢測水體內鐳、鉛、釙、砷、錳、鋅、鉻幾種金屬元素的污染情況，檢測結果如圖3所示。

圖3 不同時期水樣金屬污染變化Fig.3 Changes of metal pollution in water samples in different periods

由圖3(a)可以看出，不同采樣點之間鐳活度較為平均，未出現(xiàn)較大差距，在豐水期時，鐳活度較低，說明較大水流可以降低鐳的活度，使豐水期內水樣處于安全狀態(tài)，當處于平水期與枯水期時，鐳活度增加，尤其是枯水期時鐳活度最高，說明水樣流動性較低時鐳元素增加，但依然保持在0.7Bq/L以下，說明水樣的鐳元素始終處于安全狀態(tài)，未達到污染標準。

圖3(b)中，水樣在平水期的鉛元素含量最高，枯水期的鉛元素含量最低，說明水流靜止時水體內鉛的含量會由此上升，但檢測得到的鉛元素屬于安全水平，最高未超出安全臨界值，因此，水體內鉛元素未對水樣造成污染。

圖3(c)中，在豐水期與平水期釙元素始終保持較低水平，當在枯水期時，釙元素含量波動較大，但釙含量均為超出安全范圍，因此該元素不會引起水樣污染。

圖3(d)中，在豐水期、平水期與枯水期，水樣內砷含量較為接近，其中枯水期內砷含量較高，但未與其他時期產生較大差距，在三個時期內，砷含量均處于0.9mg/L～2.4mg/L之間，超出安全標準，屬于警戒～中度污染狀態(tài)之間，說明在不同時期下，水樣均存在砷元素污染現(xiàn)象。

圖3(e)中，豐水期下水樣內錳元素含量較高，而枯水期錳含量最低，不同測點測得的錳含量區(qū)別較大，但每個測點測得的錳元素均保持在0.7mg/L之內，說明水樣內錳元素屬于安全水平，未達到污染狀態(tài)。

圖3(f)中，在豐水期、平水期與枯水期，水樣內鋅含量均超過1mg/L，其中枯水期內鋅含量較高，已超出安全標準，屬于警戒～輕度污染狀態(tài)之間，說明在不同時期下，水樣均存在鋅元素污染現(xiàn)象。

圖3(g)中，枯水期下水樣內鉻元素含量較高，但未超過0.4mg/L，而豐水期鉻含量最低，但在不同測點測得的鉻含量區(qū)別較大。在三個不同時期測得水樣內的鉻元素均保持在0.7mg/L之內，說明水樣內鉻元素屬于安全水平，未達到污染狀態(tài)。

通過對水資源不同時期金屬含量的檢測，可知該礦區(qū)水體內鋅、砷含量處于超標狀態(tài)，而鐳、鉛、釙、錳元素均處于安全狀態(tài)。

2.1.2 地下水金屬污染pH值分析

利用SPSS17.0軟件分析枯水期與豐水期地下水金屬污染pH值變化，分析結果如表5所示。

表5 水樣金屬污染pH值變化分析Tab.5 Change analysis of PH value of metal contamination in water samples

根據(jù)表5可知，在豐水期內水樣pH值的最大值較高，但該時期內的pH平均值較低，根據(jù)污染標準范圍6.5～8.5可知，該礦區(qū)內pH值的最大值為7.801，并未超出標準范圍，說明地下水資源金屬污染并未造成pH值較大現(xiàn)象，但枯水期與豐水期內采樣得到的pH最小值低于標準范圍，因此，金屬污染導致水樣pH值偏低，使水體呈強酸性。

2.2 金屬污染修復措施驗證

通過上述對地下水資源中各金屬元素的污染分析可知，只有Zn，As是超標的。因此接下來，通過試驗來驗證鐵屑對Zn，As金屬污染的去除率變化，分析添加不同含量的鐵屑對水樣內Zn，As兩種金屬元素含量造成的影響，分析結果如圖4、圖5所示。

圖4 水樣內金屬元素Zn的去除率變化情況分析Fig.4 Analysis on the change of metal element Zn removal rate in water sample

圖5 水樣內金屬元素As的去除率變化情況分析Fig.5 Analysis on the change of metal element As removal rate in water sample

根據(jù)圖4和圖5可知，當反應時間不斷增加，不同鐵屑添加量引起的Zn和As兩金屬元素的去除率均有所上升。在圖4中，0.5g鐵屑對于Zn金屬元素的去除率相對較低，始終保持在60%以下，而1g鐵屑添加量可明顯增強Zn金屬元素的去除率，而1.5g鐵屑添加量的Zn金屬元素去除率最高，當反應時間達到120min時，該添加量下的Zn金屬元素去除率已達到80%以上，且最高去除率保持在90%左右，說明添加1.5g鐵屑含量可明顯去除水樣內的Zn金屬污染。而在圖5中，同樣0.5g鐵屑對于As金屬元素的去除率相對較低，始終保持在40%左右，而1g鐵屑添加量使As金屬元素的去除率明顯增強，提高了20%，而1.5g鐵屑添加量的As金屬元素去除率最高，當反應時間達到150min時，該添加量下的As金屬元素去除率已達到90%以上，且最高去除率保持在95%左右，說明添加1.5g鐵屑含量可明顯去除水樣內的Zn、As金屬污染。

本文針對水樣中的鋅元素進行詳細去除分析，分析通過鐵屑修復試驗后，對礦區(qū)中的地下水壓進行測量，其壓力越大，流速越快。經(jīng)測量獲取到5mL/min、10mL/min、15mL/min三種不同的流速，接著在三種不同水體流速下進行鋅、砷去除率分析，分析結果如圖6、圖7所示。

圖6 鋅元素去除率分析Fig.6 Zinc removal rate analysis

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

根據(jù)圖6和圖7可知，隨著鋅和砷濃度的增多，在不同水體流速下，通過鐵屑去除兩種金屬元素的去除率也隨之下降。圖6中，在15mL/min流速下鋅的去除率最低，說明流速加快會導致去除效果變差，在10mL/min流速下，去除率出現(xiàn)明顯上升，但也隨著濃度的增加逐漸降低，而5mL/min流速下鋅去除率較高，最低去除率也保持在40%以上。圖7中，同樣在15mL/min流速下砷的去除率最低，在10mL/min流速下，砷的去除率也明顯上升，但同樣隨著濃度的增加逐漸降低，而5mL/min流速下砷去除率較高，最低去除率也保持在40%。由此可以看出，通過鐵屑去除鋅、砷兩金屬元素的能力較強，可以有效修復礦區(qū)地下水資源。

3 結 論

本文研究礦區(qū)地下水資源金屬污染特征分析，并對礦區(qū)地下水資源金屬污染進行了修復措施。首先詳細分析礦區(qū)地下水資源受到的重金屬污染情況，獲取不同金屬元素的污染特征，并針對污染狀態(tài)，最后提出了合理的修復手段，使礦區(qū)地下水資源得到有效的修復。通過對地下水資源中各金屬元素的污染分析可知，只有Zn、As超標。通過試驗來驗證鐵屑對Zn、As金屬污染的去除率變化，先分析了不同含量的鐵屑對水樣內Zn、As兩種金屬元素含量造成的影響，然后分析了5mL/min、10mL/min、15mL/min三種不同流速下鋅、砷的去除率，如此得出：

(1)當鐵屑添加量增多，反應時間不斷增加，所引起的Zn和As兩金屬元素的去除率均有所上升。

(2)0.5g鐵屑對于Zn、As金屬元素的去除率均相對較低；而當鐵屑的添加量為1g時，Zn、As金屬元素的去除率明顯增強；當鐵屑添加量為1.5g時，Zn、As金屬元素去除率最高，說明添加1.5g鐵屑含量可明顯去除水樣內的Zn、As金屬污染。

(3)隨著鋅和砷濃度的增多，在不同水體流速下，通過鐵屑去除兩種金屬元素的去除率也隨之下降。

(4)在15mL/min流速下Zn、As的去除率最低，說明流速加快會導致去除效果變差；在10mL/min流速下，As、Zn的去除率都明顯上升，但都隨著濃度的增加而降低。

(5)通過鐵屑去除鋅、砷兩金屬元素的能力較強，可以有效修復礦區(qū)地下水資源。

在未來研究階段，可利用現(xiàn)有實驗結果以及修復技術，對不同礦區(qū)地下水資源污染進行處理，進一步改善地下水環(huán)境。