使用人工地球化学屏障处理巴雷斯基金矿床工业废水

《Clean Technologies》：Treatment of Industrial Wastewater from the Baleysky Gold Deposit Using Artificial Geochemical Barriers

　　

位于外贝加尔地区的巴雷斯基（Baleysky）金矿床是金矿开采长期环境遗留问题的典型实例。1995年工业废水排放停止后，累积了超过300万m³的酸性水，其中含有高浓度重金属和类金属。这些水体中污染物的浓度远超渔业用水最高允许水平（Mn高达6594倍、Al为1473倍、Zn为486倍、Cu为414倍），对乌恩达河（Unda River）生态系统及当地居民健康构成重大威胁。本研究旨在实验室条件下评估人工地球化学屏障方法处理此类水的有效性。研究人员采用当地土壤和商业碳酸盐吸附剂tauite（Taurite）进行了柱实验，吸附剂与滤液比为1:5。Taurite展现出显著高于土壤的吸附能力，大幅降低了As、Cd、Pb、Al、Mn、Fe、Zn和Cu的浓度，并将pH值从2.90提升至7.96–8.03。尽管使用tauite处理后，与致癌风险（CR）和非致癌效应（HI）相关的健康风险显著降低，但残余风险水平仍高到不可接受（CR ≈ 10^?3，HI > 1）。结果表明，工程地球化学屏障在减少废弃矿区人为污染方面具有巨大潜力，但需进一步优化该技术以满足法规要求。

论文解读文章

**研究背景与问题**

金矿开采活动常导致酸性矿山排水（Acid Mine Drainage, AMD）的产生，其中富含重金属和类金属，对水生态系统和公众健康构成长期威胁。位于俄罗斯外贝加尔地区的巴雷斯基（Baleysky）金矿床自1929年开发至1995年停止开采，期间采用混汞法和浮选法富集矿石，随后对精矿进行氰化处理。采矿活动停止后，矿井排水系统中断，导致巴雷斯基和塔谢耶夫斯基（Taseevsky）露天采坑以及科库伊（Kokuy）尾矿库中累积了超过300万m³的酸性矿井水。这些技术成因水含有极高的Mn、Al、Zn、Cu、Ni、Fe等非致癌元素以及As、Cd等致癌元素，其浓度超过俄罗斯渔业水体最高允许浓度（MPC）数十至数千倍，对乌恩达河（Unda River）流域生态及当地居民健康造成严重危害。现有尾矿库多建于1930–1950年代，缺乏底部防渗和防护坝，且从未进行过生态修复。因此，亟待开发经济有效的技术来处理这类污染水体。人工地球化学屏障（Artificial Geochemical Barriers）作为一种被动处理技术，已在多个国家用于AMD治理，但其在巴雷斯基金矿床复杂水质条件下的表现尚未被评估。本研究旨在评估利用当地土壤和商业碳酸盐吸附剂tauite构建的人工地球化学屏障在实验室条件下处理该区域技术成因水的效果，并量化处理后对人体健康风险的影响。该论文发表在《Clean Technologies》。

**研究方法概述**

研究人员于2022年9月在外贝加尔地区巴雷斯基金矿区三个代表性采样点（巴雷斯基露天采坑、塔谢耶夫斯基露天采坑和科库伊尾矿库）采集技术成因水样品。通过水化学分析确定各点污染程度后，选择污染最重的科库伊尾矿库水样进行后续处理实验。采用柱实验方法模拟人工地球化学屏障：使用长30 cm、直径3.5 cm的玻璃柱，分别填充当地棕壤土和商业碳酸盐吸附剂tauite（1–5 mm粒径），以1:5的吸附剂与滤液体积比进行动态处理。滤液样品按120、240、360、480和600 mL顺序收集，分析处理前后水中污染物的浓度变化及pH值。所有水样经0.45 μm滤膜过滤后，采用电感耦合等离子体原子发射光谱法（ICP-AES）和电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定元素浓度。同时，依据美国环境保护局（U.S. EPA）框架进行致癌风险（CR）和非致癌风险（危害指数HI）评估。

**研究结果**

**3.1 技术成因水样水化学分析结果**
通过对比三个采样点的水化学数据，发现科库伊尾矿库是污染最严重的对象：As浓度（0.0591 mg/L）超过MPC 1.18倍，非致癌元素Mn（65.9355 mg/L）、Al（58.9355 mg/L）、Zn（4.86 mg/L）、Cu（0.4135 mg/L）、Ni（2.9495 mg/L）和Fe（15.392 mg/L）分别超出MPC 6594、1473、486、414、295和232倍。巴雷斯基和塔谢耶夫斯基露天采坑也呈现显著超标，但程度较轻。因此，研究人员选择科库伊尾矿库的水样进行后续屏障处理实验。

**3.2 堆积密度和滤液体积流量**
计算得到土壤的堆积密度为0.837 g/mL，tauite为1.408 g/mL。滤液体积流量方面，土壤柱为2.896 L/min，明显高于tauite柱的0.281 L/min，表明tauite因颗粒更致密导致水流阻力更大。

**3.3 尾矿库污泥水处理**
**3.3.1 氢离子浓度（pH）**
处理过程中，tauite柱的滤液pH从初始2.90迅速升至120 mL样品时的8.03，随后逐渐降低至600 mL时的7.96，始终接近地表水天然pH范围（6.5–8.5）。土壤柱的pH最高仅升至4.78，随后下降至3.43，缓冲能力有限。该现象归因于tauite中碳酸钙等碱性组分的快速溶解释放，随后活性位点逐渐消耗。

**3.3.2 污染物含量**
对于致癌元素，tauite处理使As浓度从0.0591降至0.0169–0.0285 mg/L，Cd从0.0051降至0.0002–0.0011 mg/L，Pb从0.004降至0.0003–0.0011 mg/L，处理后三者均显著低于MPC。土壤处理效果较差，尤其对As去除不明显。对于非致癌元素，tauite对Al（从58.9355降至1.4087–6.7133 mg/L）、Mn（从65.9355降至0.5808–4.5828 mg/L）、Fe（从15.392降至0.655–1.3582 mg/L）、Zn（从4.86降至0.3284–2.3423 mg/L）以及Cu和Ni均有高效去除。土壤主要对Mn、Zn和部分Cu有效，但对Al、Fe、Ni、Co去除很弱。总体而言，tauite是更通用高效的吸附剂。

**3.4 公众健康风险评估**
计算显示，未处理水样的总致癌风险为4.85×10^?3，属于极高危险等级。经tauite处理后，风险降至8.12×10^?4–1.47×10^?3（降低3–6倍），土壤处理后降至1.47×10^?3–1.86×10^?3，但两者仍处于极高危险范围（CR > 10^?4）。各元素对总致癌风险的贡献顺序为As > Cd > Cr > Pb。非致癌风险HI值从初始的56.08降至tauite处理后的37.56–39.52（约降低1.5倍），土壤处理后为36.63–40.76，但所有情况均远高于安全阈值（HI > 1），表明存在严重慢性毒性风险。主要贡献元素为Co、Ni、Mn、Al等，其中As、Co和Ni的去除不充分是残余风险高的主因。

**讨论与结论**

讨论部分指出，本研究结果与现有国际碳酸盐基渗透反应屏障（Permeable Reactive Barrier, PRB）短期实验室研究具有可比性，但也凸显了单一材料单层配置的局限性。为实现可接受的风险水平（CR ≤ 10^?4，HI < 1），建议增加吸附剂与滤液比例，并采用组合材料策略。具体而言，上游铺设土壤层（有效去除Mn、Zn和部分Cd，兼有机械过滤作用），下游铺设tauite层（高效去除As、Al、Fe、Cu并中和pH），或用土壤与tauite混合填充，以利用不同材料的协同作用实现分步处理（沉淀/中和+增强吸附/络合）。这种混合屏障有望改善对残留关键污染物As、Co和Ni的去除。

**研究结论翻译**：
巴雷斯基金矿区于1929年至1995年间开发。矿石通过混汞法和浮选法富集，随后对精矿进行氰化处理。在巴雷斯基和塔谢耶夫斯基露天采坑以及科库伊尾矿库中累积了超过300万m³的酸性排水。本研究首次在实验室规模下，针对巴雷斯基金矿床含金属水体，利用当地土壤和tauite吸附剂构建人工地球化学屏障进行示范。科学贡献在于量化了tauite相对于当地土壤的优越性能，并将地球化学处理效率与美国环保局方法直接关联至人体健康风险降低。在2022年研究区域采集的技术成因水样中，渔业水体最高允许浓度（MPC）的多重超标倍数（倍）为：Mn（92–6594）、Al（16–1473）、Zn（4–486）、Cu（214–414）、Ni（75–295）和Fe（7–232）。污染最严重的是科库伊尾矿库；因此，该地点的水样被用于人工地球化学屏障模型处理。实验室实验表明，处理技术成因水过程中，tauite吸附剂对大多数元素（尤其是As、Cd、Al、Mn、Fe和Cu）表现出比土壤更高且更稳定的吸附效率。土壤仅对Mn和Zn表现良好。处理前屏障上元素浓度分布顺序为Mn > Al > Fe > Zn > Ni > Co > Cu > As > Cr > Cd > Pb。经tauite处理后，顺序变为Mn > Al > Fe > Ni > Co > Zn > Cu > As ≈ Cr > Cd > Pb；而经土壤处理后，顺序变为Al > Fe > Ni > Co > Mn > Zn > Cu > As > Cr > Pb > Cd。与初始样品相比，两种吸附剂均降低了风险值；然而，处理后的水溶液仍然具有不可接受的高风险水平。人工地球化学屏障模型处理后残余风险的主要贡献来自As、Co和Ni，这两种吸附剂均难以有效去除这些元素。为减少对水圈的技术污染负荷并达到可接受的风险值（CR ≤ 10^?4，HI < 1），需增大“过滤材料–滤液”比例并组合使用这些吸附剂。