对纳米比亚，kambot矿的尾矿的不合理处置导致的潜在的有毒金属的扩散造成的农业土壤污染的评估外文翻译资料

 2022-08-08 11:10:15

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对纳米比亚，kambot矿的尾矿的不合理处置导致的潜在的有毒金属的扩散造成的农业土壤污染的评估

摘 要

kambot尾矿坝，被农田地环绕，一直受到风和水的侵蚀。本研究的目的：（1）分析该尾矿及周边农田的矿物质和微量元素的组成；（2）利用土地污染指标确定土壤污染程度；（3）评估受污染农田的环境风险；（4）确认尾矿中金属扩散的主要类型（机械扩散或化学扩散）和主要因素（风或水）。采用顺序提取程序确定了尾矿和土壤中金属在尾矿影响下的保留的结合机制，表明了痕量金属的生物利用度、对地下水污染的威胁以及主要的分散类型。在7种分析元素中，铜和铅在尾矿中表现出明显的高浓度，特别是在旱季（分别高达9086毫克/千克和5589毫克/千克）。因此，邻近的可耕地土壤中有高浓度的铜和铅（分别高达150毫克/千克和164毫克/千克）。铅和铜的富集因子显示出严重的污染，而地球累积指数显示两种元素的中度至强烈污染。综合污染指数指出高污染。铜和铅的主要结合相是可还原组分（氧化物、氢氧化物、氧氢氧化物）。在尾矿和土壤的连续提取组分中，类似的金属分布支持了这样的假设，即风和水主要通过机械输送到周围的农业土壤来分散尾矿。虽然农业土壤受到Pb和Cu的污染，但这些金属与土壤的结合相对较强，在风险评估守则之后，它们的动员风险中等(Cu达到20%，Pb达到36%)。建议对尾矿坝进行修复，同时限制污染农田的某些作物使用。

关键词：土壤污染 潜在有毒金属 尾矿 连续提取 环境影响 铜矿

一、引言

采矿及相关活动在采矿期间和停止采矿多年后都对环境有负面影响。主要问题之一就是尾矿，矿井中的废物通常是有毒的。尾矿的组成直接取决于矿石和脉石的组成以及矿物的采集过程。大部分尾矿是含有大量金属的细磨裸岩以及采集过程中使用了大量的添加剂。处置不当的尾矿容易受到风和水的侵蚀。尾矿的物理化学性质有利于金属对环境的运用。

奥塔维山区当地的城镇由于长期的采矿作业，经济压力和环境意识薄弱等因素，一直受到对环境，农业，公共健康的不利影响。在废弃的Berg Ankas矿区南部和东部，发现土壤表层微量金属污染严重，农作物中微量元素积累量高，划定了对人类健康的高风险区。在Tsumeb地区进行了环境接触评估，显示居民尿液和血液中的铅和砷浓度异常，开展了近百年的采矿和冶炼活动。矿渣中高溶解相的存在可能是Tsumeb地区有毒元素大量释放的原因，因为它们在10月至3月期间发生的雷暴事件中迅速溶解。

在Kombat地区进行了长达46年的大规模采矿和矿石加工活动，留下了大量废弃、处置不当的尾矿被确定为主要污染源。尾矿坝位于一个耕作区内，在那里种植小麦和玉米，贩卖牛肉，并占当地农民收入的主要来源。

本课题的调查对象是kombat尾矿坝周围的农业用土。研究的目的是：（1）描述该尾矿及周边农田的矿物质和微量元素的组成；（2）利用土地污染指标确定土壤污染程度；（3）评估受污染农田的环境风险；（4）确认尾矿中金属扩散的主要类型（机械扩散或化学扩散）和主要因素（风或水）。研究结果将用于未来土壤的利用、土壤修复并提出尾矿复垦的方法。

王水消解后测定土壤中金属的伪总浓度是一种常用的估算元素最高有效性的方法。未被王水消化释放的残留元素大多与硅酸盐矿物结合，被认为对估计元素的流动性和行为不重要。根据Marr的文章（1995），王水硝化可能会对土壤中的镉、铜、铅和锌等污染金属的最大值有显著影响，这些金属是本研究感兴趣的主要元素。

分级提取是测定土壤、沉积物和不同人为物质等不同介质中金属化学形式的一种有用技术。不同的顺序提取技术方案已广泛应用于受采矿作业污染的土壤以及尾矿。这些技术主要是为了区分与可交换和吸附、酸溶（碳酸盐)、可还原(氧化物、氢氧化物和氧氢氧化物)、可氧化(硫化物和有机相）和残余总有关金属。在试剂的不完全选择性和浸出后金属在未溶解固相中的再分配程度方面存在一定的不确定性。然而，从顺序提取中获得的结果至少可以定性地用于理解尾矿和土壤中金属在尾矿影响下的保留的结合机制，这表明了目标金属的生物利用度、对地下水污染的威胁以及主要的分散类型。在本研究中，采用了Tessier提取方案并提供一个对碳矿沉积物进行优化的程序。

二、研究区域

Kombat的采矿城镇位于奥塔维山区（纳米比亚北部），北纬19°43lsquo;，东经17°43rsquo;，海拔高度约1600米。

2.1地质背景

纳米比亚北部的奥塔维山脉是新元古代奥塔维平台的最东侧，它代表了沿刚果克拉顿整个西部和南部被动边缘沉积的平台碳酸盐沉积序列。奥塔维山脉的沉积岩蕴藏着大量的矿床，包括Tsumeb，Kombat，BergAukas和KhusibSpring（如图1），其发生于达玛拉造山带南核泛非洲构造活动时期。奥塔维山地对于地层学和矿石地质的相关细节由出了Miller（1983，2008），Frimmel（1996）、Hoffmann和Prave（1996）、Hoffmann（2004）、Kamona和Giinzel（2007）和Boni等人（2007）给出。

层控、同构Kombat中Cu-Pb(Ag)成矿作用形成亚层、不规则和透镜状矿体，位于奥塔维山南翼千枚岩与下伏白云岩接触带内。生石，含少量的tennanite，还有黄铜矿，方铅矿，闪锌矿和辉铜矿是迄今为止最常见的原生矿物。二代矿化主要由孔雀石，硫钙石，叠氮岩，砷酸盐，陶粒，小黄孔，铜和原生铜等组成。在Innes和Chaplin（1986）、Deane（1995）和Changara（2009）中详细介绍了Kombat矿床的结构演化和矿石特征)。

图1 奥塔维山地位置图及其简化的岩性和地层与kambot矿的位置。

2.2地理位置

奥塔维山地(OML)绵延5000平方公里，海拔1300-1900米，碳酸盐是研究区的主要基岩。广泛的白云岩和石灰岩地层的更广泛的地区(OML和Outjo区北部)的名称是喀特地区。喀斯特景观的特点是许多喀斯特现象（疤痕，天坑，洞穴和溪流捕获）。岩溶地下水系统由许多不同的水体组成，包括地下洞穴湖泊、和半天然井。在Kombat地区，除了碳酸盐外，还发现千枚岩和偏山岩作为基岩。一年中大部分时间，所有的水道都是干燥的。该地区的地理特征取自纳米比亚数字地图集（环境事务局，2002年）。根据粮农组织（2006年）的分类，土壤可分为石灰性土壤、石灰性柬埔寨醇和类土壤(Kribek和Kamona，2006年)。只有一层0-5厘米厚的岩石碎片覆盖了映射区域的丘陵部分。陡坡通常被石灰性区域土壤覆盖，山麓和稍倾斜的碳酸盐平原以钙质寒层为主，平地以类为主。植被由落叶林地稀树草原(Mendelsohn等人，2002年)组成，在较小的树木和灌木的密集地下层中，分散的高大树木具有相对较高的多样性。

2.3气候

根据Kdppen-Geiger气候分类，Otjozondjupa地区具有亚热带干旱半干旱气候，因为降雨量少于蒸发量。

Kambot位于夏季降雨区内（10月至4月）。奥塔维山地海拔800多米的山地地形，通过拦截水分、裸露岩石表面的表面加热和对流，产生了地形效应。因此，山区在纳米比亚干旱内陆形成了降雨量较大的异常点，其次要影响是确保即使在最干旱的年份也有一定的降水(Sletten等人，2013年)。附近的Grootfontein气象站的平均降雨量为每年532plusmn;176.6毫米（按65年确定），预计从1月至3月的降雨量大多在1月至3月，但每个年份的降雨量可能会有600毫米以上的变化。奥塔维山区的其他雨量站，如Tsumeb（501毫米/年）、Otavi（519毫米/年）和Ghaub（587毫米/年），表明可能发生的变异性。蒸散量高，潜在蒸发量为2900毫米/年，最大蒸发速率为10月至12月，导致一年中大部分时间的理论水分平衡为负值。Grootfontein17年期间的平均年气温为21.0士3.3°C，但气温有明显的季节性，南夏季（11月至1月）平均气温为24°C，冬季平均气温（5月至7月）为16摄氏度。格罗方丹气象站的风场以东南象限的稳定风为主。这些风的平均风速在3到5米/秒之间发生40%的时间。在夏季（1月)和秋季(4月），东北风更频繁，冬季月份的特点是东风频率最高。

2.4开采历史及现状

从1962年到2008年，Kombat一直是一个主要的采矿城镇直到矿山关闭。在此期间，24550280吨铜矿石在Kombat被粉碎、研磨和浮选处理，产生了大约3亿吨尾矿(Knbek和Kamona，2006年)，这些尾矿在距矿口东南约3公里的农田内堆积(图2)。尾矿坝蔓延超过15万米2（15公顷），平均高度20米。

目前kambot的主要土地用途是农业，主要以畜牧生产和一些经济作物如玉米和小麦为主。牛的密度为5-12头动物/平方公里，牲畜（库存)密度为20-39公斤/公顷，土地承载能力为40-49公斤/公顷。也种植粮食、蔬菜和水果，雨水和矿井水用于饮用和灌溉。

图2康巴特地区的草图

3采样的方法

3.1取样

本研究的抽样设计是基于2005年进行的区域环境地球化学制图的设计。区域地球化学测绘框架内土壤采样在1x1km间隔网格处进行。测绘结果表明，Kombat地区的土壤在矿山工程和尾矿坝附近（特别是大坝以西和西北的农田）受到As、Cu、Pb、Hg和S的强烈污染)。

本研究中提出的尾矿坝对周围地区污染的综合评估是在假设尾矿向周围地区转移物质的主要因素是风后进行（图3）和雨水。图为径流从尾矿坝在暴雨期间（图4），由风上升和描述在气候部分，东南风盛行。虽然尾矿的径流影响土地的各个方向，由水形成的沟壑，与尾矿坝相交（向东南-西北），并导致优先水流与主导方向向西和向南。

在本研究中，收集了三种类型的样品：尾矿（14个样品），设为T样本；从假定为污染的尾矿风向地区采集的土壤样品（13个样品），设为P样本；从尾矿坝以南约5公里处采集的土壤控制样品（20个样品），这些样品被表示为C样本，并假定具有分析元素的背景浓度。采样区域如图所示，同时，每个采样点的准确GPS位置见附录1。每个地点的土壤材料被收集在一个10times;10米的正方形中，从角落取了四个子样本，从中心取了一个子样本，其中每个样本的GPS读数被采集，并混合和均匀化在一起形成复合材料。每个子样本重约半公斤。用塑料刀片从土壤剖面的最上面4厘米处取样。从土壤样品中去除有机垃圾和粗碳酸盐卵石。尾矿样品也在10x10米的正方形中取样。所有样品地点取样两次，一次在雨季(20-25。2006年3月；与A一起指定)，其次是旱季(19-20。2006年8月；与B指定)。在旱季的一些地点取样盐结壳（5个样品）。

图3冬季风蚀 图4 夏季雨蚀

3.2样品制备

准备0.5公斤风干，研磨过0.2毫米标准塑料筛的样本，小于0.2毫米在玛瑙球磨机中进一步研磨和均匀化，进行化学和矿物学分析。

3.3矿物学分析

用配有石墨单色仪、比例计数器和自动发散狭缝的飞利浦衍射仪PW1710测定了所有样品（附录1）的矿物组成，。扫描设置为2-70°2theta;，0.02°步长，每步1s计数时间，发电机设置为40千伏，35米A。阶段的识别是通过商业软件包PANalyticalXlsquo;Pert高分版本1.0d和国际衍射数据库中心PDF2。

不幸的是，X射线衍射，由于检测限高(CCA。5%)，并不是对这种混合物进行矿物学分析的理想技术，因为感兴趣的矿物，如硫化物和二次氧氢氧化物在块状样品中所占比例很小。因此，传统的技术，如电子探针分析，甚至更好的新开发的分析技术，如同步辐射X射线吸收光谱，应用于收集低丰度矿物的信息。在缺乏这种复杂技术的情况下，选择性溶解对于研究尾矿中的二次矿物是有用的，以了解它们在矿山废物环境中元素循环途径中的重要性(Dold，2003年)。

3.4 PH值

用PHC2085PH电极和T201温度补偿器在1M氯化钾悬浮液中悬浮24h后测定土壤和尾矿PH值。使用标准IUPAC缓冲器进行校准。

3.5化学分析

用火焰原子吸收光谱法在80℃下消化2g样品2h后，得到所有样品（附录1）的微量元素伪总浓度。通过分析样品的过分析样品批次中USGS地质参考土壤标准GXR-2的分析，控制分析的准确性。以被测（王水提取)与标准样品中元素推荐值(总酸消化）之间的比值表示的分析精度在5-20%plusmn;范围内。

采用分级提取法分析了选定土壤和尾矿样品中金属的不同结合位点。根据样品类型、取样季节和金属浓度进行选择。一系列试剂用于从样品的1g中提取操作定义的相(选择性取决于所使用的化学物质、接触的时间和性质以及样品与体积比等因素。由于Kombat土壤和尾矿含有高含量的碳酸盐，并受到铜和铅的高度污染，为了避免选择性和再吸附方面可能出现的问题，采用了Tessier萃取方案和对富含碳酸盐的沉积物进行优化的程序，给出了表1所示的四个分数：可交换的、酸（与碳酸盐结合)、可还原的(与铁和锰氧化物、氢氧化物和氧氢氧化物结合）和可氧化的(与有机物和/或硫化物结合。剩余分数计算为王水萃取金属浓度与这两个提取步骤之和的差值。

分级提取在离心管（聚乙烯，50毫升）中进行，并用螺旋盖盖住。在每个连续的提取步骤之间，用3000rpm离心分离液相10min。残渣用10毫升去离子水（步骤1、2和4)和10毫升25%乙酸(步骤3）洗涤，超声匀浆，3000转/分钟离心10分钟。这第二个上清液被添加到第一个上清液中。加入硝酸（1%）稀释上清液，防止金属沉淀。样

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