德兴铜矿不同类型废石酸形成潜势试验研究

中国环境学会  2011年 03月31日


  祝怡斌1,周连碧1,潘 斌2  占幼鸿2
  1. 北京矿冶研究总院  2. 江西铜业股份有限公司德兴铜矿


  摘  要:本文对德兴铜矿酸性废石场的新鲜废石、堆浸后废石、堆存时间较长废石的pH值、EC值、矿山酸性废水形成潜势的规律进行了试验研究。新鲜废石、堆浸后废石、堆存时间较长废石净产酸量分别为59.23~72.48 Kg H2SO4/t、48.12 Kg H2SO4/t、15.89 Kg H2SO4/t,废石均为产酸物质。暴露于空气,雨水淋溶情况下,新鲜废石初期不会形成矿山酸性废水,随时间延长,逐渐形成矿山酸性废水;堆浸后废石和堆存时间较长废石在雨水淋溶情况下,会立即形成矿山酸性废水。
  关键词: 酸性废石 矿山酸性废水 净产酸量  pH值
   
  Study on Acid Mine Drainage Potential Generation of Mine Waste Rock of Dexing Copper Mine
  Zhu Yibin1, Zhou Lianbi1, Pan Bin2,Zhan Youhongi2
  1. Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy
  2. Dexing Copper Mine, Jiangxi Copper Company Limited
  Abstract:Experimentation on pH value, EC value, Acid Mine Drainage potential generation of freshly mined rock, after the leaching rock and long pile rock indicates that, net acid generation (units:Kg H2SO4/t) of freshly mined rock, after the leaching rock and long pile rock is 59.23 ~72.48, 48.12 and 15.89 respectively, mine waste rock is strong potentially acid mine drainage producing material. Freshly mined rock doesn’t generate acid mine drainage at early days, but gradually generates acid mine drainage when exposed to atmospheric condition and rain infiltration,while both after the leaching rock and long pile rock generates acid mine drainage immediately.
  Key words: acid mine waste rock, acid mine drainage, net acid generation, pH value
   
  1问题的提出


  酸性废石场的污染主要来自硫化矿的氧化,硫化物矿物暴露于地表与水圈、大气圈及微生物相互作用发生氧化性溶解而形成的废水称为矿山酸性废水AMD(Acid Mine Drainage),既是矿山污染的产物,也是金属污染物淋滤、扩散、迁移的重要介质,酸性矿山废水主要特征是酸度高、含重金属离子。常见硫化矿物主要有黄铁矿、胶黄铁矿、白铁矿、磁黄铁矿、辉铜矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、斑铜矿、毒砂等。铜矿床的伴生矿物多为硫化矿物,以黄铜矿分布最广,亲铜成矿元素主要有铅、锌、金、银、砷、锑、汞,铜矿化剂主要是硫,即铜主要以硫化矿存在[1]。因此,铜矿开采过程中往往会有酸性水污染和重金属污染问题。
  德兴铜矿位于江西省德兴市境内,是一开采历史近50年的大型矿山,是中国重点铜矿之一,包括铜厂和富家坞两个主要矿区,德兴铜矿为大型斑岩铜矿区,并伴生有钼、硫、金、银等元素。德兴铜矿废石场废石具有极强的酸性水形成潜势,废石场的淋滤收集于酸水库内,为典型的AMD,pH值2左右。
  酸性废石场生态重建是国内外矿山生态重建的研究重点和难点,酸性废石场生态重建的目标是一方面通过工程措施控制酸性水的产生,一方面是建立可持续的生态系统。酸性废石场生态重建必须首先了解废石的AMD形成规律与影响因素。因德兴铜矿开采历史近50年,根据废石场废石主要有三种类型:新鲜废石(采场刚剥离废石)、堆浸后废石(堆浸场堆浸后废石)、堆存时间较长废石(堆存废弃时间约20年),为了解不同类型废石场生态重建的制约因素,须对不同类型废石场废石的AMD形成潜势与规律进行试验研究。本文即对不同类型废石场废石的AMD形成潜势与规律的系统试验研究。


  2试验方法


  2.1试验样品
  以德兴铜矿新鲜废石、堆浸后废石、堆存时间较长废石(20年)为对象,从pH值、EC值、AMD形成潜势、重金属等方面对不同类型废石场废石潜在污染进行研究,新鲜废石从富家坞废石场和西源沟废石场废石中分别采取;堆浸后废石从祝家堆浸场堆浸后废石中采取;堆存时间长废石从水龙山废石场废石中采取。为了解当地表土AMD形成潜势,从水龙山废石场北面附近山林地表土中采取表土样。每个采样场地随机选择5点,采样后进行混合,最终取混合样,样品不少于50kg。表土取样同废石样采取。废石和表土样品情况见表1。
  2.2pH、EC值测定方法
  试样破碎研磨至-75μm,水∶固(W∶W)=2∶1,加去离子水后经充分搅匀,平衡约12小时,测量浸出液pH和EC(electricity conductance)值。
  2.4净酸产生试验方法
  净酸产生(NAG,Net Acid Generation)包括静态NAG试验和动态NAG试验。静态NAG试验是向2.5g试样添加20mL 15%的过氧化氢,反应结束过滤,测量溶液的pH,过滤固体重复加入20mL 15% 过氧化氢反应,循环反应一直进行到过氧化氢不再催化分解,或者到pH>4.5为止,将每步的酸量相加求得试样的总NAG量。动态NAG试验除了记录溶液的温度、PH和有时是EC外,动态NAG试验与静态NAG试验是相同的。


  3试验结论


  3.1pH值规律
  废石和山林地表土的pH值测定结果见图1。
  不同废石场废石和山林地表土的pH值测试结果表明,富家坞废石场废石和西源沟废石场废石pH值分别为8.3和8.5,为碱性;祝家堆浸场堆浸后废石和水龙山废石场废石pH值分别为4.3和4.2,为酸性;山林地表土pH值为5.1,为酸性土壤。
  3.2 EC值规律
  废石和山林地表土的EC值测定结果见图2。
  废石和山林地表土EC值的大小顺序为:祝家堆浸场堆浸后废石>富家坞废石场废石>西源沟废石场废石>水龙山废石场废石>山林地表土。家坞废石场废石、西源沟废石场废石、祝家堆浸场堆浸后废石和水龙山废石场废石的EC值分别是当地山林地表土EC值的18.2倍、16.2倍、30.0倍和8.5倍。 
  3.3净产酸量
  富家坞废石场废石、西源沟废石场废石和祝家堆浸场堆浸后废石和水龙山废石场废石净产酸量测定结果见图3。
  从图2可知,富家坞废石场新鲜废石、西源沟废石场新鲜废石、祝家堆浸场堆浸后废石和水龙山废石场废石的净产酸量分别为59.23 Kg H2SO4/t、72.48 Kg H2SO4/t、48.12 Kg H2SO4/t和15.89Kg H2SO4/t,表明废石均为产酸物质。山林地表土为不产酸物质。
  3.4动态产酸试验
  为了解富家坞废石场新鲜废石、西源沟废石场新鲜废石、祝家堆浸场堆浸后废石、水龙山废石场废石的pH值和温度随时间的变化特征,进行动态NAG试验。
  (1)新鲜废石动态NAG试验
  富家坞废石场新鲜废石、西源沟废石场新鲜废石NAG试验规律相同。富家坞废石场新鲜废石动态NAG试验结果见图4~图6。
  富家坞废石场废石NAG动态试验结果表明:第一步,pH值7.8~8.4,最高温度35.2℃;第二步,pH值由7.8降到2.1,从碱性变为酸性,最高温度74.7℃;第三步, pH值在2.7~4.6之间变化,最高温度92.2℃,为酸性。
  (3)堆浸后废石动态NAG试验
  堆浸后废石和堆存时间较长废石NAG试验规律相同。祝家堆浸场堆浸后废石动态NAG试验结果见图7、图8。
  祝家堆浸场堆浸后废石动态NAG试验结果表明:第一步,pH值在3.1~4.7之间变化,为酸性,最高温度92℃;第二步, pH值在3.5~4.6之间变化,为酸性,最高温度76℃。


  4废石酸形成潜势规律与原因分析


  从前人关于AMD形成机理的研究可知[2-8],AMD形成的物质基础是黄铁矿等硫化矿物,影响AMD形成的关键因素是水、氧和细菌微生物,其他因素包括pH值、矿物粒度与表面积等。不同类型废石场AMD形成规律与原因分析如下:
  (1)新鲜废石AMD形成规律与原因
  新鲜废石净产酸量(NAG)最高,新鲜废石的pH为8.3~8.5。新鲜废石暴露于空气,雨水淋溶情况下,初期不会形成AMD,随时间延长,会逐渐形成AMD。
  主要原因是:FeS达到10.63%~13.8%,故净产酸量(NAG)最高。新鲜废石可溶性碱性矿物溶出释放速度较快,而黄铁矿等产酸矿物初期溶出释放速度较慢,故新鲜废石pH显示碱性;随着时间延长,黄铁矿等产酸矿物溶出释放量逐渐增加,可溶性碱性矿物逐渐被中和消耗,故废石逐渐显示为酸性;黄铁矿反应为放热反应,当可溶碱性矿物逐渐被中和消耗后,基本为黄铁矿反应,故温度急剧升高,pH迅速降低。
  (2)堆浸后废石AMD形成规律与原因
  堆浸后废石(净产酸量NAG)比新鲜废石低,比堆存时间较长废石高。堆浸后废石pH为4.3。堆浸后废石暴露于空气、雨水淋溶情况下会立即形成AMD。
  主要原因是:堆浸后废石FeS含量为4.38%,故净产酸量(NAG)较高。堆浸后废石中碱性矿物已部分被黄铁矿等产酸矿物所释放的酸中和,碱性矿物大部分被消耗,剩余的中和矿物因嵌布粒度细,或被包裹在其它不易反应的矿物中,很难起到立即中和作用,故表现较强的酸性。
  (3)堆存时间较长废石AMD形成规律与原因
  堆存时间较长废石(净产酸量NAG)最低。堆存时间较长废石pH为4.2。堆存时间较长废石暴露于空气、雨水淋溶情况下会立即形成AMD。
  堆存时间较长废石FeS含量较低,只有0.52%,而仍显示很强的酸性的原因主要是:堆存时间较长废石中碱性矿物已被黄铁矿等产酸矿物所释放的酸所中和,可溶性碱性矿物被全部消耗,废石中虽含有碱性矿物,因其嵌布粒度细,或被包裹在其它不易反应的矿物中,很难立即起到中和作用,故即使FeS含量低,仍表现较强的酸性和AMD形成潜势。


  5结论与建议


  通过德兴铜矿不同类型废石酸形成潜势试验研究,可得出如下结论:
  (1)新鲜废石pH为8.3~8.5,偏碱性;堆浸后废石和堆存时间较长废石pH为4.2~4.3,为酸性。新鲜废石EC值为2110~3480μs/㎝,堆浸后废石和堆存时间较长废石EC值为886~1882μs/㎝。
  (2)新鲜废石、堆浸后废石、堆存时间较长废石净产酸量分别为59.23 ~72.48 Kg H2SO4/t、48.12 Kg H2SO4/t、15.89Kg H2SO4/t,废石均为产酸物质。暴露于空气,雨水淋溶情况下,新鲜废石初期不会形成AMD,随时间延长,逐渐形成AMD;堆浸后废石和堆存时间较长废石在雨水淋溶情况下,会立即形成AMD。
  (3)新鲜废石可溶性碱性矿物溶出释放速度较快,而黄铁矿等产酸矿物初期溶出释放速度较慢,故新鲜废石pH显示碱性;随着时间延长,黄铁矿等产酸矿物溶出释放量逐渐增加,可溶性碱性矿物逐渐被中和消耗,废石逐渐显示为酸性。堆浸后废石和堆存时间较长废石中可溶性碱性矿物大部分被黄铁矿等产酸矿物所释放的酸中和,碱性矿物大部分被消耗,表现较强的酸性和AMD形成潜势。
  德兴铜矿新鲜废石暴露于空气,雨水淋溶情况下,初期不会形成AMD,随的时间延长,会逐渐形成AMD;堆浸后废石和堆存时间较长废石在雨水淋溶情况下会立即形成AMD。在废石场生态重建时,需考虑废石场废石的AMD形成潜势强的问题,最佳的办法是将废石场酸性水的控制与植被重建一起考虑,废石场生态重建方案既能达到控制酸性水的产生,又能建立永久性的可持续的植被。


  参考文献
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