汞管理

贵州省环境中汞污染现状与分布特征

2017-11-17 16:17:52 《生态科学》 作者:李强等

【摘要】贵州是我国汞矿的主要产地,其储量和产量均居全国首位,因此造成了该区域环境受到广泛的汞污染。从大的区域尺度上研究汞的污染分布特征对于了解该区域汞的污染现状有很好的指导作用。通过对贵州省汞污染源及各环境介质中汞污染情况的调查,首先阐释了万山、务川、滥木厂等几个主要汞矿区及燃煤和有机化工等行业的汞污染现状;并从大气、土壤和水体等环境介质方面综合分析了贵州地区汞的暴露水平与分布特征;采用ArcGIS10.0描绘了各环境介质中总汞及甲基汞的分布特征。结果表明贵州省东北部与西南部汞矿区汞污染程度较高,大气、土壤和水体中的总汞分布呈明显的区域性,汞矿毗邻区域明显高于其他区域,矿区和城镇水体中甲基汞浓度较高,表明汞矿区和人为活动等因素影响水体中的甲基汞的分布。

关键词:贵州省;汞;污染现状;分布特征

1引言(introduction)

汞是一种毒性较强的金属元素,对环境的危害较大,已经被很多国际机构列为优先污染物。人类对矿产资源的开发与利用,使得环境中的汞含量急剧增加。自工业革命以来,汞在全球大气、水和土壤中的含量已增加了3倍左右[1]。上世纪,全球出现多次汞污染事件,1956年日本熊本县水俣湾爆发的水俣病事件,约有60人在该事件中丧生,1972年,在伊拉克,由于汞污染事件造成了459人死亡[2]。这一系列汞污染事件给人类和生态环境带来了巨大的危害,汞的相关研究因此受到社会各界的广泛关注。通过近50多年的研究,研发了一系列汞污染防治技术[3,4]。我国有非常丰富的汞矿资源,已探明的金属汞储量有1.438×105t,居世界第3位[5]。其中,以贵州省为最多,其储量为全国汞储量的40%,辰砂储量约8.81×104t,占全国总储量的70%,成型的汞矿床有64个,其中大型矿床占76%[6]。贵州已有上千年的汞冶炼历史,由于采矿和冶炼工艺简单,环境治理措施落后,造成大量采矿废石和冶炼矿渣直接暴露于环境中,造成严重的环境污染。此外,贵州煤炭、铅锌及有机化工等工业也是造成汞污染的重要因素[7-9]。前人已针对贵州省的汞污染状况,开展了大量汞矿区污染现状和生物暴露水平等研究。已有的文献集中于报道贵州局部地区土壤、大气、水体的汞暴露水平,笔者从全局角度出发,在前人研究的基础上,对比分析主要污染场地与其他地区汞的分布差异特征,综合分析贵州省大气、土壤、水体的汞暴露水平及成因,阐释各环境介质中汞与甲基汞的分布特征与区域差异,有利于宏观掌握贵州省汞污染状况与分布特征,可为贵州省汞污染防治规划制定提供科学依据。

2污染场地现状(Contaminatedsitesstatus)

贵州省的汞污染场地多、类型全,且产生量大、环境管理无序化。其中汞产量较大的矿区有万山汞矿、务川汞矿和滥木厂工矿三个,目前这些汞矿区的采矿场已基本关闭,矿区汞开采冶炼遗留的尾矿堆或尾矿坝是主要的汞二次污染源。此外,贵州省有机化工厂和燃煤引起的水体和大气汞污染排放也是引起贵州省汞污染的重要因素。

2.1万山汞矿

万山汞矿是世界第三大汞矿,也是中国最大的汞矿,其辰砂储量占贵州省总量的70%。1950至1990年,万山生产的汞共有1.84×104t,朱砂1.54×103t[12]。选矿工艺流程包括两段碎矿、重选和浮选,可同时生产朱砂和汞精矿两种产品。汞冶炼经历了两个阶段,早期采用高炉和沸腾炉,后期改用蒸馏炉,开采和冶炼后的尾矿和废渣中的汞主要以辰砂形态存在。据统计,万山汞矿自开采以来,通过大气排放的汞是745t,从废水排放到环境中的汞约40t,以开采和冶炼造成的尾矿和废渣中约有汞450t[13],大量汞排放对生态系统及人体健康造成了巨大威胁。研究[12,14]表明,万山汞矿开采和冶炼废水中的汞含量范围为8~4900ng/mL,平均含量为1300ng/mL;矿区土壤汞含量为24.31~347.52mg/kg,高出全国土壤平均汞含量2~3个数量级。

2.2务川汞矿

务川县也有丰富的汞矿资源,储量约2.3×104t,占贵州总储量的28%[15]。务川汞矿有大约400年开采历史,1970年投产,处理单一辰砂型汞砂。选矿流程由两段开路碎矿,一段闭路磨矿,单一浮选工艺构成,产品为辰砂精矿。罗溪和老虎沟是主要的开采区,据估计,三废中汞的排放量达185t[16]。目前,务川县还有一些土法炼汞厂在开采,由于土法炼汞工艺简单,且没有任何环境保护措施,汞释放因子为6.9%~32.1%,年产汞量为31.2~37.1t,每年的汞释放量高达3.7~9.6t[15],自1978年务川土法炼汞盛行以来,至今已累积向大气释放汞125.8~326.4t。

2.3滥木厂汞矿

滥木厂汞矿位于贵州西南部,主要含汞矿物为辰砂,探明汞储量3.14×103t[17]。该汞矿区汞的环境迁移受人类活动的影响较小,汞进入环境主要是通过富汞土壤对汞的释放以及地表径流对于富汞基岩的侵蚀[17]。由于土壤中汞的释放,使得该地区气态总汞浓度高于北欧和北美背景浓度2-3个数量级,每年向环境中的释放量通过估算大约是3.54kg[18]。

2.4煤炭燃烧

贵州是主要的煤炭生产基地,也是主要的消费者。大约80%的能源消费量的是来自煤炭燃烧[19]。因工业和生活用途,每年燃烧的煤炭超过5×105t,并且大部分煤都未使用清洗或烟气控制。据报道,贵州煤炭中汞的含量大约是0.1~2.67mg/kg,平均浓度0.53mg/kg[20]。由于特殊的地球化学背景,贵州煤炭中的汞浓度与中国其他省份相比是偏高的。随着经济的发展和火力发电需求的增加,煤炭的使用量也在不断增加。据估算,煤燃烧释放的气态总汞量从1986年的5.8t增加到2006年的26.4t[8]

2.5有机化工行业

有机化工行业贵州有机化工总厂位于清镇市郊5km处,所采用是醋酸生产工艺,该工艺采用硫酸汞为触媒,生产的废水中含有一定量汞。该厂自1971年投产以来,已累计消耗金属汞106t[21]。1985年之前,该厂含汞废水直接排放,1985年后,该厂使用自行研制的FT除汞装置,废水中汞的浓度有所降低。1971~1997年间,约5t汞随废水排放进入百花湖,导致百花湖沉积物和水体受到严重污染[22]。瞿丽雅等通过对周边环境调查,发现该厂的排污口废水中汞浓度高达2ug/L,底泥汞浓度高达324.54mg/kg[7]。

3贵州省汞污染现状与成因剖析(MercurypollutionandcausesinGuizhouProvince)

本文汇集了贵州地区大气、土壤和水体中总汞和甲基汞的浓度数据。应用地理信息系统软件ArcGIS10.0,采用克里金插值法绘制各环境介质中总汞和甲基汞的分布图,宏观阐释汞污染现状,并探讨其成因。

3.1大气污染

本文汇集了27个大气样点的数据,分布在贵阳市(3个样点)、遵义市(2个样点)、凯里市(2个样点),万山汞矿区(2个样点)、务川汞矿区(9个样点)和滥木厂汞矿区(5个样点),雷公山和梵净山自然保护区(2个样点)。贵州省大气汞的区域性差异非常显著(图1),贵州万山、务川、滥木厂等汞矿区附近大气汞含量为19.5~528.2ng/m3,贵阳、遵义和凯里等非矿区大气汞含量为4.1~12.2ng/m3。大气中总汞分布呈现明显的区域性差异,矿区附近大气汞含量显著高于其他区域。矿区大气中汞含量高的原因有几个方面:汞矿开采与冶炼过程的含汞废气释放;废渣风化过程导致汞通过固-气交换作用进入大气;汞矿区高背景土壤中汞释放[18]。

本文比较了贵州和其他地区大气中汞污染水平。上海、宁波等地虽然受煤炭燃烧等人为污染的影响,大气总汞含量不高,主要可能受相对干净的海洋性气团影响[28,36]。重庆大气汞含量较高的主要原因是机动车排放和煤炭燃烧等工业源[37],贵州省万山和务川汞矿区气态汞迁移也可能造成重庆大气中总汞偏高。我国其他城市大气中汞含量明显低于贵州省汞污染相对较低的城市,如贵阳、遵义和凯里等,表明贵州大气汞污染程度明显比其他地区严重。

3.2土壤污染

贵州省土壤总汞和甲基汞含量分布(图3,图4),万山矿区土壤总汞的含量为12.12~447mg/kg,甲基汞含量为0.00265~5.2µg/kg;务川汞矿区总汞含量为2.9~360mg/kg,甲基汞含量为1.6~5.8µg/kg;滥木厂汞矿区土壤总汞含量为8.97~237mg/kg,甲基汞含量为1.36~5µg/kg;有机化工厂附近土壤总汞含量为0.25~289mg/kg,甲基汞含量为0.00177~0.032µg/kg;其他区域汞含量为0.076~17mg/kg,甲基汞含量为0.33~0.81µg/kg。土壤中总汞和甲基汞的区域性差异也比较明显,汞矿区和有机化工厂附近土壤总汞含量显著高于其他区域(图3),这可能与汞的迁移有关,含汞废渣在地表应力的作用下发生地球化学迁移,造成矿区土壤汞含量偏高。矿区土壤中的甲基汞含量也高于其他区域,但是有机化工厂附近土壤甲基汞含量明显低于其他区域(图4)。有机化工厂附近土壤由于受到化工厂污水排放的影响,致其土壤中的汞含量增高;由于有机化工厂排放的污水中甲基汞含量较低,所以,其周边土壤中甲基汞浓度相对较低。

3.3水体污染

贵州省地表水体总汞和甲基汞含量分布(图5,图6),汇集了该地区湖泊、水库、河流等19组总汞数据,15组甲基汞数据。其中的河流下溪河、敖寨河、高楼坪河和黄道河的源头都位于万山矿区,选取的是丰水期各河流溪、池、直流、引流等的总汞和甲基汞均值,其中高楼坪河包括地下水的污染数据。

万山汞矿区河流总汞为27.85~3727ng/L,甲基汞含量为0.27~5.17ng/L;务川矿区地表水总汞为620ng/L,甲基汞含量为0.51ng/L;滥木厂地表水总汞含量为846ng/L;化工厂污染区水体30~1830ng/L,甲基汞含量为0.053~0.094ng/L;其他区域总汞含量为0.86~138ng/L,甲基汞含量为0.1~0.65ng/L。水体中总汞含量分布呈现明显的区域性差异,万山、务川和滥木厂矿区地表水和化工污染区水体总汞含量远远高于其他区域(图5)。

水体中甲基汞含量的区域性差异不明显(图6),主要污染区水体及城镇水体中甲基汞含量也较高,但是有机化工厂区水体明显低于其他区域,进一步表明有机化工产生的废水中甲基汞含量较低。此外,矿区颗粒态汞占总汞的比例很高,说明矿区地表水中大部分汞以颗粒态形式吸附在悬浮物上。万山、务川、滥木厂等汞矿区和化工厂区水体中总汞远高于背景值,附近水体中大部分超过了饮用水标准。除有机化工厂附近水体外,其他水体中甲基汞远高于标准值,说明汞的开采冶炼活动对矿区地表水造成了严重的汞污染,化工厂排出的含汞废水流经周边河流和湖泊,也给当地环境造成了汞污染。

4结论(Conclusions)

大气、土壤和水体中总汞分布呈现明显的区域性,汞矿毗邻区域明显高于其他区域;矿区和城镇水体中甲基汞浓度较高,表明汞矿区和人为活动等因素影响水体中甲基汞分布。贵州省大气、水体、土壤中总汞及甲基汞含量均高于其他地区,且矿区和有机化工厂区等污染场地的含汞固体废弃物已通过大气水体等环境介质发生迁移,造成二次污染,且污染程度有可能加剧,采取有效措施控汞污染已迫在眉睫。

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