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有色金属矿业环境重金属监测方案

发布日期:2016-07-01 06:20:57  点击次数:2940

随着经济的发展,人们对重金属矿产品的需求量越来越大,与此同时矿山的开采引发的问题日益严重。长期以来,许多矿山由于管理不善和环保意识不强等原因,在开采过程中对矿区周围的土壤、大气和水体造成了严重的污染。土壤重金属污染又直接导致了种植的农作物重金属含量超标,威胁着人类的安全与健康。

1. 有色金属矿业环境重金属污染现状

     我国由于技术、管理及效益差等原因的影响,资源开发中的生态环境问题严重。由于有色金属矿石品位低,每加工1吨矿石所产生的尾矿就达0.92吨以上,积存的尾砂、废渣已达1×109 t,尾砂、废渣中的重金属元素又不断向周边环境释放迁移,通过植物、水生生物等食物链长期危害人体健康。在进行矿产资源开采、运输和选冶过程中,都会产生一定的大都含有重金属元素的固体、液体和气体废弃物,这些重金属一旦进入到周围的大气、水和土壤环境中去,便对当地乃至大范围环境产生一定的污染和危害。

1.1 采矿过程污染

     采矿作业过程就是将矿物破碎、并从井下搬运到地面的过程。矿物破碎时,一部分重金属通过井下通风系统随污风排至地表,然后通过大气扩散进入人体呼吸系统,或沉降到土壤和水体中;一部分通过坑道废水进入地下水或地面水环境、矿物质在井下或地面搬运过程中,也因洒落、扬尘进入附近的水体或土壤中,对环境造成危害。

1.2 选矿过程污染

     选矿废水以及尾矿沉淀后的废液经简单处理后循环使用或用于周边农田灌溉,部分废液经尾矿坝泄水孔直接外排至周边水体。尾矿库中的重金属通过外排的废液或者通过扬尘进入周边环境,从而对周边环境产生重金属污染和危害。在矿产资源开采过程中,选矿废水和尾矿库的重金属是矿山环境污染的重要来源。

1.3 尾矿污染

     矿山废弃物中的重金属,一方面通过废石和尾矿堆的孔隙下渗进入底垫土壤或通过地表径流进入周围环境土壤,另一方面通过地表径流进入下游水文系统或下渗到地下水,径流又携带重金属进入流经的土壤,造成整个矿区甚至附近大区域的水体和土壤的污染,并影响整个生态系统。

2. 有色金属矿业环境重金属监测体系

     综上所述,有色金属矿业对环境的重金属污染包括了大气、水体和土壤三个方面。因此,为了全面监测有色金属矿业环境重金属监测系统包括:大气、水体和土壤三个部分,选用监测仪器如下表:

2.1 大气重金属在线分析仪EHM-X系统概述

     EHM-X系列大气重金属在线分析仪是天瑞仪器全球首创的双功能全自动在线分析仪器。它创新地将专利技术——X射线荧光(XRF)无损检测技术、β射线吸收检测技术与空气颗粒物自动富集技术完美结合,不仅可以监测空气颗粒物质量浓度, 还可以同时对颗粒物中元素成分进行定量分析。该仪器具有pg/m3 量级的检出限,处于世界先进水平,广泛应用于空气质量监测、污染溯源及源解析、环境评价等领域。

图1 天瑞仪器EHM-X200大气重金属在线分析仪图片(从左到右分别为仪器主机、站房机柜上的仪器和车载仪器)

2.1.1 测量原理

     仪器以恒定的工况流量将空气吸入颗粒物切割器中,以PM2.5为例,动力学直径在2.5um附近及以下的颗粒污染物进入到仪器的富集系统中。经过一段时间的富集后,富集系统自动切换成β射线分析系统,利用β射线的衰减与颗粒物的质量浓度成指数的关系,对颗粒物的质量浓度进行分析。然后卷膜系统精确地将富集有空气颗粒物的滤纸移动到X射线荧光分析系统,分别利用X射线荧光的能量和强度对颗粒物中的元素成分进行定性和定量的分析。 

图2 天瑞仪器 EHM-X200大气重金属监测示意图

     X射线荧光光谱技术(XRF)的原理见图3所示,可以直接检测固体或液体样品中ppm量级的元素成分。采用富集后再检测的办法,使得XRF技术对空气颗粒物中的重金属成分的检测限优于0.001ug/m3。而常规实验室的检测技术,由于预处理消解过程中需要将微克量级的样品溶解到几十克的液体中,而使得浓度被稀释百万倍,从而多数仪器(譬如ICP-AES、或原子吸收光谱仪)无法检出元素含量低于10ug/m3量级的空气颗粒物样品。

图3 X射线荧光光谱技术原理图

2.1.2 性能特点

(1)先进的X射线荧光(XRF)无损检测技术与大气颗粒物自动富集技术完美结合,符合美国EPA IO-3.3标准方法。 
(2)用户可以选择增加基于β射线的颗粒物质量浓度测量模块,可实现一台仪器通过一次采样同时测量颗粒物总质量浓度与重金属成分浓度,增加数据可比性、为污染溯源分析提供依据。 
(3)可选配TSP、PM10、或PM2.5颗粒物切割器,实现重金属颗粒物在不同动力学直径上的分布测量。 
(4)铅、铁、镉、铬、砷等30种重金属含量精确测量,探测灵敏度10pg/m3量级,重金属元素可扩展。 
(5)具备流量校准功能,具备空白以及所有分析元素的校准功能,具备光管强度自校准功能和能量刻度自动校准功能; 
(6)提供设备配套数据分析管理软件,开放通讯协议,可接入已有数采平台;中文操作界面,触摸屏操作,显示实时采样流量,采样时间,测量状态,重金属浓度值、含量曲线等信息。 
(7)提供预警预报智能分析二次开发功能接口,用于实现区域内未监测点位的空气重金属浓度的预测预警、对监测数据有效性进行判断、通过当前数据对未来污染趋势及扩散路径进行预测。

2.1.3 技术参数

以下列出了大气重金属在线分析仪的一些重要技术参数(表1)。

表1 天瑞仪器 EHM-X200大气重金属监测仪技术参数

2.1.4 系统配置

产品配置清单如下,包括随机备件、工具套装、随机文件、以及安装维修所需的备品备件和耗材。

2.2 WAOL3000-HM多参数水质在线重金属分析仪

     WAOL3000-HM多参数水质在线重金属分析仪是天瑞仪器是一款基于权威机构认可的标准方法——阳极溶出伏安法与光度比色法的全自动监测水质中重金属离子的测定工具。该仪器可以同时实时监测水样中的多种重金属含量,其显著特点包括检出限低、准确度高、操作方便、维护成本低等;而由于Cr通过阳极溶出伏安法测定结果波动较大,因此采用测量结果准确的光度比色法,并通过系统控制成功的将阳极溶出伏安法与光度比色法集中于同一监测仪器中,克服了阳极溶出伏安法测定Cr不准的缺点同时也克服了光度比色法不能同步测量多种重金属的缺点。该仪器可广泛应用于地表水、自来水、地下水、河流湖泊以及海水等领域。

图4 天瑞仪器WAOL3000-HM多参数水质在线重金属分析仪图片

2.2.1 测量原理

(1)阳极溶出伏安法

     在一定的电位下,使待测金属离子部分地还原成金属并溶入微电极或析出于电极的表面,然后向电极施加反向电压,使微电极上的金属氧化而产生氧化电流,根据氧化过程的电流一电压曲线进行分析的伏安法。 阳极溶出伏安法以其极低的成本与高灵敏度的特点、目前在欧美正取代传统的原子吸收方法大量应用于环境应急监测、自来水检测、电镀和表面处理行业废水检测、食品、制药、医院废水监测等方面。

图5 阳极溶出伏安法原理

(2)光度比色法

     光度比色法主要是根据朗伯比尔定律,一束单色光照射于一吸收介质表面,在通过一定厚度的介质后,由于介质吸收了一部分光能,透射光的强度就要减弱。吸收介质的浓度愈大,介质的厚度愈大,则光强度的减弱愈显著。

图6 光度比色法原理

2.2.2 性能特点

(1)集成阳极溶出伏安法(ASV)原理(US EPA7063、US EPA7472)、光度比色法原理(GB7466-87); 
(2)能够同时测量铜、镉、铅、锌、汞、砷、六价铬七种元素,还可扩展测量镍、锰、铁、钴、铊等十余种重金属; 
(3)测量精度可达ppb级别; 
(4)创新思想的软件分层架构,可实现仪器流程灵活配置; 
(5)高效的高温高压水样前处理,快速的冷却水循环降温; 
(6)实时仪器漏液监测,保证仪器稳定运行;
(7)可广泛应用于地表水、自来水、地下水、河流湖泊等流域。

3.2.3技术参数

2.2.4 系统配置

2.3 Genius 9000 XRF手持式土壤重金属分析仪

      Genius 9000 XRF手持式土壤重金属分析仪基于XRF荧光技术的,一款专门针对在现场、野外,进行X荧光分析应用而设计的仪器,具有提及下,重量轻,普通人可手持测量的特点;产品具有超小、超轻、超美、超安全、超方便、超长待机、超防水、超准、超快等特点,并在小型X射线荧光光谱仪上引入了数字多道技术,使仪器检出限更好,稳定性更高,适用面更广。

图6 天瑞仪器Genius 9000 XRF手持式土壤重金属分析仪图片

2.3.1 仪器优势

(1)可用于检测汞、镉、铅、砷、铜、锌、镍、钴、钒等引起的土壤污染; 
(2)快速普查超大范围的土壤地址污染区,绘制污染图、实施勘查 
(3)发现异常状况,做到优先考虑和治理 
(4)现场快速追踪污染异常,有效地寻找“污点”地带,圈定受到污染的边界 
(5)对土壤重金属元素能快速的现场原位分析,引起快速筛选排查的作用 
(6)快速普查各类居住用地、商业用地、工业用地等一级二级三级用地 
(7)PDA自带有GPS信号,可以与GIS系统进行联网,绘制地图 
(8)设备有数字多道技术,可以更加快速的分析,从第一秒就可以得出定性定量结果,设计成高计数率,大大提高了设备的稳定性,而稳定性在土壤重金属测试中尤为重要,因为在土壤中其重金属含量都很低 
(9)超高的分别率可以减少砷与铅的干扰和铁对镍的干扰,其超低的检出限也很适合用于环保土壤重金属的检测

2.3.2 技术参数

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