有色金屬礦業(yè)環(huán)境重金屬監(jiān)測方案

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人們對重金屬礦產(chǎn)品的需求量越來越大，與此同時礦山的開采引發(fā)的問題日益嚴(yán)重。長期以來，許多礦山由于管理不善和環(huán)保意識不強等原因，在 開采過程中對礦區(qū)周圍的土壤、大氣和水體造成了嚴(yán)重的污染。土壤重金屬污染又直接導(dǎo)致了種植的農(nóng)作物重金屬含量超標(biāo)，威脅著人類的安全與健康。

1. 有色金屬礦業(yè)環(huán)境重金屬污染現(xiàn)狀

     我國由于技術(shù)、管理及效益差等原因的影響，資源開發(fā)中的生態(tài)環(huán)境問題嚴(yán)重。由于有色金屬礦石品位低，每加工1噸礦石所產(chǎn)生的尾礦就達0.92噸 以上，積存的尾砂、廢渣已達1×109 t，尾砂、廢渣中的重金屬元素又不斷向周邊環(huán)境釋放遷移，通過植物、水生生物等食物鏈長期危害人體健康。在進行礦產(chǎn)資源開采、運輸和選冶過程中，都會產(chǎn)生 一定的大都含有重金屬元素的固體、液體和氣體廢棄物，這些重金屬一旦進入到周圍的大氣、水和土壤環(huán)境中去，便對當(dāng)?shù)啬酥链蠓秶h(huán)境產(chǎn)生一定的污染和危害。

1.1 采礦過程污染

     采礦作業(yè)過程就是將礦物破碎、并從井下搬運到地面的過程。礦物破碎時，一部分重金屬通過井下通風(fēng)系統(tǒng)隨污風(fēng)排至地表，然后通過大氣擴散進入人體 呼吸系統(tǒng)，或沉降到土壤和水體中；一部分通過坑道廢水進入地下水或地面水環(huán)境、礦物質(zhì)在井下或地面搬運過程中，也因灑落、揚塵進入附近的水體或土壤中，對 環(huán)境造成危害。

1.2 選礦過程污染

     選礦廢水以及尾礦沉淀后的廢液經(jīng)簡單處理后循環(huán)使用或用于周邊農(nóng)田灌溉，部分廢液經(jīng)尾礦壩泄水孔直接外排至周邊水體。尾礦庫中的重金屬通過外排 的廢液或者通過揚塵進入周邊環(huán)境，從而對周邊環(huán)境產(chǎn)生重金屬污染和危害。在礦產(chǎn)資源開采過程中，選礦廢水和尾礦庫的重金屬是礦山環(huán)境污染的重要來源。

1.3 尾礦污染

     礦山廢棄物中的重金屬，一方面通過廢石和尾礦堆的孔隙下滲進入底墊土壤或通過地表徑流進入周圍環(huán)境土壤，另一方面通過地表徑流進入下游水文系統(tǒng) 或下滲到地下水，徑流又攜帶重金屬進入流經(jīng)的土壤，造成整個礦區(qū)甚至附近大區(qū)域的水體和土壤的污染，并影響整個生態(tài)系統(tǒng)。

2. 有色金屬礦業(yè)環(huán)境重金屬監(jiān)測體系

     綜上所述，有色金屬礦業(yè)對環(huán)境的重金屬污染包括了大氣、水體和土壤三個方面。因此，為了全面監(jiān)測有色金屬礦業(yè)環(huán)境重金屬監(jiān)測系統(tǒng)包括：大氣、水體和土壤三個部分，選用監(jiān)測儀器如下表：

2.1 大氣重金屬在線分析儀EHM-X系統(tǒng)概述

     EHM-X系列大氣重金屬在線分析儀是天瑞儀器*的雙功能全自動在線分析儀器。它創(chuàng)新地將技術(shù)——X射線熒光（XRF）無損檢測技 術(shù)、β射線吸收檢測技術(shù)與空氣顆粒物自動富集技術(shù)結(jié)合，不僅可以監(jiān)測空氣顆粒物質(zhì)量濃度, 還可以同時對顆粒物中元素成分進行定量分析。該儀器具有pg/m3 量級的檢出限，處于*水平，廣泛應(yīng)用于空氣質(zhì)量監(jiān)測、污染溯源及源解析、環(huán)境評價等領(lǐng)域。

圖1 天瑞儀器EHM-X200大氣重金屬在線分析儀圖片（從左到右分別為儀器主機、站房機柜上的儀器和車載儀器）

2.1.1 測量原理

     儀器以恒定的工況流量將空氣吸入顆粒物切割器中，以PM2.5為例，動力學(xué)直徑在2.5um附近及以下的顆粒污染物進入到儀器的富集系統(tǒng)中。經(jīng) 過一段時間的富集后，富集系統(tǒng)自動切換成β射線分析系統(tǒng)，利用β射線的衰減與顆粒物的質(zhì)量濃度成指數(shù)的關(guān)系，對顆粒物的質(zhì)量濃度進行分析。然后卷膜系統(tǒng)精 確地將富集有空氣顆粒物的濾紙移動到X射線熒光分析系統(tǒng)，分別利用X射線熒光的能量和強度對顆粒物中的元素成分進行定性和定量的分析。 

圖2 天瑞儀器 EHM-X200大氣重金屬監(jiān)測示意圖

     X射線熒光光譜技術(shù)（XRF）的原理見圖3所示，可以直接檢測固體或液體樣品中ppm量級的元素成分。采用富集后再檢測的辦法，使得XRF技術(shù) 對空氣顆粒物中的重金屬成分的檢測限優(yōu)于0.001ug/m3。而常規(guī)實驗室的檢測技術(shù)，由于預(yù)處理消解過程中需要將微克量級的樣品溶解到幾十克的液體 中，而使得濃度被稀釋百萬倍，從而多數(shù)儀器（譬如ICP-AES、或原子吸收光譜儀）無法檢出元素含量低于10ug/m3量級的空氣顆粒物樣品。

圖3 X射線熒光光譜技術(shù)原理圖

2.1.2 性能特點

（1）先進的X射線熒光(XRF)無損檢測技術(shù)與大氣顆粒物自動富集技術(shù)結(jié)合，符合美國EPA IO-3.3標(biāo)準(zhǔn)方法。 
（2）用戶可以選擇增加基于β射線的顆粒物質(zhì)量濃度測量模塊，可實現(xiàn)一臺儀器通過一次采樣同時測量顆粒物總質(zhì)量濃度與重金屬成分濃度，增加數(shù)據(jù)可比性、為污染溯源分析提供依據(jù)。 
（3）可選配TSP、PM10、或PM2.5顆粒物切割器，實現(xiàn)重金屬顆粒物在不同動力學(xué)直徑上的分布測量。 
（4）鉛、鐵、鎘、鉻、砷等30種重金屬含量測量，探測靈敏度10pg/m3量級，重金屬元素可擴展。 
（5）具備流量校準(zhǔn)功能，具備空白以及所有分析元素的校準(zhǔn)功能，具備光管強度自校準(zhǔn)功能和能量刻度自動校準(zhǔn)功能； 
（6）提供設(shè)備配套數(shù)據(jù)分析管理軟件，開放通訊協(xié)議，可接入已有數(shù)采平臺；中文操作界面，觸摸屏操作，顯示實時采樣流量，采樣時間，測量狀態(tài)，重金屬濃度值、含量曲線等信息。 
（7）提供預(yù)警預(yù)報智能分析二次開發(fā)功能接口，用于實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)未監(jiān)測點位的空氣重金屬濃度的預(yù)測預(yù)警、對監(jiān)測數(shù)據(jù)有效性進行判斷、通過當(dāng)前數(shù)據(jù)對未來污染趨勢及擴散路徑進行預(yù)測。

2.1.3 技術(shù)參數(shù)

以下列出了大氣重金屬在線分析儀的一些重要技術(shù)參數(shù)（表1）。

表1 天瑞儀器 EHM-X200大氣重金屬監(jiān)測儀技術(shù)參數(shù)

2.1.4 系統(tǒng)配置

產(chǎn)品配置清單如下，包括隨機備件、工具套裝、隨機文件、以及安裝維修所需的備品備件和耗材。

2.2 WAOL3000-HM多參數(shù)水質(zhì)在線重金屬分析儀

     WAOL3000-HM多參數(shù)水質(zhì)在線重金屬分析儀是天瑞儀器是一款基于機構(gòu)認可的標(biāo)準(zhǔn)方法——陽極溶出伏安法與光度比色法的全自動監(jiān)測水 質(zhì)中重金屬離子的測定工具。該儀器可以同時實時監(jiān)測水樣中的多種重金屬含量，其顯著特點包括檢出限低、準(zhǔn)確度高、操作方便、維護成本低等；而由于Cr通過 陽極溶出伏安法測定結(jié)果波動較大，因此采用測量結(jié)果準(zhǔn)確的光度比色法，并通過系統(tǒng)控制成功的將陽極溶出伏安法與光度比色法集中于同一監(jiān)測儀器中，克服了陽 極溶出伏安法測定Cr不準(zhǔn)的缺點同時也克服了光度比色法不能同步測量多種重金屬的缺點。該儀器可廣泛應(yīng)用于地表水、自來水、地下水、河流湖泊以及海水等領(lǐng) 域。

圖4 天瑞儀器WAOL3000-HM多參數(shù)水質(zhì)在線重金屬分析儀圖片

2.2.1 測量原理

（1）陽極溶出伏安法

     在一定的電位下，使待測金屬離子部分地還原成金屬并溶入微電極或析出于電極的表面，然后向電極施加反向電壓，使微電極上的金屬氧化而產(chǎn)生氧化電 流，根據(jù)氧化過程的電流一電壓曲線進行分析的伏安法。 陽極溶出伏安法以其極低的成本與高靈敏度的特點、目前在歐美正取代傳統(tǒng)的原子吸收方法大量應(yīng)用于環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測、自來水檢測、電鍍和表面處理行業(yè)廢水檢測、 食品、制藥、醫(yī)院廢水監(jiān)測等方面。

圖5 陽極溶出伏安法原理

（2）光度比色法

     光度比色法主要是根據(jù)朗伯比爾定律，一束單色光照射于一吸收介質(zhì)表面，在通過一定厚度的介質(zhì)后，由于介質(zhì)吸收了一部分光能，透射光的強度就要減弱。吸收介質(zhì)的濃度愈大，介質(zhì)的厚度愈大，則光強度的減弱愈顯著。

圖6 光度比色法原理

2.2.2 性能特點

（1）集成陽極溶出伏安法（ASV）原理（US EPA7063、US EPA7472）、光度比色法原理（GB7466-87）； 
（2）能夠同時測量銅、鎘、鉛、鋅、汞、砷、六價鉻七種元素，還可擴展測量鎳、錳、鐵、鈷、等十余種重金屬； 
（3）測量精度可達ppb級別； 
（4）創(chuàng)新思想的軟件分層架構(gòu)，可實現(xiàn)儀器流程靈活配置； 
（5）的高溫高壓水樣前處理，快速的冷卻水循環(huán)降溫； 
（6）實時儀器漏液監(jiān)測，保證儀器穩(wěn)定運行；
（7）可廣泛應(yīng)用于地表水、自來水、地下水、河流湖泊等流域。

3.2.3技術(shù)參數(shù)

2.2.4 系統(tǒng)配置

2.3 Genius 9000 XRF手持式土壤重金屬分析儀

      Genius 9000 XRF手持式土壤重金屬分析儀基于XRF熒光技術(shù)的，一款專門針對在現(xiàn)場、野外，進行X熒光分析應(yīng)用而設(shè)計的儀器，具有提及下，重量輕，普通人可手持測量 的特點；產(chǎn)品具有超小、超輕、超美、超安全、超方便、超長待機、超防水、超準(zhǔn)、超快等特點，并在小型X射線熒光光譜儀上引入了數(shù)字多道技術(shù)，使儀器檢出限 更好，穩(wěn)定性更高，適用面更廣。

圖6 天瑞儀器Genius 9000 XRF手持式土壤重金屬分析儀圖片

2.3.1 儀器優(yōu)勢

（1）可用于檢測汞、鎘、鉛、砷、銅、鋅、鎳、鈷、釩等引起的土壤污染； 
（2）快速普查超大范圍的土壤地址污染區(qū)，繪制污染圖、實施勘查 
（3）發(fā)現(xiàn)異常狀況，做到優(yōu)先考慮和治理 
（4）現(xiàn)場快速追蹤污染異常，有效地尋找“污點”地帶，圈定受到污染的邊界 
（5）對土壤重金屬元素能快速的現(xiàn)場原位分析，引起快速篩選排查的作用 
（6）快速普查各類居住用地、商業(yè)用地、工業(yè)用地等一級二級三級用地 
（7）PDA自帶有GPS信號，可以與GIS系統(tǒng)進行聯(lián)網(wǎng)，繪制地圖 
（8）設(shè)備有數(shù)字多道技術(shù)，可以更加快速的分析，從*秒就可以得出定性定量結(jié)果，設(shè)計成高計數(shù)率，大大提高了設(shè)備的穩(wěn)定性，而穩(wěn)定性在土壤重金屬測試中尤為重要，因為在土壤中其重金屬含量都很低 
（9）超高的分別率可以減少砷與鉛的干擾和鐵對鎳的干擾，其超低的檢出限也很適合用于環(huán)保土壤重金屬的檢測

2.3.2 技術(shù)參數(shù)

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