金属矿山土壤重金属污染现状及治理对策

[摘要] 本篇论文是金属矿山土壤重金属污染现状及治理对策，其中包括一、我国土壤重金属污染的现状；二、矿山土壤重金属污染和危害等内容：

摘要：矿山开采为经济发展提供了资源保证,但同时也带来了一系列生态环境问题。文章介绍了我国部分地区日益发达的金属矿业造成的土壤重金属污染状况, 分析了重金属元素的在环境中的存在形态、释放机理、污染特征及其生物危害。指出了金属矿山土壤重金属污染目前尚存在的问题并提出了防治土壤重金属污染的具体措施。

关键词 ：重金属污染;修复技术;土壤;金属矿山

Current Situation of Heavy Metal Pollution in Soils

and Countermeasures

Abstract：Mining for economic development to provide the resources, but also brings a series of ecological environment problems. This paper introduces the area of our country part increasingly developed metal mining caused the soil heavy metal pollution status, analysis of heavy metal elements in the environment of existence form, release mechanism, the pollution characteristics and biological hazards. Metal mine soil heavy metal pollution is pointed out existing problems and puts forward specific measures to control soil heavy metal pollution.

金属矿山既是资源集中地 ,又是天然的土水生态环境污染源。在开采过程中流失的重金属Pb、Hg、As、Cd、Cr等是土水生态环境的重要毒害元素。。随着矿山开采年份的增加,矿山周边土壤环境中重金属不断积累,污染现象日趋严重。重金属进入土壤环境后,扩散迁移比较缓慢,且不被微生物降解,通过溶解、沉淀、凝聚、络合、吸附等过程后,容易形成不同的化学形态。当其在土壤中积累到一定程度时,就有可能通过土壤—植物(作物)系统,经食物链为动物或人体所摄入,潜在危害性极大。因此,金属矿山土壤的重金属污染问题必须引起高度关注,并采取相应措施加以防治。

一、我国土壤重金属污染的现状

我国金属矿产资源丰富,共有大中型矿山9 000 多座,小型矿山26 万座,因采矿侵占土地面积已接近4 万km2 ,由此而废弃土地面积达330 km2/ a。在粤北地区,有10 %的耕地都因当地矿业活动导致不同程度的重金属污染。发达国家矿业废弃地复垦率已高达50 %以上,且复垦的质量很高,而我国治理率却很低矿业开发所造成的土壤污染量大面广,是我国污染土壤治理不可忽视的问题,而矿区污染土壤在产生机制、污染物迁移规律、治理的目标等方面,与一般的污染土壤有一定的区别。因此研究矿区重金属污染土壤的修复技术就有其必要性、特殊性和紧迫性。

二、矿山土壤重金属污染和危害

(一)土壤重金属污染的来源

金属矿山周边土壤中的重金属,除本身由于地球化学作用而可能造成背景值偏高外,还主要包括2 个方面:第一,金属矿山的井下废水、选矿废水、冶炼厂废水、矿坑水等,含有较多的重金属元素,以含有大量可溶性离子、重金属及有毒、有害元素(如铜、铅、锌、砷、镉、六价铬、汞、氰化物) 为特征;第二,矿业废弃地,尤其是有色金属矿业废弃地一般都含有大量的重金属,其中又以尾矿和废弃的低品位矿石的重金属含量最高。一般来说,生产1t 有色金属可产生上百吨甚至几百吨固体废物。我国有色金属业固体废弃物年排放量为6 590 万t ,占全国固体废弃物总排放量的10. 6 % ,利用率很低,约为8 %。这些重金属含量很高的废弃物露天堆放后,会迅速风化,并通过降雨、酸化等作用向周边地区扩散从而导致重金属污染问题。

(二)土壤重金属污染的危害

土壤重金属污染的主要危害包括: ( 1)影响植物生长。重金属进入土壤后,通过渗透、淋溶等作用进入到金属矿山周围的植物中,会对植物根部生长发育产生抑制作用,影响植物对营养元素的吸收和运输,干扰植物的新陈代谢,影响植物的生长发育。(2) 危害人体健康。重金属可以通过“土壤—植物—人体”食物链进入人体。由于食物链的富集作用,重金属含量成倍甚至十几倍增加,进入人体后,会严重危害人体健康。( 3)降低土壤的生态功能。重金属进入土壤后,对土壤的理化性质、生物特性和微生物群落结构产生明显不良影响,降低土壤微生物量和活性细菌数量,减少土壤系统中的生物多样性,从而影响土壤生态结构和功能的稳定。

(三)土壤重金属污染的特点

重金属进入土壤后，通过溶解、沉淀、凝聚、络合吸附等各种反应，形成不同的化学形态，并表现出不同的活性，土壤中重金属的形态影响它的活性和对植物的有效性。因此，研究土壤中重金属的形态及形态之间的转化对重金属的环境效应及重金属污染土壤的治理修复具有重要意义。根据重金属在土壤中的基本积累机制，常把土壤中重金属分为5种存在形态:(1)可交换态;(2)碳酸盐结合态;(3)铁锰氧化物结合态;(4)有机结合态;(5)残留态。在不断变化的环境条件中，各种形态的重金属有着不同的重新分布特征。一般地，土壤中的可交换态重金属有比较强的生物活性，而残留态重金属在自然条件下，由于与土壤矿物质有较强的结合力而不易于从土壤颗粒中释放出来，具有较低的生物活性。

土壤中的重金属污染物大部分被固定在耕作层中，一般很少迁移至40cm以下，但砷在土壤中的动态行为与Cu, Pb, Cd等有所不同，在含有大量铁、铝组分的酸性(pH为5.3-6.幻红壤中，砷酸根可与之生成难溶盐类而富集于30一 40cm耕作层中。灌溉污水中的Hg呈溶解态和络合态，进入土壤后，95%被土壤矿质胶体和有机质迅速吸附或固定，它一般累积在土壤表层，在剖面的分布为自上而下递减，有资料表明，土壤中的重金属只有很少一部分随植物地上部分的收获而被移去，经历20年的耕种与收获，也只能减少大约0.5%-2.0%的蓄积量[III。因此，这些重金属一旦进入土壤，就可能存留几千年。

与其它污染形态有所不同的是,土壤重金属污染有其自身特点,主要表现为: ( 1)隐蔽性和滞后性。土壤重金属污染往往要通过对土壤及农作物样品进行监测后,甚至通过对人和动物健康状况进行诊断后才能确定。(2)累积性。由于重金属在土壤中不容易迁移、扩散和稀释,因此,很容易在土壤中不断积累而超标,同时也使土壤污染具有很强的地域性。(3)不可逆性和难治理性。重金属污染的自然降解是非常困难的,积累在土壤中的重金属很难靠稀释作用和自净作用来消除。

三、金属矿山土壤重金属污染的治理

(一)土壤重金属污染的治理途径

目前,国内外治理土壤重金属污染的途径归纳起来主要有3种:一是改变重金属在土壤中的赋存状态,使其稳定或固定,降低其活性,使其钝化,脱离食物链,以降低其在环境中的迁移性和生物可利用性;二是利用各种技术从土壤中去除重金属,达到回收和减少土壤中重金属的双重目的;三是利用各种防渗材料,如水泥、粘土、石板、塑料板等,将污染地区与未污染地区隔离,以减少或阻止重金属的迁移和扩散。围绕这3种治理途径,各国相继开发了物理、化学和生物治理方法。

(二)土壤重金属污染的治理方法

1、物理方法

物理方法分为热处理及工程措施法等。金属矿山土壤中所含重金属种类较多,热处理法主要针对汞(Hg)污染,效果比较明显,但工程量较大,耗能较多,且易使土壤有机质和土壤水遭到破坏。

工程措施是利用外来重金属多富集在土壤表层的特性,去除受污染的表层土壤后,将下层土壤耕作活化或用未被污染活性土壤覆盖。此方法可以使耕作层土壤中的重金属浓度降至临界浓度以下,减少重金属对土壤—植物系统产生的毒害,从而达到控制其危害的目的。

2、物理化学法

(1)电动修复法

通过在包含污染土壤的电解池两侧施加直流电压形成电场梯度,土壤中的重金属通过电迁移、电渗流或电泳的途径被带到位于电解池两极的处理室中并通过进一步的处理,从而实现污染土壤样品的减污或清洁。电动修复是一门新的经济型土壤修复技术,不搅动土层,并可缩短修复时间,比较适合于低渗透的粘土和淤泥土,且可以回收铅、砷、铬、镉、铜、铀、汞和锌等多种重金属元素,具有经济效益高、后处理方便、二次污染少等一系列优点,近年来发展很快,在一些欧美国家已经进入商业化,但对大规模重金属污染土壤的就地修复仍不够完善。

(2)土壤淋洗法

利用淋洗液将土壤固相中的重金属转移至液相中,再把富含重金属的废水进一步回收处理。该技术的关键在于淋洗液的选择,应既能提取重金属又不破坏土壤结构,如果选择不当,引入的淋洗液很有可能造成二次污染。用于淋洗土壤的淋洗液很多,包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂,用于提取土壤重金属的主要有盐酸、硝酸、硫酸、柠檬酸、草酸、EDTA (乙二胺四乙酸)和DTPA (乙烯三胺五乙酸)等。土壤淋洗以柱淋洗或堆积淋洗更为实际和经济,这对该技术的商业化具有一定的促进作用。

(3)　玻璃化技术法

利用电极加热将重金属污染的土壤熔化,冷却后形成比较稳定的玻璃态物质。实施前,需要在土壤中埋没金属或石墨等导电材料。

由于在通常条件下玻璃非常稳定,一般的试剂难以破坏它的结构,所以玻璃化技术对某些特殊重金属(如放射性废物)是非常适用的。不过玻璃化技术相对较复杂,实地应用中会出现难以达到统一的熔化以及地下水的渗透等问题,同时熔化过程需要消耗大量的电能,这使得该技术成本很高,限制了其应用。

3、　化学方法

利用化学试剂(石灰、沸石、钙镁磷肥、硅肥等碱性肥料及重金属钝化剂等)有效降低重金属的水溶性、扩散性和生物有效性,促使土壤中的重金属元素转化为难溶物,从而降低它们进人植物体、微生物体和水体的能力,减轻他们对生态环境的危害]。用化学方法治理重金属污染土壤,其治理效果和费用都适中,对污染不太重的土壤特别适用,但需加强管理,防止重金属再度活化。

4、农业方法

农业方法是因地制宜地调整一些耕作管理制度,在重金属污染土壤中种植不进入食物链的植物,选择能降低土壤重金属污染的化肥,或增施能够固定重金属的有机肥等措施来降低土壤重金属污染,从而改变土壤中重金属的活性,降低其生物有效性,减少重金属从土壤向作物的转移,达到减轻其危害的目的,主要包括控制土壤水分、养分、pH值、氧化还原状况及气温、湿度等生态因子,改变耕作制度、调整作物种类、合理施用有机肥等。农业方法和措施具有费用低、实施方便、无副作用等优点,但周期长、效果不显著,应与生物措施、改良剂措施配合使用,适于中、轻度污染土壤的治理。

5、　生物方法

综合运用现代生物技术,使土壤的有害污染物得以去除,土壤质量得以提高或改善,主要包括植物修复、微生物修复、动物修复等三种方法。

(1)　植物修复技术

植物修复技术是一种以植物忍耐和超量富集某种污染物的理论为基础,利用自然生长或遗传工程培育的植物及其共存微生物体系,清除污染物的一种环境治理技术,主要由植物稳定技术、植物萃取技术、植物挥发技术、根际过滤技术四部分组成,由于根际过滤技术更多应用在水体污染修复之中,故主要介绍前三种方法。

①植物稳定技术指利用植物根际的一些特殊物质,使土壤中的污染物转化为相对无害物质的一种方法。适用于固化污染土壤的理想植物应是一种能忍耐高含量污染物、根系发达的多年生常绿植物。这些植物通过根系分解、沉淀、螯合、氧化还原等多种过程可使污染物惰性化。由于污染物仍留在原地,也存在风险,因此该技术只能作为对污染物的暂时处理方式。

②植物萃取即植物提取,是指种植一些特殊的植物,利用其根系吸收受污染土壤中的有毒有害物质,并将其转移至植物的地上部,最后通过收割地上部物质的方式带走土壤中的污染物。该技术最适合浅层且污染程度较低的土壤修复。这种技术要求所用植物具有生物量大、生长快和抗病虫害能力强的特点,还要具备富集多种重金属的能力。

目前已发现有500 多种植物可以超积累各种重金属,广泛分布于植物界的45 个科,如印度芥菜和向日葵可大量积聚Pb、As、Hg、Cr、U、Ce、Zn 等重金属;香蒲植物、绿肥植物天叶紫花苕子对Pb 具有超耐性,羊齿类铁角蕨属植物对Cd 有超耐性;黄颌蛇草对土壤中Hg 的去除率可达到41 % 。可用于修复我国金属矿区重金属污染土壤的一些典型超积累植物见下表。

表1 　超积累植物总最大金属含量mg/ kg

③植物挥发技术是利用植物根系分泌的一些特殊物质,使土壤中的汞、硒转化为挥发形态以去除污染的一种方法。该技术只是将污染物从土壤中经植物转移到大气中进行稀释,因此仍存在一定的风险。该技术与植物稳定技术类似,区别在于该技术将污染物迁出土壤,而植物稳定技术只是将其转化为相对环境友好的形态。

综上所述,植物萃取技术在重金属污染修复技术中具有重要地位,也是最有应用前景的。植物修复的主要优点是绿色净化、经济有效、处理设施简单、适合大规模的应用、利于土壤生态系统的保持、对环境扰动小、美化环境等 。

(2)　微生物修复技术

利用土壤中某些微生物的生物活性对重金属具有吸收、沉淀、氧化和还原等作用,把重金属离子转化为低毒产物,从而降低土壤中重金属的毒性。

(3)　动物修复技术

利用土壤中某些动物(如蚯蚓、鼠类等)能吸收重金属的特性,在一定程度上降低污染土壤中重金属含量,达到动物修复重金属污染土壤的目的。

生物修复技术与其它治理重金属污染的技术相比,设施较简便、投资较少、无二次污染,但是治理效率低,如超累积植物通常都矮小、生物量低、生长缓慢且周期长,不宜治理重污染土壤,污染物可能通过落叶重新回到土壤中去,进一步降低修复污染的效果。现今植物修复技术更具有广阔的市场,而微生物修复技术及动物修复技术使用得较少。

各种矿山污染土壤都有其特点和适应性,应根据污染的实际和当地的情况慎重选择修复方法,也可采用几种修复技术相结合的方法。

四、存在问题和今后的发展方向

矿区特别是尾矿库的土壤受到重金属污染,其修复问题已非常迫切。物理、化学等方法对于矿山土壤的修复存在耗能、耗钱、对土壤结构损害较大等缺点,从保护生态环境出发,这些方法均对矿山生态环境的恢复作用不明显,而植物修复成本较低,可以稳定土壤、控制污染、改善景观、减轻污染对人类的健康威胁,所以在修复矿山土壤重金属污染的过程中,越来越多的国家、企业选择使用植物修复技术。不过在选择植物的时候需要注意以下几个方面: (1)选择播种容易、种子发芽力强、苗期抗逆性强、易成活的植物;(2)根据矿山废弃地的土地条件,选择根系发达、能固土、固氮和有较快生长速度的植物; (3)矿山废弃地的水肥条件恶劣,重金属等有毒有害物质的含量高,对有毒有害物质耐受范围广的树种。

尽管植物修复技术在土壤重金属污染中得到广泛的应用,但在植物修复技术的基础性研究方面的工作仍有待加强:寻找、筛选和培育对重金属具有超积累能力的植物;如何将能使植物生物量增大、生长加快和生长周期缩短的基因转移到超积累植物中,并使之得到相应的表达,使其不仅能克服自身的生物学缺陷,而且能保持原有的超积累特性,提高植物修复重金属污染土壤的效率;如何通过应用化学试剂(如络合剂) 、微生物或土壤改良剂、酸碱调节剂等增加目标重金属的生物有效性,提高植物吸收速率;如何采取合理种植、科学施肥、深耕等耕作管理措施与技术,提高植物生物量或增加收割次数,从而提高植物修复的效率。

近年来,我国金属矿业迅速发展,所造成的重金属污染日益加剧,植物修复技术的研究更具有广阔的市场,并逐步走向商业化,同时我国有广袤的国土、丰富的资源、复杂多样的地理条件,蕴藏着大量超富集植物,为我国开展有关植物修复技术的研究提供了良好的基础。

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