cx煤礦區(qū)土壤重金屬污染及其防治

1、.PAGE ：.；PAGE 7煤礦區(qū)土壤重金屬污染及其防治摘要：本文參考國內(nèi)外關(guān)于煤礦區(qū)土壤重金屬的最新研討成果，對煤礦區(qū)土壤重金屬污染及其防治進展研討現(xiàn)狀總結(jié)，并對其研討趨勢作出預(yù)測和評價，重金屬以其在土壤中難降解、毒性強、具有積累效應(yīng)等特征遭到科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。自70年代以來，它不斷是多學(xué)科研討的活潑領(lǐng)域。本文擬對土壤重金屬污染研討與治理予以討論。關(guān)鍵詞：煤礦區(qū) 土壤重金屬 污染 防治礦區(qū)環(huán)境治理和生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。煤炭的消費與利用給人類文明和社會提高作出了宏大奉獻, 但是隨著煤礦資源的開采和利用, 礦業(yè)活動產(chǎn)生了大量的礦業(yè)固體廢物, 其長期堆積在風(fēng)化和雨水淋濾等作用下, 固體廢物中

2、的微量重金屬元素遷移, 進入周圍的土壤, 導(dǎo)致土壤重金屬含量添加。這些有毒重金屬元素不易被土壤生物所降解,在土壤中逐漸累積, 導(dǎo)致土壤污染, 影響農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量, 并最終經(jīng)過食物鏈危害人類的安康。1礦產(chǎn)資源是人類消費和生活的基根源泉之一,但礦產(chǎn)資源的開發(fā)在對國民經(jīng)濟開展起重要推進作用的同時,也帶來了比較嚴峻的環(huán)境問題。采礦活動導(dǎo)致礦區(qū)重金屬污染(表層土壤、地表水、地下水) 、土地退化、農(nóng)作物減產(chǎn)和質(zhì)量下降,直接危及到人體安康和礦產(chǎn)業(yè)的可繼續(xù)開展。我國金屬礦產(chǎn)資源豐富,共有大中型礦山9000多座,小型礦山26萬座,因采礦侵占土地面積已接近4萬km2,由此而廢棄土地面積達330 km2/ a2

3、。在粵北地域,有10 %的耕地都因當?shù)氐V業(yè)活動導(dǎo)致不同程度的重金屬污染。興隆國家礦業(yè)廢棄地復(fù)墾率已高達50 %以上,且復(fù)墾的質(zhì)量很高,而我國治理率卻很低3 。礦業(yè)開發(fā)所呵斥的土壤污染量大,是我國污染土壤治理不可忽視的問題,而礦區(qū)污染土壤在產(chǎn)活力制、污染物遷移規(guī)律、治理的目的等方面,與普通的污染土壤有一定的區(qū)別4 。因此研討礦區(qū)重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)就有其必要性、特殊性和緊迫性。目前在全球煤炭開采的國家和地域，礦業(yè)活動已產(chǎn)生大量的礦業(yè)固體廢物，其長期堆積產(chǎn)生的重金屬污染遭到注重，土壤中的重金屬主要包括汞、鉻、鎘、鉛、銅、鈷、鋅、鎳、硒、砷、錫等。巴西5、印度7等，針對煤礦區(qū)環(huán)境開展了大量研討任

4、務(wù)。近年來，國內(nèi)學(xué)者針對煤炭開發(fā)活動排放煤矸石的環(huán)境污染問題開展了相關(guān)研討任務(wù)，同時，也開展了土壤污染植物修復(fù)和礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)研討任務(wù)。但對整個煤礦區(qū)因采礦活動引起的環(huán)境效應(yīng)研討較少，尚無系統(tǒng)地研討不同開采歷史礦井區(qū)土壤重金屬污染規(guī)律的報道。礦山固體廢物在其堆積和填埋過程中，長期處于與地下環(huán)境相異的地表環(huán)境，將遭到水、生物、溫度、壓力、人類活動等多要素的綜合影響，尾礦渣經(jīng)過礦物風(fēng)化溶解其所含的重金屬從巖石圈進入水圈，從而在整個圈層中以多種途徑循環(huán)8。1 國內(nèi)外土壤重金屬元素背景值研討和煤礦塌陷區(qū)土地治理和復(fù)墾任務(wù)1.1 國內(nèi)外土壤重金屬元素背景值研討對土壤元素背景值方面的研討，30年來國內(nèi)外做了

5、大量的任務(wù)。1961年美國地質(zhì)調(diào)查局(GC)在美國大陸外鄉(xiāng)開展背景值的調(diào)查任務(wù)，1984年發(fā)表了專項報告。1988年完成全國土壤背景值的研討任務(wù)，共分析近50個元素。日本于19781984年在全國范圍內(nèi)開展了表土和底土元素背景值調(diào)查，共測定了As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等8種元素，并提出元素背景值表示方法。我國于70年代中期開展土壤元素背景值研討。1982年國家科委將土壤背景值調(diào)查研討列入“六五重點科技攻關(guān)課題；1986年再次將其列為“七五重點科技攻關(guān)課題，先后對除臺灣省以外的省區(qū)一切土壤類型的元素背景值進展了調(diào)查，分析元素60余個；后來出版了9、10等專著。1.2 煤礦塌陷

6、區(qū)土地治理和復(fù)墾任務(wù)煤礦塌陷區(qū)土地治理和復(fù)墾任務(wù)不斷是國內(nèi)外土地科學(xué)的研討重點之一11。目前，我國礦區(qū)復(fù)墾土地以農(nóng)業(yè)利用為主12，開展了復(fù)墾土壤性質(zhì)、質(zhì)量演化、生態(tài)恢復(fù)、肥力評價及復(fù)墾地規(guī)劃等方面的研討13，近年來對復(fù)墾土壤的重金屬污染研討引起了學(xué)者的注重14，但國內(nèi)外這方面的研討較少15。土壤重金屬是影響土壤質(zhì)量的重要限制要素，而且與人體安康親密相關(guān)16，因此開展煤礦塌陷區(qū)復(fù)墾土壤的重金屬分布及污染評價具有重要意義，可為今后土地復(fù)墾任務(wù)提供參考和有益自創(chuàng)。2 礦區(qū)土壤中重金屬的來源和污染特點2. 1 礦區(qū)土壤中重金屬的來源礦區(qū)土壤重金屬來源主要包括兩個方面第一：金屬礦山的井下廢水、選礦廢水、

7、冶煉廠廢水、礦坑水等,含有較多的重金屬元素,以含有大量可溶性離子、重金屬及有毒、有害元素(如銅、鉛、鋅、砷、鎘、六價鉻、汞、氰化物) 為特征。第二:礦業(yè)廢棄地,尤其是有色金屬礦業(yè)廢棄地普通都含有大量的重金屬,其中又以尾礦和廢棄的低檔次礦石的重金屬含量最高。普通來說,消費1t 有色金屬可產(chǎn)生上百噸甚至幾百噸固體廢物。我國有色金屬業(yè)固體廢棄物年排放量為6590 萬t ,占全國固體廢棄物總排放量的10. 6 % ,利用率很低,約為8 %。這些重金屬含量很高的廢棄物露天堆放后,會迅速風(fēng)化,并經(jīng)過降雨、酸化等作用向周邊地域分散從而導(dǎo)致重金屬污染問題17-18 。2. 2 礦區(qū)土壤中重金屬污染特點金屬礦區(qū)

8、含重金屬廢棄物種類繁多,對環(huán)境的危害方式和污染程度都不一樣,污染的范圍普通以廢棄堆為中心向周圍分散,其重金屬的含量明顯高于礦區(qū)的土壤背景值。如普通的有色金屬礦區(qū)附近的土壤中,鉛含量為正常土壤中含量1040 倍,銅含量為520 倍,鋅含量為510 倍19 。3 礦區(qū)重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)目前,對于礦區(qū)重金屬污染土壤的修復(fù)主要采用物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)和植物修復(fù)技術(shù)。物理化學(xué)修復(fù)是改動重金屬賦存形狀,降低其活性,使其鈍化,脫離食物鏈,減小其毒性,主要包括化學(xué)固化、土壤淋洗和電動修復(fù)等技術(shù)。植物修復(fù)是利用特殊植物吸收土壤中的重金屬,然后將該植物除去,主要包括植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定。 重金屬污染土壤

9、的微生物修復(fù)研討和運用較少報道，僅在近幾年才引起人們的廣泛注重。重金屬污染土壤的微生物修復(fù)主要有生物吸附和生物氧化復(fù)原方法，前者是重金屬唄微生物吸附的處置方法，后者那么是利用微生物改動重金屬離子的氧化復(fù)原形狀以降低環(huán)境和水體中的重金屬程度的方法。3. 1 物理化學(xué)技術(shù)3. 1. 1 化學(xué)固化化學(xué)固化就是參與土壤添加劑(固化劑) 改動土壤的理化性質(zhì),經(jīng)過重金屬的吸附或(共) 沉淀作用改動其在土壤中的存在形狀,從而降低其生物有效性和遷移性。污染土壤中的重金屬被固定后,不僅可減少向土壤深層和地下水遷移,而且有能夠重建植被。固化的關(guān)鍵在于勝利地選擇一種經(jīng)濟而有效的固化劑,常用的主要有石灰、磷灰石、沸石

10、、磷肥、海綠石、含鐵氧化物資料和鋼渣等20 。不同固化劑固定重金屬的機理不同,如石灰主要經(jīng)過重金屬本身的水解反響及其與碳酸鈣的共沉淀反響機制降低土壤中重金屬的挪動性21 。固化方法能在原位固化重金屬,從而大大降低本錢。但固化方法并不是一個永久措施,重金屬只是改動其在土壤中的存在形狀,仍存留在土壤中,土壤很難恢復(fù)到原始形狀,不適宜進一步利用。3. 1. 2 土壤淋洗土壤淋洗是經(jīng)過提取劑將土壤固相中的重金屬轉(zhuǎn)移至液相中,含有提取劑的土壤經(jīng)清水淋洗除去殘留的提取劑,處置后的土壤可歸復(fù)原位再利用,富含重金屬的廢水可進一步處置回收重金屬和提取劑。淋洗的關(guān)鍵在于提取劑的選擇,可用來提取土壤重金屬的主要有:

11、硝酸、鹽酸、磷酸、硫酸、氫氧化鈉、草酸、檸檬酸、EDTA 等。EDTA 能在很寬的pH范圍內(nèi)與大部分金屬構(gòu)成穩(wěn)定的復(fù)合物,現(xiàn)已證明EDTA 是最有效的螯合提取劑。但EDTA 價錢昂貴,對EDTA 的回收還存在許多未處理的技術(shù)問題。有機酸(如檸檬酸、草酸) 是天然有機螯合劑,對環(huán)境無污染,易被生物降解,對重金屬的去除才干也比較穩(wěn)定22 。3. 1. 3 電動修復(fù)電動修復(fù)是指經(jīng)過對污染土壤施加直流電壓,憑仗土壤的天然導(dǎo)電性加載電流構(gòu)成電場梯度,土壤中的污染物質(zhì)在電場作用下經(jīng)過電遷移、電滲流或電泳的方式遷移到電極兩端從而去除土壤中的重金屬。研討結(jié)果闡明,土壤中的重金屬如鎘、鉛、鋅、鉬、銅、鎳、鈾及有

12、機化合物(如多氯聯(lián)苯等)都適宜電動力學(xué)修復(fù),在低浸透性土壤中去除效果更好,最高去除率可達90 %以上23 。其主要有Lasagna 技術(shù)、陽極陶土外罩法和電動力學(xué)生物修復(fù)等方法。(1)Lasagna 技術(shù)。Lasagna 技術(shù)是一種綜合的土壤原位修復(fù)技術(shù)。該工藝是在污染土壤中建立近似斷面的浸透性區(qū)域,經(jīng)過向里面參與適當?shù)奈镔|(zhì)(吸附劑、催化劑微生物、緩沖劑) 將其變成處置區(qū),然后采用電動力學(xué)法使污染物(如重金屬) 從土壤遷移至處置區(qū),在吸附、固定等作用下得到去除。適用于低浸透性土壤或者是包含低浸透性區(qū)域的非均相土壤。已運用在美國肯塔基州Paducah 現(xiàn)場,其本錢(50120 美圓/ m3 )

13、較土壤化學(xué)氧化法(130 200 美圓/ m3 )低24 。另外還可用于修復(fù)不同污染物引起的復(fù)合污染,但其最大缺陷是容易捕獲電極反響產(chǎn)生的氣體,產(chǎn)生電極極化景象。為提高Lasagna 技術(shù)的效率,一些研討者開場研討將Lasagna 與生物修復(fù)法結(jié)合起來處置土壤重金屬污染。(2) 陽極陶土外罩法。陽極陶土外罩法研討了非飽和性土壤中重金屬污染的去除。在非飽和性土壤中,電動力學(xué)修復(fù)的效率與土壤的含水率有關(guān),隨著水的電解進展,陽極附近土壤含水率下降,從而土壤導(dǎo)電性降低而使經(jīng)過的電流下降。為了堅持一定的電流強度,可經(jīng)過陽極上的陶土外罩向土壤加水。目前該方法已開場運用于現(xiàn)場修復(fù),但在實踐操作中要思索加水量

14、的問題,加水過多會使污染物滲入更深的土層中25 。(3) 電動力學(xué)生物修復(fù)法。電動力學(xué)生物修復(fù)法是經(jīng)過特殊的生物電技術(shù)向土壤土著微生物參與營養(yǎng)物質(zhì)(主要是硝酸鹽類) ,由于微生物對外界供應(yīng)的電化學(xué)能量有接受的本性,添加的營養(yǎng)物能有效地添加微生物群體活性,促進其生長、繁衍,提高對污染物的降解才干。其反響過程是將營養(yǎng)物參與電極井,外加電場使之分散進入土壤中被微生物利用26 。3. 2 植物修復(fù)技術(shù)植物修復(fù)是指將某種特定的植物種在重金屬污染的土壤上,而該種植物對土壤中的污染元素有特殊的吸收和吸附才干,將植物收獲并進展妥善處置(如灰化回收) 后即可將該種重金屬移出土體,到達污染治理與生態(tài)修復(fù)的目的。根

15、據(jù)其作用過程和機理,可分為植物提取、植物揮發(fā)和植物穩(wěn)定3 種類型。3. 2. 1 植物提取植物提取是指利用超積累植物從土壤中富集一種或幾種重金屬,將其轉(zhuǎn)移并存貯至植物根部可收割部位和地上莖葉部位,經(jīng)收割后進展集中處置。植物提取又可以分為2 種類型：一種是繼續(xù)植物提取,它是利用超積累植物來吸收土壤重金屬并降低其含量的方法。另一種是誘導(dǎo)植物提取,它是利用鰲合劑來促進普通植物吸收土壤重金屬的方法。從土壤中可提取的污染物包括:鉛、鋅、鎘、銅、鉬、鎳等重金屬以及90Sr、Cs、239Pu、238U、234U 等放射性核素。目前已發(fā)現(xiàn)有500 多種植物可以超積累各種重金屬,廣泛分布于植物界的45 個科,如

16、印度芥菜和向日葵可大量積聚Pb、As、Hg、Cr、U、Ce、Zn 等重金屬;香蒲植物、綠肥植物天葉紫花苕子對Pb 具有超耐性,羊齒類鐵角蕨屬植物對Cd 有超耐性;黃頜蛇草對土壤中Hg 的去除率可到達41 %27 。3. 2. 2 植物揮發(fā)植物揮發(fā)是利用植物去除環(huán)境中的一些揮發(fā)性污染物,即植物將污染物吸收到體內(nèi)后又將其轉(zhuǎn)化為氣態(tài)物質(zhì)逸出土體后再回收處置。目前研討較多的是Hg 和Se。將細菌體內(nèi)的汞復(fù)原酶基因轉(zhuǎn)入擬南芥屬植物中,所得到的轉(zhuǎn)基因植物比對照植物的耐汞才干提高了10 倍,并可將從土壤中吸收的汞復(fù)原為Hg 揮發(fā)掉28 。許多植物可從污染土壤中吸收毒性大的化合態(tài)硒并將其轉(zhuǎn)化為根本無毒的二甲基

17、硒( (CH3) 2Se) 揮發(fā)掉,從而降低硒對土壤生態(tài)系統(tǒng)的毒性29 。由于植物揮發(fā)技術(shù)只適用于揮發(fā)性污染物,所以運用范圍很小,并且將污染物轉(zhuǎn)移到大氣中對人類和生物仍有一定的風(fēng)險,因此其運用遭到一定程度的限制。3. 2. 3 植物穩(wěn)定植物穩(wěn)定是指利用植物根系的吸收才干和宏大的外表積去除被污染土壤中的重金屬,以降低其生物有效性,防止其進入地下水和食物鏈,從而減少其對環(huán)境的污染。利用植物穩(wěn)定重金屬污染土壤最有運用前景的是Pb 和Cr。植物還可以經(jīng)過改動根際環(huán)境(如pH ,氧化復(fù)原電位) 來改動污染物的化學(xué)形狀。例如Cr6 + 具有較高的毒性,而經(jīng)過轉(zhuǎn)化構(gòu)成的Cr3 +溶解性很低,根本沒有毒性30

18、 。目前,該技術(shù)在礦區(qū)大量運用,如廢棄礦山的復(fù)墾工程,各種尾礦庫的植被重建等。值得留意的是,植物穩(wěn)定也并沒有將重金屬從土壤中徹底去除,當土壤環(huán)境發(fā)生變化時仍能夠重新活化并恢復(fù)毒性。3.3 生物學(xué)方法生物學(xué)方法主要是利用特殊植物和微生物來去除土壤中的重金屬或降低重金屬的毒性。一些具有特定生理機制的植物可對重金屬吸附富集或與重金屬結(jié)合生成不具生物活性的化合物，從而去除重金屬或降低重金屬的毒性31。對于重金屬污染的土壤，可采取種植非食用植物或抗污染且能富集重金屬的植物的方法去除土壤中的重金屬32。收獲植物時連根拔起也可以到達去除重金屬的目的。利用微生物對某些重金屬的吸收、堆積、氧化和復(fù)原等作用，減小

19、植物攝取，從而降低重金屬的毒性33。目前環(huán)境科學(xué)研討中最活潑的領(lǐng)域之一就是運用遺傳基因工程等生物技術(shù)來培育對重金屬具有降毒才干的微生物，借此消除重金屬對土壤的污染。4 煤礦區(qū)土壤重金屬修復(fù)存在問題和今后開展方向礦區(qū)特別是尾礦庫的土壤遭到重金屬污染,其修復(fù)問題已非常迫切。物理化學(xué)技術(shù)修復(fù)重金屬污染土壤,不僅費用貴,難以運用于大規(guī)模污染土壤的改良,而且經(jīng)常導(dǎo)致土壤構(gòu)造破壞、生物活性下降和肥力退化等。利用超積累植物修復(fù)處理礦山重金屬污染土壤是一條高效、經(jīng)濟和綠色的治理途徑,今后應(yīng)加強順應(yīng)于不同礦山超累積植物的挑選與培育研討。在礦區(qū)重金屬土壤污染的治理實際中,針對礦山的詳細情況,加強污染土壤植物修復(fù)與

20、物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)相結(jié)合的綜合技術(shù)研討。到目前為止,國內(nèi)外已有一些較好的研討成果。如何將已有的研討成果經(jīng)過挑選、提煉優(yōu)化后用于礦山污染土壤的實踐修復(fù)中是迫切需求處理的問題。5 展望處理土壤重金屬元素的污染應(yīng)加強重金屬元素土壤生態(tài)化學(xué)行為和修復(fù)技術(shù)的研討, 特別是運用前景大的植物技術(shù)和微生物技術(shù), 尋求多種修復(fù)技術(shù)的綜合運用。運用基因重組技術(shù)培育超高量累積植物處置污染土壤是值得討論的有效途徑之一。同時加強環(huán)境維護力度, 防止含重金屬元素的廢水進入環(huán)境, 留意重金屬尾礦的處置防止重金屬淋溶進入土壤環(huán)境, 從源頭上消除重金屬元素對土壤的污染, 積極推進生態(tài)農(nóng)業(yè)和綠色食品的開展進程。參看文獻:1 李永庚

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