金属矿山重金属污染废弃地土壤修复技术研究.doc

金属矿山重金属污染废弃地土壤修复技术研究 郭维君1,2,3,蒋孝文1,陈学军4,杨明显1,陈书文1,覃世福1 1.重庆地质矿产研究院,重庆400042;2.重庆市国土资源和房屋管理局矿产地质与环境地质重点实验室,重庆400042; 3.煤炭资源与安全开采 国家重点实验室重庆研究中心,重庆400042;4.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林541004 摘要 重金属污染问题,目前已受到人们的重视,尤其对于矿山废弃地的重金属污染。重金属污染由于其隐蔽性、长期性、不可逆性很 难被生物降解,同时还能进入食物链危害人来健康。分析了重金属离子的赋存状态,总结了现阶段存在的重金属污染的物理、化学、生 物技术,并分析其优缺点。植物修复是一种很有潜力的修复技术,在大面积推广具有一定的适宜性,由于超富集植物还存在一定的缺 点,在筛选和运用方面还需做大量的工作。 关键词 金属矿山;重金属;土壤污染;修复技术;植物修复 中图分类号 X171.4 文献标识码 A 文章编号 0517-6611201022-11954-03 Research on SoilRemediation Technology ofHeavyM etalPollution Abandoned Land inM etalM ine GUO W ei-jun et al Chongqing Institute ofGeologyHeavymeta;l Soilpollution;Remediation;Phytoremediation 基金项目 广西自治区矿山地质环境治理项目国土资源发[2006]4 号。 作者简介 郭维君1983- ,男,湖南长沙人,硕士,工程师,从事地质 与环境方面的工作。 收稿日期 2010-04-19 矿业废弃地是指因采矿活动所破坏和占用的、未经治理 而无法使用的土地。它主要包括排土场、尾矿、废石堆、采矿 区和塌陷区等[1]。排土场、废石堆、采矿区中的重金属通过 与周围环境的物理、化学作用及风力、地表水、地下水的搬运 作用而进入周围土壤,引起周围土壤肥力下降、农作物减产。 尾矿是经过冶炼而排出,一般呈酸性,含有大量的重金属离 子,在降雨溢流的情况下污染周围土壤,破坏附近地表、地下 水资源。最严重的是重金属被周围的农作物吸收而进入食 物链,危害人类健康。重金属污染具有以下三大特点①隐 蔽性,往往重金属离子污染积累到一定程度才能表现出来。 ②长期性,据Allaway的估算[2]进入土壤的重金属,通过植物 吸收使其在土壤中消失的时间As和Cd为100 a;Cu、Mn、Mo 和Zn为1 000 a;Co、Pb、Ni、Cr和V为10 000 a。③不可逆 性,矿物中的重金属离子进入环境需要经过氧化作用,因此 往往是一个不可逆过程。基于重金属以上特点及危害性,重 金属污染土壤的治理就成为世界研究的热点和难点[3-4]。 1 重金属赋存状态及评价方法 重金属的赋存状态主要包括可交换态、碳酸盐结合态、 铁锰氧化物结合态、有机及硫化物结合态、残渣态等,也有人 将其归结为矿物态、吸附态、水溶态、络合态等。可交换态主 要通过离子交换和吸附而结合颗粒表面,可交换态具有流动 性易于迁移转化和吸收,对植物影响较大。一般可交换态约 为总量的10。铁锰氧化物由于具有大的比表面对重金属 离子具有较大的吸附性,一般可利用性不高。有机态在氧化 的条件下容易溶出,对环境有一定的影响。残渣态一般不易 被植物吸收。以铅为例,土壤中水溶态很少,主要以难溶性 盐以及络合态存在。重金属在土壤中迁移能力较弱主要与 他们的赋存状态有关。重金属污染评价方法主要有总量法、 环境地球化学法、实验模拟法、植物指示法。总量法用重金 属在环境中的总量来计算,其结果往往不准确[5]。环境地球 化学法主要分析矿渣和尾矿中的赋存状态,确定其赋存矿物 的抗风化能力。也有人将重金属评价方法分为地质累积指 数法、标准化方法、潜在生态危害指数法、植物指示法等。此 种评价方法主要在评价过程中考虑中考虑人为污染因素、地 质环境背景值、重金属的扰动情况、环境对重金属的敏感程 度等方面的因素。植物指示法是利用植物吸收重金属的量 来判断重金属污染程度或评价重金属的生物可利用性[6]。 由于生活在土壤中的植物会不同程度的吸收一部分重金属, 一般会随着土壤重金属含量的增加而相应增加,也就是植物 中的重金属含量与土壤中的含量呈正相关。植物指示法优 点是成本较低,缺点是由于植物吸收重金属受多种因素的影 响,其指示结果有一定的偏差,往往需要和其他评价方法相 结合使用。 2 重金属对土壤及植物的影响 重金属对土壤的影响主要包括对土壤有机质积累的影 响、对土壤动物的影响及对土壤微生物的影响。有研究报 道,长期施用城市污泥后,由于重金属在土壤中积累,土壤微 生物的生物量下降[7-9];土壤重金属的积累可影响土壤微生 物的活性和有机碳、氮的分解[10-13]。土壤微生物是物质循 环的重要组成部分,土壤生物量下降及活性降低将引起有机 质积累。张明奎等通过研究重金属污染强度对土壤有机质 矿化动态变化的影响,结果表明重金属的大量积累可减弱 有机物质的矿化速率,增加土壤有机质的积累;土壤中颗粒 态有机质及其占总有机碳的比例增加;微生物生物量碳下 降[14]。重金属对土壤动物的影响方面,杨旭等认为动物富 集重金属主要与下列因素有关①土壤特性,包括有机质的 责任编辑 胡剑胜 责任校对 李岩安徽农业科学, JournalofAnhuiAgr.i Sc.i 2010,382211954-11956量、pH值等指标;②动物的空间分布;③动物的取食习性 等[15]。重金属积累主要对动物个体和群落结构有影响。主 要体现在土壤动物的个体数量和种类都减少,群落结构变简 单。重金属积累对植物的影响方面主要体现在对植物细胞 的破坏,主要体现在细胞膜透性改变、对酶的影响、扰乱呼吸 作用、对染色体的破坏等几个方面[16]。 3 重金属污染废弃地治理技术 矿山重金属污染废弃地治理又成为矿山复垦,广义的矿 山复垦是把矿山废弃地改造成可供利用的状态。我国目前 由于人多地少的矛盾突出,人们收入水平较低,考虑到修复 成本及经济效益的问题,主要为农业复垦。由于农业复垦存 在农作物生态安全性问题,必须对重金属污染进行治理。目 前重金属污染治理技术主要包括物理法、化学法、生物法,这 3种方法配合使用,效果更好。 3.1 物理法 物理修复方法主要有换土和深耕翻土法、客 土稀释、玻璃化技术、工程去除、热处理法等。换土法能有 效去除土壤中的重金属,但是工程量大,二次处理也是需要 考虑的问题,一般适用于污染严重的集中土壤。深耕翻土 主要是将表层含重金属离子土翻到底部,由于重金属污染 大多集中于土壤表层,原理与客土稀释法相类似,一般适用 于污染较轻的地块,不适用于矿山尾矿区。玻璃化是利用电 极加热将污染的土壤熔化,冷却后形成比较稳定的玻璃态物 质,经过融化的玻璃态物质稳定性好,但是消耗了电能造成 成本较高。 3.2 化学法 化学修复主要包括化学固定、化学淋洗、电动 修复等。化学淋洗主要是用含有某种配位体的溶液淋洗土 壤,配位体倾向于与重金属形成具有一定稳定常数的络合 物。日本用稀盐酸或EDTA淹水清洗土壤重金属效果较好。 清洗1次可使耕层土壤镉含量降低50,清洗2次使米镉减 少80,对Fe、Zn效果最好,Mn、Ni效果较差[17]。化学固定 主要是施加土壤改良剂来稳定重金属,一般添加碳酸盐、磷 酸盐、氧化物等,使之与重金属离子结合,降低其活性,施加 改良剂要具有针对性,同时应注意在一定的条件下重金属离 子的复活。运用电化学法可以回收重金属,由于其实用性较 差,因此存在一定的局限性。 3.3 微生物修复法 微生物对生物降解有促进作用,加速 自然界的物质循环,有些微生物能吸附一定量的重金属,日 本发现一种嗜重金属菌,能有效地吸收土壤中的重金属[18]。 很多微生物在自然条件下,通过氧化-还原作用、甲基化作 用和脱烃作用等,参与自然界中重金属的转化,将重金属转 化为无毒或低毒的化合物形式[1]。目前很多利用微生物与 超富集植物联合使用,提高了超富集植物的富集效率,取得 了很好的效果。如Whiting等利用Zn的超积累植物结合植 物根际细菌的应用结果表明,重金属得到明显的活化,提高 了植物对Zn的吸取[19]。 3.3 植物修复技术phytoremediation 由于物理、化学、微 生物等方法往往存在投资昂贵、流程复杂、存在二次污染以 及适用条件等原因,不能大面积的推广。植物修复技术由于 成本低、效果良好、不破坏环境等优点,正成为农业和环境科 学领域研究和开发的热点[20-21]。植物修复技术广义上是指 利用植物提取、吸收、分解、转化或固定土壤、沉积物、污泥或 地表、地下水中有毒有害污染物技术的总称[22]。狭义的植 物修复技术主要指植物提取技术。目前主要运用超富集植 物对重金属植物进行吸收,以达到重金属去除的目的。超富 集植物主要由以下3个因素决定①植物体内某种或多种金 属元素浓度大于一定的临界值;②植物地上部的重金属含 量高于根部;③在重金属污染的土壤上能良好生长,不发生 重金属中毒现象。表征超富集植物的富集能力主要有富集 系数BAC和转移系数BTC。即植物体内某种重金属元 素含量与土壤中同种重金属含量的比值;植物地上部分重金 属的量与植物根中该重金属的量的比值。富集系数与转移 系数越大,植物的吸附效果越好。植物修复技术可分为植物 提取、植物挥发、根际过滤和植物固定4种类型。植物挥发 主要针对有挥发性的重金属如Hg等。目前运用最多的主要 为植物提取技术。目前已经发现超积累植物有45科500余 种,其中73为Ni的超积累植物[23]。其他发现的超富集植 物有鲁白、芥菜Pb[24]、龙葵、球果蔊菜Cd[25]、鼠麴草 Mn[26]、蜈蚣草As[27]、东南景天Zn[28]等。超富集植物 的影响因素主要有土壤肥力、温度、湿度、当地气候等。植物 本身的因素包括富集能力,生物量大小,目前很多超富集植 物植株普遍比较矮小,生物量低。有机化合物的影响,为了 克服超富集植物植株小,生长慢等的不足,在土壤中施加有 机化合物,阻挡重金属离子的沉淀,活化重金属离子,促进植 物的吸收。产生这种现象可能是有些有机化合物能改善植 物的输送系统功能,有利于重金属的运输;有机化合物活化 重金属,使得流离态的重金属离子增多,增加了重金属离子 的浓度;增加了运送重金属离子的酶的数量,从而增加了吸 附重金属离子的数量。 植物修复在我国起步较晚,目前我国矿山废弃地的复 垦,主要停留在运用客土、排土、农林种植等阶段,很少考虑 到农业生态恢复风险性,因此,必须加快矿山土壤污染的治 理,实现经济、有效、安全、环保的复垦方法。目前植物修复 植物真正用于矿山复垦的较少,今后的工作中应考虑以下方 面①筛选出生物量大、吸附能力强、能适应恶劣环境的超富 集植物。②筛选和培养具有对重金属具有排斥机制的农作 物、果树等植物,被认为是最有前途的方式。③改进采矿和 选矿、冶矿方法,尽量减少重金属离子向环境中的排放。 4 结论 随着我国经济的发展,矿业发展很快,矿山开采产生的 废弃地越来越多,据统计,在20世纪末,中国每年因采矿造 成的废弃地面积达3. 3万hm2 [29-30],更加加剧了我国人口 多,耕地资源少的矛盾。重金属污染由于其独特的性质,对 环境及人体的危害很大,在我国现有国情的条件下,如何经 济、有效、环保的去除重金属离子成为技术人员需要解决的 问题。目前,我国在重金属的污染机制研究取得了很大的进 步,今年来在重金属修复技术方面也取得了很大的进展,不 断有新技术涌现,但在大面积推广方面还需要解决一些实际 问题,尤其我国这种发展中国家。重金属植物修复被认为是 一种很有潜力的修复技术,对于大面积的推广具有一定的适 宜性,由于目前超富集植物还存在一定的缺点,在筛选和吸 1195538卷22期 郭维君等 金属矿山重金属污染废弃地土壤修复技术研究附效果方面还需做大量的工作。 参考文献 [1]于瑞莲,胡恭任.采矿区土壤重金属污染生态修复研究进展[J].中国 矿业,201,17240-43. 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[30]GAOL,WANGY,GEF.Environmentalmanagementandpollution control inmine [C]∥ProceedingRestoration andManagementofMinedLands Principles and Practice.Guangzhou,PRC,1996. 上接第11935页 2低频范围内LAS降解率随频率的增加而逐渐降低, 在低频条件下超声降解效果最好;大功率超声有利于LAS降 解;变幅杆直径对LAS降解率的影响显著。变幅杆直径越 大,降解率越高;溶液初始pH值增加,LAS降解率降低,酸性 条件有利于LAS降解。 3影响LAS降解率的各因素的显著性次序为超声功 率溶液初始pH值变幅杆直径超声频率。 4LAS的超声降解主要得益于空化泡气液界面上和本 体溶液内部与空化效应产生的强氧化剂H2O2及具有高度化 学活性的OH进行自由基氧化反应。具体的作用机理还有 待于进一步研究。 5超声降解水体中有机污染物,目前尚处于探索阶段, 要使其发展成为一项成熟的水处理技术,实现工业化,还有 许多问题亟待解决。如提高声能的利用效率,提高声解的速 率和程度,了解超声反应机理,避免有毒中间体或产物的产 生,而这些效果的获得在很大程度上与超声波反应器的合理 设计有关。另外,将超声降解与其他降解技术耦合,也具有 很大的发展潜力。 参考文献 [1]郭照冰,郑正,胡文勇,等.2,4-二硝基酚的超声波及协同降解研究[J]. 环境科学学报,2004,242237-241. [2]吴晓辉,周珊,陆晓华.高频超声降解造纸黑液的研究[J].工业水处 理,2006,241036-38. [3]赵德明,史慧祥,汪大翚.复频超声波氧化降解苯酚废水[J].化工学 报,2003,544570-574. [4]宁平,徐金球,黄东宾,等.超声辐射-活性污泥联合处理焦化废水 [J].环境科学,2006,24365-69. 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