金属矿山重金属污染废弃地土壤修复技术研究

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0517-6611(2010)22-11954-03ResearchonSoilRemediationTechnologyofHeavyMetalPollutionAbandonedLandinMetalMineGUOWei-junetal(ChongqingInstituteofGeology&MineralResources,Chongqing400042)AbstractPeoplehavestartedtolookatheavymetalpollution,especiallyheavymetalpollutioninabandonedmine.Becauseofitshiddenna-ture,long-termnature,irreversibility,heavymetalsaredifficulttobedegraded.Heavymetalscanenterthefoodchaintohazardhumanhealth.Themodeofoccurrenceofheavymetalionswasanalyzed.Thephysica,lchemica,lbiologicaltechniquesofheavymetalsexistedincurrentstageweresumup.Andtheadvantagesanddisadvantageswereanalyzed.Phytoremediationisapromisingremediationtechnologyandlarge-scalepopularizationhascertainsuitability.Ashyperaccumulatorhavesomeshortcomings,alotofworkarestiilneededtobedoneintheselectionandapplicationofhyperaccumulator.KeywordsMetalmine;Heavymeta;lSoilpollution;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100a;Cu、Mn、Mo和Zn为1000a;Co、Pb、Ni、Cr和V为10000a。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.iSc.i2010,38(22):11954-11956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