c煤矿区土壤重金属污染及其防治

煤矿区土壤重金属污染及其防治

摘要：本文参考国内外关于煤矿区土壤重金属的最新研究成果，对煤矿区土壤重金属污染及其防治进行研究现状总结，并对其研究趋势作出预测和评价，重金属以其在土壤中难降解、毒性强、具有积累效应等特征受到科学家们的广泛关注。自70年代以来，它一直是多学科研究的活跃领域。本文拟对土壤重金属污染研究与治理予以讨论。

关键词：煤矿区土壤重金属污染防治

矿区环境治理和生态恢复具有重要意义。煤炭的生产与利用给人类文明和社会进步作出了巨大贡献, 但是随着煤矿资源的开采和利用, 矿业活动产生了大量的矿业固体废物, 其长期堆积在风化和雨水淋滤等作用下, 固体废物中的微量重金属元素迁移, 进入周围的土壤, 导致土壤重金属含量增加。这些有毒重金属元素不易被土壤生物所降解,在土壤中逐渐累积, 导致土壤污染, 影响农作物产量和质量, 并最终通过食物链危害人类的健康。[1]矿产资源是人类生产和生活的基本源泉之一,但矿产资源的开发在对国民经济发展起重要推动作用的同时,也带来了比较严峻的环境问题。采矿活动导致矿区重金属污染(表层土壤、地表水、地下水) 、土地退化、农作物减产和品质下降,直接危及到人体健康和矿产业的可持续发展。我国金属矿产资源丰富,共有大中型矿山9000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[2]。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[3] 。矿业开发所造成的土壤污染量大,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[4 ]。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。

目前在全球煤炭开采的国家和地区，矿业活动已产生大量的矿业固体废物，其长期堆积产生的重金属污染受到重视，土壤中的重金属主要包括汞、铬、镉、铅、铜、钴、锌、镍、硒、砷、锡等。巴西[5]、印度[7]等，针对煤矿区环境开展了大量研究工作。近年来，国内学者针对煤炭开发活动排放煤矸石的环境污染问题开展了相关研究工作，同时，也开展了土壤污染植物修复和矿区生态恢复研究工作。但对整个煤矿区因采矿活动引起的环境效应研究较少，尚无系统地研究不同开采历史矿井区土壤重金属污染规律的报道。矿山固体废物在其堆积和填埋过程中，长期处于与地下环境相异的地表环境，将受到水、生物、温度、压力、人类活动等多因素的综合影响，尾矿渣通过矿物风化溶解其所含的重金属从岩石圈进入水圈，从而在整个圈层中以多种途径循环[8]。

1 国内外土壤重金属元素背景值研究和煤矿塌陷区土地治理和复垦工作

1.1 国内外土壤重金属元素背景值研究

对土壤元素背景值方面的研究，30年来国内外做了大量的工作。1961年美国地质调查局(GC)在美国大陆本土开展背景值的调查工作，1984年发表了《美国大陆土壤及其地表物

质中的元素浓度》专项报告。1988年完成全国土壤背景值的研究工作，共分析近50个元素。日本于1978~1984年在全国范围内开展了表土和底土元素背景值调查，共测定了As、Cd、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb和Zn等8种元素，并提出元素背景值表示方法。

我国于70年代中期开展土壤元素背景值研究。1982年国家科委将土壤背景值调查研究列入“六五”重点科技攻关课题；1986年再次将其列为“七五”重点科技攻关课题，先后对除台湾省以外的省（区）所有土壤类型的元素背景值进行了调查，分析元素60余个；后来出版了《环境背景值数据手册》[9]、《中国土壤元素背景值》[10]等专著。

1.2 煤矿塌陷区土地治理和复垦工作

煤矿塌陷区土地治理和复垦工作一直是国内外土地科学的研究重点之一[11]。目前，我国矿区复垦土地以农业利用为主[12]，开展了复垦土壤性质、质量演变、生态恢复、肥力评价及复垦地规划等方面的研究[13]，近年来对复垦土壤的重金属污染研究引起了学者的重视[14]，但国内外这方面的研究较少[15]。土壤重金属是影响土壤质量的重要限制因素，而且与人体健康密切相关[16]，因此开展煤矿塌陷区复垦土壤的重金属分布及污染评价具有重要意义，可为今后土地复垦工作提供参考和有益借鉴。

2 矿区土壤中重金属的来源和污染特点

2. 1 矿区土壤中重金属的来源

矿区土壤重金属来源主要包括两个方面

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6590 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[17-18] 。

2. 2 矿区土壤中重金属污染特点

金属矿区含重金属废弃物种类繁多,对环境的危害方式和污染程度都不一样,污染的范围一般以废弃堆为中心向四周扩散,其重金属的含量明显高于矿区的土壤背景值。如一般的有色金属矿区附近的土壤中,铅含量为正常土壤中含量10～40 倍,铜含量为5～20 倍,锌含量为5～10 倍[19]。

3 矿区重金属污染土壤的修复技术

目前,对于矿区重金属污染土壤的修复主要采用物理化学修复技术和植物修复技术。物理化学修复是改变重金属赋存状态,降低其活性,使其钝化,脱离食物链,减小其毒性,主要包括化学固化、土壤淋洗和电动修复等技术。植物修复是利用特殊植物吸收土壤中的重金属,然后将该植物除去,主要包括植物提取、植物挥发和植物稳定。

重金属污染土壤的微生物修复研究和应用较少报道，仅在近几年才引起人们的广泛重视。重金属污染土壤的微生物修复主要有生物吸附和生物氧化还原方法，前者是重金属呗微生物吸附的处置方法，后者则是利用微生物改变重金属离子的氧化还原状态以降低环境和水体中的重金属水平的方法。

3. 1 物理化学技术

3. 1. 1 化学固化

化学固化就是加入土壤添加剂(固化剂) 改变土壤的理化性质,通过重金属的吸附或(共) 沉淀作用改变其在土壤中的存在形态,从而降低其生物有效性和迁移性。污染土壤中的重金