煤礦區(qū)重金屬污染的危害及其治理技術(shù)分析

何振嘉

(陜西省土地工程建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075)

0 引言

煤炭資源是我國(guó)發(fā)展現(xiàn)階段所利用范圍最大的能源，由于國(guó)內(nèi)眾多煤礦管理水平低下、技術(shù)力量薄弱以及環(huán)保意識(shí)不足等，伴隨著煤礦開(kāi)采過(guò)程、冶煉階段以及礦藏開(kāi)采結(jié)束的尾礦區(qū)產(chǎn)生了大量的廢物污染物質(zhì)，如煤渣、煤矸石等固體廢棄物[1-3]。這些固態(tài)廢棄物在沒(méi)有合理安置和利用的情況下，不僅會(huì)壓占大量土地資源，會(huì)通過(guò)植物吸收、地表蒸發(fā)、土壤遷移沉降、地表水沖洗、降雨淋溶等方式通過(guò)大氣循環(huán)、水循環(huán)、地質(zhì)循環(huán)以及生物循環(huán)等造成大面積污染及危害[4-5]。其中，重金屬由于其自身隱蔽性高、潛伏周期長(zhǎng)、毒副作用強(qiáng)烈和難以自然降解的特點(diǎn)，對(duì)土體結(jié)構(gòu)、水源狀況以及動(dòng)植物健康造成的威脅是巨大的甚至是不可逆的[6]。

廣義的重金屬是指密度在4.5 g/cm3以上的金屬物質(zhì)，在煤礦區(qū)普遍常見(jiàn)的有Cd、As、Pb、Cu、Ni、Co、Cr、Zn等[7]，重金屬含量富集超過(guò)一定程度，就會(huì)對(duì)土壤理化性質(zhì)造成不良影響，通過(guò)食物鏈等方式進(jìn)入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)造成破壞，而煤礦區(qū)煤炭資源的開(kāi)采，會(huì)引起眾多重金屬含量超標(biāo)，不僅加劇了毒副物質(zhì)的排放，更嚴(yán)重污染了土體和土地利用[8]。環(huán)保部和國(guó)土資源部調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，礦區(qū)土壤超標(biāo)率達(dá)到33.4%，在2018年環(huán)保高壓態(tài)勢(shì)的干涉下，大量煤礦企業(yè)被政策性關(guān)停，階段性地緩解了煤礦開(kāi)采地區(qū)生態(tài)環(huán)境進(jìn)一步的惡化，但關(guān)于已污染區(qū)域重金屬土壤修復(fù)及尚未污染區(qū)域土壤重金屬污染預(yù)防方面的工作尚有不足。國(guó)務(wù)院出臺(tái)《土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃》，要求在全國(guó)范圍內(nèi)全面實(shí)施土壤污染治理，對(duì)煤礦區(qū)重金屬土壤污染修復(fù)將是未來(lái)要研究的重點(diǎn)[9]。

1 煤礦區(qū)重金屬污染引起的危害

煤礦周邊重金屬主要通過(guò)粉塵遷移沉降、煤矸石風(fēng)蝕淋溶以及煤礦區(qū)酸性廢水外排等方式遷移或富集于土壤造成污染[10]。重金屬污染能直接導(dǎo)致土地生態(tài)系統(tǒng)退化、農(nóng)作物減產(chǎn)及嚴(yán)重威脅動(dòng)植物健康，重金屬元素易于在土壤中富集，且其穩(wěn)定性強(qiáng)、波及范圍廣，在自然條件下難以降解，富集于土壤中的重金屬通過(guò)改變土壤理化特性并影響土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)直接造成種植的作物品質(zhì)降低，一些Cu、Cd、As、Pb等重金屬超標(biāo)甚至?xí)鹱魑餃p產(chǎn)或絕收[11]。重金屬元素可以被作物吸收，通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體的各種有毒害元素在體內(nèi)積聚到一定程度能引發(fā)中毒，一些嚴(yán)重的重金屬污染甚至可以通過(guò)放射性衰變產(chǎn)生α、β及γ射線(xiàn)，對(duì)肝臟、腎臟及肺臟等器官造成損傷甚至癌變[12]。另外，重金屬元素會(huì)隨著地表蒸發(fā)和植物蒸騰作用逸散于大氣中，部分會(huì)伴隨降雨返回地表匯入地表水和地下水，造成水體污染，且隨著水流運(yùn)動(dòng)蔓延范圍極廣。重金屬污染隱蔽性極高，一般來(lái)說(shuō)不易被肉眼所察覺(jué)，一旦引發(fā)問(wèn)題將是較為嚴(yán)重且不可逆的巨大危害，引發(fā)嚴(yán)重的土壤、大氣及生態(tài)功能退化。不僅如此，重金屬污染還在一定程度上對(duì)土壤中的微生物群落生存環(huán)境發(fā)生改變，減少生物多樣性活力[13]。

2 煤礦區(qū)重金屬污染修復(fù)技術(shù)

2.1 物理化學(xué)修復(fù)技術(shù)

物理化學(xué)修復(fù)是指不改變土壤的理化特性，而是直接將土壤中重金屬的賦存狀態(tài)進(jìn)行改變，降低重金屬物質(zhì)在土壤中遷移能力和速率、閉塞或降低其在生物鏈中的通道，隔離其有毒害物質(zhì)進(jìn)入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。主要通過(guò)客土置換、表土剝離、土壤深耕、化學(xué)固化、土壤淋洗及電動(dòng)修復(fù)等方法去除或降低重金屬污染物質(zhì)對(duì)土壤產(chǎn)生不良影響的方式[14]。物理修復(fù)方法因其操作簡(jiǎn)單、不會(huì)輕易引起其他負(fù)面作用被廣泛應(yīng)用于我國(guó)土壤修復(fù)領(lǐng)域，但適用范圍主要在于受重金屬污染程度較輕的地區(qū)?；瘜W(xué)修復(fù)方法最常用的是通過(guò)固定或鈍化重金屬的方式降低其污染程度。此外，由于重金屬理化性質(zhì)的特殊性，較多研究通過(guò)在土壤中添加改良劑，利用改良劑與重金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀物的方式以增強(qiáng)土壤對(duì)重金屬的吸附沉淀作用。但部分改良劑的添加，會(huì)使土壤中某些金屬的可提取態(tài)含量增加，天然提取高分子化合物改良劑會(huì)引起植物中毒等。值得注意的是，物理化學(xué)修復(fù)能較為有效地對(duì)重金屬污染面積較小的區(qū)域進(jìn)行土壤修復(fù)，污染面積過(guò)大，修復(fù)成本較高，操作過(guò)程中可能會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，部分沉淀物常年積累于土壤中難以外排，對(duì)污染土壤不當(dāng)?shù)奶幹萌菀壮蔀樾碌沫h(huán)境污染源，另外會(huì)引起土壤結(jié)構(gòu)破壞、生物活性下降和肥力退化等問(wèn)題。

2.2 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)相較于物理化學(xué)修復(fù)而言具有很鮮明的特點(diǎn)，是通過(guò)植物、動(dòng)物和微生物等有機(jī)生命體進(jìn)行污染土壤修復(fù)，其中應(yīng)用最為廣泛的是利用植物、微生物或植物與微生物聯(lián)合進(jìn)行重金屬污染物修復(fù)。主要是通過(guò)植物根系或其分泌物吸收、降解、轉(zhuǎn)化和固定土壤中重金屬的方式[15]。有研究表明，植物根系可將土壤中富集重金屬元素吸收并通過(guò)植物葉片呼吸作用轉(zhuǎn)換為氣體釋放至大氣中，另外可以通過(guò)代銷(xiāo)作用將重金屬元素轉(zhuǎn)移至植物體內(nèi)。但利用種植植物進(jìn)行重金屬污染修復(fù)周期較長(zhǎng)，且植物生長(zhǎng)受自然條件限制較多，通過(guò)呼吸作用和吸附作用也容易引起二次污染。而動(dòng)物和微生物修復(fù)主要是利用土壤中的蚯蚓、細(xì)菌、真菌和藻類(lèi)等通過(guò)吸收、轉(zhuǎn)化、降解、沉淀、氧化和還原等作用去除或降低土壤中重金屬等污染物，此方法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)污染物的去除較為徹底，效果好，不易產(chǎn)生二次污染，但是面對(duì)土壤重金屬污染程度較大、或重金屬污染物種類(lèi)較多的情況，土體中的動(dòng)物和微生物數(shù)量不足或沒(méi)有特定可降解某類(lèi)重金屬元素時(shí)，時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本均較高，土壤修復(fù)效果也不明顯。

2.3 生物炭固定修復(fù)技術(shù)

生物炭是利用農(nóng)業(yè)廢棄有機(jī)物在缺氧情況下經(jīng)熱解炭化制備形成的物質(zhì)，其比表面積和孔隙率較大、陽(yáng)離子交換容量豐富、表面團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，在土壤重金屬污染物吸附和固定方面已有了較大突破，且具有無(wú)污染、經(jīng)濟(jì)投入低、修復(fù)周期較短、修復(fù)效果顯著等特點(diǎn)[16-17]。生物炭固定法結(jié)合了生物化學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)，能利用吸附、沉淀、絡(luò)合、離子交換等有效降低重金屬遷移性。生物炭中由于含有大量的可溶性碳酸鹽和磷酸鹽等成分，會(huì)與土壤中的重金屬元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)生產(chǎn)相應(yīng)的化學(xué)鹽等物質(zhì)進(jìn)行沉淀，有研究表明，對(duì)土壤施加生物炭，會(huì)導(dǎo)致土壤pH值偏堿性，會(huì)結(jié)合土壤中的Zn、Pb及Cd等生成氫氧化物沉淀。另外，由于其本身就是一種有機(jī)質(zhì)，施加于土壤中能有效提高土壤肥力，對(duì)土壤理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)具有較好的調(diào)節(jié)作用。生物炭對(duì)土壤重金屬修復(fù)能力影響因素主要為制備生物炭材料的溫度、材料自身理化特性、生物炭施加量等。可以看到的是，生物炭施加量和施加種類(lèi)對(duì)土壤重金屬污染的影響較大，如盲目地施加生物炭,生物炭量過(guò)大或過(guò)小，對(duì)煤礦區(qū)重金屬污染修復(fù)的效果和成本以及由施加生物炭過(guò)量而引起的危害也是十分嚴(yán)重的。另外，有研究表明，對(duì)生物炭添加改性材料，對(duì)提高生物炭比表面積及降低土壤中重金屬含量效果顯著[18-20]。

3 結(jié)語(yǔ)

煤礦區(qū)因煤炭開(kāi)采、礦物冶煉、煤矸石堆積外排等引起的重金屬污染嚴(yán)重危害大氣、水土、土壤及生物系統(tǒng)，而針對(duì)不同重金屬污染現(xiàn)狀的物理化學(xué)修復(fù)、生物修復(fù)、生物炭修復(fù)等方法依據(jù)于各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)也已廣泛應(yīng)用于土壤修復(fù)領(lǐng)域。另外，針對(duì)產(chǎn)生重金屬污染重要來(lái)源的煤矸石的綜合利用方面也進(jìn)行了大量研究工作，尤其是利用煤矸石作為填充物進(jìn)行復(fù)墾造地方面取得了一定成果，不但解決了煤矸石外排堆放引起的重金屬污染問(wèn)題，也通過(guò)工程措施充分利用了煤矸石資源，對(duì)提高土地利用程度和減少污染物質(zhì)排放效果顯著，這也是煤礦區(qū)重金屬污染治理的一項(xiàng)重要舉措。雖然對(duì)煤礦區(qū)重金屬整治技術(shù)有了較多的發(fā)展，但需要清醒認(rèn)識(shí)到的是，重金屬污染治理的重點(diǎn)在于“防”，只有建立有效的預(yù)防機(jī)制，才能從根本上緩解重金屬污染帶來(lái)的嚴(yán)重危害。