利用植物修復(fù)煤矸石山土壤污染的技術(shù)分析研究

劉朝陽(yáng)

(華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)有限公司節(jié)能環(huán)保部，山西 陽(yáng)泉 045000)

矸石山是環(huán)境污染源，尤其對(duì)地下土壤的污染。這種污染體現(xiàn)在礦井排水、廢物處理、沉降等現(xiàn)象。具體來說，矸石的開采和加工應(yīng)當(dāng)是環(huán)境保護(hù)關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)榱缀推渌卸疚⒘吭卮罅看嬖冢讌⑴c了許多復(fù)雜的環(huán)境循環(huán)，研究表明，離子磷一旦進(jìn)入環(huán)境，就可以轉(zhuǎn)化為有機(jī)磷化合物，對(duì)大多數(shù)生物體具有高度毒性。此外，由于磷化物毒性已經(jīng)在世界各地引發(fā)了嚴(yán)重的環(huán)境警報(bào)。在這種情況下，通過自然植物處理土壤是一種降低該基質(zhì)中磷染物濃度的合適技術(shù)。特別是植物處理技術(shù)，經(jīng)常被用于修復(fù)重金屬和半金屬污染，包括磷和砷。這些技術(shù)通過化學(xué)反應(yīng)、粒徑分離或自然沉淀將污染物濃縮成小體積來去除土壤中的污染物。因此，植被通過利用含金屬顆粒和土壤顆粒的特性(大小、密度、疏水表面性質(zhì)、磁性)之間的差異來濃縮污染物[1]。植物修復(fù)技術(shù)在處理大量土壤污染時(shí)具有成本效益，植物處理非常適合于矸石山周圍土壤的修復(fù)。

1 矸石山土壤材料分析

1.1 土壤取樣

研究對(duì)象的矸石山地下土壤是由朱砂(硫化汞)、雄黃和副蠟石組成的，富含黃鐵礦和砷酸石，同時(shí)包含大量磷化物。這些磷化物在煤矸石工廠無法處理，在礦物被研磨時(shí)形成了磷蒸汽，然后濃縮成磷化物。污染土壤和顆粒的排放以及采礦廢物的傾倒嚴(yán)重影響了約8萬(wàn)m2的周邊地區(qū)土壤。目前，磷污染物在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的分布主要是由于棄渣堆廢物的分散、富含磷材料氧化以及與土壤顆粒相關(guān)絡(luò)合和固定化過程而形成的。為了進(jìn)行土壤污染修復(fù)的可行性研究，采用不銹鋼螺旋鉆和鏟子從傾斜深度的地層收集具有代表性的土壤樣品。土壤通過2 cm的現(xiàn)場(chǎng)篩網(wǎng)去除巖石碎片、植被和其他大型材料；最后，將矸石山土壤樣品均質(zhì)儲(chǔ)存在惰性瓶中[2]，如圖1所示。

圖1 取樣土壤材料示意圖

1.2 土壤特征分析

利用玻璃電極在土壤和水懸浮液(1∶2.5)中測(cè)量pH，并在同一提取物(稀釋1∶5)中測(cè)量電導(dǎo)率[3]。有機(jī)質(zhì)采用點(diǎn)火法測(cè)定有機(jī)物含量，用AA200氯化銨提取可交換磷離子，用原子吸收/發(fā)射分光光度法分析儀測(cè)定磷化合物。將樣品的放在水中，然后進(jìn)行5 min土壤粒度分析標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。在傳感器的幫助下獲取這些數(shù)據(jù)，然后在50 ℃的環(huán)境下干燥和稱重[4]。為了完成粒度分布，使用激光衍射粒子分析儀對(duì)粉砂-黏土組分進(jìn)行了成分研究。采用光譜測(cè)相方法對(duì)其代表性樣品進(jìn)行化學(xué)分析。然而，對(duì)其中一些餾分進(jìn)行了細(xì)分，以獲得礦物學(xué)和比重研究的進(jìn)一步樣本。圖2所示為磷化合物在光譜分析中的反應(yīng)曲線，與土壤和水懸浮液濃度趨于線性關(guān)系。

圖2 磷化合物吸光度和濃度關(guān)系示意圖

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)建立

矸石山周邊土壤除去石頭、樹枝等物體后，將土壤制備成混合溶液，最后將沉淀物放入0.5 m3的混合容器中，攪拌20 min直至混合均勻。創(chuàng)建了黑麥草、車前草、狗尾草、狼尾草4種植物對(duì)照組，然后將每個(gè)組內(nèi)滴入黑麥草、車前草、狗尾草、狼尾草提取的營(yíng)養(yǎng)液。將10 kg混合沉淀物放入12個(gè)自制的封閉水(Φ200 mm×1 000 mm)測(cè)試裝置中[5]，并用注射器沖洗壁。虹吸用于將土壤混合液引入測(cè)試裝置中至90 cm的高度，形成約30 cm沉積物和60 cm含水層的測(cè)試系統(tǒng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)取樣

該土壤混合液在實(shí)驗(yàn)室自然條件下穩(wěn)定10 d，然后抽取上層水100 mL，測(cè)定TP、TN、NH4-N、CODcr、濁度等理化指標(biāo)，主要針對(duì)對(duì)土壤污染影響較大的TP指標(biāo)。根據(jù)磷鎖定劑的劑量，4種植物營(yíng)養(yǎng)液的劑量分別為1 kg/m2。與200 mL水混合后，用注射器(梅花注射法)將脈石劑量均勻地注射到土壤混合液的表面，并利用光敏測(cè)試元件分別將200 mL的0.5%磷化合物溶液注入4個(gè)測(cè)試裝置中形成磷基團(tuán)。新增一個(gè)對(duì)照組不加任何添加劑，僅加水200 mL，記為單獨(dú)對(duì)照組。加入4種植物營(yíng)養(yǎng)液材料后，每1 d～7 d從水面以下10 cm的取樣口取樣，開始時(shí)間間隔為2 d。不同操作次數(shù)的理化指標(biāo)變化較小，采樣間隔時(shí)間適當(dāng)增加。穩(wěn)定后每7 d收集一次樣品。在土壤混合液的表面1 cm～10 cm位液層取樣后立即分析TP等指標(biāo)數(shù)值[6]。運(yùn)行3個(gè)月后，分析了沉積物中總磷和不同形式的磷離子形態(tài)。實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)照組和各處理組未進(jìn)行人為改動(dòng)，實(shí)驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)存儲(chǔ)設(shè)備如圖3所示。

圖3 檢測(cè)儲(chǔ)存裝置示意圖

3 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 煤矸石對(duì)總磷量的影響

根據(jù)對(duì)土壤混合液的分析，煤矸石里面還含有很多雜質(zhì)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)造成一定程度的影響。首先分析煤矸石的影響因素，煤矸石中還有多種重金屬，其中殘?jiān)鼞B(tài)是重金屬在煤矸石中分布的主要存在形式，主要包括了Zn、Pb、Cu 和Ni重金屬的存在。殘?jiān)鼞B(tài)和弱酸溶態(tài)所占煤矸石總體比例的48%～69%，氧化物結(jié)合態(tài)和有機(jī)結(jié)合態(tài)占總體比例為31%～52%，在外界干擾因素下，應(yīng)當(dāng)注意使用植被修復(fù)煤矸石土壤的安全風(fēng)險(xiǎn)。如圖4所示，為煤矸石土壤中重金屬形態(tài)的分布情況。

圖4 煤矸石土壤中重金屬形態(tài)分布示意圖

3.2 植物對(duì)土壤修復(fù)的對(duì)比分析

黑麥草、車前草、狗尾草、狼尾草都是自然界常見的綠色植被，利用植被修復(fù)土壤，不僅能夠?qū)Νh(huán)境起到積極作用，還能打造綠色的環(huán)境。

本研究結(jié)果顯示，當(dāng)磷離子添加濃度由0 mg·kg-1增至100 mg·kg-1時(shí)，黑麥草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨之增加，轉(zhuǎn)運(yùn)能力增強(qiáng)，磷離子含量為100 mg·kg-1時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，當(dāng)磷離子含量由100 mg·kg-1增加到200 mg·kg-1期間，黑麥草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)有輕微的下降，下降幅度極低，由圖5可見，當(dāng)磷離子含量大于100 mg·kg-1時(shí)，黑麥草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)變化極小并趨于穩(wěn)定；狼尾草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)在磷離子添加濃度為0 mg·kg-1的對(duì)照組最大，之后隨著磷離子含量的增加，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)緩慢下降。由圖5可知，磷離子含量由150 mg·kg-1增至200 mg·kg-1時(shí)，狼尾草轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)的變化幅度趨勢(shì)平緩，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)數(shù)值趨于穩(wěn)定；當(dāng)磷離子添加量由0 mg·kg-1增加至50 mg·kg-1時(shí)，狗尾草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨之增大，在磷離子含量為50 mg·kg-1時(shí)狗尾草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)達(dá)到最大且小于1，之后，隨著磷離子濃度的增加而減??；車前草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)隨著磷離子濃度的增加而增大，呈上升趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)幅度變小，當(dāng)磷離子濃度為200 mg·kg-1時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)最大，但是小于1。整體來看，黑麥草和狼尾草的轉(zhuǎn)運(yùn)系數(shù)大于狗尾草和車前草，對(duì)磷離子的轉(zhuǎn)運(yùn)能力更強(qiáng)。

因此，在煤矸石山周圍附近應(yīng)當(dāng)種植黑麥草和狼尾草，通過上述兩種草類的栽種能夠有效地對(duì)煤矸石土壤進(jìn)行修復(fù)。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)定期作用兩種草類進(jìn)行修剪，使其在合理的區(qū)域內(nèi)生長(zhǎng)，才能達(dá)到最佳的土壤修復(fù)效果。

圖5 不同植物對(duì)土壤中磷離子的轉(zhuǎn)運(yùn)能力對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文成功地應(yīng)用了自然界中常見的黑麥草、車前草、狗尾草、狼尾草對(duì)煤矸石土壤進(jìn)行了修復(fù)。狼尾草在煤矸石山周邊對(duì)土壤中磷離子具有良好的去除效果，但對(duì)TP的抑制作用較差。狼尾草和黑麥草表現(xiàn)出良好的磷離子去除能力，應(yīng)當(dāng)聯(lián)合使用。由于煤矸石本身在固磷方面表現(xiàn)不佳，因此，黑麥草結(jié)合狼尾草比單純使用黑麥草具有更好降低有害磷化合物的作用?？梢?，綠色植物種植的修復(fù)技術(shù)具有成本低、效果好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的沉積物修復(fù)和固磷材料，可廣泛應(yīng)用于湖泊、水庫(kù)等緩流水體。本研究不僅為植物種植修復(fù)廢棄物轉(zhuǎn)化為寶藏的新途徑，而且為土壤修復(fù)提供了新材料，對(duì)解決煤矸石的環(huán)境污染、綜合利用土壤具有積極的價(jià)值。