有色金屬礦山環(huán)境修復(fù)技術(shù)綜述

邵和東，王大鵬

（礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

礦產(chǎn)資源是社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)保障。我國礦產(chǎn)資源比較豐富，其已經(jīng)成為國民經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐。但是，消耗大量資源的粗放型經(jīng)濟增長模式嚴重影響礦產(chǎn)資源的可持續(xù)利用，大量廢物的產(chǎn)生嚴重威脅環(huán)境安全。有色金屬礦山采礦會對周邊生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞，引起水土流失和沙塵暴天氣。目前，我國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型穩(wěn)步推進，新發(fā)展理念逐漸深入人心，我國已經(jīng)進入礦產(chǎn)資源精細化開采和生態(tài)保護并重的歷史新階段。因此，有必要研究有色金屬礦山環(huán)境修復(fù)技術(shù)，推進礦山環(huán)境治理，進而打造綠色礦山。

1 礦山重金屬污染概述

重金屬是指密度大于4.5 g/cm的金屬，其非常容易富集，很難降解。礦山土壤中的重金屬主要包括汞（Hg）、鎘（Cd）、鉛（Pb）、鋅（Zn）、砷（As）、銅（Cu）、鉻（Cr）、鎳（Ni）和錳（Mn）等。土壤中的重金屬元素對動植物有重大影響：Hg、Cd和Pb影響植物的生長和發(fā)育，危害動物的健康；重金屬Cu超過標準限值，將減緩動植物的生長或?qū)е滤劳?。有色金屬礦山采礦會造成土壤環(huán)境污染，不同礦區(qū)土壤的重金屬富集特征不同，因此要因地制宜，合理選擇有色金屬礦山環(huán)境修復(fù)技術(shù)。

2 有色金屬礦山環(huán)境修復(fù)技術(shù)

2.1 物理法

2.1.1 土壤置換法

土壤置換法是指運用干凈土壤置換污染土壤，降低污染物總體含量，提高土壤環(huán)境總體容量，改良土質(zhì)。土壤置換法可以分為補土法和鏟土法。補土法是指在污染土壤中增加一定量的干凈土壤，實現(xiàn)表面土壤的混合，降低污染物總體濃度。鏟土法是指挖掘受污染土壤，使得污染物不斷擴散，從而降低土壤污染物濃度。土壤置換法可以清除受污染土壤，減少土壤污染。該方法應(yīng)用成本比較高，適用于處理污染面積較小、污染嚴重的土壤。

2.1.2 熱解吸法

熱解吸法是指利用污染物的揮發(fā)性，運用紅外輻射、微波、蒸汽等技術(shù)處理污染土壤，再運用載氣或者真空負壓結(jié)構(gòu)去除土壤重金屬。熱解吸法可以分為高溫?zé)峤馕ê偷蜏責(zé)峤馕?，高溫?20～560 ℃，低溫為90～320 ℃。熱解設(shè)備容易攜帶，工藝非常簡單，土壤經(jīng)過修復(fù)后可以再次使用。然而，設(shè)備昂貴、解吸時間長等因素限制了其在土壤修復(fù)中的應(yīng)用。

2.2 化學(xué)法

化學(xué)浸出是指運用化學(xué)溶劑對土壤進行清洗，分離土壤內(nèi)的污染物，運用沉淀、螯合、離子交換等方式將污染物轉(zhuǎn)移到化學(xué)溶劑中?；瘜W(xué)溶劑主要包含螯合劑、表面活性劑等。TOKUNAGA等研究了不同濃度的氟化氫、磷酸、硫酸、氯化氫、硝酸對人工污染土壤中As（含量2 830 mg/kg）萃取的影響。結(jié)果表明，磷酸萃取效果最好，在酸濃度為9.4%的條件下，萃取時間為6 h，As的萃取率可達99.9%，硫酸對As的萃取率也較高。萃取法既環(huán)保又經(jīng)濟，可去除污染土壤中的As。研究發(fā)現(xiàn)，以五價砷污染的黃褐色森林土壤作為模擬土壤時，在各種鉀鈉鹽中，磷酸鉀對As的萃取效果最好。在萃取劑中，乙二胺四乙酸（EDTA）能在較寬的pH范圍內(nèi)與大部分重金屬形成穩(wěn)定的復(fù)合。采用土壤沖洗法對廢棄礦山周邊水系沉積物的As污染進行修復(fù)時，0.2 mol/L檸檬酸洗滌1 h，對細粒沉積物的去除率大于95%。當0.2 mol/L檸檬酸與0.1 mol/L磷酸鉀混合時，As去除率提高到100%。值得一提的是，土壤內(nèi)的污染物種類眾多，僅僅使用一種方式難以萃取所有污染物，這就需要加入不同的萃取劑。研究表明，NaEDTA溶液對土壤樣品中重金屬的去除效果普遍優(yōu)于NaSO溶液。NaEDTA對Pb的萃取效果優(yōu)于Zn和Cd，但對Cr的去除效果不明顯。0.1 mol/L NaSO的加入顯著提高了0.01 mol/L NaEDTA溶液對Cd（特別是Zn）的去除效果，表明兩種試劑的混合可能為某些污染土壤提供一種經(jīng)濟上最優(yōu)的解決方案。

EHSAN等研究了環(huán)糊精與EDTA結(jié)合的清洗過程對現(xiàn)場污染土壤中重金屬和多氯聯(lián)苯的去除效率。研究表明，使用含有EDTA和環(huán)糊精的同一洗滌劑懸浮液連續(xù)洗滌3次，可有效地從土壤中提取多氯聯(lián)苯和某些重金屬。然而，EDTA等螯合劑價格昂貴，生物降解性差。為了提升萃取劑的生物降解性，降低二次污染風(fēng)險，采用生物試劑對土壤中的重金屬進行浸出。采用生物可降解的有機螯合劑乙二胺二琥珀酸（EDDS）對Pb（含量1 350 mg/kg）污染土壤進行清洗，取得良好的Pb去除效果。HONG等評價了皂苷對重金屬污染土壤的修復(fù)效果，用皂素對3種礦區(qū)土壤進行分批試驗。皂苷對3種土壤中重金屬的去除效果均較好，Cd提取率為100%，Zn提取率為85%～98%。LI等研究了茶皂素對重金屬的去除效果。結(jié)果表明，以濃度7%的茶皂素為萃取劑時，其對Pb、Cd、Zn、Cu的去除率分別為6.74%、42.38%、13.07%和8.75%。茶皂素可以有效除去具有還原性、酸溶性的重金屬，其環(huán)境風(fēng)險隨之降低。

2.3 生物法

2.3.1 植物修復(fù)

植物修復(fù)是指運用綠色植物對污染物進行固定或吸附，有效去除污染物，消除其污染性。植物揮發(fā)、植物固定和植物提取是植物修復(fù)的3種主要方式。植物揮發(fā)是指通過植物蒸發(fā)作用將揮發(fā)性化合物或者新陳代謝產(chǎn)物釋放到大氣中；植物固定是指利用植物根際的一些特殊物質(zhì)使土壤中的污染物轉(zhuǎn)化為相對無害的物質(zhì)；植物提取是指種植一些特殊植物，利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物質(zhì)并運移至植物地上部，通過收割地上部物質(zhì)帶走土壤中污染物。

目前，汞是植物修復(fù)領(lǐng)域研究最多的重金屬。為了探索植物提取汞和解除汞中毒的潛力，BIZILY等選擇擬南芥作為模式植物，在植物啟動子控制下表達一個修飾的細菌基因merBpe，編碼有機汞裂解酶（MerB）。MerB催化碳汞鍵的質(zhì)子分解，去除有機配體，釋放出流動性較差的汞物種Hg(II)。表達merBpe的轉(zhuǎn)基因植物在各種濃度的甲基氯化汞和苯汞醋酸鹽上生長旺盛。缺乏merBpe基因的植物在相同的有機汞濃度下受到嚴重抑制或死亡。研究表明，通過工程設(shè)計表達merBpe的原生植物（如樹木、草類）可用于污染場地的甲基汞降解，并將Hg(II)封存以供后續(xù)去除。然而，該技術(shù)僅適用于揮發(fā)性污染物，應(yīng)用范圍有限。高攝取植物具有以下特性：污染物濃度低時，吸附積累能力強；污染物濃度較高；積累多種重金屬；生長快，生物量大；具有抗病蟲害能力。

2.3.2 微生物修復(fù)

微生物雖然不能破壞、降解重金屬，但是可以改變其存在形式，實現(xiàn)重金屬的轉(zhuǎn)化和遷移。微生物修復(fù)機制包含沉淀、胞外絡(luò)合、胞內(nèi)積累和氧化還原反應(yīng)等。微生物浸出是一種簡單有效的從低品位礦石和精礦中提取有價金屬的技術(shù)。除用于工業(yè)原料供應(yīng)外，微生物浸出在礦山場地修復(fù)、礦業(yè)廢棄物處理等方面具有一定的應(yīng)用潛力。

ABDEL-AZIZ等評價了泡囊叢枝菌根作為生物制劑在降低重金屬毒性方面的作用。與未接種的對照組相比，接種泡囊叢枝菌根的誘導(dǎo)顯著增加。重金屬含量比較多的礦區(qū)土壤內(nèi)，成功種植泡囊叢枝菌根能夠明顯減少重金屬濃度，說明泡囊叢枝菌根在降低植物生長介質(zhì)中高濃度重金屬的危害方面發(fā)揮重要作用。JONES等的研究表明，菌根植物對Cd的吸收量高于非菌根植物，菌根植物含有的Cd很大程度上儲存在根系中。微生物修復(fù)過程與氧氣、溫度、濕度和pH等因素密切聯(lián)系。其應(yīng)用有局限性，一些微生物只能降解特定的污染物，但是微生物酶可能產(chǎn)生二次污染。

2.4 地貌修復(fù)技術(shù)

礦山地貌修復(fù)非常關(guān)鍵，其離不開動物、植物等生態(tài)系統(tǒng)。地貌修復(fù)的常用方法有土工網(wǎng)、漿砌石骨架、土工格室等，其在有色金屬礦山治理中運用比較多。物理工程技術(shù)包括鋼筋混凝土構(gòu)架、漿砌石骨架和預(yù)應(yīng)力錨索等。廢棄礦山可以使用鋪砌護坡連磚的方式治理坡體。削坡后，設(shè)置連鎖磚護坡，運用六邊形磚形成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，保持坡體的穩(wěn)定性，涵養(yǎng)水源。人工裝置可以增強地貌的穩(wěn)定性。掛網(wǎng)可以治理坡度較緩的砂石土邊坡，保證坡面基質(zhì)穩(wěn)定和牢固。目前常使用掛網(wǎng)客土噴播復(fù)綠的方式，削坡完成后可以在坡面掛網(wǎng)客土，防止坡面水土流失，同時恢復(fù)邊坡地貌。物理工程技術(shù)、人工裝置技術(shù)和生物技術(shù)可以混合使用。針對開采巖體坡面，有色金屬礦山可以采用植被恢復(fù)的方式進行基材噴附，使用生態(tài)植被袋進行防護，采用巖面容器進行垂直綠化，恢復(fù)植被。

3 結(jié)論

本文以有色金屬礦山環(huán)境修復(fù)技術(shù)為研究對象，概述了礦山重金屬污染，綜述了國內(nèi)外礦區(qū)污染土壤修復(fù)方法，分析了地貌修復(fù)技術(shù)。當前，有色金屬礦山要重視礦山環(huán)境保護，合理運用污染土壤修復(fù)技術(shù)和地貌修復(fù)技術(shù)，消除礦山環(huán)境污染，建設(shè)綠色礦山。