何振嘉

(陜西省土地工程建設(shè)集團有限責任公司，陜西 西安 710075)

0 引言

煤炭資源是我國發(fā)展現(xiàn)階段所利用范圍最大的能源，由于國內(nèi)眾多煤礦管理水平低下、技術(shù)力量薄弱以及環(huán)保意識不足等，伴隨著煤礦開采過程、冶煉階段以及礦藏開采結(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)廢棄物在沒有合理安置和利用的情況下，不僅會壓占大量土地資源，會通過植物吸收、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、毒副作用強烈和難以自然降解的特點，對土體結(jié)構(gòu)、水源狀況以及動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)普遍常見的有Cd、As、Pb、Cu、Ni、Co、Cr、Zn等[7]，重金屬含量富集超過一定程度，就會對土壤理化性質(zhì)造成不良影響，通過食物鏈等方式進入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)造成破壞，而煤礦區(qū)煤炭資源的開采，會引起眾多重金屬含量超標，不僅加劇了毒副物質(zhì)的排放，更嚴重污染了土體和土地利用[8]。環(huán)保部和國土資源部調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，礦區(qū)土壤超標率達到33.4%，在2018年環(huán)保高壓態(tài)勢的干涉下，大量煤礦企業(yè)被政策性關(guān)停，階段性地緩解了煤礦開采地區(qū)生態(tài)環(huán)境進一步的惡化，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。國務(wù)院出臺《土壤污染防治行動計劃》，要求在全國范圍內(nèi)全面實施土壤污染治理，對煤礦區(qū)重金屬土壤污染修復(fù)將是未來要研究的重點[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粉塵遷移沉降、煤矸石風蝕淋溶以及煤礦區(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)及嚴重威脅動植物健康，重金屬元素易于在土壤中富集，且其穩(wěn)定性強、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改變土壤理化特性并影響土壤中營養(yǎng)物質(zhì)直接造成種植的作物品質(zhì)降低，一些Cu、Cd、As、Pb等重金屬超標甚至會引起作物減產(chǎn)或絕收[11]。重金屬元素可以被作物吸收，通過食物鏈進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，一些嚴重的重金屬污染甚至可以通過放射性衰變產(chǎn)生α、β及γ射線，對肝臟、腎臟及肺臟等器官造成損傷甚至癌變[12]。另外，重金屬元素會隨著地表蒸發(fā)和植物蒸騰作用逸散于大氣中，部分會伴隨降雨返回地表匯入地表水和地下水，造成水體污染，且隨著水流運動蔓延范圍極廣。重金屬污染隱蔽性極高，一般來說不易被肉眼所察覺，一旦引發(fā)問題將是較為嚴重且不可逆的巨大危害，引發(fā)嚴重的土壤、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 物理化學修復(fù)技術(shù)

物理化學修復(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)進入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。主要通過客土置換、表土剝離、土壤深耕、化學固化、土壤淋洗及電動修復(fù)等方法去除或降低重金屬污染物質(zhì)對土壤產(chǎn)生不良影響的方式[14]。物理修復(fù)方法因其操作簡單、不會輕易引起其他負面作用被廣泛應(yīng)用于我國土壤修復(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修復(fù)方法最常用的是通過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，較多研究通過在土壤中添加改良劑，利用改良劑與重金屬發(fā)生化學反應(yīng)生成沉淀物的方式以增強土壤對重金屬的吸附沉淀作用。但部分改良劑的添加，會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引起植物中毒等。值得注意的是，物理化學修復(fù)能較為有效地對重金屬污染面積較小的區(qū)域進行土壤修復(fù)，污染面積過大，修復(fù)成本較高，操作過程中可能會破壞土壤結(jié)構(gòu)，部分沉淀物常年積累于土壤中難以外排，對污染土壤不當?shù)奶幹萌菀壮蔀樾碌沫h(huán)境污染源，另外會引起土壤結(jié)構(gòu)破壞、生物活性下降和肥力退化等問題。

2.2 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)相較于物理化學修復(fù)而言具有很鮮明的特點，是通過植物、動物和微生物等有機生命體進行污染土壤修復(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)合進行重金屬污染物修復(fù)。主要是通過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，另外可以通過代銷作用將重金屬元素轉(zhuǎn)移至植物體內(nèi)。但利用種植植物進行重金屬污染修復(fù)周期較長，且植物生長受自然條件限制較多，通過呼吸作用和吸附作用也容易引起二次污染。而動物和微生物修復(fù)主要是利用土壤中的蚯蚓、細菌、真菌和藻類等通過吸收、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)點在于對污染物的去除較為徹底，效果好，不易產(chǎn)生二次污染，但是面對土壤重金屬污染程度較大、或重金屬污染物種類較多的情況，土體中的動物和微生物數(shù)量不足或沒有特定可降解某類重金屬元素時，時間成本和經(jīng)濟成本均較高，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、陽離子交換容量豐富、表面團聚體結(jié)構(gòu)發(fā)達，在土壤重金屬污染物吸附和固定方面已有了較大突破，且具有無污染、經(jīng)濟投入低、修復(fù)周期較短、修復(fù)效果顯著等特點[16-17]。生物炭固定法結(jié)合了生物化學方法的優(yōu)勢，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，會與土壤中的重金屬元素發(fā)生化學反應(yīng)，通過生產(chǎn)相應(yīng)的化學鹽等物質(zhì)進行沉淀，有研究表明，對土壤施加生物炭，會導(dǎo)致土壤pH值偏堿性，會結(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質(zhì)，施加于土壤中能有效提高土壤肥力，對土壤理化性質(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?？梢钥吹降氖?，生物炭施加量和施加種類對土壤重金屬污染的影響較大，如盲目地施加生物炭,生物炭量過大或過小，對煤礦區(qū)重金屬污染修復(fù)的效果和成本以及由施加生物炭過量而引起的危害也是十分嚴重的。另外，有研究表明，對生物炭添加改性材料，對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

煤礦區(qū)因煤炭開采、礦物冶煉、煤矸石堆積外排等引起的重金屬污染嚴重危害大氣、水土、土壤及生物系統(tǒng)，而針對不同重金屬污染現(xiàn)狀的物理化學修復(fù)、生物修復(fù)、生物炭修復(fù)等方法依據(jù)于各自的特點和優(yōu)勢也已廣泛應(yīng)用于土壤修復(fù)領(lǐng)域。另外，針對產(chǎn)生重金屬污染重要來源的煤矸石的綜合利用方面也進行了大量研究工作，尤其是利用煤矸石作為填充物進行復(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題，也通過工程措施充分利用了煤矸石資源，對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重要舉措。雖然對煤礦區(qū)重金屬整治技術(shù)有了較多的發(fā)展，但需要清醒認識到的是，重金屬污染治理的重點在于“防”，只有建立有效的預(yù)防機制，才能從根本上緩解重金屬污染帶來的嚴重危害。