郭學(xué)輝,張建強(qiáng),蘇宏建,郭曉飛,劉志軍,孫秀國(guó)
(華北地質(zhì)勘查局 五一四地質(zhì)大隊(duì),河北 承德 067000)
冀北地區(qū)土壤重金屬污染主要來源于金屬選礦企業(yè)和化工類企業(yè)兩類,本研究主要針對(duì)34家工礦企業(yè)周圍5公里農(nóng)用地范圍。土壤中重金屬富集性強(qiáng)、降解困難、隱秘性強(qiáng)等特點(diǎn),屬于是易積累、難去除,冀北地區(qū)農(nóng)作物、蔬菜、水果等農(nóng)產(chǎn)品種類較多,重金屬極易通過食物鏈危害人類健康,因此,摸清農(nóng)用地質(zhì)量,對(duì)已污染的農(nóng)用地做好防控,截?cái)喙て髽I(yè)對(duì)周圍土壤的重金屬遷移為當(dāng)務(wù)之急。
研究區(qū)域礦山及周圍土壤污染研究相對(duì)南方部分地區(qū)起步較晚,且多數(shù)研究及修復(fù)仍停留在單一的修復(fù)技術(shù),更甚至將土壤轉(zhuǎn)移至水泥窯協(xié)同處置,修復(fù)手段過于粗暴,缺乏基于不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的控制技術(shù)、分級(jí)管理和治理體系,本次針對(duì)研究區(qū)的污染特點(diǎn),將多種修復(fù)方法集成研究,各類土壤分級(jí)管理,完善了相對(duì)匱乏的治理體系。
重金屬污染耕地修復(fù)的技術(shù)集成首先通過對(duì)國(guó)內(nèi)或者國(guó)際上比較成熟的、使用廣泛的農(nóng)田土壤修復(fù)的單項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行篩選、總結(jié)和歸納。
傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)主要有植物修復(fù)、物理修復(fù)、化學(xué)修復(fù)3大類,植物修復(fù)主要是通過植物提取、植物揮發(fā)、植物鈍化等方式,缺點(diǎn)是受氣候、土壤環(huán)境影響較大;化學(xué)修復(fù)多用石灰、沸石、EDTA、NaHS等,優(yōu)點(diǎn)是見效快,易破壞土壤結(jié)構(gòu)、成本高等;物理方法多為客土、換土、深耕土等,優(yōu)點(diǎn)是效果徹底,缺點(diǎn)是成本高、工作量大等。
近幾年礦山重金屬修復(fù)微生物原位固化技術(shù)不斷推廣,很多微生物原位固化技術(shù)也漸漸成熟。開放環(huán)境下自發(fā)的生物冶金過程自養(yǎng)鐵硫氧化菌廣泛存在,加速酸、鐵及重金屬溶出,形成惡性循環(huán),降雨及地下水淋溶加速礦區(qū)重金屬污染周邊農(nóng)用地(見圖1)。
圖1 降雨及地下水淋溶加速礦區(qū)重金屬浸出示意
利用鐵還原菌、硫酸鹽還原菌混合修復(fù),形成生物冶金逆過程——生物成礦過程,降低環(huán)境點(diǎn)位、提升pH、原位固化重金屬,將惡性循環(huán)變?yōu)榱夹匝h(huán)(見圖2)。
圖2 微生物原位固化原理示意
冀北地區(qū)礦山周圍多為農(nóng)用地及水源地,重金屬極易通過降雨淋溶進(jìn)入周圍土壤和地下水,造成農(nóng)用地與水源地重金屬污染,微生物原位固化修復(fù)技術(shù)適合多數(shù)有色金屬污染礦山的修復(fù)。
本次研究的微生物修復(fù)主要針對(duì)礦山尾礦庫的修復(fù)治理上,用玉米秸稈及檸檬酸將尾礦庫表層重金屬活化向下遷移至0.5 m深度,再利用了硫酸鹽還原菌的生物冶金逆過程,將重金屬固化在0.5 m深度,不但使礦山尾礦庫的重金屬污染得到有效治理,而且還能有效的改善尾礦庫淺層的土壤結(jié)構(gòu)成分,通過本次野外試驗(yàn)研究證明可以種植農(nóng)作物玉米,間接增加了耕地使用率,提升了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)效益。尾礦1與尾礦2修復(fù)前后詳細(xì)數(shù)據(jù)見下表1。
表1 尾礦1與尾礦2修復(fù)前后數(shù)據(jù)對(duì)比
針對(duì)冀北地區(qū)本次篩選了3種修復(fù)植物,通過研究都完全適合冀北地區(qū)的氣候特征,詳細(xì)情況見表2。
表2 植物修復(fù)技術(shù)研究區(qū)適應(yīng)性
對(duì)研究區(qū)周圍農(nóng)作物進(jìn)行了相關(guān)調(diào)查,多以玉米、白菜、胡蘿卜為主,詳細(xì)情況見表3。
表3 植物修復(fù)技術(shù)研究區(qū)適應(yīng)性
間作套種是運(yùn)用群落的空間結(jié)構(gòu)原理,以充分利用空間和資源為目的而發(fā)展起來的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式,這種模式也被用作農(nóng)用地重金屬修復(fù),冀北地區(qū)部分污染農(nóng)用地可用此模式對(duì)重金屬污染進(jìn)行修復(fù),常用修復(fù)組合見表4。
表4 研究區(qū)適用間作套種技術(shù)
在研究區(qū)經(jīng)過2年的間作套種試驗(yàn),主要利用模式是伴礦景天和玉米間作,經(jīng)過兩年數(shù)據(jù)對(duì)比,修復(fù)效果不明顯,研究區(qū)植物修復(fù)方法只能針對(duì)一些污染較輕的農(nóng)用地修復(fù),修復(fù)周期較長(zhǎng),對(duì)于一些污染較重的農(nóng)用地難以短時(shí)間內(nèi)阻斷重金屬的遷移,故只能聯(lián)合別的修復(fù)技術(shù)一起使用才能達(dá)到一定的預(yù)期修復(fù)效果。
土壤固化劑的使用要綜合考慮諸多因素,包括土壤類別、固化效果、適用性、耐用性、施工方式、成本、環(huán)境友好程度等等,對(duì)于研究區(qū)的尾礦庫可使用固化藥劑進(jìn)行修復(fù),防治重金屬淋溶遷移至周圍農(nóng)田,常用鈍化劑見表5。
表5 常用固化藥劑技術(shù)特性
本次研究區(qū)主要發(fā)明的修復(fù)藥劑是利用羥基磷灰石對(duì)重金屬的吸附作用,固化藥劑對(duì)研究區(qū)一些重度污染區(qū)域修復(fù)效果明顯,但修復(fù)成本較高,需要適當(dāng)?shù)倪x擇性使用,試驗(yàn)修復(fù)區(qū)修復(fù)前后對(duì)比數(shù)據(jù)見表6。
表6 研究區(qū)試驗(yàn)修復(fù)區(qū)修復(fù)前后數(shù)據(jù)對(duì)照
冀北地區(qū)礦山及周圍土壤多以旱地為主,坡耕地面積較大,存在以砂礫層為主的障礙性土層,土壤有機(jī)質(zhì)含量低、養(yǎng)分易造淋溶,對(duì)外源肥料依賴較大,再就氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素含量差異很大,養(yǎng)分極不均衡,所以,對(duì)本區(qū)域的礦山及周圍土地的修復(fù)要綜合考慮其特點(diǎn),研發(fā)一種相適應(yīng)的修復(fù)集成技術(shù)甚為關(guān)鍵。
綜合多種礦山及周圍土壤重金屬修復(fù)技術(shù),微生物重金屬修復(fù)技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì),也是現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上推廣使用比較廣泛的技術(shù)之一,在綜合考慮本區(qū)域特點(diǎn)的前提下,建立一套完整的技術(shù)評(píng)價(jià)與技術(shù)集成體系,為后續(xù)土壤環(huán)境保護(hù)和科學(xué)管控提供有利的依據(jù)和技術(shù)支持,其特點(diǎn)是:①結(jié)合相應(yīng)的法律法規(guī)建立土壤污染分級(jí)分類機(jī)制,以無害化為出發(fā)點(diǎn),針對(duì)各類重金屬污染土壤的特性,精細(xì)篩選異性高效修復(fù)菌株,提高相應(yīng)菌種在土壤中的安全性、長(zhǎng)期性與活性;②優(yōu)化組合多種修復(fù)技術(shù),如植物與微生物、各種鈍化劑與微生物、植物與鈍化劑等組合聯(lián)用,結(jié)合每種修復(fù)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),更快、更有效地修復(fù)各種重金屬污染問題;③加大從基因領(lǐng)域更深程度地研究微生物修復(fù)機(jī)理并完善其修復(fù)機(jī)理,以期更好地為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論支持。
礦山及周圍土壤重金屬修復(fù)技術(shù)集成,首先通過系統(tǒng)的污染調(diào)查研究,確定污染源、污染途徑、污染物的種類以及土壤的各項(xiàng)理化參數(shù);其次進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定,確定修復(fù)的各類污染指標(biāo)以及修復(fù)范圍等;再次進(jìn)行集成技術(shù)篩選,優(yōu)先選擇能夠降低污染物含量、毒性、遷移性的單一技術(shù)進(jìn)行集成研究,最終通過專家相關(guān)論證確定最佳集成技術(shù);最后結(jié)合政府和公眾的接受程度,確定是否進(jìn)一步開展相關(guān)修復(fù)工作。
礦山及周圍土壤重金屬修復(fù)流程及技術(shù)集成示意圖見圖3。
圖3 修復(fù)流程及技術(shù)集成示意
綜上可知,冀北地區(qū)主要污染來源于金屬選礦企業(yè)和化工類企業(yè)兩類,相應(yīng)的污染研究相對(duì)匱乏,完善治理體系尤為重要。傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)的弊端隨著社會(huì)各類研究的深入漸漸顯示出來,新興的微生物原位固化技術(shù)逐漸成熟,但深入研究仍是一個(gè)相對(duì)漫長(zhǎng)的過程,不同種類污染源的作用下,農(nóng)田土壤中重金屬的類型、濃度和價(jià)態(tài)均有差異,單一的修復(fù)治理技術(shù)都有各自的技術(shù)特點(diǎn)和適用范圍,當(dāng)單一的修復(fù)技術(shù)無法滿足于現(xiàn)在的修復(fù)目標(biāo)時(shí),有效的多種修復(fù)技術(shù)集成甚為關(guān)鍵,不但發(fā)揮了單一修復(fù)技術(shù)的良好效果,同時(shí),也豐富了整套完整的治理修復(fù)體系。