郭學(xué)輝，張建強(qiáng)，蘇宏建，郭曉飛，劉志軍，孫秀國

(華北地質(zhì)勘查局 五一四地質(zhì)大隊(duì)，河北 承德 067000)

0 前 言

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，對已污染的農(nóng)用地做好防控，截?cái)喙て髽I(yè)對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)等級的控制技術(shù)、分級管理和治理體系，本次針對研究區(qū)的污染特點(diǎn)，將多種修復(fù)方法集成研究，各類土壤分級管理，完善了相對匱乏的治理體系。

1 適應(yīng)于研究區(qū)修復(fù)技術(shù)的篩選

重金屬污染耕地修復(fù)的技術(shù)集成首先通過對國內(nèi)或者國際上比較成熟的、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。

1.1 傳統(tǒng)主要修復(fù)技術(shù)特點(diǎn)

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。

1.2 微生物原位固化及生態(tài)修復(fù)技術(shù)

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)對比

1.3 植物修復(fù)技術(shù)特性

針對冀北地區(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)對比，修復(fù)效果不明顯，研究區(qū)植物修復(fù)方法只能針對一些污染較輕的農(nóng)用地修復(fù)，修復(fù)周期較長，對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。

1.4 固化藥劑修復(fù)技術(shù)特性

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重金屬的吸附作用，固化藥劑對研究區(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)對照

2 礦山及周圍土壤重金屬修復(fù)技術(shù)集成

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，也是現(xiàn)在國內(nèi)外市場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)建立土壤污染分級分類機(jī)制，以無害化為出發(fā)點(diǎn)，針對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，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

3 結(jié) 語

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)相對漫長的過程，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。