復(fù)墾尾礦庫重金屬分布及生態(tài)風(fēng)險評價

鄧紅衛(wèi)，賀　威，周科平（中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083）

復(fù)墾尾礦庫重金屬分布及生態(tài)風(fēng)險評價

鄧紅衛(wèi)，賀威，周科平
（中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，長沙 410083）

為評估尾砂礦生態(tài)風(fēng)險，保護生態(tài)環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，研究某鉛鋅尾礦庫中Pb、Zn、Cu、As 4種重金屬的垂向分布并對其污染程度和潛在生態(tài)危害進行評價。除使用地累積指數(shù)法和生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法，結(jié)合地累積指數(shù)法和內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法來評價多種重金屬綜合污染情況。結(jié)果表明：重金屬在垂向上的分布不盡相同，復(fù)墾土層重金屬含量較下層小但仍超過土壤背景值；土層與尾砂交界處，重金屬出現(xiàn)富集現(xiàn)象，污染程度最大；尾砂層和深部區(qū)為中度或強污染。4種重金屬元素Cu的污染最輕，Pb、Zn、As的在中度污染或強污染以上，對總的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)貢獻率由大到小依次為As、Pb、Zn、Cu。單純覆土對減少尾礦庫重金屬危害效果不明顯，應(yīng)聯(lián)合其他有效措施進行修復(fù)。

尾礦庫；復(fù)墾；重金屬污染；生態(tài)風(fēng)險評價

礦產(chǎn)資源的開發(fā)在推動國民經(jīng)濟發(fā)展的同時也帶來了非常嚴峻的生態(tài)和環(huán)境問題，特別是由采礦造成的重金屬污染，給生態(tài)平衡和人體健康造成持久性的嚴重危害，如何解決環(huán)境問題、有效防治重金屬污染是目前普遍關(guān)注又是亟待解決的問題[1-3]。許多專家學(xué)者對重金屬污染問題進行了分析，研究重金屬污染的污染評價及治理技術(shù)，這些研究大都以沉積物或礦區(qū)周圍土壤為研究對象，或研究農(nóng)作物的重金屬污染特征，并對污染程度進行評價，研究發(fā)現(xiàn)礦區(qū)周邊土壤、農(nóng)田均受到重金屬的污染[4-10]。劉月等[11]以云南某典型錫礦選礦廠為研究對象，分析研究重金屬的污染特征，但未對造成的生態(tài)風(fēng)險進行分析評估。尾礦庫作為礦山企業(yè)重要的生產(chǎn)設(shè)施，在保護資源與環(huán)境方面有著不可替代的作用。同時，尾礦庫又是礦山企業(yè)最大的危險源，尤其是在破壞生態(tài)環(huán)境方面，其影響是長期性的[12]。目前，對尾礦庫重金屬的生態(tài)污染評價相關(guān)研究還比較少，因此，研究尾礦庫重金屬的遷移分布及其對生態(tài)環(huán)境的危害風(fēng)險意義重大，對尾礦庫進行生態(tài)風(fēng)險評價也極其必要，由此可以降低尾礦庫運行期間的環(huán)境風(fēng)險，并且在保障尾礦庫周圍居民生命健康安全和生態(tài)安全方面也有非常重要的作用。本文作者以我國南方大腳嶺鉛鋅尾礦庫為研究對象，對尾礦庫內(nèi)重金屬的遷移分布和污染特征進行分析研究，并對其生態(tài)影響進行風(fēng)險評價，以期對尾礦庫的污染治理和生態(tài)恢復(fù)提供參考。

1　樣品采集與測試

1.1尾礦庫概況

大腳嶺鉛鋅尾礦庫位于湖南省資興市清江鎮(zhèn)，尾礦庫面積約為12626.57 m2，庫容約為180897.28 m3，該庫區(qū)周圍無重要文物古跡及珍稀動植物、人文及自然景觀，但是有重要河流東江湖通過，會對東江湖的生態(tài)環(huán)境安全造成破壞。該尾礦庫目前已廢棄，上部復(fù)墾，下部為尾砂，庫內(nèi)無積水，其上長滿雜草。

1.2樣品采集與處理分析

尾礦庫內(nèi)設(shè)置3個采樣點，編號為1、2和3，各采樣點位置如圖1所示。取樣深度為4.0 m，0～60 cm為復(fù)墾區(qū)，60 cm處為復(fù)墾土層與尾砂的交界面，60～ 250 cm 為尾砂層，250～400 cm為深部區(qū)。

將采集的樣品在室內(nèi)常溫風(fēng)干并碾碎，用1mm孔徑尼龍篩除去砂礫和生物殘體。采用X射線熒光（XRF）測試法[13]測試樣品的重金屬元素Pb、Zn、Cu、As的含量，其濃度如表1所列。土壤重金屬含量背景值采用中華人民共和國國家標準之土壤環(huán)境質(zhì)量標準（GB 15618-1995）中二類標準值，Pb、Zn、Cu、As 4種重金屬元素的背景值分別為250、200、50和40 mg/kg。

圖1　采樣點位置Fig.1　Location of sample points

表1　重金屬元素濃度Table 1　Concentration of heavy metal

2　評價方法

污染評價方法一般采用的有單因子指數(shù)法與內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法、地累積指數(shù)法、生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法、污染負荷指數(shù)法等[14-18]。地累積指數(shù)法（Igeo）是德國科學(xué)家Muller提出的[19]，該方法能反映重金屬的自然分布特征，還能判別人為因素對環(huán)境的影響，但只能給出某點單個重金屬的污染指數(shù)，不能給出某點多種重金屬綜合污染指數(shù)和某重金屬地區(qū)綜合指數(shù)。內(nèi)梅羅綜合指數(shù)法能得出多因子綜合污染指數(shù)，可用于評價重金屬的綜合污染指數(shù)。因此，可將二者結(jié)合，以地累積指數(shù)代替單因子指數(shù)，得到新的綜合指數(shù)，由此反映出某采樣點多種重金屬綜合污染指數(shù)和某重金屬地區(qū)綜合指數(shù)[20]。地累積指數(shù)法表達公式如式（1）所示：

式中：ci為樣品中某重金屬元素的濃度；BEi為土壤環(huán)境質(zhì)量標準二級標準值；1.5是轉(zhuǎn)換系數(shù)。為消除各地巖石差異可能引起背景值的變動，地累積指數(shù)分級如表2所列。

表2　地累積指數(shù)分級標準和污染程度的相關(guān)性Table 2　Correlation between Igeoclassification and pollution degree

新綜合指數(shù)法計算式為

式中：i為重金屬元素種類；j為樣品數(shù)量；Pgeo為第i種重金屬的綜合污染指數(shù)，正負與地累積指數(shù)相同；Iin為第j個樣品的綜合污染地累積指數(shù)；Iave為地累積指數(shù)算術(shù)平均值；Imax為地累積指數(shù)最大值。新綜合指數(shù)法在地累積指數(shù)基礎(chǔ)上進行內(nèi)梅羅指數(shù)計算，評價分級在地累積指數(shù)基礎(chǔ)上做相應(yīng)調(diào)整，如表3所列。

表3　新的綜合污染指數(shù)污染程度分級Table 3　Classification of pollution levels of integrated pollution indices

生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法（RI）是由瑞典地球化學(xué)家HAKANSON提出的，考慮重金屬含量并且將重金屬的生態(tài)效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)效應(yīng)聯(lián)系起來。潛在生態(tài)危害指數(shù)包括單項污染系數(shù)、潛在生態(tài)危害單項系數(shù)和重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)[21]，其表達式為

式中：RI為潛在生態(tài)危害指數(shù)；為潛在生態(tài)危害單項指數(shù)；某一重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)；單項污染系數(shù)；重金屬濃度實測值；為參比值。重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)分別為（Pb）=5（Zn）=1，（Cu）=5，（As）=10，、、RI值對應(yīng)的污染程度、潛在生態(tài)風(fēng)險程度如表4所列。

表4和RI分級標準Table 4　Grade standard of,and RI

表4和RI分級標準Table 4　Grade standard of,and RI

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3　結(jié)果與分析

3.1重金屬分布與深度關(guān)系

依據(jù)采集樣品重金屬含量，經(jīng)過統(tǒng)計分析，得出尾礦庫中各金屬元素含量隨深度變化的關(guān)系如圖2所示。

從圖2中可以看出，在復(fù)墾土層表面到土層與尾砂交界面，重金屬元素的濃度與深度呈正相關(guān)，在土層與尾砂層交界面達到濃度最大值，呈現(xiàn)富集現(xiàn)象。在復(fù)墾土層重金屬含量增加與毛細吸附作用和生物化學(xué)吸附作用有關(guān)，植物根系對重金屬元素有吸附作用，重金屬向植物根系遷移的過程中土壤多孔顆粒對其產(chǎn)生吸附作用使部分重金屬元素沉淀下來，從而在土層和尾砂層交界面出現(xiàn)富集。在尾砂層和深部區(qū)重金屬元素濃度隨深度增加呈現(xiàn)減少的趨勢，這說明重金屬元素含量與尾砂堆積的時間分布關(guān)系為負相關(guān)。在橫向相同深度，下游采樣點重金屬濃度比上游采樣點重金屬濃度高，說明重金屬在地下水流和大氣降水淋溶下向下游遷移擴散。

圖2　重金屬元素在不同深度的分布Fig.2　Distribution of heavy metal in different depths

3.2生態(tài)風(fēng)險評價

3.2.1地累積指數(shù)評價結(jié)果

尾礦庫重金屬污染地累積指數(shù)計算結(jié)果如表5所示。從表5中看出，在復(fù)墾土層，Cu的Igeo為負值，說明該尾礦庫復(fù)墾土層無Cu污染；Pb的Igeo在0～1之間，說明該尾礦庫復(fù)墾土層中存在輕微Pb污染；As的Igeo在1～2之間，說明該尾礦庫復(fù)墾土層存在重度As污染；Zn的Igeo在2～3之間，說明該尾礦庫復(fù)墾土層存在重度Zn污染。在復(fù)墾土層與尾砂交界面60 cm處，Cu的Igeo在2～3之間，說明在此處存在中等或重度Cu污染；Pb和As的Igeo在4～5之間，說明在此處存在重度或極重度Pb和As污染；Zn的Igeo大于5，說明此處存在極重度Zn污染。在尾砂層和深部區(qū)，Cu的Igeo在1～2之間，說明尾砂層和深部區(qū)中存在中等Cu污染；As的Igeo在2～3之間，說明尾砂層和深部區(qū)中存在中等或重度As污染；Pb的Igeo在3～4之間，說明在尾砂層和深部區(qū)存在重度Pb污染；Zn 的Igeo大于5，說明尾砂層和深部區(qū)存在極重度Zn污染。重金屬地累積指數(shù)在復(fù)墾層的由大到小依次為Zn、As、Pb、Cu，在復(fù)墾層和尾砂層交界面的由大到小依次為Zn、As、Pb、Cu，在尾砂層和深部區(qū)的由大到小依次為Zn、Pb、As、Cu。綜上所述，尾礦庫垂向分布上污染最嚴重的是Zn，較輕的是Cu，在復(fù)墾層和尾砂層交界面以上Pb的污染程度大于As的，交界面以下As的污染程度大于Pb的。

表5　重金屬地累積指數(shù)統(tǒng)計分析Table 5　Statistic values of Igeoof heavy metal concentration

由新的綜合指數(shù)法統(tǒng)計結(jié)果來看，在復(fù)墾層無Cu污染，Pb為輕污染，Zn為中污染至強污染級別，As為中污染；在復(fù)墾層和尾砂交界面處，Cu為強污染級別，Pb為強污染至極強污染級別，而Zn和As為極強污染級別；在尾砂層，Zn達到了極強污染級別，Cu為中污染至強污染級別，Pb和As為強污染級別；在深部區(qū)，Pb為強污染級別，Zn為強污染至極強污染級別，Cu和As為中污染至強污染級別。重金屬綜合地累積指數(shù)，在復(fù)墾層由大到小依次為Zn、As、Pb、Cu；在復(fù)墾層和尾砂交界面處由大到小依次為Zn、As、Pb、Cu；在尾砂層和深部區(qū)由大到小依次為Zn、Pb、As、Cu。

表6　重金屬潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)統(tǒng)計分析Table 6　Statistic values of RIof heavy metal concentration

3.2.2潛在生態(tài)風(fēng)險評價結(jié)果

潛在生態(tài)風(fēng)險評價考慮了不同重金屬元素的毒性差異和環(huán)境對重金屬元素污染的敏感程度，采樣點重金屬元素計算結(jié)果如表6所列。由表6可以看出，在復(fù)墾土層Pb和Cu的Cfi值在1～3屬于中度污染，Zn 和As的Cfi值在3～6屬于重度污染?？紤]各金屬元素的毒性系數(shù)后，Pb、Cu和Zn的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)都小于40，屬于輕污染級別，只有As的為中度污染，4種重金屬的總的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)小于150，為輕度污染，各重金屬對RI的貢獻率由大到小依鎰為As、Pb、Zn、Cu。在復(fù)墾土層與尾砂交界面處，Cu的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)小于80為中度污染，Zn為強污染，而Pb和As分別為很強和極強污染級別，4種重金屬總的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)大于600為極強污染，各重金屬對RI的貢獻率由大到小依次為As、Pb、Zn、Cu。在交界面以下，Cu的潛在生態(tài)風(fēng)險系數(shù)均小于40為輕污染，Zn為中度污染，Pb在尾砂層為強污染在深部區(qū)為中度污染，As在尾砂層和深部區(qū)均為強污染，4種重金屬元素總的生態(tài)風(fēng)險指數(shù)小于300為中度污染，各重金屬元素對RI的貢獻率由大到小依次為As、Pb、Zn、Cu。這與以上兩種方法的排序不相同，但Cu排序皆相同。綜上所述，4種重金屬中Cu的污染較小，Pb、Zn和As的污染較重。圖3所示為RI值與深度變化的關(guān)系。從圖3中可以看出，在復(fù)墾土層RI值很小為輕度污染；復(fù)墾層與尾砂交界面RI值最大，為766，此處生態(tài)危害最大，為極強污染，在尾砂和深部區(qū)為中度污染。由此可得出，污染由小到大依次為復(fù)墾土層、深部區(qū)、尾砂層、復(fù)墾土層與尾砂交接面。

由以上分析可以看出，單純覆土復(fù)墾的尾礦庫雖然能在一定程度上降低尾礦庫重金屬的危害，但是其去除重金屬的作用效果不明顯，依然會威脅該尾礦庫周邊及東江湖的生態(tài)安全，應(yīng)采取有效應(yīng)對措施去除或減輕重金屬的危害。本文作者建議在復(fù)墾土層的基礎(chǔ)上種植超富集植物，利用植物對重金屬的吸收富集達到去除尾礦庫重金屬的目的，植物的選擇以非人食性的林木或草本為宜。另外，也可采用物理化學(xué)方法去除重金屬，鑒于尾礦庫的特殊性，宜采取原位修復(fù)措施，如工程防滲墻、PRB技術(shù)等。

圖3　總的潛在生態(tài)風(fēng)險指數(shù)RI與深度的相關(guān)性Fig.3　Correlation between RIand different depths

4　結(jié)論

1）大腳嶺鉛鋅尾礦庫重金屬含量嚴重超出國家土壤環(huán)境質(zhì)量標準，重金屬在尾礦庫各層分布不均勻。在復(fù)墾土層重金屬含量較下層小，但仍超過土壤背景值。在復(fù)墾土層與尾砂層交界面處，重金屬出現(xiàn)富集，濃度達到最大。在尾砂層和深部區(qū)，重金屬含量較高。各層重金屬含量由小到大依次為復(fù)墾土層、深部區(qū)、尾砂層、復(fù)墾土層與尾砂交界面。

2）地累積指數(shù)法和新的綜合指數(shù)法評價結(jié)果表明：各層中重金屬污染程度不同，污染程度由小到大依次為復(fù)墾土層、深部區(qū)、尾砂層、復(fù)墾土層與尾砂交界面?？偟膩碚f，Cu的污染程度較其它重金屬的較輕，Zn的污染程度最重，Pb和As的污染程度處在Cu和Zn的之間。

3）生態(tài)風(fēng)險指數(shù)法評價結(jié)果表明：復(fù)墾土層生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最小，為輕污染級別。土層與尾砂交界面處生態(tài)風(fēng)險指數(shù)最大，為極強污染級別，尾砂層和深部區(qū)次之，污染由小到大依次為復(fù)墾土層、深部區(qū)、尾砂層、復(fù)墾土層與尾砂交接面，總的來說各重金屬元素對RI的貢獻率由大到小依次為As、Pb、Zn、Cu。

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（編輯李艷紅）

Heavy metals distribution in reclamation tailings and assessment of ecological risk

DENG Hong-wei, HE Wei, ZHOU Ke-ping
（School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China）

In order to assess the ecological risk of tailings, protect ecological environment and achieve sustainable development, the vertical distribution characters of the heavy metals Pb, Zn, Cu and As in a tailings were investigated, and the pollution and potential ecological hazards degree were assessed.In addition to geoaccumulation index and ecological hazards index, the geoaccumulation index and Nemerow index were combined to evaluate the comprehensive pollution of heavy metals.The results show that the vertical distributions of heavy metals are different.The heavy metal concentration in the reclamation soil is lower but it is still higher than the soil background value.The heavy metal concentration in the interface between the soil and tailings is the highest, the pollution degree is the strongest.The pollution degrees in the tailings layer and deep area are more severe.Among these heavy metals, the pollution degree of Cu is the slightest, and the pollution degrees of Pb, Zn and As are different in different depth.The contribution orders of the four heavy metals on the total ecological hazards index from big to small are As, Pb, Zn, Cu.The effect that simple covering soil on tailings to reduce heavy metal hazards is not significant, other effective measures should be combined to treat heavy metal pollution.

tailings；reclamation；heavy metal pollution；ecological hazards assessment

X753

A

1004-0609（2015）10-2929-07

國家自然科學(xué)基金資助項目（51074178）；國家“十二五”科技支撐計劃項目（2012BAC09B00）

2015-01-12；

2015-04-07

鄧紅衛(wèi)，副教授，博士；電話：13974855898；E-mail：denghw208@126.com