煤礦周邊土壤重金屬形態(tài)特征及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律?

劉 玥 喬 棟 牛 宏 張 磊

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037003)

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煤礦周邊土壤重金屬形態(tài)特征及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律?

劉 玥 喬 棟 牛 宏 張 磊

(山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院,山西省大同市,037003)

摘 要為了研究煤礦周邊土壤內(nèi)重金屬形態(tài)特征以及遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律,采用Tessier五步連續(xù)提取法分析了礦區(qū)周邊土壤內(nèi)重金屬形態(tài)特征,研究了重金屬遷移和釋放規(guī)律以及重金屬分布狀況。結(jié)果表明:(1)土壤內(nèi)Cd主要以有機(jī)物結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)存于土壤中,Cu主要以碳酸鹽結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)留存在于土壤中,Pb、Zn主要以可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在于土壤中。Pb、Zn、Cu生物有效利用率較高。(2)重金屬的釋放速率受酸堿性影響明顯,酸性條件會加快重金屬的釋放并促進(jìn)Pb、Zn、Cu、Cd在土壤與水體之間交換、遷移。(3)重金屬Pb、Zn主要分布在表層,煤礦開采對土壤內(nèi)重金屬Pb、Zn含量影響較大,對Cu、Cd影響小。

關(guān)鍵詞土壤重金屬 形態(tài)特征 遷移轉(zhuǎn)化

Morphological characteristics and migration and transformation rule of heavy metals in soil around the coal mine

Liu Yue,Qiao Dong,Niu Hong,Zhang Lei
(College of Coal Engineering,Shanxi Datong University,Datong,Shanxi 037003,China)

Abstract In order to study morphological characteristics and migration and transformation rule of heavy metals in the soil around the coal mine,the authors analyzed metals＇morphological characteristics in the soil around the coal mine by taking Tessier 5 step sequential extraction method,and studied rules of heavy metals＇migration and release,and heavy metals＇distribution patterns.The results showed:(1)Cd of the soil mainly existed the state of organic matter and oxidation of the iron and manganese,Cu mainly existed the carbonate bound state and residual state retained in the soil,Pb and Zn mainly existed the exchangeable and carbonate bound states in the soil,Pb、Zn and Cu had high effective bioavailability;(2)acid-base properties obviously affected release rate of heavy metals in soil,acidic conditions would accelerate the release of Pb、Zn、Cu and Cd,and promote the exchange and transfer between the soil and water;(3)heavy metals Pb and Zn mainly distributed in soil surface,coal mining had a great influence on the contents of Zn and Pb in soil,the effects of Cd and Cu in the soil was relatively small.

Key words soil heavy metals,morphological characteristics,migration and transformation

煤礦開采以及選礦過程中會產(chǎn)生一系列地質(zhì)環(huán)境變化,引發(fā)地面塌陷、地裂縫、地面沉降等問題.煤矸石從地下開采轉(zhuǎn)移至地面后由于受力狀況以及儲存等條件變化,煤矸石、煤炭等在堆放過程中導(dǎo)致整個(gè)體系溫度升高,加速了煤矸石、煤炭的物性改變和化學(xué)分化速率,進(jìn)而釋放大量有害化學(xué)元素,對周邊區(qū)域內(nèi)的土壤、水體、植被等造成污染.由于釋放出的有毒有害重金屬元素活化性強(qiáng),化學(xué)性質(zhì)易變,經(jīng)氧化聚集于殘積土壤或經(jīng)酸性水遷移,并次生富集于水系沉積物或受水系澆灌的土壤中,最后通過食物鏈進(jìn)入到人體,影響人類健康.

此外,煤礦開采、洗選過程產(chǎn)生的有毒有害類粉塵、顆粒物覆蓋于土壤表層,受風(fēng)蝕以及降雨、水力搬遷影響,致使大量有害重金屬離子發(fā)生從地表向下轉(zhuǎn)運(yùn),同時(shí)也隨水流搬遷作用沉積于河道底泥內(nèi),容易造成大面積擴(kuò)散性污染.因此,研究煤礦周邊河道內(nèi)重金屬形態(tài)變化特征以及遷移影響范圍狀況,提高人類對重金屬遷移轉(zhuǎn)化危害性的認(rèn)識,也為礦山環(huán)境的修復(fù)治理提供科學(xué)依據(jù).

1　研究區(qū)概況

采樣地所在的煤礦地理位置位于中國中部偏北,屬于黃土高原區(qū)域,煤礦周邊植被覆蓋相對稀疏,表層廣布第四紀(jì)黃土,基底為砂泥巖和碳酸鹽結(jié)構(gòu),表層土壤疏松多孔,水土流失嚴(yán)重.采樣地點(diǎn)位于煤礦周邊矸石堆放的50 m外的范圍,采用網(wǎng)格布點(diǎn)法設(shè)置采樣點(diǎn),采樣編號為SP1～SP9,采集深度依次為5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm、35 cm、40 cm和45 cm深的土壤樣本,并將采集的土壤樣品裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室,土壤樣品經(jīng)風(fēng)干、破碎后置于恒溫干燥爐內(nèi)65℃烘干后取出,冷卻儲存于干燥器中備用.

2　研究方法

2.1礦區(qū)土壤重金屬形態(tài)分析

重金屬在土壤中的形態(tài)特征在一定程度上反映了重金屬元素的活化程度,重金屬元素在土壤中的遷移性、生態(tài)有效性和致毒性均取決于化學(xué)形態(tài).采用Tessier五步連續(xù)提取法對Pb、Zn、Cu、Cd四種重金屬分級提取,分析礦區(qū)土壤中各重金屬的形態(tài)百分比以及形態(tài)特征.Tessier五步連續(xù)提取法將土壤中重金屬形態(tài)劃分為:可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)質(zhì)結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)五種形態(tài),Tessier五步連續(xù)提取法測試步驟見表1.

表1　Tessier五步連續(xù)提取法測試步驟

2.2礦區(qū)土壤重金屬淋溶實(shí)驗(yàn)

重金屬在自然界遷移轉(zhuǎn)化主要受酸堿性降水以及土壤理化性質(zhì)控制.實(shí)驗(yàn)采用去離子水和模擬天然降水做重金屬淋溶實(shí)驗(yàn),所使用的淋溶柱為直徑12 cm、高60 cm的2個(gè)PVC管,下端用PVC蓋密封,在蓋頭上有直徑為4 mm小孔,并在PVC管底部鋪紗布和厚3 cm的石英砂,分別裝入厚45 cm的土壤樣品.實(shí)驗(yàn)采用兩種不同的p H值淋溶液,一種是p H＝7的去離子水,第二種是模擬p H＝6.2的天然降水,即SO42－∶NO3－＝8∶1,模擬天然降水根據(jù)研究區(qū)所在的降雨性質(zhì)和年降雨量來確定.淋溶實(shí)驗(yàn)過程中每30 min取1次樣,取12次,實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行16 d.p H值用p H計(jì)測定儀測定,Cu、Zn依據(jù)GB/T 17138－1997測定,Pb、Cd依據(jù)GB/T 17140－1997測定.

圖1　淋溶實(shí)驗(yàn)裝置

3　結(jié)果與分析

3.1礦區(qū)土壤重金屬形態(tài)及生物有效性分析

采礦、冶煉產(chǎn)生的重金屬元素初期被釋放進(jìn)入土壤介質(zhì),由于其化學(xué)形態(tài)較強(qiáng),在外界條件影響下,發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化,大部分有毒有害重金屬元素在遷移轉(zhuǎn)化過程中形成穩(wěn)定態(tài)物質(zhì),個(gè)別重金屬在外界環(huán)境改變下,其自身毒性反而加強(qiáng).重金屬元素在土壤介質(zhì)中的轉(zhuǎn)化,其活性和毒性效應(yīng)差距較大.重金屬元素在土壤以及其他環(huán)境介質(zhì)中的毒性效應(yīng)主要是通過其自身化學(xué)活性來表現(xiàn)的.因此,采用Tessier五步連續(xù)提取法對土壤中Pb、Zn、Cu、Cd、元素的形態(tài)特征進(jìn)行分析,才能有效解釋重金屬元素在土壤介質(zhì)中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律.

圖2　土壤重金屬形態(tài)分布特征

Tessier五步連續(xù)提取法的劃分情況如圖2所示,可知各類重金屬在土壤中的存留形態(tài)差異較大,Cd主要以有機(jī)物結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化結(jié)合態(tài)分布于土壤中,各形態(tài)所占百分比大小排序?yàn)镾4＞S3＞S5＞S2＞S1.Cu主要以碳酸鹽結(jié)合態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)留存于土壤中,各形態(tài)所占百分比大小排序?yàn)镾2＞S5＞S3＞S4＞S1.Pb、Zn主要以可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在于土壤中,各形態(tài)所占百分比大小排序?yàn)镾2＞S1＞S3＞S4＞S5.重金屬Pb、Zn活性強(qiáng),容易發(fā)生理化性狀改變,易被植物、微型動物和微生物等獲取攝入體內(nèi).當(dāng)土壤中存在大量的Pb、Zn可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)時(shí),易引發(fā)重金屬污染中毒事件.碳酸鹽結(jié)合態(tài)對p H值的變化較敏感,酸性降雨對于礦區(qū)土壤以及煤矸石、尾礦內(nèi)的主要以碳酸鹽形式存在的重金屬,如Pb、Zn、Cu的溶出效果顯著增強(qiáng),使得重金屬Pb、Zn、Cu也容易進(jìn)入水相,進(jìn)而容易轉(zhuǎn)移進(jìn)入沉積物中或被植物吸收富集.在酸性條件下,比較穩(wěn)定的鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)也可能被活化.有機(jī)物結(jié)合態(tài)在自然條件下相對穩(wěn)定,但在土壤以及水體中容易被一些微生物氧化分解并攝入體內(nèi).Pb、Zn、Cu、Cd的殘?jiān)鼞B(tài)所占比例越高,相對應(yīng)外界環(huán)境介質(zhì)影響也越小,不容易被生物所吸收.

重金屬的生物有效性反映了重金屬被生物實(shí)際利用程度與重金屬的形態(tài)密切相關(guān).通常將重金屬的生物有效性可分為三類:K1可利用態(tài)、K2中等利用態(tài)、K3難利用態(tài),計(jì)算公式如下.

圖3　土壤重金屬生物有效性分布

分析圖3可知,礦區(qū)土壤中各重金屬元素的生物有效性差異較大,各重金屬可利用態(tài)排序?yàn)镻b ＞Zn＞Cu＞Cd,其中Pb和Zn的可利用態(tài)所占百分比較高,可利用態(tài)Pb、Zn、Cu的生物有效利率較高,可利用態(tài)Cd的生物有效利用相對小.重金屬中等利用態(tài)排序?yàn)镃d＞Cu＞Pb＞Zn,中等利用態(tài)Cd的生物有效性最強(qiáng),即受外界環(huán)境變化影響較大,在酸堿性環(huán)境改變下,可促使大量中等利用態(tài)重金屬Cd被活化,生物有效利用率明顯增高,大量活化后的Cd釋放進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)中造成更嚴(yán)重的污染.中等利用態(tài)Cu的生物有效性也受外界條件改變影響比較大,與Cd、Pb的毒性相比,Cu的毒性以及危害性相對較低.難利用態(tài)Pb、Zn、Cu、Cd的排序?yàn)镃u＞Cd＞Pb≈Zn,這表明Pb、Zn經(jīng)過漫長時(shí)間形成穩(wěn)定態(tài)化合物時(shí),很難被生物直接吸收利用,總體上,重金屬Pb、Zn、Cu的生物有效利用率較高,Cd的生物有效利用率相對低.因此,針對重金屬的生物有效利用率特點(diǎn),可采用鈍化技術(shù)將重金屬Pb、Zn、Cu轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定態(tài)化合物以此減少對土壤環(huán)境的危害.

3.2礦區(qū)土壤重金屬淋溶變化規(guī)律

采用去離子水和模擬天然降水做重金屬淋溶對比實(shí)驗(yàn),去離子水模擬的重金屬淋溶實(shí)驗(yàn)中,淋濾液p H值從6.13逐漸增大到8.14,由酸性變到中性,最后呈弱堿性.模擬天然降水淋溶產(chǎn)生的淋濾液p H值在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中前后數(shù)值變化不明顯.

圖4　淋濾液中重金屬Pb隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖5　淋濾液中重金屬Zn隨時(shí)間的變化關(guān)系

淋濾液中重金屬Pb在酸性淋溶條件下,重金屬的溶出率較快,4 d內(nèi)重金屬Pb的濃度迅速降低至0.08 mg/kg,并趨于穩(wěn)定,而在去離子水淋溶條件下,重金屬Pb的溶出率在10 d后趨于穩(wěn)定,完成全量釋放的時(shí)間約為12 d,如圖4所示.重金屬Zn的溶出率變化關(guān)系與Pb類似,重金屬Zn在前5 d內(nèi)溶出較快,后期趨于平緩,完成全量釋放的時(shí)間約為13 d.相同時(shí)間內(nèi),酸性條件下重金屬Zn的溶出效率比去離子水高,重金屬Zn的溶出量也比去離子水大,如圖5所示.

圖6　淋濾液中重金屬Cu隨時(shí)間的變化關(guān)系

圖7　淋濾液中重金屬Cd隨時(shí)間的變化關(guān)系

隨著淋溶時(shí)間的增長,土壤中重金屬Cu逐漸被淋濾,重金屬Cu的溶解釋放速率越來越緩慢,溶出量也越來越小,最后趨于平緩.前期重金屬Cu濃度變化成曲線,在后期Cu含量變化近似成水平線.重金屬Cu在前5 d內(nèi)溶出速率較快,Cu的溶出濃度下降也較快,模擬降水完成全量溶出時(shí)間約為7 d.去離子水模擬條件下,完成全量溶出時(shí)間大約為13 d,13 d后淋濾液中重金屬Cu的含量幾乎難以被火焰原子吸收儀檢測到.重金屬Cd的溶出濃度變化關(guān)系如圖7所示,在酸性模擬降水條件下,前6 d內(nèi)溶出速率變化不明顯,溶出濃度變化接近線性變化關(guān)系,而在去離子水淋濾過程中前3 d濃度下降變化較快,濃度變化有異常狀況,可能在實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)誤差也可能是重金屬Cd的本身的理化性質(zhì)所致,總體上講,模擬降水條加下,重金屬Cd經(jīng)過6 d的淋溶實(shí)驗(yàn)后基本完成全量釋放,去離子水模擬條件下,9 d以后重金屬Cd完成全量釋放.

綜合可知,初期的淋濾液中各重金屬濃度比較高,濃度大小關(guān)系為Zn＞Pb＞Cu＞Cd,末期的淋濾液中Pb、Zn、Cu、Cd的濃度近似相等.模擬降水條件下的重金屬Pb、Zn、Cu、Cd溶出速率均比去離子水淋溶條件下快.重金屬Pb、Zn、Cu、Cd由于其自身形態(tài)比例以及化學(xué)性質(zhì)差異,導(dǎo)致其各自的溶出量以及溶出速率有明顯差異,完成全量釋放的周期差異較大.重金屬Pb、Zn、Cu、Cd在土壤中的釋放速率受酸堿性明顯,酸性條件下會加快重金屬Pb、Zn、Cu、Cd在土壤與水體之間的交換和遷移.

3.3礦區(qū)土壤剖面重金屬分布規(guī)律

根據(jù)圖8土壤剖面分布規(guī)律,重金屬Pb、Zn、Cu主要集中在0～30 cm的土壤表層,Cd在礦區(qū)土壤中含量極小且分布相對均勻.整體上重金屬Pb、Zn、Cu含量隨深度的增加而減小,30 cm土壤層以后,Pb、Zn含量約為50 mg/kg,Cu含量約為15 mg/kg,重金屬Pb、Zn、Cu含量趨于穩(wěn)定.重金屬Cd在表層土壤中含量約為0.22 mg/kg,在30 cm深度的土壤層含量約為0.16 mg/kg,Cd含量隨深度變化極小.重金屬Pb、Zn隨采樣深度的變化幅度明顯,隨采樣深度的增加,Pb、Zn含量下降速度較快,Cu、Cd含量隨采樣深度的變化下降幅度較慢.重金屬Pb、Zn含量隨深度的變化關(guān)系說明Pb、Zn主要集中在土壤表層.重金屬Cu、Cd則分布比較均勻.重金屬Pb、Zn、Cu、Cd在縱向土壤刨面上的分布規(guī)律與土壤理化性質(zhì)以及降雨量、微生物活動關(guān)系密切,也與自身形態(tài)特征密不可分.礦區(qū)土壤表層的重金屬Pb、Zn主要來源于采煤和選煤過程,重金屬Cu有少部分來源于采煤、選煤過程.Cd在土壤中分布均勻,從分布狀況來看,采礦、選礦對其貢獻(xiàn)率較小,Cd的含量主要來源于土壤天然本底值.

圖8　土壤剖面重金屬分布變化關(guān)系

4　結(jié)論

煤礦產(chǎn)生的重金屬污染問題不可忽視.重金屬在土壤中橫向和縱向的遷移、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化,引發(fā)大面積范圍的污染,并且存在時(shí)間長久并通過食物鏈的放大作用,將危害到人類健康.

(1)土壤中的微量重金屬Pb、Zn、Cu、Cd初期釋放進(jìn)入環(huán)境中,理化性狀比較活躍,在土壤中主要以可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)存在,當(dāng)遇到外界環(huán)境改變下重金屬Pb、Zn、Cu、Cd的形態(tài)會隨著環(huán)境條件改變,形態(tài)發(fā)生理化反應(yīng)并向穩(wěn)定態(tài)過渡.

(2)重金屬初期由于淋溶液的酸堿性,釋放速度較快,以離子狀態(tài)存在于淋溶液中且濃度大小為Zn＞Pb＞Cu＞Cd,淋溶末期淋濾液內(nèi)Pb、Zn、Cu、Cd的濃度近似相等.模擬降水條件下的重金屬Pb、Zn、Cu、Cd溶出速率均比去離子水淋溶條件下快.重金屬Pb、Zn、Cu、Cd由于其自身形態(tài)比例以及化學(xué)性質(zhì)差異,導(dǎo)致其各自的溶出量以及溶出速率有明顯差異,完成全量釋放的周期差異較大.實(shí)驗(yàn)結(jié)果中明顯看出重金屬Pb、Zn、Cu、Cd在受酸堿性影響明顯,溶出率受p H值影響明顯.

(3)土壤刨面結(jié)構(gòu)內(nèi)的重金屬在土壤內(nèi)部的分布趨勢有明顯差異,這種差異表現(xiàn)在土壤層面內(nèi)一些有機(jī)質(zhì)特性以及重金屬自身性質(zhì),同時(shí)受外界排放影響.重金屬Pb、Zn總體上分布在土壤刨面上表層,且重金屬Pb、Zn來源受煤礦以及生產(chǎn)生活影響較大,土壤刨面結(jié)構(gòu)內(nèi)的Cu、Cd上下層變化較小,分布相對均勻,顯然在來源方面受礦區(qū)以及外界生產(chǎn)生活影響小.

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(責(zé)任編輯 孫英浩)

信 息 時(shí) 空

作者簡介:劉玥(1980－),女,漢族,遼寧阜新人,講師,碩士,主要從事礦山地質(zhì)環(huán)境方面的研究。

基金項(xiàng)目:?陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(SJ08－ZT08－3)

中圖分類號TD997

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A