鐵尾礦路用對土壤環(huán)境的影響及生態(tài)修復(fù)降解措施

王緒旺 蔣應(yīng)軍

(1.商洛學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院，陜西 商洛 726000； 2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064)

礦產(chǎn)資源開發(fā)和金屬冶煉等工業(yè)活動促進了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展，但礦區(qū)的開采和冶煉活動產(chǎn)生大量廢水、廢渣和粉塵，嚴重污染了礦區(qū)周圍土壤[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有國營礦區(qū)企業(yè)8 000 多個，民營礦區(qū)達到23萬多，全國礦區(qū)累計被破壞的土地面積達2.88×106hm2，并且每年大約以4.67×104hm2的速度增長[2]。2018年由自然資源部公示的《冶金行業(yè)綠色礦山建設(shè)規(guī)范》明確要求，應(yīng)對露天剝離的表土、生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水、尾礦等固體廢棄物進行資源化利用，安全處置率應(yīng)達到100%，可見開展礦山廢石及尾礦的資源化利用及綠色礦山建設(shè)是礦山企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求[3]。將鐵尾礦使用無機結(jié)合料改進后能夠滿足規(guī)范中對道路基層材料的要求[4]，把鐵尾礦資源用于路面建設(shè)，路表水滲透對道路沿線土壤不構(gòu)成污染，是鐵尾礦用于路面建設(shè)成為環(huán)境友好型筑路材料的重要評價內(nèi)容。

1 鐵尾礦路用理化指標試驗

在柞水小嶺鎮(zhèn)木梓溝鐵尾礦庫取鐵尾礦試樣10份，每份質(zhì)量5±0.1 kg，采用人工四分法[5]制備試驗樣品，測定其顆粒級配、粗細程度、化學(xué)組成、硫化物(以氯離子質(zhì)量計)、硫酸鹽、有機質(zhì)含量、泥土石粉含量、放射性物質(zhì)，測定結(jié)果見表1～4。

表1 鐵尾礦砂級配組成

表2 鐵尾礦砂礦物主要化學(xué)成分

表3 有害物質(zhì)含量和泥土石粉含量

表4 鐵尾礦砂放射性物質(zhì)檢測

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，按照公式(1)計算鐵尾礦的細度模數(shù)μf的值[6]。

(1)

式中，A0.15、A0.30、A0.60、…、A4.75分別為各篩上的累計篩余百分率，%。

經(jīng)計算μf=1.50，滿足特細砂0.7<μf≤1.5指標，說明試驗用鐵尾礦為特細砂。

2 鐵尾礦路用對土壤環(huán)境的影響

2.1 鐵尾礦理化指標分析

表2～3可知，鐵尾礦的硫化物及硫酸鹽(按照SO3質(zhì)量計)含量為2.89%，不能滿足鐵尾礦砂硫化物及硫酸鹽(按照SO3質(zhì)量計)含量不得大于0.5%的要求[6]。表3中鐵尾礦砂中的氯化物含量、有機質(zhì)含量、泥土石粉含量均滿足GB 51032—2014的指標限值要求[7]。表4中鐵尾礦的放射性Ra-226、Th-232、K-40活度濃度滿足建筑主體材料和裝飾裝修材料的指標要求[8]。

2.2 對土壤環(huán)境的影響評價

鐵尾礦資源化利用服務(wù)于礦區(qū)周邊縣區(qū)道路建設(shè)，路面基層混合料中以摻加80%的鐵尾礦進行考慮，以秦巴山區(qū)內(nèi)的山地黃棕壤為對象，選擇7種對土壤影響較大的重金屬，以薛澄澤等[9]對陜西省主要農(nóng)業(yè)土壤中十種元素背景值研究成果和2018年6月22日由生態(tài)環(huán)境部發(fā)布實施的《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準(試行)》(簡稱“國評標準[10]”)作為相應(yīng)的評價標準(表5)，評價時按照金屬離子在道路建設(shè)沿線產(chǎn)生最不利的全浸入式擴散進行分析。

表5 各參考標準的土壤重金屬含量

對于摻加80%的鐵尾礦路面基層混合料，判定混合料的金屬污染程度，采用“單因子指數(shù)法[11]”評價污染程度，按照公式(2)進行計算。

(2)

式中：Pi為土壤中污染物i的環(huán)境質(zhì)量指數(shù)；Ci為污染物i的含量，mg/kg；Si為污染物i的評價標準，mg/kg。根據(jù)Pi值將土壤污染程度進行劃分，最終劃分成5個級別(表6)，鐵尾礦摻入80%用于道路對道路沿線農(nóng)用土壤的影響見表7。

表6 單因子污染指數(shù)污染評價分級標準

表7 各參考標準的土壤重金屬含量

從表7數(shù)據(jù)可以看出，土壤中的Cu含量為106.4 mg/kg，超過了2018 年《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標準(3 次征求意見稿)》的1.064倍，是陜西黃棕壤背景值的4.03倍，按照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準(試行)》分析，鐵尾礦用于道路建設(shè)時，Cu元素將對農(nóng)用耕地產(chǎn)生Ⅱ級污染，對原狀黃棕壤產(chǎn)生Ⅳ級污染；元素Cr、Ni對農(nóng)用耕地?zé)o污染，對原狀黃棕壤產(chǎn)生Ⅳ級污染；其余重金屬元素均在正常范圍以內(nèi)，無任何污染。

3 生態(tài)修復(fù)降解措施

3.1 生態(tài)修復(fù)

楊元根等研究發(fā)現(xiàn)，重金屬Cu進入土壤后，使土壤微生物特征發(fā)生了一系列變化，微生物量隨Cu 濃度升高而降低[12]。還有研究表明，當(dāng)人體攝入超標的Cu時，就會在人類肝臟中積累，從而引起肝癌、肝硬化等疾病[13]。對于鐵尾礦道路的沿線農(nóng)用耕田，為滿足2018年《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標準(3次征求意見稿)》的重金屬指標限量的要求，采用植物修復(fù)法和微生物修復(fù)法。生物修復(fù)法具有安全、費用低廉等優(yōu)點，因此被稱為環(huán)境友好替代技術(shù)[14]。植物修復(fù)是指利用植物對重金屬離子的提取、區(qū)隔、穩(wěn)定和代謝等功能來降低或去除土壤中重金屬污染物的經(jīng)濟高效治理技術(shù)，該技術(shù)主要包括植物揮發(fā)法、植物固定法、根系過濾法、植物提取法等。其中，植物提取法應(yīng)用最為廣泛，通過超積累植物的根系吸收污染土壤中的重金屬Cu，轉(zhuǎn)移并存儲于地上部，然后收獲地上部并集中處理，如超Cu積累植物鴨跖草，其地上部 Cu 含量平均能達到1 224 mg/kg，具有很強的修復(fù)能力[15]。同時通過改良鐵尾礦土壤給重金屬Cu超積累植物和微生物提供修復(fù)環(huán)境，主要是通過改良尾礦土壤結(jié)構(gòu)，利用城市剩余污泥、黃褐土作為尾礦礦砂土壤的改良材料，添加40%污泥改良效果最好。用黃褐土作為添加材料，與鐵尾礦充分混合，形成新的復(fù)配土壤有利于植物生長。5%粉煤灰+50%尾礦砂+45%黃褐土有效改良尾礦山地土壤[16]。在道路沿線被污染的農(nóng)用黃棕土土壤中加入鈍化材料腐殖酸、凹凸棒土、膨潤土、粉煤灰，對可交換態(tài)Cu有明顯的鈍化作用，過磷酸鈣對碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu有明顯鈍化作用[17]。通過有效利用城市的污泥、工業(yè)粉煤灰，再加入鈍化材料腐殖酸、凹凸棒土、膨潤土對鐵尾礦筑路時造成農(nóng)耕土土壤重金屬Cu污染進行植物、生物和鈍化的復(fù)合修復(fù)，起到良好的環(huán)境效應(yīng)和經(jīng)濟效益。

3.2 路用混合料中重金屬降解

在黃棕壤中重金屬離子不宜遷移，可以暫時在表層或淺表層吸附，不易對地下水造成更深度的污染，但是也會隨地表徑流橫向遷移到河流或其他區(qū)域。鐵尾礦用于道路建設(shè)時應(yīng)降低摻加量，表5中摻加80%鐵尾礦時，農(nóng)用土壤中重金屬Cu含量達到最大值106.4 mg/kg，若用6.4%的砂替代6.4%的鐵尾礦，即路用混合料配合比中摻加80%的鐵尾礦變?yōu)?3.6%鐵尾礦+6.4%砂，則農(nóng)用土壤中重金屬Cu含量達到最大值100 mg/kg，恰好為國家評價標準的農(nóng)用土壤中Cu含量最大值100 mg/kg。當(dāng)摻入80%比例的鐵尾礦用作路面基層時，鐵尾礦被替換值大于6.4%時，能夠滿足2018年《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標準(3次征求意見稿)》中Cu含量的限量要求。

4 結(jié)論

1)研究區(qū)鐵尾礦試樣的放射性Ra-226、Th-232、K-40活度濃度滿足建筑主體材料和裝飾裝修材料的指標要求，有害物質(zhì)含量和泥土石粉含量滿足路用細集料指標要求。鐵尾礦砂硫化物及硫酸鹽含量不滿足混凝土道路使用指標要求，所以鐵尾礦用于配制混凝土?xí)r，應(yīng)控制鐵尾礦中硫化物及硫酸鹽(按照SO3質(zhì)量計)含量在0.5%以內(nèi)。

2)當(dāng)摻入80%比例的鐵尾礦用作路面基層時，按照GB 15618—2018《土壤環(huán)境質(zhì)量農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險管控標準(試行)》分析，鐵尾礦中的Cu元素將對農(nóng)用地產(chǎn)生Ⅱ級污染，元素Cr、Ni對農(nóng)用地?zé)o污染。按照陜西農(nóng)業(yè)黃棕壤土壤元素背景值分析，鐵尾礦中的Cu元素將對原狀黃棕壤產(chǎn)生Ⅳ級污染，元素Cr、Ni對原狀黃棕壤產(chǎn)生Ⅳ級污染。其余重金屬元素均不會產(chǎn)生任何污染。

3)種植重金屬Cu超積累植物并采用城市的污泥、工業(yè)粉煤灰(5%粉煤灰+50%尾礦砂+45%黃褐土)改良尾礦土壤結(jié)構(gòu)，再通過加入鈍化材料腐殖酸、凹凸棒土、膨潤土對鐵尾礦筑路時產(chǎn)生的農(nóng)用耕田土壤中Cu元素污染進行植物、生物和鈍化的復(fù)合修復(fù)。

4)對于摻入80%鐵尾礦路用時超標的Cu等其它重金屬元素，應(yīng)用大于6.4%比例的砂替代鐵尾礦，能夠滿足2018年《農(nóng)用地土壤環(huán)境質(zhì)量標準(3 次征求意見稿)》中重金屬含量的限量要求。