綠色礦山背景下礦山土壤修復(fù)技術(shù)的研究

魏延麗，布多

（西藏大學(xué) 理學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

礦產(chǎn)資源是人類生存和發(fā)展最主要的能源支撐，也是各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)保障[1]。我國(guó)疆域遼闊，礦種齊全，是世界上資源總量豐富的國(guó)家，成礦地質(zhì)條件非常優(yōu)越。然而在大力開(kāi)采礦產(chǎn)資源獲得經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的同時(shí)，我國(guó)的生態(tài)環(huán)境也遭到了嚴(yán)重的破壞，因礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)而受污染的國(guó)土面積不斷擴(kuò)大。在礦山的開(kāi)采過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的污染元素，這些元素固定在土壤中并不斷積累，最終會(huì)導(dǎo)致土壤成分、性質(zhì)和功能不斷惡化。礦山土壤污染具有持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、不可逆、難降解的特點(diǎn)，而且土壤中的重金屬元素可以在生物體內(nèi)富集，并通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)，最終會(huì)嚴(yán)重威脅到人類的生命健康安全[2]。

“十四五”期間，國(guó)家高度重視生態(tài)文明建設(shè)，過(guò)去對(duì)環(huán)境的末端治理導(dǎo)致了很多生態(tài)方面的歷史遺留問(wèn)題，如今隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，礦業(yè)也進(jìn)入到了精細(xì)化開(kāi)采和注重生態(tài)保護(hù)的新階段。綠色礦山建設(shè)已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略，提出和貫徹綠色發(fā)展理念是時(shí)代發(fā)展的必然要求，深入推進(jìn)礦區(qū)環(huán)境的綜合治理和生態(tài)修復(fù),竭力加強(qiáng)全國(guó)范圍內(nèi)綠色礦山的建設(shè)也成為我國(guó)“環(huán)境保護(hù)與修復(fù)”項(xiàng)目中的一項(xiàng)重點(diǎn)工程，這既是實(shí)現(xiàn)礦業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑和必然要求，又是優(yōu)化礦區(qū)環(huán)境、開(kāi)創(chuàng)生態(tài)文明新時(shí)代的必由之路[3]。為了更好開(kāi)展礦區(qū)污染土壤修復(fù)工作，在探討礦山污染土壤現(xiàn)狀及危害的基礎(chǔ)上，對(duì)不同的修復(fù)方法進(jìn)行了歸納總結(jié)，并介紹了藻類在礦山土壤治理方面所發(fā)揮的重要作用，這將為今后綠色礦山建設(shè)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 礦山土壤污染現(xiàn)狀

1.1 基本情況

根據(jù)礦床特征、礦體的賦存狀態(tài)和經(jīng)濟(jì)限制等因素，可以把礦山開(kāi)采方式分為露天開(kāi)采和地下開(kāi)采[4]。露天開(kāi)采是世界范圍內(nèi)常見(jiàn)的開(kāi)采技術(shù)，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物，這些采礦廢棄物是重金屬污染的主要來(lái)源[5]。煤炭的開(kāi)采被認(rèn)為在很大程度上推動(dòng)了工業(yè)革命的進(jìn)程[6]，但長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度、大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)會(huì)嚴(yán)重影響到生態(tài)環(huán)境，采礦活動(dòng)產(chǎn)生的高濃度潛在毒性元素會(huì)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響[7]。

采礦作業(yè)中產(chǎn)生的礦業(yè)廢渣含有大量的毒性或重金屬物質(zhì)，隨著氧化、風(fēng)化等自然進(jìn)程的發(fā)生，這些污染物很可能會(huì)伴隨地表徑流裹挾或大氣擴(kuò)散等途徑在區(qū)域生態(tài)環(huán)境中擴(kuò)散，富集在土壤中，使土壤失去正常的理化特性。

中國(guó)是采礦活動(dòng)造成土壤重金屬污染嚴(yán)重且廣泛的典型國(guó)家。目前中國(guó)因采礦破壞的土壤面積已經(jīng)達(dá)到了5 860 000 hm2，且該面積仍以每年40 000 hm2的速度遞增[8]。

1.2 礦山污染土壤的危害

礦山污染土壤中的重金屬對(duì)人體和其他生物體的危害非常大，特別是與受污染的沉積物相接觸的野生動(dòng)物，這會(huì)導(dǎo)致生物多樣性和種群規(guī)模的減少[9]。土壤是細(xì)菌、真菌等不同微生物的自然棲息地，這些微生物在提高土壤質(zhì)量、維持土壤肥力方面發(fā)揮著重要作用[10]。然而土壤中重金屬的存在抑制了微生物的活性，破壞了土壤微生物的生長(zhǎng)代謝過(guò)程[11]。Filimon 等[12]的研究表明，在重金屬含量高的土壤中，土壤微生物的數(shù)量和多樣性都會(huì)減少。礦山附近土壤微生物的生物量明顯低于遠(yuǎn)礦區(qū)[13]。

隨著過(guò)量的重金屬進(jìn)入巖層，土壤質(zhì)量也會(huì)下降，原有的地表植被無(wú)法生存，將會(huì)大面積剝離，使地表裸露，這將會(huì)影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，降低農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，最終會(huì)導(dǎo)致土壤生產(chǎn)力和糧食安全性下降[14]。此外，受污染土壤中的重金屬可能會(huì)引起植物生理和代謝活動(dòng)的變化，影響區(qū)域內(nèi)的植物生長(zhǎng)[15]。Laghlimi 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，Ni、Cu、Zn、Cd、Cr、Pb 等金屬可引起植物萎黃、壞死、抑制根和莖生長(zhǎng)、減少葉綠素產(chǎn)生并破壞其光合作用。

綜上，礦山開(kāi)采不僅會(huì)破壞生態(tài)功能，造成一定程度的環(huán)境污染，還會(huì)嚴(yán)重影響到人類的身體健康。因此，礦業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展與礦山生態(tài)修復(fù)將是無(wú)法逃避的問(wèn)題。

2 礦山污染土壤的修復(fù)方法

對(duì)于礦山污染土壤的處理主要采用原位修復(fù)和異地修復(fù)兩種方式。原位修復(fù)優(yōu)于異地修復(fù)，因?yàn)檫@一修復(fù)方法通常更具成本效益和環(huán)境友好性[17]。從技術(shù)層面來(lái)說(shuō)，對(duì)于重金屬污染土壤的治理是礦區(qū)土壤修復(fù)中的重點(diǎn)與難點(diǎn)，重金屬污染會(huì)抑制植物生長(zhǎng)，還會(huì)導(dǎo)致土壤貧瘠和極端pH 值等連帶問(wèn)題[18]。目前對(duì)重金屬污染土壤的修復(fù)技術(shù)逐漸趨于多元化，無(wú)害化處理污染土壤是當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。

2.1 物理修復(fù)

物理修復(fù)技術(shù)是利用物理方式來(lái)降低土壤重金屬含量的一種方法，分為熱處理法、工程修復(fù)法和電解法等。

2.1.1 熱處理法

熱處理法是將污染土壤破碎成粒,然后向土壤中添加一些可以分解重金屬化合物的添加劑，接著通過(guò)紅外輻射、蒸汽或射頻加熱，將揮發(fā)性重金屬元素從土壤中分解去除的方法[19]。熱處理法由于其具有較好的修復(fù)效果和較短的修復(fù)時(shí)間被廣泛應(yīng)用，但在高溫條件下，土壤中穩(wěn)定金屬的生物毒性會(huì)增大，這將導(dǎo)致土壤有機(jī)肥力下降。

2.1.2 工程修復(fù)法

適用于小面積污染土壤的處理，主要分為客土法、換土法和深耕翻土等，是一種切實(shí)有效的修復(fù)方法?？屯练ㄊ菍⑴c原有土壤理化性質(zhì)相似的干凈土壤加入受污染的土壤中；換土法是將被污染的土壤挖除，置換為干凈的新土；深耕翻土法是將深層干凈的土壤翻至表面，代替表層被污染的土壤。利用這些方法去除污染物的效果非常顯著[20]。但經(jīng)濟(jì)成本過(guò)高且未能從根本上去除重金屬，因此不適合對(duì)大面積污染的土壤進(jìn)行修復(fù)。

2.1.3 電解法

其原理是在污染部位的兩端插入石墨電極，在電場(chǎng)的作用下，土壤中的重金屬離子會(huì)移動(dòng)到電極附近，進(jìn)行富集，進(jìn)而導(dǎo)出重金屬離子，從而實(shí)現(xiàn)金屬離子和土壤的分離，減少污染[21]。電解法對(duì)土壤原生態(tài)影響較小，無(wú)二次污染，修復(fù)周期短，效率高，但是在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到電壓梯度、電解液組分等多方面的影響。

2.2 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)是一種原位修復(fù)技術(shù)[22]。主要是運(yùn)用化學(xué)方法，利用化學(xué)物質(zhì)對(duì)礦山污染土壤進(jìn)行處理，具體又可分為改良劑法與淋洗法兩種。

2.2.1 土壤改良劑法

將合適的化學(xué)改良劑加入到受污染的土壤中，通過(guò)吸附、絡(luò)合和沉淀等方式改變土壤中重金屬元素的形態(tài)，將污染土壤固封為低滲透系數(shù)的固化體，或改變污染物的化學(xué)性質(zhì)，使其變?yōu)椴换顫娦螒B(tài)，從而有效減少土壤中污染物的遷移性和流動(dòng)性[23]。其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)難度不大，經(jīng)濟(jì)有效，對(duì)大面積低濃度污染土壤具有良好的應(yīng)用前景。缺點(diǎn)是并沒(méi)有真正去除污染物，會(huì)有產(chǎn)生二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 土壤淋洗修復(fù)法

淋洗劑可以與土壤中的重金屬發(fā)生解吸作用，通過(guò)沉淀、離子交換、吸附螯合等過(guò)程使土壤中的重金屬元素從土壤中轉(zhuǎn)移到液相中，然后提取出淋洗廢液對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)處置[24]。該技術(shù)操作簡(jiǎn)便，修復(fù)時(shí)間周期短，適用于大面積污染嚴(yán)重且滲透性較高的土壤。但為了防止二次污染，需要謹(jǐn)慎選擇化學(xué)淋洗劑，優(yōu)先選擇環(huán)境友好并對(duì)生態(tài)影響較小的，同時(shí)要對(duì)后續(xù)的淋出液進(jìn)行安全處理。

2.3 生物修復(fù)

主要是利用動(dòng)物、植物、微生物的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)，吸收、降解、轉(zhuǎn)化殘留在土壤中的污染物，從而改善土壤質(zhì)量，使土壤各項(xiàng)指標(biāo)恢復(fù)到安全范圍內(nèi)，土壤基本功能恢復(fù)正常的一種手段。利用生物技術(shù)進(jìn)行修復(fù)具有經(jīng)濟(jì)有效且不會(huì)產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)，目前已經(jīng)成為環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

2.3.1 微生物修復(fù)法

在適宜的環(huán)境條件下，微生物通過(guò)吸附、沉淀、氧化和還原等作用，降低污染濃度，使土壤環(huán)境進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的技術(shù)即為微生物修復(fù)技術(shù)[25]。這些微生物必須具有某些特性，如能降解相關(guān)污染物的酶或?qū)κ芪廴镜貐^(qū)的重金屬具有高抗性。微生物可以通過(guò)固定、移動(dòng)或轉(zhuǎn)化等方式，降低有害物質(zhì)的毒性。其修復(fù)原理主要包括生物積累、生物吸著等生物富集，利用生物的代謝活動(dòng)將重金屬離子貯存到細(xì)胞中或胞外基質(zhì)[26]。還包括還原、甲基化與去甲基化、溶解、有機(jī)絡(luò)合等生物轉(zhuǎn)化方式。微生物可以通過(guò)改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)和氧化還原狀態(tài)，使重金屬化合價(jià)改變，從而改變其穩(wěn)定性，降低其在土壤環(huán)境中的移動(dòng)性和生物可利用性。微生物具有分布范圍廣、繁殖代謝快、適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而日益受到人們的重視，成為重金屬污染土壤修復(fù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

2.3.2 植物修復(fù)法

植物修復(fù)是一種既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的土壤修復(fù)方法。選擇對(duì)金屬耐受閾值相對(duì)較高的特定植物，通過(guò)提取、轉(zhuǎn)移、分解和固定等方式對(duì)土壤中的污染物質(zhì)進(jìn)行去除，使污染土壤恢復(fù)其正常功能。在利用植物修復(fù)土壤時(shí)，要因地制宜，根據(jù)不同的地質(zhì)特征選擇不同植物。植物種類和重金屬種類的不同會(huì)導(dǎo)致植物的金屬吸收過(guò)程有所差異，但總體包括對(duì)金屬的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)、積累和滲透調(diào)節(jié)等方面[27]。耐受性植物能夠通過(guò)枝葉分解物和根系分泌物固定土壤中的重金屬污染物，同時(shí)，植物根系的分泌物也能增強(qiáng)土壤中的微生物活性，促進(jìn)其對(duì)污染物的轉(zhuǎn)化和降解。植物修復(fù)技術(shù)既能降低土壤中的重金屬含量，又能同步改善土壤的養(yǎng)分條件，恢復(fù)土壤功能，并且具有永久性、美觀性、低成本等優(yōu)勢(shì)，在修復(fù)過(guò)程中一般無(wú)二次污染，是一種綠色、清潔、具有市場(chǎng)潛力的技術(shù)。

2.3.3 動(dòng)物修復(fù)法

動(dòng)物修復(fù)是指利用土壤動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育、呼吸代謝等過(guò)程對(duì)污染物進(jìn)行分解、富集、去除的技術(shù)。在實(shí)際礦山的重金屬污染土壤中發(fā)現(xiàn)了存活的蚯蚓，并在蚯蚓體內(nèi)檢測(cè)出了污染物元素，表明用對(duì)重金屬有忍耐作用的動(dòng)物來(lái)修復(fù)土壤是可行的[28]。通過(guò)土壤動(dòng)物的生命活動(dòng)，能夠有效改善土壤生態(tài)環(huán)境，但蚯蚓在高濃度污染土壤中的富集能力有限，當(dāng)污染濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致蚯蚓重金屬中毒死亡。

3 藻類在礦山土壤修復(fù)中的作用

藻類作為生物進(jìn)化史上一類具有特殊意義的生物類群，具有一套對(duì)極端環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制，能夠在干旱、貧瘠等惡劣環(huán)境下生存。藻株可以利用尾礦基質(zhì)表層暫時(shí)可用的水分快速生長(zhǎng)和繁衍，并與異養(yǎng)微生物、尾礦砂相互作用，在尾礦基質(zhì)表層形成幾毫米厚的藻類結(jié)皮，影響和改變尾礦庫(kù)環(huán)境[29]。

藻類在礦山土壤修復(fù)過(guò)程中，主要作用如下。

3.1 藻類對(duì)土壤中的重金屬具有一定的耐性機(jī)制，能夠誘導(dǎo)有機(jī)物質(zhì)自由基或活性氧的生成，是污染土壤修復(fù)技術(shù)的常用方式之一，通過(guò)藻類細(xì)胞壁的結(jié)合作用，能夠很好地吸附土壤中的重金屬離子，其吸附性能往往高于其他生物[30]。

3.2 藻類在土壤中大量生長(zhǎng)，能向體外分泌以多糖為主的胞外產(chǎn)物[31]，從而粘結(jié)土壤顆粒和沙粒，形成結(jié)皮，可以防止土壤侵蝕和土壤沙漠化。

3.3 藻類作為光合自養(yǎng)生物，能夠把無(wú)機(jī)物合成為有機(jī)物，從而增加土壤中的有機(jī)物含量，為其他微生物的生存提供營(yíng)養(yǎng)，同時(shí)在光合作用過(guò)程中釋放氧氣，有利于土壤中生物的生長(zhǎng)，這對(duì)通氣不良的土壤尤其重要。3.4 固氮藍(lán)藻能將空氣中游離的氮?dú)夤潭橛袡C(jī)氮進(jìn)入土壤生境，增加土壤中的氮含量。

3.5 已有研究表明藻類能夠增加土壤中有效磷的含量，改善土壤中磷的供應(yīng)狀況[32]。

4 結(jié)語(yǔ)

礦山廢棄物導(dǎo)致大量土壤重金屬污染，影響植物、動(dòng)物、土壤微生物和人類健康。因此，土壤治理改良是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的重要環(huán)節(jié)，也是首要環(huán)節(jié)。在當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的背景下，人們需要根據(jù)被污染土壤的性質(zhì)和污染物的組成，選擇針對(duì)性的高效修復(fù)技術(shù)，并結(jié)合多種污染治理和修復(fù)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，加快土壤修復(fù)進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)自然生態(tài)的治理和恢復(fù)。藻類是極端環(huán)境的先鋒植物，可以形成抗逆性強(qiáng)、生態(tài)價(jià)值高、維護(hù)成本較低的藻類結(jié)皮，作為新型的土壤環(huán)境改良植物廣泛運(yùn)用于待修復(fù)重建的生態(tài)系統(tǒng)中。