關于冀北地區(qū)農用地重金屬污染土壤修復技術集成體系研究

郭學輝，張建強，蘇宏建，郭曉飛，劉志軍，孫秀國

(華北地質勘查局 五一四地質大隊，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公里農用地范圍。土壤中重金屬富集性強、降解困難、隱秘性強等特點，屬于是易積累、難去除，冀北地區(qū)農作物、蔬菜、水果等農產品種類較多，重金屬極易通過食物鏈危害人類健康，因此，摸清農用地質量，對已污染的農用地做好防控，截斷工企業(yè)對周圍土壤的重金屬遷移為當務之急。

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，且多數研究及修復仍停留在單一的修復技術，更甚至將土壤轉移至水泥窯協(xié)同處置，修復手段過于粗暴，缺乏基于不同風險等級的控制技術、分級管理和治理體系，本次針對研究區(qū)的污染特點，將多種修復方法集成研究，各類土壤分級管理，完善了相對匱乏的治理體系。

1 適應于研究區(qū)修復技術的篩選

重金屬污染耕地修復的技術集成首先通過對國內或者國際上比較成熟的、使用廣泛的農田土壤修復的單項技術進行篩選、總結和歸納。

1.1 傳統(tǒng)主要修復技術特點

傳統(tǒng)的修復技術主要有植物修復、物理修復、化學修復3大類，植物修復主要是通過植物提取、植物揮發(fā)、植物鈍化等方式，缺點是受氣候、土壤環(huán)境影響較大；化學修復多用石灰、沸石、EDTA、NaHS等，優(yōu)點是見效快，易破壞土壤結構、成本高等；物理方法多為客土、換土、深耕土等，優(yōu)點是效果徹底，缺點是成本高、工作量大等。

1.2 微生物原位固化及生態(tài)修復技術

近幾年礦山重金屬修復微生物原位固化技術不斷推廣，很多微生物原位固化技術也漸漸成熟。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，形成生物冶金逆過程——生物成礦過程，降低環(huán)境點位、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)礦山周圍多為農用地及水源地，重金屬極易通過降雨淋溶進入周圍土壤和地下水，造成農用地與水源地重金屬污染，微生物原位固化修復技術適合多數有色金屬污染礦山的修復。

本次研究的微生物修復主要針對礦山尾礦庫的修復治理上，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構成分，通過本次野外試驗研究證明可以種植農作物玉米，間接增加了耕地使用率，提升了當地的經濟效益。尾礦1與尾礦2修復前后詳細數據見下表1。

表1 尾礦1與尾礦2修復前后數據對比

1.3 植物修復技術特性

針對冀北地區(qū)本次篩選了3種修復植物，通過研究都完全適合冀北地區(qū)的氣候特征，詳細情況見表2。

表2 植物修復技術研究區(qū)適應性

對研究區(qū)周圍農作物進行了相關調查，多以玉米、白菜、胡蘿卜為主，詳細情況見表3。

表3 植物修復技術研究區(qū)適應性

間作套種是運用群落的空間結構原理，以充分利用空間和資源為目的而發(fā)展起來的一種農業(yè)生產模式，這種模式也被用作農用地重金屬修復，冀北地區(qū)部分污染農用地可用此模式對重金屬污染進行修復，常用修復組合見表4。

表4 研究區(qū)適用間作套種技術

在研究區(qū)經過2年的間作套種試驗，主要利用模式是伴礦景天和玉米間作，經過兩年數據對比，修復效果不明顯，研究區(qū)植物修復方法只能針對一些污染較輕的農用地修復，修復周期較長，對于一些污染較重的農用地難以短時間內阻斷重金屬的遷移，故只能聯合別的修復技術一起使用才能達到一定的預期修復效果。

1.4 固化藥劑修復技術特性

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行修復，防治重金屬淋溶遷移至周圍農田，常用鈍化劑見表5。

表5 常用固化藥劑技術特性

本次研究區(qū)主要發(fā)明的修復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)域修復效果明顯，但修復成本較高，需要適當的選擇性使用，試驗修復區(qū)修復前后對比數據見表6。

表6 研究區(qū)試驗修復區(qū)修復前后數據對照

2 礦山及周圍土壤重金屬修復技術集成

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，土壤有機質含量低、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要綜合考慮其特點，研發(fā)一種相適應的修復集成技術甚為關鍵。

綜合多種礦山及周圍土壤重金屬修復技術，微生物重金屬修復技術具有較大的優(yōu)勢，也是現在國內外市場上推廣使用比較廣泛的技術之一，在綜合考慮本區(qū)域特點的前提下，建立一套完整的技術評價與技術集成體系，為后續(xù)土壤環(huán)境保護和科學管控提供有利的依據和技術支持，其特點是：①結合相應的法律法規(guī)建立土壤污染分級分類機制，以無害化為出發(fā)點，針對各類重金屬污染土壤的特性，精細篩選異性高效修復菌株，提高相應菌種在土壤中的安全性、長期性與活性；②優(yōu)化組合多種修復技術，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用，結合每種修復技術的優(yōu)勢，更快、更有效地修復各種重金屬污染問題；③加大從基因領域更深程度地研究微生物修復機理并完善其修復機理，以期更好地為實際工程應用提供理論支持。

礦山及周圍土壤重金屬修復技術集成，首先通過系統(tǒng)的污染調查研究，確定污染源、污染途徑、污染物的種類以及土壤的各項理化參數；其次進行風險等級的確定，確定修復的各類污染指標以及修復范圍等；再次進行集成技術篩選，優(yōu)先選擇能夠降低污染物含量、毒性、遷移性的單一技術進行集成研究，最終通過專家相關論證確定最佳集成技術；最后結合政府和公眾的接受程度，確定是否進一步開展相關修復工作。

礦山及周圍土壤重金屬修復流程及技術集成示意圖見圖3。

圖3 修復流程及技術集成示意

3 結 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，相應的污染研究相對匱乏，完善治理體系尤為重要。傳統(tǒng)修復技術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逐漸成熟，但深入研究仍是一個相對漫長的過程，不同種類污染源的作用下，農田土壤中重金屬的類型、濃度和價態(tài)均有差異，單一的修復治理技術都有各自的技術特點和適用范圍，當單一的修復技術無法滿足于現在的修復目標時，有效的多種修復技術集成甚為關鍵，不但發(fā)揮了單一修復技術的良好效果，同時，也豐富了整套完整的治理修復體系。