重金屬鉈污染及防治對策分析

曾建萍

（萍鄉(xiāng)市環(huán)科環(huán)保技術(shù)服務(wù)有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000）

0 引言

鉈（簡稱“Tl”）屬于稀有重金屬元素，應(yīng)用于通訊、航天、軍工、化工、電子等領(lǐng)域中，但鉈元素存在較強(qiáng)毒性，且具有強(qiáng)遷移性、潛伏性，對哺乳動物危害極大。在工業(yè)化發(fā)展期間，鉈元素經(jīng)化工生產(chǎn)、金屬冶煉、礦山開采等活動不斷累積于地表，而動植物則極易吸收水體、土壤中的鉈元素，最終經(jīng)食物鏈累積后危害人體健康，引發(fā)鉈中毒，因此，必須加強(qiáng)對鉈污染排放的防治與控制。

1 重金屬鉈污染來源及分布

1.1 鉈污染來源

鉈元素多存在于土壤、巖石礦物、生物體、水體中，屬于自然分散狀態(tài)下的鉈元素并不會直接危害生態(tài)環(huán)境及人體健康，但受到遷移擴(kuò)散及富集效應(yīng)影響，則會造成極大危害。

鉈元素來源分為兩部分，其一為成土母質(zhì)，其二為人類活動排放，而化工生產(chǎn)、金屬冶煉、礦物開采等人為因素是造成鉈污染的主要原因。從成土母質(zhì)角度來看，該因素是土壤中鉈元素的主要來源，成土母質(zhì)直接決定鉈元素在土壤中的含量[1]。而從人類活動角度來看，部分礦山中存在鉈元素，在礦山開采過程中，則會使鉈元素逐漸擴(kuò)散至大氣中?，F(xiàn)階段鉈獨(dú)立礦物主要為鋁的硫鹽礦物、硫化物，而處于自然界中的硫化礦物經(jīng)風(fēng)化、氧化、綜合反應(yīng)、分解后則會形成酸性廢水，在此期間，鉈元素將會隨酸性廢水在土壤、水體中遷移。此外，礦石冶煉同樣是造成鉈污染的主要因素之一，例如：大部分煤礦中的鉈元素含量處于0.01～2 mg/kg 區(qū)間內(nèi)，部分硫煤礦中鉈元素含量較高，甚至達(dá)12～100 mg/kg。鉈元素現(xiàn)階段在部分產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中具有廣泛用途，為滿足鉈稀有金屬需求，鉈資源開采活動不斷持續(xù)，進(jìn)一步加劇了鉈污染危害，且鉈元素具有較強(qiáng)擴(kuò)散遷移作用，因此必須重視鉈重金屬污染問題。

1.2 鉈污染分布

1.2.1 礦物中的鉈

鉈屬于重金屬元素，現(xiàn)階段已發(fā)現(xiàn)硫砷鉈礦、輝鉈礦、鉈明礬礦、硫砷汞鉈礦、紅鉈礦等鉈獨(dú)立礦物，但該類獨(dú)立礦物數(shù)量極少，難以發(fā)展為獨(dú)立礦床，多以伴生形式存在于鉛鋅硫化物礦床、銅礦床內(nèi)，我國鉈稀有金屬資源較多，主要分布于云南、貴州、安徽等地。結(jié)合表1 可見，鉈在不同巖石類型中的含量存在差異，根據(jù)表1 含量數(shù)據(jù)可知，在沉積巖中，鉈元素在泥質(zhì)巖、黑色頁巖、碳酸鹽中的含量較為平均，主要存在于粘土巖中；在巖漿巖中，鉈元素含量在超基性巖、基性巖、中性巖、酸性巖中表現(xiàn)出逐步增多的特征；在變質(zhì)巖中，鉈元素主要存在于片麻巖中。

表1 鉈在不同巖石類型中的含量

在成巖成礦演變過程中，鉈含量表現(xiàn)出不同變化，具體含量變化可見表2。礦物中的鉈在地表中存在較強(qiáng)遷移特性，故在含鉈礦物開采過程中，受到鉈遷移擴(kuò)散特性影響，含鉈礦區(qū)在開采期間易出現(xiàn)鉈中毒現(xiàn)象，此外，含鉈礦石冶煉焙燒期間，鉈能夠隨飛灰排至大氣環(huán)境內(nèi)，因此，需加強(qiáng)對含鉈礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的監(jiān)管治理[2]。

表2 基于成巖成礦演變過程的鉈含量變化

1.2.2 土壤中的鉈

不同性質(zhì)的土壤中存在的鉈元素含量存在差異，結(jié)合干燥紅壤分析，鉈含量在我國隨緯度由南到北表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，此外，在同類土壤中，隨經(jīng)度由東向西鉈含量同樣表現(xiàn)為逐漸減少[3]。對鉈元素在土壤中的基本濃度參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體情況可見表3。由表3 可知，鉈元素在我國土壤中的平均含量為28.82 mg/kg，標(biāo)準(zhǔn)差為21.65 mg/kg，最大值與最小值分別為93.17、2.25 mg/kg，變異系數(shù)為75%，其中變異系數(shù)主要代表鉈元素在土壤中的空間分配均衡性，變異系數(shù)越高則證明鉈元素在土壤中的濃度分配越不平衡。除此之外，土壤鉈元素含量平均值與分布區(qū)間分別為0.20 mg/kg、0.10～0.80 mg/kg。

表3 土壤鉈元素基本濃度參數(shù)

土壤中的鉈污染具體來源，在自然環(huán)境下，鉈元素在土壤中的含量較低，人類活動（如礦產(chǎn)開采、農(nóng)耕活動、工業(yè)生產(chǎn)等）是引發(fā)土壤鉈污染的主要因素。

在自然環(huán)境下，全球與我國的土壤鉈含量區(qū)間為0.01～3.0 mg/kg、0.29～1.17 mg/kg，從某種程度上來看，土壤中鉈含量在不同母巖風(fēng)化中的含量有所差異，具體可見表4，與土壤腐殖質(zhì)、粒度、pH 值無關(guān)。鉈元素在高溫環(huán)境下具備易揮發(fā)特性，故煤燃燒、金屬冶煉期間，鉈元素則會逐漸擴(kuò)散至大氣環(huán)境中，經(jīng)大氣沉降后進(jìn)入土壤，繼而引發(fā)土壤鉈污染。在長期工業(yè)發(fā)展中，隨著鉈金屬元素的深入開發(fā)，現(xiàn)階段鉈污染已成為土壤重點(diǎn)污染類型，土壤鉈污染在黔西南地區(qū)采礦區(qū)較為嚴(yán)重，含量甚至可達(dá)40～124 mg/kg，因此，必須重視土壤鉈污染治理工作。

表4 土壤中鉈含量在不同母巖風(fēng)化中的含量

1.2.3 水體中的鉈

鉈在海水、河水、湖水、地下水、溪流水等自然水體中廣泛分布，但其含量普遍較低，分別為0.012～0.061 2 mg/kg、0.006～0.715 mg/kg、0.001～0.003 6 mg/kg、0.001～1.264 mg/kg、0.001～0.006 mg/kg，而在冶煉工業(yè)廢水、礦坑廢水中，鉈高度聚集，屬于鉈水污染重點(diǎn)區(qū)域。為避免鉈金屬元素成為水體污染重點(diǎn)問題，需對水體中鉈元素的遷移方式、存在價(jià)態(tài)、含量分布、危害程度進(jìn)行研究。結(jié)合實(shí)際情況來看，部分地下水、溪流水中鉈含量加高，而產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于當(dāng)?shù)睾B硫化物經(jīng)水巖相互作用、化學(xué)風(fēng)化作用、物理作用而使鉈逐漸遷移到了地表水及地下水中。此外，燃煤活動、金屬冶煉等人為生產(chǎn)作業(yè)所排出的煙塵中同樣存在鉈元素，經(jīng)沉降后則會進(jìn)入水體環(huán)境中[4]。水體中的鉈元素主要以Tl3+、Tl＋的形態(tài)存在，對其細(xì)致分析后，發(fā)現(xiàn)Tl＋含量更多，僅在水體存在強(qiáng)氧化現(xiàn)象時(shí)存在Tl3+，由此可見，在水體環(huán)境中，鉈元素主要以Tl+的形態(tài)遷移擴(kuò)散。在地表水、河水、海水中，Tl+在全部溶解鉈元素中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%～96%，對于部分有機(jī)質(zhì)含量較高的水體環(huán)境中，則Tl3+質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高，占據(jù)53%～61%。

1.2.4 大氣中的鉈

大部分鉈化合物具備強(qiáng)揮發(fā)性，在礦物冶煉期間，鉈則會以氣體形態(tài)擴(kuò)散遷移至大氣中。在礦物冶煉焙燒期間，約質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～70%的鉈隨煙氣進(jìn)入煙道，而鉈沸點(diǎn)為298 ℃，經(jīng)冶煉焙燒后鉈轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，擴(kuò)散至大氣中造成污染。而處于大氣中的鉈最終經(jīng)沉降后逐漸遷移到土壤、水體中。

2 重金屬鉈污染防治策略

結(jié)合上述分析可見，重金屬鉈污染主要表現(xiàn)在礦物、土壤、水體、大氣中，但隨著鉈元素的遷移擴(kuò)散，其主要在土壤、水體中富集，故土壤與水體成為防治重金屬鉈污染的重點(diǎn)，以下從土壤鉈污染與水體鉈污染兩個(gè)角度展開分析。

2.1 土壤鉈污染防治

2.1.1 物理防治

該方法是指基于鉈在不同土層、剖面中的分布特點(diǎn)，采用物理手段降低土壤中鉈濃度的方式，主要包括去地表土、翻土、換土、加土四種處理防治。其中去地表土是指去除土壤表層中已被鉈污染的土層，該方式防治效果優(yōu)異，但所需人力、物力較多，在污染嚴(yán)重、面積較小的區(qū)域中尤為適用。翻土是指通過翻轉(zhuǎn)土壤，使已被鉈污染的土層轉(zhuǎn)移到下方，盡可能避免植物吸收與接觸，避免鉈元素經(jīng)富集而流入食物鏈。換土是指更換土層，即運(yùn)用無污染土壤將鉈污染土層替換，以此起到鉈污染防治的效果。加土則是指增加土層，將無污染土壤覆蓋至鉈污染土層上方。

2.1.2 化學(xué)防治

對土壤堿化處理，將堿性物質(zhì)（如石灰等）添加至鉈污染區(qū)域土壤中，借助堿性物質(zhì)對鉈遷移活動進(jìn)行抑制。該方式簡單有效、便捷經(jīng)濟(jì)，但完成防治后，鉈仍可通過酸性介質(zhì)再次活化遷移。此外，還可將有機(jī)質(zhì)肥料、鐵錳氧化物添加至土壤中，對鉈重金屬元素進(jìn)行吸附，遏制鉈的遷移。

2.1.3 生態(tài)防治

該方式是借助植物完成土壤修復(fù)，運(yùn)用屈曲花科植物、中亞灌木等對鉈具有超強(qiáng)富集作用的植物改善土壤生態(tài)，以此治理與控制土壤鉈污染。生態(tài)防治綜合效益較高，但治理效果緩慢，適用于污染輕、范圍大的土壤防治。

2.2 水體鉈污染防治

水體鉈污染防治可采用離子交換法、活性Al 凈化法對進(jìn)行處理，借助該類方式治理后的水體，其鉈含量可降低至2 ug/L，該類方法治理效果優(yōu)異，但成本較高，難以在大規(guī)模鉈污染廢水治理作業(yè)中實(shí)現(xiàn)普及。此外，可營造堿性還原環(huán)境，將硫化物添加至鉈污染廢水中，借助硫酸還原菌將水體中廣泛存在的Tl+轉(zhuǎn)化為Tl2S 沉淀，使鉈以沉淀物的形式析出，以此有效降低廢水中的鉈含量。同時(shí)，還可運(yùn)用飽和NaCl 溶液將水體中Tl+轉(zhuǎn)化為TlCl 沉淀，同樣可實(shí)現(xiàn)固體沉淀析出，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用電析法、反滲法、超濾法等方式對廢水進(jìn)行凈化即可。

3 結(jié)語

礦物、水體、土壤與大氣中均存在不同含量的鉈元素，而經(jīng)遷移與沉降中，為保障重金屬鉈污染防治效果，應(yīng)重點(diǎn)對土壤與水體中的鉈污染進(jìn)行防治。在土壤鉈污染防治期間，可從物理防治、化學(xué)防治、生態(tài)防治三個(gè)層面對鉈污染進(jìn)行控制，而在水體鉈污染防治過程中，可采用電析法、反滲法、超濾法等方式對水體中鉈污染現(xiàn)象進(jìn)行控制。