矿山污染修复与治理措施研究
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矿山污染修复与治理措施研究
学 生 姓 名
：
杨某某
学 号
：
***46
年 级
：
2019级
专 业
：
土木工程
指 导 老 师
：
叶某某
学 校
：
XX理工大学
日 期
：
2021年7月9日
矿山污染修复与治理措施研究
摘 要 :介绍了我国部分地区日益发达的矿业造成的土壤重金属污染和废水污染状况 ,分析了重金属污染和废水污染的主要来源及危害 ,推荐和评述了物理、化学、物理化学、生物等土壤重金属修复技术和废水处理技术 ,指出了矿山土壤重金属污染目前尚存在的问题及相关修复技术今后的发展方向。
关 键 词 :重金属污染 ;修复技术 ;土壤 ;金属矿山；矿山废水；废水处理；
我国部分地区矿产资源丰富。随着矿山开采年 份的增加 ,矿山周边土壤环境中重金属不断积累 ,污 染现象日趋严重。重金属进入土壤环境后 ,扩散迁 移比较缓慢 ,且不被微生物降解 ,通过溶解、沉淀、凝 聚、络合、吸附等过程后 ,容易形成不同的化学形态。 当其在土壤中积累到一定程度时 ,就有可能通过土 壤 —植物 (作物 )系统 ,经食物链为动物或人体所摄 入 ,潜在危害性极大。因此 ,金属矿山土壤的重金属 污染问题必须引起高度关注 ,并采取相应措施加以 防治。矿山废水引起的危害自古以来已成为社会问题 。它污染天然水系 ,直接影响到人体健康 , 生态平衡和动植物生长等 。这是关系到全国人民根本利益 的大事。搞好矿山废水综合治理, 保护环境造福于某某 ,是搞好矿山建设不可忽视的一个重要问题 。
一 、矿山土壤重金属和矿山废水的污染和危害
1.1 土壤重金属污染的来源
金属矿山周边土壤中的重金属 ,除本身由于地球化学作用而可能造成背景值偏高外 ,其它则主要来源于金属矿产开采、洗选、运输等过程中废气、废水的排放及固体废物的堆放。露采或坑采的钻孔、 爆破和矿石装载运输等过程产生的粉尘和扬尘中含有大量的重金属 ,经过雨水的淋溶 ,重金属进入周边土壤 ;废水包括采矿生产中排出的地表渗透水、 岩石孔隙水、矿坑水、地下含水层的疏放水以及井某某 生产防尘、灌浆、充填污水、废石场的雨淋污水和选 矿厂排出的洗矿、尾矿废水等。采矿产生的废水、废液，其排放总量占全国工业废水排放总量的10％以上，处理率仅为4．23％。这些废水大多呈酸性 ,溶有大量重金属离子 ;矿山固体废物中一般都含有大量的重金属 ,其中又以尾矿和废弃的低品位矿石中重金属量最高。这些固体废物若在露天堆放 , 容易迅速风化 ,并通过降雨、酸化等作用向XX区周边扩散 ,从而导致土壤重金属污染 。大气中重金属主要来源于露天采矿及地下开采工作面的钻孔、爆破、废石的装载运输过程产生的粉尘和堆放的矿物和废渣随风产生的扬尘。有色金属工业固体废弃物主要是指在开采过程中产生的剥离物和废石，以及在选矿过程中所排弃的尾矿。一般来说，有色金属在矿石中的含量相对较低，生产1 t有色金属可产生上百吨甚至几百吨固体废物。我国有色金属业固体废弃物年排放量为6 590万t，占全国固体废弃物总排放量的10．6％。利用率很低，约为8％。
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1.2 矿山废水的形成
所谓矿山废水即通过矿床地带的渗透水,其中含氧， 二氧化碳与形成矿床的矿石、脉石等作用发生化学变化,一般为酸性废水。所谓尾矿废水就是矿石经过 选矿各道工序 , 对所需要 的精矿通过加浮选剂 , 抑制剂 、起泡剂等 各种药剂进 行浮选后 , 进行浓 缩 , 其溢流水 随着尾矿排至尾矿池 尾矿坝, 这样 的水称 为 尾矿水 , 亦可 总称矿 山 废水 。在硫化铁矿 的开采 过程 中, 往往要排出大量的酸性矿山废水 , 这些酸性废水主要是由硫铁矿氧化而形成的 。其形成机理为
1.硫化铁的氧化
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2.金属硫化物溶解 , 用Me代表金属
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上述过程在氧化细菌作用下, 加速酸性废水的形成。
矿山废水来源于矿石的开采和加工过程、由于其特殊的加工方式, 矿山废水具有如下一些独特的特点。
废水排放量大, 水流时间长。全国选矿厂年排放废水总量为 3.6亿吨 /年, 日平 均排放量高达 100万吨 。 这些废水有2/3以上是由磁选 、重选厂排出的 , 其余约1/3是浮选厂排出的。
因在选矿过程中为调整pH 需加入大量碱性物质(如石灰 、 碳酸钠) , 使选矿 废水多呈碱性。而采矿废水多为酸性(硫化矿被氧化所致) 并含有多种金属离子, 特别是采掘到坑内深部,由于空气中氧的作用, 坑废水含酸增多, 矿物中金属也逐渐被溶解 , 生成强酸性的坑废水。
选矿废水具有一些独特的性质, 水中含有25~50% 的固体尾矿 , 还残留有各种浮选药剂 , 有时散发出浓厚的选矿药剂气味 。XXXX浮选废水流入杨XX后使河水鲜红 , 被称为 “红龙之害 ” , 对农业危害甚大。二 位于 把采矿废水经 石灰乳 中和后
1.3 土壤重金属污染的影响
土壤重金属污染的影响主要有3种 : ( 1)淋溶作用。土壤中的重金属在降水的淋溶作用向下渗透到深层土壤或地下水层 ; ( 2)人或动物的吸入。受污染的土壤直接暴露在环境中 ,通过土壤颗粒物等 形式直接或间接地为人或动物所吸入 ; ( 3)进入食物链。外界环境条件的变化如酸雨、某些土壤添加 剂等因素 ,提高了土壤中重金属的生物可利用性 ,使 得重金属较容易地为植物吸收利用而进入食物链 ,对食物链上的生物产生毒害。
1.4 土壤重金属污染的特点
与其它污染形态有所不同的是土壤重金属污染有其自身特点,主要表现为 : ( 1)隐蔽性和滞后性。土壤重金属污染往往要通过对土壤及农作物样品进行监测后 ,甚至通过对人和动物健康状况进行 诊断后才能确定。(2)累积性。由于重金属在土壤中不容易迁移、扩散和稀释 ,因此 ,很容易在土壤中不断积累而超标 ,同时也使土壤污染具有很强的地域性。 (3)不可逆性和难治理性。重金属污染的自 然降解是非常困难的 ,积累在土壤中的重金属很难 靠稀释作用和自净作用来消除 。
二、金属矿山土壤重金属污染的治理
目前，重金属污染的修复主要有3种途径。 (1)改变重金属赋存状态，降低其活性，使其钝 化，脱离食物链，减小其毒性。 (2)利用特殊植物吸收土壤中的重金属，然后将该植物除去。 (3)用工程技术将重金属变为可溶态、游离态，再经过淋洗，然后收集淋洗液中的重金属，从而达到回收重金属和减少土壤中重金属的双重目的。 国内外采用的方法一般可分为工程措施、农业 措施、改良措施和生物措施。工程措施是利用外来重金属多富集在土壤表层的特性，去除受污染的表层土壤后，将下层土壤耕作活化或用未被污染活性土壤覆盖的方法，分为客土、换土、去表土、深耕翻土法、电动修复法、土壤淋洗法、热解吸法、玻璃化技术法5种；农业措施是因地制宜地调整一些耕作管理制度以及在污染土壤上种植不进入食物链的植物等，从而改变土壤中重金属活性，降低其生物有效性，减少重金属从土壤向作物的转移，达到减轻其危害的目的，主要包括控制土壤水分、改变耕作制度、调整作物种类、合理施用有机肥等；改良措施是施用改良剂、抑制剂等有效降低重金属的水溶性、扩散性和生物有效性，从而降低他们进入植物体、微生物体和水体的能力，减轻他们对生态环境的危害，包括固化方法、添加还原性有机物质、利用拮抗作用等方法；生物修复是指利用微生物或植物的生命代谢活动，将土壤环境中的危害性污染物降解成二氧化碳和水或其他无公害物质的工程技术，主要包括植物修复技术和微生物修复技术，近年来植物修复技术方法由于其原位修复、成本低、不造成二次污染等多种优势而成为国际范围的研究热点。
2. 1 土壤重金属污染的治理方法
2. 1.1 物理方法
物理方法分为热处理及工程措施法等。金属矿山土壤中所含重金属种类较多,热处理法主要针对汞 (Hg)污染 ,效果比较明显,但工程量较大,耗能较多,且易使土壤有机质和土壤水遭到破坏。工程措施是利用外来重金属多富集在土壤表层 的特性 ,去除受污染的表层土壤后 ,将下层土壤耕作 活化或用未被污染活性土壤覆盖 。此方法可以使耕作层土壤中的重金属浓度降至临界浓度以下,减少重金属对土壤—植物系统产生的毒害,从而达到控制其危害的目的。
2. 1.1.1物理化学法
2. 1.1.1.1电动修复法
通过在包含污染土壤的电解池两侧施加直流电压形成电场梯度 ,土壤中的重金属通过电迁移、电渗 流或电泳的途径被带到位于电解池两极的处理室中 并通过进一步的处理 ,从而实现污染土壤样品的减 污或清洁 。电动修复是一门新的经济型土壤修 复技术 ,不搅动土层 ,并可缩短修复时间 ,比较适合 于低渗透的粘土和淤泥土 ,且可以回收铅、砷、铬、 镉、铜、铀、汞和锌等多种重金属元素 ,具有经济效益 高、后处理方便、二次污染少等一系列优点 ,近年来 发展很快 ,在一些欧美国家已经进入商业化 ,但对大规模重金属污染土壤的就地修复仍不够完善。
2.1.1.1.2土壤淋洗法
利用淋洗液将土壤固相中的重金属转移至液相 中 ,再把富含重金属的废水进一步回收处理 。该 技术的关键在于淋洗液的选择 ,应既能提取重金属 又不破坏土壤结构 ,如果选择不当 ,引入的淋洗液很 有可能造成二次污染。用于淋洗土壤的淋洗液很 多 ,包括有机或无机酸、碱、盐和螯合剂 ,用于提取土 壤重金属的主要有盐酸、硝酸、硫酸、柠檬酸、草酸、 EDTA (乙二胺四乙酸 )和 DTPA (乙烯三胺五乙酸 ) 等。土壤淋洗以柱淋洗或堆积淋洗更为实际和经 济 ,这对该技术的商业化具有一定的促进作用。
2.1.1.1.3玻璃化技术法
利用电极加热将重金属污染的土壤熔化 ,冷却 后形成比较稳定的玻璃态物质。实施前 ,需要在土 壤中埋没金属或石墨等导电材料。 由于在通常条件下玻璃非常稳定 ,一般的试剂 难以破坏它的结构 ,所以玻璃化技术对某些特殊重金属 (如放射性废物 )是非常适用的。不过玻璃化 技术相对较复杂 ,实地应用中会出现难以达到统一 的熔化以及地下水的渗透等问题 ,同时熔化过程需 要消耗大量的电能 ,这使得该技术成本很高 ,限制了其应用。
2. 1.2 化学方法
利用化学试剂 (石灰、沸石、钙镁磷肥、硅肥等 碱性肥料及重金属钝化剂等 )有效降低重金属的水 溶性、扩散性和生物有效性 ,促使土壤中的重金属元 素转化为难溶物 ,从而降低它们进人植物体、微生物 体和水体的能力 ,减轻他们对生态环境的危害。用化学方法治理重金属污染土壤 ,其治理效果和费 用都适中 ,对污染不太重的土壤特别适用 ,但需加强管理 ,防止重金属再度活化。
2.1.3 农业方法
农业方法是因地制宜地调整一些耕作管理制 度 ,在重金属污染土壤中种植不进入食物链的植物 , 选择能降低土壤重金属污染的化肥 ,或增施能够固 定重金属的有机肥等措施来降低土壤重金属污染 , 从而改变土壤中重金属的活性 ,降低其生物有效性 , 减少重金属从土壤向作物的转移 ,达到减轻其危害 的目的, 主要包括控制土壤水分、养分、pH值、氧 化还原状况及气温、湿度等生态因子 ,改变耕作制 度、调整作物种类、合理施用有机肥等。农业方法和 措施具有费用低、实施方便、无副作用等优点 ,但周 期长、效果不显著 ,应与生物措施、改良剂措施配合 使用 ,适于中、轻度污染土壤的治理。
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2.1.4 生物方法
综合运用现代生物技术 ,使土壤的有害污染物 得以去除 ,土壤质量得以提高或改善,主要包括 植物修复、微生物修复、动物修复等三种方法。
2.1.4.1植物修复技术
植物修复是利用能忍耐和超富集某种或多种重金属的超富集植物来修复重金属污染土壤的技术总称。通常，超富集植物的界定由以下几个因素决定：植物体内某种或多种金属元素浓度大于一定的临界值；植物地上部的重金属含量高于根部，即有较高的(地上部／根)浓度比；在重金属污染的土壤上能良好生长，不发生重金属中毒现象。由于不同元素在土壤和植物中的自然浓度各不相同，因此不同重金属超富集植物对重金属吸收的临界浓度并不相同，常见重金属在土壤和普通植物中的含量以及超富集植物的临界标准见下表。植物修复技术可分为植物提取、植物挥发、根际过滤和植物固定4种类型。一般将前3者统称为去除过程，而将后者称为稳定过程。现在研究最多的是植物提取技术。植物提取技术分为连续植物提取和诱导植物提取两种方法，前者依赖超积累植物在其整个生命周期能够吸收、转运和忍耐高含量重金属，后者是利用螯合剂来促进植物对重金属的吸收和运输。
表1 重金属在土壤和植物中的平均浓度以及
超富集植物的临界标准(mg/kg)
重金属种类
土壤平均浓度
植物平均浓度
超富集植物临界标准
Cd
100
Cr
60
1000
Cu
20
10
1000
Zn
50
100
10000
Mn
850
80
10000
Ni
40
2
1000
Pb
10
5
1000
植物修复是矿山废弃地生态修复中应用前景最好的技术。通过在废弃地上建立适宜、稳定的植物群落，不仅可以有效控制废弃地的各种污染，改善受损的生态环境，还可以利用植被恢复的更新、促进作用,逐渐恢复土地的功能，改良和美化景观，增加生物多样性 ，最终使生态系统进入良性循环状态。植物修复技术包括植物提取技术和植物稳固技术。植物提取是利用植物体对重金属的富集或超富集作用，将土壤中的重金属转移到植物的地上部分 (茎 、叶和地上组织 )，最终将地上部分收割后集 中处理。Baker~j：遏蓝某某(ThlaspiL．1作为修复植物，通过试验观测到，一个生长季内其对土壤中zn的吸收量为30k m 。植物稳 固技术是利用重金属耐性植物将重金属吸收、累积或迁移到植物体根部，从而使重金属固定。朱某某等通过对铅锌尾矿库自然植被群落的研究表明，定居的先锋植物可以改变重金属形态，使重金属由稳定态转化为有效态，增加了重金属的迁移能力。
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2.1.4.2植物筛选技术
植物修复技术的关键是筛选适宜的物种，植物能够用于矿 山废 弃地 的 修 复依赖 于植某某对重金属的直接吸收和累积 。目前 ，关于重金属 耐性植物、富集 或超 富集植 物 的研 究 已经广泛开展 。Cu富集 能力 最强 的是 高 山甘薯@ omoeaalpina)，累积铜的含量可高达 12300mg，kg，鸭跖草(Commelinacommunis)地上和地下部分含铜量可达2200mg／kg。此外 ，XX 香 薷 (Elsholtziahaichowensis)、 酸 模 (Rumex acetosa)、小头蓼(Polygonummicrocephalum)叶片 的含铜量为200～500rng／k 。Pb超富集植物有 高山漆菇草(Minuaritiaverna)，地上部分含铅量高 达 114OOrng／kg，羽叶鬼针草(Bidens Oat)、东南景~z(Sedumalfredii)~22部分对 Pb的 累积量可达 l000mg／kg1)~)2 。Zn超 富集植物 主要是遏 蓝某某植物 ，对zn的最高 累积量可达 3000mg／kg。Cd超 富集植 物主要有天蓝遏蓝菜 (Thlaspicaerulescens)、龙葵(Solanum nigrum L．1、 XX堇菜 (Violabaoshanensis)、 忍 冬 (Lonicera japonicaThunb．)、印度芥菜(Brassicajuncea)等 ”。 当前 ，用 于矿 山废 弃地修复 的植物 多以草本为 主 ，草本植某某矮小 ，地上生物量较少 ，而且 以草 本植物为主的植被群落抗逆性较差 ，在极端气候 条件下容易全部死亡。 与之相比，木本植物是植被系统的重要组成 部分 ，不仅地上部分生物量大 ，而且根系发达 ，抗性较强 ，将成为重金属耐性植物筛选 的研究趋 势 。杨柳科植物通过植物提取或固定的方法 ，对 土壤 中重金属具有较强的吸收富集能力。文献『34_ 36研 究表 明在一个生长期内 ，XX杨 (Populus× beijingensis)、加拿大杨 (Populus×canadensis)和 健杨 (Populus×canadensis'Robusta’)枝部对镉的吸 收 量 为 21．3～26．8mg／l~，叶 部 对镉 的 吸 收量 为 24．3-35．8mg／kg，其幼林可使土壤 中镉含量削减0．6～ 1．2mg／kg。此外，杨某某 -届汞也有较强的耐受陛， 加拿大杨体 内汞的耐受阈值约为95～lOOneCkg， 最 高 富 集 量 可 达 233．77 mg／kg。 旱 柳 ( 触 matsudana)对铜有较强 的富集 能力 ，利用铜矿尾 砂试验210天后 ，其根系 中铜 的含量高达 1649．06 mg／kg，而植某某并没有发现 明显 的毒害作用 。柳 树经过两年生长后对土壤 中镉和锌有较高的提取 效率 ，分别为47～57g／hm和2．0～2．4kg／hin 。 除了杨柳科植物外 ，其他木本植物对重金属 耐 眭和修复作用的研究也逐渐受到关注。木本豆 科植物银合欢(Leucaenaleucocephala)~,在铅锌尾 矿 库 上成 功 定 居 ，其 所 吸 收 的重 金属 铅 含量 80％蓄积在根 、茎和叶 。桑树(MorusalbaL．)在七 宝 山矿 区污染试验地生长5个月后对土壤 中Cu、 Ph、Cd的削减量分别为 1．21、0．74、0．21mg／hm。 臭椿 ilanthusaltissima)在土壤中cu含量为50～90 mg，kg时 ，植某某组织年均 累积铜约20mg 。虽 然木本植物对重金属的富集优势不及草本植物， 但是草本植物不宜生长于贫瘠环境 ，且生物量很少 ，由于根系不发达 ，对废弃地深层土壤的修复
2.1.4.3 微生物修复技术
微生物修复技术是通过对废弃地的建植植物接种菌根 ，利用根际微生物活动 ，改良土壤微环境的同时，改善植物营养条件，促进植物生长发育，从而对废弃地进行生态修复的一种技术。近 年来 ，菌根技术已成为污染土壤修复的研究趋势 ，并且取得 了较好的效果。王某某等利用铁矿尾砂作为基质接种丛枝菌根 ，试验结果表明菌根的接种使植物地上部分磷含量增加 了2倍 ，促进了植某某对磷 的吸收 。Rickenetal将菌根接种于某某 、镉污染的土壤 中，观测到苜蓿体内由根系 向地上部分转移 的重金属增 加 。Dennyetal也认为菌根菌丝分泌物改变了环境中的重金属有效性 ，促进了植物对重金属 的吸收 ，提高了植物的抗性 。微生物修复技术的基础是对适宜于废弃地 的微生物群落进行筛选 ，可以利用废弃地定居植 物根系微生物通过培养和繁殖后用于修复，因为这些微生物在长期 的胁迫条件下，能够自然存活，表明其对环境具有较强的适应性和抗逆性 。
2.1.4.4动物修复技术
利用土壤中某些动物 (如蚯蚓、鼠类等 )能吸收 重金属的特性 ,在一定程度上降低污染土壤中重金 属含量 ,达到动物修复重金属污染土壤的目的 。生物修复技术与其它治理重金属污染的技术相 比 ,设施较简便、投资较少、无二次污染 , 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 : 62 - 64.
【10】 武某某 ,孙某某. 矿山土壤重金属污染的植物修复研究进展 [J ]. 有色金属 , 2008, 60 (1) : 125 - 129.
【11】 屈某某 ,孟某某 ,李某某 ,等. 土壤重金属污染的植物修复[J ]. 生态学杂志 , 2008, 27 (4) : 626 - 631.
【12】 马某某 ,吴某某 ,杨某某. 土壤重金属污染的探讨 [J ]. 环境科学与管理 , 2006, 31 (5) : 52 - 54.
【13】 赵某某 ,塔莉 ,李萍. 土壤重金属污染及其预防、修复研究 [J ]. 环境科学与管理 , 2007, 32 (6) : 70 - 72.
【14】刘某某. 矿山土壤重金属污染及生态修复 [J ]. 中国矿业 , 2006, 15 (12) : 66 - 69.
【15】张某某等，矿山技术 （5）72-76， 1985
【16】小原可守等，日本矿业会志（1166）227-231，1985.
【17】孙某某，化工环保5（6）347-351，1985.
【18】金谷浩一郎等，PPM（日） 15（5）34-39，1984.
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