利用植物修復煤矸石山土壤污染的技術分析研究

劉朝陽

(華陽新材料科技集團有限公司節能環保部，山西 陽泉 045000)

矸石山是環境污染源，尤其對地下土壤的污染。這種污染體現在礦井排水、廢物處理、沉降等現象。具體來說，矸石的開采和加工應當是環境保護關注的焦點，因為磷和其他有毒微量元素大量存在，磷參與了許多復雜的環境循環，研究表明，離子磷一旦進入環境，就可以轉化為有機磷化合物，對大多數生物體具有高度毒性。此外，由于磷化物毒性已經在世界各地引發了嚴重的環境警報。在這種情況下，通過自然植物處理土壤是一種降低該基質中磷染物濃度的合適技術。特別是植物處理技術，經常被用于修復重金屬和半金屬污染，包括磷和砷。這些技術通過化學反應、粒徑分離或自然沉淀將污染物濃縮成小體積來去除土壤中的污染物。因此，植被通過利用含金屬顆粒和土壤顆粒的特性(大小、密度、疏水表面性質、磁性)之間的差異來濃縮污染物[1]。植物修復技術在處理大量土壤污染時具有成本效益，植物處理非常適合于矸石山周圍土壤的修復。

1 矸石山土壤材料分析

1.1 土壤取樣

研究對象的矸石山地下土壤是由朱砂(硫化汞)、雄黃和副蠟石組成的，富含黃鐵礦和砷酸石，同時包含大量磷化物。這些磷化物在煤矸石工廠無法處理，在礦物被研磨時形成了磷蒸汽，然后濃縮成磷化物。污染土壤和顆粒的排放以及采礦廢物的傾倒嚴重影響了約8萬m2的周邊地區土壤。目前，磷污染物在整個現場的分布主要是由于棄渣堆廢物的分散、富含磷材料氧化以及與土壤顆粒相關絡合和固定化過程而形成的。為了進行土壤污染修復的可行性研究，采用不銹鋼螺旋鉆和鏟子從傾斜深度的地層收集具有代表性的土壤樣品。土壤通過2 cm的現場篩網去除巖石碎片、植被和其他大型材料；最后，將矸石山土壤樣品均質儲存在惰性瓶中[2]，如圖1所示。

圖1 取樣土壤材料示意圖

1.2 土壤特征分析

利用玻璃電極在土壤和水懸浮液(1∶2.5)中測量pH，并在同一提取物(稀釋1∶5)中測量電導率[3]。有機質采用點火法測定有機物含量，用AA200氯化銨提取可交換磷離子，用原子吸收/發射分光光度法分析儀測定磷化合物。將樣品的放在水中，然后進行5 min土壤粒度分析標準試驗方法。在傳感器的幫助下獲取這些數據，然后在50 ℃的環境下干燥和稱重[4]。為了完成粒度分布，使用激光衍射粒子分析儀對粉砂-黏土組分進行了成分研究。采用光譜測相方法對其代表性樣品進行化學分析。然而，對其中一些餾分進行了細分，以獲得礦物學和比重研究的進一步樣本。圖2所示為磷化合物在光譜分析中的反應曲線，與土壤和水懸浮液濃度趨于線性關系。

圖2 磷化合物吸光度和濃度關系示意圖

2 實驗方法

2.1 實驗測試系統建立

矸石山周邊土壤除去石頭、樹枝等物體后，將土壤制備成混合溶液，最后將沉淀物放入0.5 m3的混合容器中，攪拌20 min直至混合均勻。創建了黑麥草、車前草、狗尾草、狼尾草4種植物對照組，然后將每個組內滴入黑麥草、車前草、狗尾草、狼尾草提取的營養液。將10 kg混合沉淀物放入12個自制的封閉水(Φ200 mm×1 000 mm)測試裝置中[5]，并用注射器沖洗壁。虹吸用于將土壤混合液引入測試裝置中至90 cm的高度，形成約30 cm沉積物和60 cm含水層的測試系統。

2.2 實驗檢測取樣

該土壤混合液在實驗室自然條件下穩定10 d，然后抽取上層水100 mL，測定TP、TN、NH4-N、CODcr、濁度等理化指標，主要針對對土壤污染影響較大的TP指標。根據磷鎖定劑的劑量，4種植物營養液的劑量分別為1 kg/m2。與200 mL水混合后，用注射器(梅花注射法)將脈石劑量均勻地注射到土壤混合液的表面，并利用光敏測試元件分別將200 mL的0.5%磷化合物溶液注入4個測試裝置中形成磷基團。新增一個對照組不加任何添加劑，僅加水200 mL，記為單獨對照組。加入4種植物營養液材料后，每1 d～7 d從水面以下10 cm的取樣口取樣，開始時間間隔為2 d。不同操作次數的理化指標變化較小，采樣間隔時間適當增加。穩定后每7 d收集一次樣品。在土壤混合液的表面1 cm～10 cm位液層取樣后立即分析TP等指標數值[6]。運行3個月后，分析了沉積物中總磷和不同形式的磷離子形態。實驗過程中，對照組和各處理組未進行人為改動，實驗在標準的實驗室條件下進行。實驗檢測存儲設備如圖3所示。

圖3 檢測儲存裝置示意圖

3 實驗檢測結果分析

3.1 煤矸石對總磷量的影響

根據對土壤混合液的分析，煤矸石里面還含有很多雜質，對實驗結果會造成一定程度的影響。首先分析煤矸石的影響因素，煤矸石中還有多種重金屬，其中殘渣態是重金屬在煤矸石中分布的主要存在形式，主要包括了Zn、Pb、Cu 和Ni重金屬的存在。殘渣態和弱酸溶態所占煤矸石總體比例的48%～69%，氧化物結合態和有機結合態占總體比例為31%～52%，在外界干擾因素下，應當注意使用植被修復煤矸石土壤的安全風險。如圖4所示，為煤矸石土壤中重金屬形態的分布情況。

圖4 煤矸石土壤中重金屬形態分布示意圖

3.2 植物對土壤修復的對比分析

黑麥草、車前草、狗尾草、狼尾草都是自然界常見的綠色植被，利用植被修復土壤，不僅能夠對環境起到積極作用，還能打造綠色的環境。

本研究結果顯示，當磷離子添加濃度由0 mg·kg-1增至100 mg·kg-1時，黑麥草的轉運系數隨之增加，轉運能力增強，磷離子含量為100 mg·kg-1時，轉運系數最大，當磷離子含量由100 mg·kg-1增加到200 mg·kg-1期間，黑麥草的轉運系數有輕微的下降，下降幅度極低，由圖5可見，當磷離子含量大于100 mg·kg-1時，黑麥草的轉運系數變化極小并趨于穩定；狼尾草的轉運系數在磷離子添加濃度為0 mg·kg-1的對照組最大，之后隨著磷離子含量的增加，轉運系數緩慢下降。由圖5可知，磷離子含量由150 mg·kg-1增至200 mg·kg-1時，狼尾草轉運系數的變化幅度趨勢平緩，轉運系數數值趨于穩定；當磷離子添加量由0 mg·kg-1增加至50 mg·kg-1時，狗尾草的轉運系數隨之增大，在磷離子含量為50 mg·kg-1時狗尾草的轉運系數達到最大且小于1，之后，隨著磷離子濃度的增加而減小；車前草的轉運系數隨著磷離子濃度的增加而增大，呈上升趨勢，但是增長幅度變小，當磷離子濃度為200 mg·kg-1時，轉運系數最大，但是小于1。整體來看，黑麥草和狼尾草的轉運系數大于狗尾草和車前草，對磷離子的轉運能力更強。

因此，在煤矸石山周圍附近應當種植黑麥草和狼尾草，通過上述兩種草類的栽種能夠有效地對煤矸石土壤進行修復。同時，應當定期作用兩種草類進行修剪，使其在合理的區域內生長，才能達到最佳的土壤修復效果。

圖5 不同植物對土壤中磷離子的轉運能力對比圖

4 結語

本文成功地應用了自然界中常見的黑麥草、車前草、狗尾草、狼尾草對煤矸石土壤進行了修復。狼尾草在煤矸石山周邊對土壤中磷離子具有良好的去除效果，但對TP的抑制作用較差。狼尾草和黑麥草表現出良好的磷離子去除能力，應當聯合使用。由于煤矸石本身在固磷方面表現不佳，因此，黑麥草結合狼尾草比單純使用黑麥草具有更好降低有害磷化合物的作用。可見，綠色植物種植的修復技術具有成本低、效果好、性能穩定等優點，是一種很有前途的沉積物修復和固磷材料，可廣泛應用于湖泊、水庫等緩流水體。本研究不僅為植物種植修復廢棄物轉化為寶藏的新途徑，而且為土壤修復提供了新材料，對解決煤矸石的環境污染、綜合利用土壤具有積極的價值。