綠色礦山背景下礦山土壤修復技術的研究

魏延麗，布多

（西藏大學 理學院，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，也是各國經(jīng)濟發(fā)展的重要物質(zhì)保障[1]。我國疆域遼闊，礦種齊全，是世界上資源總量豐富的國家，成礦地質(zhì)條件非常優(yōu)越。然而在大力開采礦產(chǎn)資源獲得經(jīng)濟高速增長的同時，我國的生態(tài)環(huán)境也遭到了嚴重的破壞，因礦產(chǎn)資源開發(fā)而受污染的國土面積不斷擴大。在礦山的開采過程中，會產(chǎn)生大量的污染元素，這些元素固定在土壤中并不斷積累，最終會導致土壤成分、性質(zhì)和功能不斷惡化。礦山土壤污染具有持續(xù)時間長、不可逆、難降解的特點，而且土壤中的重金屬元素可以在生物體內(nèi)富集，并通過食物鏈進入人體內(nèi)，最終會嚴重威脅到人類的生命健康安全[2]。

“十四五”期間，國家高度重視生態(tài)文明建設，過去對環(huán)境的末端治理導致了很多生態(tài)方面的歷史遺留問題，如今隨著中國經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，礦業(yè)也進入到了精細化開采和注重生態(tài)保護的新階段。綠色礦山建設已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，提出和貫徹綠色發(fā)展理念是時代發(fā)展的必然要求，深入推進礦區(qū)環(huán)境的綜合治理和生態(tài)修復,竭力加強全國范圍內(nèi)綠色礦山的建設也成為我國“環(huán)境保護與修復”項目中的一項重點工程，這既是實現(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、開創(chuàng)生態(tài)文明新時代的必由之路[3]。為了更好開展礦區(qū)污染土壤修復工作，在探討礦山污染土壤現(xiàn)狀及危害的基礎上，對不同的修復方法進行了歸納總結(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提供理論依據(jù)和技術支持。

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)濟限制等因素，可以把礦山開采方式分為露天開采和地下開采[4]。露天開采是世界范圍內(nèi)常見的開采技術，在此過程中會產(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源[5]。煤炭的開采被認為在很大程度上推動了工業(yè)革命的進程[6]，但長時間、高強度、大規(guī)模的礦產(chǎn)資源開發(fā)會嚴重影響到生態(tài)環(huán)境，采礦活動產(chǎn)生的高濃度潛在毒性元素會對生態(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、風化等自然進程的發(fā)生，這些污染物很可能會伴隨地表徑流裹挾或大氣擴散等途徑在區(qū)域生態(tài)環(huán)境中擴散，富集在土壤中，使土壤失去正常的理化特性。

中國是采礦活動造成土壤重金屬污染嚴重且廣泛的典型國家。目前中國因采礦破壞的土壤面積已經(jīng)達到了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物，這會導致生物多樣性和種群規(guī)模的減少[9]。土壤是細菌、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代謝過程[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)量和多樣性都會減少。礦山附近土壤微生物的生物量明顯低于遠礦區(qū)[13]。

隨著過量的重金屬進入巖層，土壤質(zhì)量也會下降，原有的地表植被無法生存，將會大面積剝離，使地表裸露，這將會影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，降低農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，最終會導致土壤生產(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引起植物生理和代謝活動的變化，影響區(qū)域內(nèi)的植物生長[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、減少葉綠素產(chǎn)生并破壞其光合作用。

綜上，礦山開采不僅會破壞生態(tài)功能，造成一定程度的環(huán)境污染，還會嚴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)修復將是無法逃避的問題。

2 礦山污染土壤的修復方法

對于礦山污染土壤的處理主要采用原位修復和異地修復兩種方式。原位修復優(yōu)于異地修復，因為這一修復方法通常更具成本效益和環(huán)境友好性[17]。從技術層面來說，對于重金屬污染土壤的治理是礦區(qū)土壤修復中的重點與難點，重金屬污染會抑制植物生長，還會導致土壤貧瘠和極端pH 值等連帶問題[18]。目前對重金屬污染土壤的修復技術逐漸趨于多元化，無害化處理污染土壤是當今的研究熱點。

2.1 物理修復

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

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效果和較短的修復時間被廣泛應用，但在高溫條件下，土壤中穩(wěn)定金屬的生物毒性會增大，這將導致土壤有機肥力下降。

2.1.2 工程修復法

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，是一種切實有效的修復方法?？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)濟成本過高且未能從根本上去除重金屬，因此不適合對大面積污染的土壤進行修復。

2.1.3 電解法

其原理是在污染部位的兩端插入石墨電極，在電場的作用下，土壤中的重金屬離子會移動到電極附近，進行富集，進而導出重金屬離子，從而實現(xiàn)金屬離子和土壤的分離，減少污染[21]。電解法對土壤原生態(tài)影響較小，無二次污染，修復周期短，效率高，但是在實際應用中會受到電壓梯度、電解液組分等多方面的影響。

2.2 化學修復

化學修復是一種原位修復技術[22]。主要是運用化學方法，利用化學物質(zhì)對礦山污染土壤進行處理，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

將合適的化學改良劑加入到受污染的土壤中，通過吸附、絡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性[23]。其優(yōu)點是技術難度不大，經(jīng)濟有效，對大面積低濃度污染土壤具有良好的應用前景。缺點是并沒有真正去除污染物，會有產(chǎn)生二次污染的風險。

2.2.2 土壤淋洗修復法

淋洗劑可以與土壤中的重金屬發(fā)生解吸作用，通過沉淀、離子交換、吸附螯合等過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其進行單獨處置[24]。該技術操作簡便，修復時間周期短，適用于大面積污染嚴重且滲透性較高的土壤。但為了防止二次污染，需要謹慎選擇化學淋洗劑，優(yōu)先選擇環(huán)境友好并對生態(tài)影響較小的，同時要對后續(xù)的淋出液進行安全處理。

2.3 生物修復

主要是利用動物、植物、微生物的生長代謝活動，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，使土壤各項指標恢復到安全范圍內(nèi)，土壤基本功能恢復正常的一種手段。利用生物技術進行修復具有經(jīng)濟有效且不會產(chǎn)生二次污染的優(yōu)點，能夠有效實現(xiàn)生態(tài)修復，目前已經(jīng)成為環(huán)境保護領域的新熱點。

2.3.1 微生物修復法

在適宜的環(huán)境條件下，微生物通過吸附、沉淀、氧化和還原等作用，降低污染濃度，使土壤環(huán)境進入穩(wěn)定狀態(tài)的技術即為微生物修復技術[25]。這些微生物必須具有某些特性，如能降解相關污染物的酶或?qū)κ芪廴镜貐^(qū)的重金屬具有高抗性。微生物可以通過固定、移動或轉(zhuǎn)化等方式，降低有害物質(zhì)的毒性。其修復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將重金屬離子貯存到細胞中或胞外基質(zhì)[26]。還包括還原、甲基化與去甲基化、溶解、有機絡合等生物轉(zhuǎn)化方式。微生物可以通過改變重金屬在土壤中的化學形態(tài)和氧化還原狀態(tài)，使重金屬化合價改變，從而改變其穩(wěn)定性，降低其在土壤環(huán)境中的移動性和生物可利用性。微生物具有分布范圍廣、繁殖代謝快、適應能力強等優(yōu)點，因而日益受到人們的重視，成為重金屬污染土壤修復領域的研究熱點。

2.3.2 植物修復法

植物修復是一種既經(jīng)濟又環(huán)保的土壤修復方法。選擇對金屬耐受閾值相對較高的特定植物，通過提取、轉(zhuǎn)移、分解和固定等方式對土壤中的污染物質(zhì)進行去除，使污染土壤恢復其正常功能。在利用植物修復土壤時，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導致植物的金屬吸收過程有所差異，但總體包括對金屬的吸收、轉(zhuǎn)運、積累和滲透調(diào)節(jié)等方面[27]。耐受性植物能夠通過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，植物根系的分泌物也能增強土壤中的微生物活性，促進其對污染物的轉(zhuǎn)化和降解。植物修復技術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，恢復土壤功能，并且具有永久性、美觀性、低成本等優(yōu)勢，在修復過程中一般無二次污染，是一種綠色、清潔、具有市場潛力的技術。

2.3.3 動物修復法

動物修復是指利用土壤動物的生長發(fā)育、呼吸代謝等過程對污染物進行分解、富集、去除的技術。在實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)檢測出了污染物元素，表明用對重金屬有忍耐作用的動物來修復土壤是可行的[28]。通過土壤動物的生命活動，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，當污染濃度過高時，會導致蚯蚓重金屬中毒死亡。

3 藻類在礦山土壤修復中的作用

藻類作為生物進化史上一類具有特殊意義的生物類群，具有一套對極端環(huán)境的適應機制，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)表層暫時可用的水分快速生長和繁衍，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，影響和改變尾礦庫環(huán)境[29]。

藻類在礦山土壤修復過程中，主要作用如下。

3.1 藻類對土壤中的重金屬具有一定的耐性機制，能夠誘導有機物質(zhì)自由基或活性氧的生成，是污染土壤修復技術的常用方式之一，通過藻類細胞壁的結(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，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，能夠把無機物合成為有機物，從而增加土壤中的有機物含量，為其他微生物的生存提供營養(yǎng)，同時在光合作用過程中釋放氧氣，有利于土壤中生物的生長，這對通氣不良的土壤尤其重要。3.4 固氮藍藻能將空氣中游離的氮氣固定為有機氮進入土壤生境，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狀況[32]。

4 結(jié)語

礦山廢棄物導致大量土壤重金屬污染，影響植物、動物、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)境恢復的重要環(huán)節(jié)，也是首要環(huán)節(jié)。在當前可持續(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，選擇針對性的高效修復技術，并結(jié)合多種污染治理和修復技術，以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，加快土壤修復進程，實現(xiàn)礦區(qū)自然生態(tài)的治理和恢復。藻類是極端環(huán)境的先鋒植物，可以形成抗逆性強、生態(tài)價值高、維護成本較低的藻類結(jié)皮，作為新型的土壤環(huán)境改良植物廣泛運用于待修復重建的生態(tài)系統(tǒng)中。