礦區潛在有毒元素評價及修復技術綜述

＊周星星 賈凌寒

（1.寧夏理工學院 建筑與環境學院 寧夏 753000 2.沈陽市生態環境保護綜合行政執法隊 遼寧 110058）

1.前言

煤礦開采是一個國家經濟發展的重要支柱。然而，從歷史上看，礦區浪費和危廢堆積的現象越來越多，對生態系統和人類健康產生了越來越嚴重甚至不可逆轉的負面影響，如果不采取預防措施，會導致嚴重的環境破壞，如土地退化、地形變化、土壤和水污染及生態惡化。在格拉斯哥氣候變化大會之后，逐步淘汰煤炭并轉向可再生能源是全球所有國家的主要政策關注點之一，其中煤礦的關閉和復墾是主要問題。礦山尾礦中通常含有大量潛在有毒元素（PTEs）和化學制劑，可以在礦山周邊持續數百年。煤礦中的PTEs污染、其生物可利用性及其對人類健康的影響在復墾過程中往往沒有得到重視。PTEs 屬于生態系統中最普遍、最持久、對環境最有害的污染物，其中Cd、As、Cu、Cr、Pb、Ni、Hg 和Zn 被確定為煤礦區毒性最強的元素，如堆積物中生物利用度極高且可溶態的PTEs 含量不斷增加，會對煤礦區的水生環境造成危害。人類也會通過進食、呼吸、飲水和觸摸等方式接觸PTEs，其可通過腸道進入人體，因為它們具有足夠的水溶性，與循環系統一起轉移到各個器官，并被不同的器官吸收，上皮細胞、內皮細胞和肺泡巨噬細胞等都會直接受到傷害。因此開展礦區污染評價和生態治理修復至關重要。

2.礦區污染評價

(1)內梅羅污染指數

內梅羅污染指數是PTEs 常用的污染評價方式之一，該方法的特點是兼顧了污染物的平均值和其最大值，可以突出高濃度污染物的污染作用。缺點是只對單污染物評價，無法對區域進行全面綜合評價。其公式可參照姜等人進行方法計算。陸等人其利用內梅羅污染指數發對肅北蒙古自治縣條湖溝礦區進行評價，共采集80 個樣品，結果證實Pb、Cd 濃度高于本底值，內梅羅污染指數證實Pb 污染最高，Zn 污染最低，表明礦區必須采取強有力的措施，加大對礦區地質環境治理及生態恢復力度。他等人對商洛市尾礦庫進行評價，內梅羅污染指數證實5 號（10.22）和13號（3.78）點位為重污染，其中5 號點位Cd 的污染最為嚴重，是礦區污染的主要原因。因內梅羅污染指數強調最大值的貢獻，因此使用該方法更能夠強調最不利因素的影響，能夠引起決策者的重視。

(2)地質累積污染指數

地質累積指數法最早是由Muller 提出，用來評價沉積物、水體和土壤中PTEs 的污染程度，該方法評價結果主要受當地土壤背景值和人為活動的影響。故該方法能夠反應出PTEs 分布的自然特征，也可分辨污染是否為人為活動所造成，是區分環境污染的主要參數。撫順西露天礦去閉礦后，李等人對礦區PTEs進行評價，地質累積指數法結果為Cd（3.70）＞Hg（2.60）＞Ni（0.90）＞Cu（0.87）＞Zn（0.21）＞Cr（-0.17）＞Pb（-1.40）＞As（-2.00），表明Cd 的污染程度最高，從嚴重污染到極度污染，其次是Hg，表現為嚴重污染。其中Cr、Cu、Zn 和As 主要來自母巖的地球化學風化作用，Cd 和Hg 明顯受到工業排放和采礦活動的干擾，As 可能來自人類活動。表明一旦礦山關閉，就需要實施更有效、更嚴格的污染控制。姚等人對遵義的鎳鉬礦進行評價，礦區旱地（14.7 mg·kg-1）、水稻土（8.67 mg·kg-1）和森林土壤（16.5 mg·kg-1）中鈾平均含量均超過當地土壤背景值（主要為輕度污染），但在部分旱地中存在中度污染-重污染級別，這需有關部門重視，采取相關管控措施。

(3)潛在生態危害指數

潛在生態指數法是由Hakanson 教授提出的，是通過沉積學角度來評價PTEs 和潛在生態危害的一種方法。該方法不僅考慮了PTEs 的污染程度，還將PTEs 的環境效應、生態效應及環境毒理學聯系在一起的等價指數評價方法。陳等人探究了湖南某煤礦的PTEs 污染現狀和生態風險，土壤中PTEs 的濃度分別為Pb（8.51 mg·kg-1）、Zn（38.59 mg·kg-1）、Cr（18.65 mg·kg-1）、As（10.01 mg·kg-1）、Hg（0.18 mg·kg-1）和Cd（3.41 mg·kg-1），生態風險系數Cd 最高為339.80，Cr 最低為0.85，其余指數均介于0.98-28.55 之間，礦區綜合潛在生態風險指數為較高生態風險（計算值為390.3），表明污染程度為危險。李等人對某煤矸石堆積區進行生態評價，PTEs 含量排序為Mn ＞Cu ＞Zn ＞Cr ＞Ni ＞Pb ＞Cd，單元素和礦區綜合潛在生態危害指數均為低風險生態危害，其中主要危害元素為Cd 和Cu，證實在礦區生態修復和綜合利用過程中應優先考慮Cd 和Cu 的污染。

3.礦區生態修復技術

(1)物理修復

礦山物理修復技術的特點是處理成本較低，適用范圍廣泛，因此是我國廢棄礦山生態修復應用最廣泛的方法，主要包括客土覆蓋、礦區原表土覆蓋等方式實現生態修復。客土覆蓋是指礦山矸石表面覆蓋一層具有一定厚度未受污染的土壤，其能夠固定礦山裸露的巖石為植物的定植創造條件，還能起到預防自然災害的功能。同時客土中還含有健康的土壤微生物種群，廢棄的矸石中土壤結構破壞，養分含量低，水溶性差，土壤微生物群落結構和多樣性遭到嚴重破壞，當其覆蓋一定厚度的客土后，土壤微生物的多樣性會很快恢復，短期內就可實現生態恢復。

礦區原表土覆蓋修復。礦區原表土覆蓋是指在礦坑修復期間，將儲存的礦區原表層土壤施用到礦井棄土上，該方法通常是首選方法。將這種表土添加到矸石堆中是為了減少矸石對植物生長的不利影響。然而，觀察多年后恢復情況，能觀測到其中許多地點土壤養分、土壤有機碳、土壤結構、水文特性未能恢復。有研究發現使用20～30 cm 的積土修復棄土場，在停止管理后（即自然恢復5 年后），也需要施肥、病蟲害防治、植株定期噴灌，否則復墾面積會受到侵蝕，植被發生嚴重退化，主要原因是土壤肥力條件差、侵蝕和土壤板結。同時在修復過程中將表土與礦山棄土混合會稀釋表土的剩余價值，有學者預估廢棄矸石將在大約36 年后能恢復，以匹配等效的天然未開采土壤。如想盡快恢復其土壤水平，需要定期添加肥料（氮、磷、鉀和有機質），這部分支出也會增加采礦后對礦山的管理成本。

(2)植物修復

20 世紀后期，有學者提出可以通過在礦區種植適宜植物去除/吸收PTEs，以降低土壤中PTEs 濃度的設想。植物修復技術能夠很好的保護矸石污染，預防PTEs 的淋溶和遷移，同時植物的根系可產生化學物質沉淀和鈍化一部分PTEs，具備超富集能力的植物能夠吸收PTEs，進而降低土壤中PTEs 的濃度。隨著植物修復年限的增加，土壤中有機質含量會得到明顯改善，礦山復墾土壤也會朝著更加有利于植被生長的方向發展。目前植物修復礦區污染土壤的主要問題有兩個，其一是對于超富集植物的篩選，超富集植物篩選的思路是在污染場地中尋找能夠很好存活的植物，這類植物通常能夠大量富集土壤中PTEs，但這類植物的缺點也較為明顯生長周期長、生物量小，對氣候具有較強的依賴性，將其移栽至目標修復場地后會因自身原因生長緩慢甚至死亡。其二是通過現代生物學和農學的經驗和技術強化超積累植物或本地優勢植物的修復性能，最終提高PTEs 吸收水平。眾所周知植物育種、優勢種的篩選和培育需要較長的時間周期，因此未來的主要研究方向是從已有礦區修復植物中篩選高富集植物。

(3)生態修復

無脊椎動物修復。在礦山修復過程中，關于無脊椎動物修復的報道很少，關于它們對植物的定植和其他土壤生物的相互作用探討更是鮮有報道。有研究證實無脊椎動物會對土壤食物鏈貢獻1/3 的份額，但它們在生物地球化學循環恢復、土壤結構形成和礦山廢物修復過程中的重要性很少被討論，這會成為今后研究的重點內容。其中，Collembola 是一種微型節肢動物，被確定為土壤生態系統功能的重要介質，因為它們能夠通過直接和間接的活動幫助劣質土壤變得肥沃。實現無脊椎動物修復有兩種方案，第一種是直接接種無脊椎動物，第二種是通過物理、化學或生物的刺激使周邊土壤的無脊椎動物遷徙到待恢復土壤中。

矸石固有的低養分濃度（有機碳、氮）、嚴酷的土壤化學環境和煤質棄土長期貧瘠條件使現有的微生物種群在細胞生長、資源獲取和脅迫耐受性之間進行權衡，換句話說微生物種群，在矸石環境中大多處于生存模式，缺乏促進加速土壤發生所必需的生物地球化學過程的能力。因此，在微生物修復礦山環境時，多接種叢枝菌、根真菌和固氮菌，同時添加有機和無機肥料，短期結果（兩年內）表明，氮、磷和鉀營養得到改善，礦山矸石中的植物能夠穩定。目前大多數的微生物修復多在實驗室中完成，還沒有大規模的野外實驗，同時面臨兩個問題，也是未來研究的主要方向：第一是如何選擇有助于加速廢棄矸石轉化的土壤微生物，第二是如何提高其在廢棄矸石中的“自然”存活率。

4.結論

通過礦山污染評價，能夠明晰主要污染物，可為決策者制定政策提供數據支撐，根據評價結果結合礦區實際情況，對礦山生態環境恢復治理，改善受損的生態系統，為脆弱的生態系統平衡穩定提供保障，為環境保護和可持續發展做出貢獻。