礦山廢棄地重金屬污染及生態(tài)環(huán)境修復(fù)技術(shù)研究

關(guān)鍵詞：礦山廢棄地；土壤污染；重金屬；生態(tài)環(huán)境修復(fù)；富集系數(shù)

中圖分類號：X171.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

礦山廢棄地重金屬污染主要因礦山開采、洗選等作業(yè)而產(chǎn)生的廢水、廢氣以及固體廢棄物所致。這些廢棄物中重金屬元素，如鉛、鋅、銅、鐵等，經(jīng)過雨水淋溶后，會進(jìn)入礦山土壤環(huán)境中，對生態(tài)環(huán)境造成長期且難以逆轉(zhuǎn)的影響。為此，礦山廢棄地重金屬污染防治與生態(tài)修復(fù)是當(dāng)下礦山廢棄地重復(fù)使用、生態(tài)環(huán)境修復(fù)的首要任務(wù)。

文獻(xiàn)[2]在解決重金屬污染土壤修復(fù)問題時，使用化學(xué)淋洗法，能夠快速有效地淋洗重金屬污染土壤中的污染元素，解決土壤重金屬含量超標(biāo)問題。但此方法在淋出重金屬元素過程中，會無意清洗出土壤中無害礦物元素，致使土壤無害礦物元素被無意淋洗，影響土壤肥力狀況。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)AM真菌修復(fù)方法，將細(xì)胞壁上的官能團(tuán)與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合、離子交換或沉淀等反應(yīng)，去除土壤中重金屬離子。但真菌修復(fù)技術(shù)的修復(fù)周期較長。真菌需要在土壤中生長繁殖并與重金屬發(fā)生反應(yīng)，這需要一定的時間。因此，對于急需修復(fù)的重金屬污染土壤，真菌修復(fù)技術(shù)可能不是最佳選擇。

針對上述研究中的問題，文章主要利用植物修復(fù)方法，對礦山廢棄地重金屬污染及生態(tài)環(huán)境修復(fù)問題進(jìn)行探討。

1基于植物修復(fù)的礦山污染狀況及生態(tài)環(huán)境修復(fù)方法

1.1研究區(qū)域概況

研究區(qū)域日夜溫差顯著，礦區(qū)尾礦庫坐落于某山丘旁邊，占地面積為3000m²，因廢棄時間較長，管護(hù)力度不夠，使該廢棄地出現(xiàn)嚴(yán)重的重金屬污染，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡劣。見表1是此廢棄地重金屬元

如表1數(shù)據(jù)顯示，礦山廢棄地尾礦區(qū)重金屬元素的變異系數(shù)區(qū)間是[0.21，0.45]，變異系數(shù)低于0.5，由此可知此區(qū)域的重金屬元素離散性較低，分布均勻；復(fù)墾區(qū)的重金屬元素Pb、Zn、Fe變異系數(shù)分別是0.36、0.31、0.35，Cu的變異系數(shù)最小，是0.14，表示復(fù)墾區(qū)的重金屬元素Pb、Zn、Fe離散性較低，分布均勻性顯著，Cu離散性顯著，分布不均勻。對比之下，尾礦區(qū)重金屬污染變異系數(shù)較高，文章以此區(qū)域作為修復(fù)目標(biāo)。在尾礦區(qū)附近篩選植物覆蓋率顯著、生物量顯著的植物，作為重金屬污染及生態(tài)環(huán)境修復(fù)材料。

1.2重金屬污染修復(fù)材料篩選與修復(fù)方法

在文章研究中，采用植物修復(fù)方法修復(fù)礦山廢棄地重金屬污染及生態(tài)環(huán)境時，當(dāng)?shù)V山廢棄地有害有毒物質(zhì)較多，且環(huán)境條件較差，為此，需要使用抗逆性顯著、耐性范圍顯著的植物；結(jié)合礦山廢棄地的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)，使用根系發(fā)達(dá)、可以有效改善土壤養(yǎng)分條件的植物；修復(fù)植物的首選，是研究區(qū)域已有的先鋒植物，若當(dāng)?shù)匾延兄参飳χ亟饘傥廴疚镔|(zhì)的富集能力不足，再配合其他外來的先鋒植物。

試驗(yàn)中設(shè)定2組試驗(yàn)，分別是修復(fù)組、對照組。將尾礦區(qū)種植植物修復(fù)材料種子的土壤作為修復(fù)組，修復(fù)組把植物種子均勻的鋪在土壤中，種植坑為圓形，坑直徑0.5m、高0.5m，并噴灑一定比例的去離子水，出苗15天后，留下10株。對照組即為原始未進(jìn)行修復(fù)的土壤樣品。測定修復(fù)組、對照組的土壤理化性質(zhì)以及重金屬元素。富集系數(shù)主要用于分析人類生產(chǎn)活動影響下，土壤和沉積物中重金屬富集狀態(tài)，分析方法是：

其中，[D_j/D_m]_s代表礦山廢棄地研究區(qū)域土壤中，重金屬元素j和標(biāo)準(zhǔn)化元素m的檢測含量對比結(jié)果；[D_j/D_m]_b代表礦山廢棄地研究區(qū)域土壤中，重金屬元素j和標(biāo)準(zhǔn)化元素m的背景值含量對比結(jié)果。文章主要通過富集系數(shù)篩選研究區(qū)域?qū)ξ廴疚锔患芰︼@著的自生植物，以及外生先鋒植物作為修復(fù)材料。尾礦區(qū)土壤生態(tài)環(huán)境修復(fù)效果主要通過重金屬有效態(tài)、土壤酶活性進(jìn)行分析。

1.2.1酶活性分析方法

首先，我們選取研究區(qū)域適量的風(fēng)干土壤置于三角瓶中。為了確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，我們會加入適量的碳酸鈣進(jìn)行混勻，以去除土壤中的碳酸根離子。向處理后的廢棄地土壤樣本中加入三苯基四唑氯化物，再加入水至土壤最大持水量的60%。通過充分搖勻后，將土壤樣本放人恒溫恒濕培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)的時間會根據(jù)具體的土壤酶和試驗(yàn)條件設(shè)置。培養(yǎng)結(jié)束后，過濾并進(jìn)行比色測定。將處理后的濾液置于分光光度計(jì)中，并選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩL（如540nm）進(jìn)行測定。記錄下來的吸光值與土壤酶的活性成正比，因此，通過測量吸光值，我們可以間接反映出土壤酶的活性。根據(jù)測得的吸光值，將其轉(zhuǎn)換為酶活性單位。通常，酶活性單位表示為每克土壤在特定時間內(nèi)催化的底物轉(zhuǎn)化量。

1.2.2重金屬有效態(tài)檢測方法

引入乙二胺四乙酸提取態(tài)的浸提方法，檢測土壤重金屬有效態(tài)。使用5.5 g的土壤樣品，放在105 ml的塑料離心管內(nèi)，倒進(jìn)50.6 ml、0.06 mol·L^-1的乙二胺四乙酸溶液混勻振蕩，振蕩時間設(shè)成1.5h；按照4600r·min^-1速度進(jìn)行離心處理，離心時間設(shè)成15min，最后使用火焰原子吸收光譜儀檢測溶液中Pb、Zu、Cu，通過石墨爐原子吸收光譜儀檢測溶液中Fe。

1.3土壤與植物材料重金屬元素檢測方法

礦山廢棄地重金屬污染和其他有機(jī)物存在一定差異，重金屬污染元素的可降解性較差，在礦山廢棄地土壤中殘留的時間較長，會對土壤性質(zhì)存在持續(xù)影響。為此，文章把樣品植物放在85℃的烘箱中干燥、冷卻處理后，由瑪瑙研缽粉碎研磨處理，并使用40目篩子過濾后檢測。把過濾后植物樣品放在微波消解罐內(nèi)，倒入高純度的硝酸一過氧化氫對其消解。

1.3.1土壤重金屬的檢測方法

礦山廢棄地土壤樣品的重金屬元素含量需進(jìn)行電感耦合等離子體發(fā)射光譜檢測，檢測設(shè)備是等離子體發(fā)射光譜儀器和等離子體質(zhì)譜儀器。將0.55g的礦山廢棄地尾礦區(qū)土壤樣品放進(jìn)消解管，并倒進(jìn)10.5ml的高氯酸，放在95.5℃的消解管中加熱30min。在消解管中倒進(jìn)5.5 ml的硝酸溶液。將帶管塞蓋上進(jìn)行回流，回流時間是15 min，回流完畢冷卻。倒進(jìn)3.0 ml氫氯酸，將帶管塞蓋上導(dǎo)人消解管孔內(nèi)，再次回流30 min處理后，觀察是否出現(xiàn)氧化反應(yīng)，完全氧化后，把礦山廢棄地尾礦區(qū)土壤樣品蒸發(fā)為5.5ml。關(guān)閉消解儀，靜置冷卻。倒進(jìn)1.5 ml的過氧化氫，啟動消解儀加熱，當(dāng)溫度達(dá)95.5℃，再倒進(jìn)1.5ml的過氧化氫。使用稀鹽酸溶液定容，然后由等離子體光譜儀檢定。

1.3.2植物樣品重金屬檢測方法

植物樣品在室溫環(huán)境中干擾后再進(jìn)行檢定，首先將其在自來水中清洗，然后由蒸餾水凈化，再通過去離子水重復(fù)清洗。將植物樣品放在溫度條件為85℃的烘干箱中干燥到恒重狀態(tài)，由粉碎機(jī)粉碎后，由150目尼龍篩過濾。在錐形瓶放入1.5g植物樣品，并使用電熱板對其加熱消解，消解完畢、且白色濃煙逐漸消散，便可取下消解瓶。使用15%的鹽酸溶液清洗錐形瓶，洗液倒進(jìn)錐形瓶，并經(jīng)過濾后，0.55%的鹽酸沉淀后，將濾液放在50ml的量瓶內(nèi)，定容后用于重金屬含量檢定。

1.4試劑與儀器

瑪瑙研缽；等離子體發(fā)射光譜和等離子體質(zhì)譜檢測儀器；消解管；硝酸、氫氯酸、稀鹽酸溶液、鹽酸溶液；烘干箱；粉碎機(jī)（型號Brabender SM3）；電熱板（T-300）；離心管；火焰原子吸收光譜儀（型號HD-AAS4H）；石墨爐原子吸收光譜儀（型號HD-AAS8S）；三苯基四唑氯化物；恒溫恒濕培養(yǎng)箱（型號delta35）；分光光度計(jì)。

2結(jié)果與分析

2.1植物體內(nèi)重金屬富集系數(shù)分析

將研究區(qū)域附近的植被進(jìn)行取樣分析后，提取植物體內(nèi)重金屬富集系數(shù)見表2。

分析表2數(shù)據(jù)可知，在試驗(yàn)中，植物z5、z12對Cu的富集效果顯著，z13、z14、z15對Fe的富集效果顯著。文章采用對Pb、Zn污染富集效果好的其他植物作為Pb、Zn污染修復(fù)材料。

2.2不同植物的富集能力分析

根據(jù)已有的研究資料可知，鳶尾屬植物在觀賞植物宿根花卉中占據(jù)重要地位，涵蓋了水生、濕生及早生等多種生態(tài)類型。這些植物通常只需一次種植，便能實(shí)現(xiàn)多年的觀賞效果，展現(xiàn)出廣泛的適應(yīng)性、強(qiáng)大的抗逆性以及豐富的生物量。在栽培管理上，它們相對粗放，不需要過多精細(xì)的照料，且對重金屬污染修復(fù)效果較好，尤其是對Pb與Zn的富集能力顯著。為此，文章使用鳶尾屬植物中的馬藺、黃菖蒲作為修復(fù)材料，種植于研究區(qū)域的尾礦區(qū)，實(shí)驗(yàn)顯示，馬藺對Pb重金屬污染吸收能力顯著，黃菖蒲對Pb重金屬污染吸收能力顯著。兩種植物修復(fù)后，礦區(qū)廢棄地土壤生態(tài)環(huán)境變化見表3。

分析表3數(shù)據(jù)可知，使用兩種植物修復(fù)礦區(qū)廢棄地土壤重金屬污染問題后，礦區(qū)廢棄地土壤生態(tài)環(huán)境經(jīng)過3個月～12個月的修復(fù)。因初次栽種的植物，對水土的固持能力相對不足，針對土層0cm～40 cm的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量而言，在越深的土層中，含量會減少，但和對照組相比，修復(fù)后四種元素含量均相對較高。由此表示，植物修復(fù)礦山廢棄地重金屬污染后，土壤生態(tài)污染問題得到妥善解決，養(yǎng)分提升。

2.3治理效果分析

在12個月的監(jiān)測周期內(nèi)，礦山廢棄地重金屬污染下的土壤酶活性變化顯著性如表4所示。Pgt;0.05表示無顯著性差異，Plt;0.05表示存在顯著性差異。

分析表4數(shù)據(jù)可知，植物修復(fù)12個月后，礦山廢棄地重金屬污染下的土壤酶活性與修復(fù)前酶活性之間P值均小于0.05，而對照組經(jīng)12個月時間后，土壤酶活性較差，未出現(xiàn)明顯變化（Pgt;0.05）。表示植物修復(fù)后，礦山廢棄地土壤基質(zhì)條件顯著得到優(yōu)化，生態(tài)環(huán)境條件得以改善。

3結(jié)束語

礦山廢棄地常常存在嚴(yán)重的重金屬污染問題，主要的重金屬污染物包括鉛、鋅、銅、鐵等。這些重金屬在土壤和水體環(huán)境中造成污染后，會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成危害。文章使用植物修復(fù)方法，修復(fù)礦山廢棄地重金屬污染。研究區(qū)域榆樹與泡桐莖對重金屬污染元素Cu的富集效果顯著，雪松和圓柏以及側(cè)柏對重金屬污染元素Fe的富集效果顯著。植物修復(fù)礦山廢棄地重金屬污染后，土壤生態(tài)環(huán)境取得較好的修復(fù)效果，廢棄地土壤的有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量，均比修復(fù)前含量數(shù)值高。修復(fù)后，礦山廢棄地重金屬污染下的土壤酶活性與修復(fù)前酶活性之間P值均小于0.05，修復(fù)效果明顯。修復(fù)前土壤酶活性較差，修復(fù)后土壤酶活性改善。