煤矿区重金属污染的危害及其治理技术分析

何振嘉

(陕西省土地工程建设集团有限责任公司，陕西 西安 710075)

0 引言

煤炭资源是我国发展现阶段所利用范围最大的能源，由于国内众多煤矿管理水平低下、技术力量薄弱以及环保意识不足等，伴随着煤矿开采过程、冶炼阶段以及矿藏开采结束的尾矿区产生了大量的废物污染物质，如煤渣、煤矸石等固体废弃物[1-3]。这些固态废弃物在没有合理安置和利用的情况下，不仅会压占大量土地资源，会通过植物吸收、地表蒸发、土壤迁移沉降、地表水冲洗、降雨淋溶等方式通过大气循环、水循环、地质循环以及生物循环等造成大面积污染及危害[4-5]。其中，重金属由于其自身隐蔽性高、潜伏周期长、毒副作用强烈和难以自然降解的特点，对土体结构、水源状况以及动植物健康造成的威胁是巨大的甚至是不可逆的[6]。

广义的重金属是指密度在4.5 g/cm3以上的金属物质，在煤矿区普遍常见的有Cd、As、Pb、Cu、Ni、Co、Cr、Zn等[7]，重金属含量富集超过一定程度，就会对土壤理化性质造成不良影响，通过食物链等方式进入生态循环系统造成破坏，而煤矿区煤炭资源的开采，会引起众多重金属含量超标，不仅加剧了毒副物质的排放，更严重污染了土体和土地利用[8]。环保部和国土资源部调查数据显示，矿区土壤超标率达到33.4%，在2018年环保高压态势的干涉下，大量煤矿企业被政策性关停，阶段性地缓解了煤矿开采地区生态环境进一步的恶化，但关于已污染区域重金属土壤修复及尚未污染区域土壤重金属污染预防方面的工作尚有不足。国务院出台《土壤污染防治行动计划》，要求在全国范围内全面实施土壤污染治理，对煤矿区重金属土壤污染修复将是未来要研究的重点[9]。

1 煤矿区重金属污染引起的危害

煤矿周边重金属主要通过粉尘迁移沉降、煤矸石风蚀淋溶以及煤矿区酸性废水外排等方式迁移或富集于土壤造成污染[10]。重金属污染能直接导致土地生态系统退化、农作物减产及严重威胁动植物健康，重金属元素易于在土壤中富集，且其稳定性强、波及范围广，在自然条件下难以降解，富集于土壤中的重金属通过改变土壤理化特性并影响土壤中营养物质直接造成种植的作物品质降低，一些Cu、Cd、As、Pb等重金属超标甚至会引起作物减产或绝收[11]。重金属元素可以被作物吸收，通过食物链进入人体的各种有毒害元素在体内积聚到一定程度能引发中毒，一些严重的重金属污染甚至可以通过放射性衰变产生α、β及γ射线，对肝脏、肾脏及肺脏等器官造成损伤甚至癌变[12]。另外，重金属元素会随着地表蒸发和植物蒸腾作用逸散于大气中，部分会伴随降雨返回地表汇入地表水和地下水，造成水体污染，且随着水流运动蔓延范围极广。重金属污染隐蔽性极高，一般来说不易被肉眼所察觉，一旦引发问题将是较为严重且不可逆的巨大危害，引发严重的土壤、大气及生态功能退化。不仅如此，重金属污染还在一定程度上对土壤中的微生物群落生存环境发生改变，减少生物多样性活力[13]。

2 煤矿区重金属污染修复技术

2.1 物理化学修复技术

物理化学修复是指不改变土壤的理化特性，而是直接将土壤中重金属的赋存状态进行改变，降低重金属物质在土壤中迁移能力和速率、闭塞或降低其在生物链中的通道，隔离其有毒害物质进入生态循环系统。主要通过客土置换、表土剥离、土壤深耕、化学固化、土壤淋洗及电动修复等方法去除或降低重金属污染物质对土壤产生不良影响的方式[14]。物理修复方法因其操作简单、不会轻易引起其他负面作用被广泛应用于我国土壤修复领域，但适用范围主要在于受重金属污染程度较轻的地区。化学修复方法最常用的是通过固定或钝化重金属的方式降低其污染程度。此外，由于重金属理化性质的特殊性，较多研究通过在土壤中添加改良剂，利用改良剂与重金属发生化学反应生成沉淀物的方式以增强土壤对重金属的吸附沉淀作用。但部分改良剂的添加，会使土壤中某些金属的可提取态含量增加，天然提取高分子化合物改良剂会引起植物中毒等。值得注意的是，物理化学修复能较为有效地对重金属污染面积较小的区域进行土壤修复，污染面积过大，修复成本较高，操作过程中可能会破坏土壤结构，部分沉淀物常年积累于土壤中难以外排，对污染土壤不当的处置容易成为新的环境污染源，另外会引起土壤结构破坏、生物活性下降和肥力退化等问题。

2.2 生物修复技术

生物修复相较于物理化学修复而言具有很鲜明的特点，是通过植物、动物和微生物等有机生命体进行污染土壤修复，其中应用最为广泛的是利用植物、微生物或植物与微生物联合进行重金属污染物修复。主要是通过植物根系或其分泌物吸收、降解、转化和固定土壤中重金属的方式[15]。有研究表明，植物根系可将土壤中富集重金属元素吸收并通过植物叶片呼吸作用转换为气体释放至大气中，另外可以通过代销作用将重金属元素转移至植物体内。但利用种植植物进行重金属污染修复周期较长，且植物生长受自然条件限制较多，通过呼吸作用和吸附作用也容易引起二次污染。而动物和微生物修复主要是利用土壤中的蚯蚓、细菌、真菌和藻类等通过吸收、转化、降解、沉淀、氧化和还原等作用去除或降低土壤中重金属等污染物，此方法的优点在于对污染物的去除较为彻底，效果好，不易产生二次污染，但是面对土壤重金属污染程度较大、或重金属污染物种类较多的情况，土体中的动物和微生物数量不足或没有特定可降解某类重金属元素时，时间成本和经济成本均较高，土壤修复效果也不明显。

2.3 生物炭固定修复技术

生物炭是利用农业废弃有机物在缺氧情况下经热解炭化制备形成的物质，其比表面积和孔隙率较大、阳离子交换容量丰富、表面团聚体结构发达，在土壤重金属污染物吸附和固定方面已有了较大突破，且具有无污染、经济投入低、修复周期较短、修复效果显著等特点[16-17]。生物炭固定法结合了生物化学方法的优势，能利用吸附、沉淀、络合、离子交换等有效降低重金属迁移性。生物炭中由于含有大量的可溶性碳酸盐和磷酸盐等成分，会与土壤中的重金属元素发生化学反应，通过生产相应的化学盐等物质进行沉淀，有研究表明，对土壤施加生物炭，会导致土壤pH值偏碱性，会结合土壤中的Zn、Pb及Cd等生成氢氧化物沉淀。另外，由于其本身就是一种有机质，施加于土壤中能有效提高土壤肥力，对土壤理化性质和土壤结构具有较好的调节作用。生物炭对土壤重金属修复能力影响因素主要为制备生物炭材料的温度、材料自身理化特性、生物炭施加量等。可以看到的是，生物炭施加量和施加种类对土壤重金属污染的影响较大，如盲目地施加生物炭,生物炭量过大或过小，对煤矿区重金属污染修复的效果和成本以及由施加生物炭过量而引起的危害也是十分严重的。另外，有研究表明，对生物炭添加改性材料，对提高生物炭比表面积及降低土壤中重金属含量效果显著[18-20]。

3 结语

煤矿区因煤炭开采、矿物冶炼、煤矸石堆积外排等引起的重金属污染严重危害大气、水土、土壤及生物系统，而针对不同重金属污染现状的物理化学修复、生物修复、生物炭修复等方法依据于各自的特点和优势也已广泛应用于土壤修复领域。另外，针对产生重金属污染重要来源的煤矸石的综合利用方面也进行了大量研究工作，尤其是利用煤矸石作为填充物进行复垦造地方面取得了一定成果，不但解决了煤矸石外排堆放引起的重金属污染问题，也通过工程措施充分利用了煤矸石资源，对提高土地利用程度和减少污染物质排放效果显著，这也是煤矿区重金属污染治理的一项重要举措。虽然对煤矿区重金属整治技术有了较多的发展，但需要清醒认识到的是，重金属污染治理的重点在于“防”，只有建立有效的预防机制，才能从根本上缓解重金属污染带来的严重危害。