有色金属矿山环境修复技术综述

2022-10-27邵和东王大鹏

中国资源综合利用 2022年3期

邵和东，王大鹏

（矿冶科技集团有限公司，北京 100160）

矿产资源是社会经济发展的基础保障。我国矿产资源比较丰富，其已经成为国民经济发展的重要支撑。但是，消耗大量资源的粗放型经济增长模式严重影响矿产资源的可持续利用，大量废物的产生严重威胁环境安全。有色金属矿山采矿会对周边生态环境造成严重破坏，引起水土流失和沙尘暴天气。目前，我国经济转型稳步推进，新发展理念逐渐深入人心，我国已经进入矿产资源精细化开采和生态保护并重的历史新阶段。因此，有必要研究有色金属矿山环境修复技术，推进矿山环境治理，进而打造绿色矿山。

1 矿山重金属污染概述

重金属是指密度大于4.5 g/cm的金属，其非常容易富集，很难降解。矿山土壤中的重金属主要包括汞（Hg）、镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）、砷（As）、铜（Cu）、铬（Cr）、镍（Ni）和锰（Mn）等。土壤中的重金属元素对动植物有重大影响：Hg、Cd和Pb影响植物的生长和发育，危害动物的健康；重金属Cu超过标准限值，将减缓动植物的生长或导致死亡。有色金属矿山采矿会造成土壤环境污染，不同矿区土壤的重金属富集特征不同，因此要因地制宜，合理选择有色金属矿山环境修复技术。

2 有色金属矿山环境修复技术

2.1 物理法

2.1.1 土壤置换法

土壤置换法是指运用干净土壤置换污染土壤，降低污染物总体含量，提高土壤环境总体容量，改良土质。土壤置换法可以分为补土法和铲土法。补土法是指在污染土壤中增加一定量的干净土壤，实现表面土壤的混合，降低污染物总体浓度。铲土法是指挖掘受污染土壤，使得污染物不断扩散，从而降低土壤污染物浓度。土壤置换法可以清除受污染土壤，减少土壤污染。该方法应用成本比较高，适用于处理污染面积较小、污染严重的土壤。

2.1.2 热解吸法

热解吸法是指利用污染物的挥发性，运用红外辐射、微波、蒸汽等技术处理污染土壤，再运用载气或者真空负压结构去除土壤重金属。热解吸法可以分为高温热解吸法和低温热解吸法，高温为320～560 ℃，低温为90～320 ℃。热解设备容易携带，工艺非常简单，土壤经过修复后可以再次使用。然而，设备昂贵、解吸时间长等因素限制了其在土壤修复中的应用。

2.2 化学法

化学浸出是指运用化学溶剂对土壤进行清洗，分离土壤内的污染物，运用沉淀、螯合、离子交换等方式将污染物转移到化学溶剂中。化学溶剂主要包含螯合剂、表面活性剂等。TOKUNAGA等研究了不同浓度的氟化氢、磷酸、硫酸、氯化氢、硝酸对人工污染土壤中As（含量2 830 mg/kg）萃取的影响。结果表明，磷酸萃取效果最好，在酸浓度为9.4%的条件下，萃取时间为6 h，As的萃取率可达99.9%，硫酸对As的萃取率也较高。萃取法既环保又经济，可去除污染土壤中的As。研究发现，以五价砷污染的黄褐色森林土壤作为模拟土壤时，在各种钾钠盐中，磷酸钾对As的萃取效果最好。在萃取剂中，乙二胺四乙酸（EDTA）能在较宽的pH范围内与大部分重金属形成稳定的复合。采用土壤冲洗法对废弃矿山周边水系沉积物的As污染进行修复时，0.2 mol/L柠檬酸洗涤1 h，对细粒沉积物的去除率大于95%。当0.2 mol/L柠檬酸与0.1 mol/L磷酸钾混合时，As去除率提高到100%。值得一提的是，土壤内的污染物种类众多，仅仅使用一种方式难以萃取所有污染物，这就需要加入不同的萃取剂。研究表明，NaEDTA溶液对土壤样品中重金属的去除效果普遍优于NaSO溶液。NaEDTA对Pb的萃取效果优于Zn和Cd，但对Cr的去除效果不明显。0.1 mol/L NaSO的加入显著提高了0.01 mol/L NaEDTA溶液对Cd（特别是Zn）的去除效果，表明两种试剂的混合可能为某些污染土壤提供一种经济上最优的解决方案。

EHSAN等研究了环糊精与EDTA结合的清洗过程对现场污染土壤中重金属和多氯联苯的去除效率。研究表明，使用含有EDTA和环糊精的同一洗涤剂悬浮液连续洗涤3次，可有效地从土壤中提取多氯联苯和某些重金属。然而，EDTA等螯合剂价格昂贵，生物降解性差。为了提升萃取剂的生物降解性，降低二次污染风险，采用生物试剂对土壤中的重金属进行浸出。采用生物可降解的有机螯合剂乙二胺二琥珀酸（EDDS）对Pb（含量1 350 mg/kg）污染土壤进行清洗，取得良好的Pb去除效果。HONG等评价了皂苷对重金属污染土壤的修复效果，用皂素对3种矿区土壤进行分批试验。皂苷对3种土壤中重金属的去除效果均较好，Cd提取率为100%，Zn提取率为85%～98%。LI等研究了茶皂素对重金属的去除效果。结果表明，以浓度7%的茶皂素为萃取剂时，其对Pb、Cd、Zn、Cu的去除率分别为6.74%、42.38%、13.07%和8.75%。茶皂素可以有效除去具有还原性、酸溶性的重金属，其环境风险随之降低。

2.3 生物法

2.3.1 植物修复

植物修复是指运用绿色植物对污染物进行固定或吸附，有效去除污染物，消除其污染性。植物挥发、植物固定和植物提取是植物修复的3种主要方式。植物挥发是指通过植物蒸发作用将挥发性化合物或者新陈代谢产物释放到大气中；植物固定是指利用植物根际的一些特殊物质使土壤中的污染物转化为相对无害的物质；植物提取是指种植一些特殊植物，利用其根系吸收污染土壤中的有毒有害物质并运移至植物地上部，通过收割地上部物质带走土壤中污染物。

目前，汞是植物修复领域研究最多的重金属。为了探索植物提取汞和解除汞中毒的潜力，BIZILY等选择拟南芥作为模式植物，在植物启动子控制下表达一个修饰的细菌基因merBpe，编码有机汞裂解酶（MerB）。MerB催化碳汞键的质子分解，去除有机配体，释放出流动性较差的汞物种Hg(II)。表达merBpe的转基因植物在各种浓度的甲基氯化汞和苯汞醋酸盐上生长旺盛。缺乏merBpe基因的植物在相同的有机汞浓度下受到严重抑制或死亡。研究表明，通过工程设计表达merBpe的原生植物（如树木、草类）可用于污染场地的甲基汞降解，并将Hg(II)封存以供后续去除。然而，该技术仅适用于挥发性污染物，应用范围有限。高摄取植物具有以下特性：污染物浓度低时，吸附积累能力强；污染物浓度较高；积累多种重金属；生长快，生物量大；具有抗病虫害能力。

2.3.2 微生物修复

微生物虽然不能破坏、降解重金属，但是可以改变其存在形式，实现重金属的转化和迁移。微生物修复机制包含沉淀、胞外络合、胞内积累和氧化还原反应等。微生物浸出是一种简单有效的从低品位矿石和精矿中提取有价金属的技术。除用于工业原料供应外，微生物浸出在矿山场地修复、矿业废弃物处理等方面具有一定的应用潜力。

ABDEL-AZIZ等评价了泡囊丛枝菌根作为生物制剂在降低重金属毒性方面的作用。与未接种的对照组相比，接种泡囊丛枝菌根的诱导显著增加。重金属含量比较多的矿区土壤内，成功种植泡囊丛枝菌根能够明显减少重金属浓度，说明泡囊丛枝菌根在降低植物生长介质中高浓度重金属的危害方面发挥重要作用。JONES等的研究表明，菌根植物对Cd的吸收量高于非菌根植物，菌根植物含有的Cd很大程度上储存在根系中。微生物修复过程与氧气、温度、湿度和pH等因素密切联系。其应用有局限性，一些微生物只能降解特定的污染物，但是微生物酶可能产生二次污染。

2.4 地貌修复技术

矿山地貌修复非常关键，其离不开动物、植物等生态系统。地貌修复的常用方法有土工网、浆砌石骨架、土工格室等，其在有色金属矿山治理中运用比较多。物理工程技术包括钢筋混凝土构架、浆砌石骨架和预应力锚索等。废弃矿山可以使用铺砌护坡连砖的方式治理坡体。削坡后，设置连锁砖护坡，运用六边形砖形成稳定的网状结构，保持坡体的稳定性，涵养水源。人工装置可以增强地貌的稳定性。挂网可以治理坡度较缓的砂石土边坡，保证坡面基质稳定和牢固。目前常使用挂网客土喷播复绿的方式，削坡完成后可以在坡面挂网客土，防止坡面水土流失，同时恢复边坡地貌。物理工程技术、人工装置技术和生物技术可以混合使用。针对开采岩体坡面，有色金属矿山可以采用植被恢复的方式进行基材喷附，使用生态植被袋进行防护，采用岩面容器进行垂直绿化，恢复植被。