雷 丹

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

湖南重金屬污染現(xiàn)狀分析及其修復(fù)對策

雷 丹

(湖南有色金屬研究院,湖南長沙 410015)

近年來隨著湖南工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,礦產(chǎn)資源的開發(fā),湖南重金屬污染日趨嚴重。文章著重調(diào)查了湖南重金屬污染現(xiàn)狀與己造成的影響,對重金屬污染來源與原因進行了分析。同時討論了修復(fù)重金屬污染的對策和措施,包括物理化學(xué)修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)等措施。

湖南;重金屬污染;修復(fù)對策

湖南是我國重要的重金屬礦區(qū)之一,分布著大量優(yōu)質(zhì)鉛鋅礦和銅鋅礦等重金屬礦。二十世紀以來,隨著湖南經(jīng)濟發(fā)展,人們對金屬產(chǎn)品,特別是重金屬礦產(chǎn)品需求量不斷擴大,與此同時,引發(fā)的環(huán)境問題日趨嚴重,重金屬污染是其中最為典型的一個。長期以來,許多礦山由于管理不善和資金等原因,在開采的過程中對礦區(qū)周圍的土壤與環(huán)境造成了嚴重影響。以湖南臨武為例:臨武三十六灣礦區(qū)規(guī)模屬于國內(nèi)大型礦區(qū),礦石中錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)品位較高。隨著開采量擴大,該礦區(qū)產(chǎn)生的環(huán)境問題也隨之日益增多。由于礦山分布較散,規(guī)模較小,工藝技術(shù)落后,裝備水平低,沒有專門的尾礦庫,尾砂、廢水隨意排放,加之當?shù)亻_發(fā)無序,濫采濫控,環(huán)保投入不足,導(dǎo)致礦山品位下降,開采難度大,并造成了一定的重金屬污染,使生態(tài)環(huán)境的修復(fù)、改造治理難以進行。

1 湖南重金屬污染來源分析

湖南重金屬污染與地方產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。湖南是全球極具盛名的有色金屬之鄉(xiāng),上游的采礦業(yè)、中游的采、選、冶行業(yè)和下游的冶煉業(yè)均較發(fā)達,代表性企業(yè)有湖南株洲化工集團有限責(zé)任公司、株冶集團、湘潭鋼鐵集團有限公司、湖南水口山有色金屬集團有限公司等。有色金屬采選冶煉等工業(yè)行業(yè)的粗放發(fā)展是造成湖南重金屬污染的最主要原因。湖南有色金屬平均開采回收率僅50%左右,伴生礦綜合回收利用僅25%,大量低品位礦石及伴生礦石被當作廢礦渣遺棄,工業(yè)廢水、廢渣、廢氣等的排放給周邊生態(tài)環(huán)境造成了嚴重污染。首先,在礦產(chǎn)資源開采、加工、冶煉過程中會產(chǎn)生含有大量重金屬等污染物的廢氣、揚塵和廢水。其次,礦產(chǎn)資源開發(fā)利用對土壤造成重金屬污染,主要表現(xiàn)以下幾種形式:一是尾礦和礦渣的無序堆放,造成土壤污染,有些中小型礦山企業(yè)無尾礦庫,將尾礦和礦渣亂堆亂放,勢必造成對土地資源的破壞和污染;二是采礦、冶煉產(chǎn)生大氣沉降,對土壤造成污染,由于礦山開采過程產(chǎn)生的揚塵、冶煉過程產(chǎn)生的有害氣體等物質(zhì),通過大氣沉降和大氣降水落在地表,造成土壤污染;三是農(nóng)田灌溉引用礦山廢水,造成的土壤污染,由于礦區(qū)水資源受到污染,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引用污水灌溉農(nóng)田,也是土壤受到污染的主要原因;四是,采選過程產(chǎn)生的大量廢水未經(jīng)處理,直接排入河流造成河流地表水污染和地下水污染。例如:湖南臨武縣由于受到采選礦影響,甘溪河水質(zhì)受到污染,2006年7月測試發(fā)現(xiàn)鉛(Pb)、鎘(Cd)、砷(As)等超標嚴重,其監(jiān)測情況列于表1。

表1 甘溪河水質(zhì)監(jiān)測情況 mg/L

湖南的鎘、汞、鉛、鉻排放量位居全國首位。同時,因工業(yè)布局不合理,污染物排入的相對集中,區(qū)域污染疊加影響,局部區(qū)域環(huán)境質(zhì)量惡化,企業(yè)違法排污和事故引發(fā)的重金屬污染事件也多次發(fā)生,詳情列于表2。

表2 湖南重金屬引起的污染事件

此外,造成湖南重金屬污染現(xiàn)狀的另一個原因是環(huán)境重金屬累積引起的歷史污染。底泥往往是河水中重金屬的儲存庫和最后的歸宿。當水環(huán)境發(fā)生變化,或遇到洪水時,底泥受到擾動,沉積在底泥中的重金屬重新溶解或懸浮進入水體,造成水體重金屬含量迅速升高。湘江底泥中重金屬累積造成的歷史性污染嚴重,治污難度大,成為了飲用水安全的最大隱患。2006年1月,株洲水利公司對霞灣港清淤導(dǎo)流,底泥中所含的大量鎘進入水體,造成了鎘污染事件,導(dǎo)致長沙、株洲、湘潭水質(zhì)出現(xiàn)不同程度污染[2]。

2 重金屬污染修復(fù)對策

重金屬污染治理一直是國內(nèi)外研究的難點和熱點。由于重金屬在環(huán)境中具有難降解性和相對穩(wěn)定性,因此很難從環(huán)境中清除。根據(jù)不同的重金屬的污染性質(zhì)的不同,大致可將重金屬污染修復(fù)對策分為三類:物理化學(xué)修復(fù)、化學(xué)修復(fù)和生物修復(fù)。

2.1 物理化學(xué)修復(fù)

物理化學(xué)修復(fù)包括三種處理技術(shù):吸附法、膜分離法和離子交換法。

吸附法是利用自然的吸附材料,如活性炭、膨潤土、沸石和殼聚糖等,通過離子絡(luò)合、螯合等作用吸附重金屬的一種方法。優(yōu)點是自然的吸附材料來源廣、制造容易、成本較低,目前應(yīng)用普遍;缺點是重金屬一旦吸附飽和之后很難回收,資源不能回收利用[3]。

膜分離法是在外界壓力的作用下和不改變?nèi)芤褐形锘再|(zhì)的前提下,利用微濾膜、納濾膜、超濾膜、電生物膜等半透膜,通過反滲透作用將溶質(zhì)和溶劑進行濃縮或分離的方法。在實際應(yīng)用中,這種技術(shù)選擇性強、分離率高、能耗低、無污染,在常溫下操作無相態(tài)變化,可作為重金屬廢水終端處理,分離效率可達95%以上,使廢液中的重金屬離子分離,處理后的水可循環(huán)再利用。缺點是其程序復(fù)雜,對生產(chǎn)技術(shù)要求較高、成本較高,在推廣應(yīng)用中受到了限制[4]。

離子交換法是利用離子交換樹脂與廢水中重金屬離子發(fā)生離子交換,使廢水中重金屬濃度降低,從而凈化廢水的方法。這種方法的優(yōu)點是可選擇不同的交換樹脂選擇性分離不同的重金屬離子,回收重金屬資源,交換樹脂也可以循環(huán)利用,缺點是其程序復(fù)雜,對生產(chǎn)技術(shù)要求較高、成本較高,在推廣應(yīng)用中受到了限制[5]。

2.2 化學(xué)修復(fù)

化學(xué)修復(fù)包括化學(xué)沉淀法、化學(xué)浮選法和氧化還原法等,主要用來處理重金屬離子濃度含量較高的廢水。

化學(xué)沉淀法是最傳統(tǒng)的重金屬廢水處理方法,包括硫化物沉淀法、中和沉淀法、鐵氧體沉淀法和鋇鹽沉淀法等,基本原理是通過化學(xué)反應(yīng)將廢液中的重金屬離子轉(zhuǎn)化為不溶于水的沉淀物,然后通過過濾等方法將沉淀物從廢液中分離。該方法雖然操作簡單,但往往受到環(huán)境條件的限制,處理后的廢液達不到排放標準,沉淀物需要妥善處理,以避免二次污染[6]。

化學(xué)浮選法按粘附方式不同可分為離子氣浮法、泡沫氣浮法、沉淀氣浮法、吸附膠體氣浮法等。在處理重金屬廢液時,重金屬離子先析出,然后在表面活性劑的作用下疏水化,隨著氣泡上浮之后,利用刮板或者自流將其除去。化學(xué)浮選法在處理稀的重金屬廢水時處理量大,處理效率高,重金屬殘留少,生成的渣泥少,運轉(zhuǎn)費低,但凈化水處理和渣液問題須進一步解決[4]。

氧化還原法是根據(jù)重金屬易還原或氧化的性質(zhì),向廢液中加入還原劑或者氧化劑,通過氧化還原反應(yīng)將重金屬離子轉(zhuǎn)變?yōu)槌恋砘蚨拘愿〉膬r態(tài),然后再沉淀、過濾將其回收或去除。氧化還原法較容易操作,可回收利用一部分重金屬,但是處理量小、耗能大,容易產(chǎn)生廢渣[7]。

2.3 生物修復(fù)技術(shù)

生物修復(fù)技術(shù)包括植物修復(fù)技術(shù)、微生物修復(fù)技術(shù)和動物修復(fù)技術(shù)。

植物修復(fù)就是利用植物吸收、提取、轉(zhuǎn)化、分解或固定沉積物、土壤、地表或地下水、污泥中有毒有害的污染物的技術(shù)的總稱,廣義的植物修復(fù)技術(shù)包括利用植物凈化空氣、利用植物修復(fù)重金屬污染的土壤、利用植物及其根際微生物共存體系凈化土壤中有機污染物和利用植物清除放射性核素四個方面,狹義的植物修復(fù)技術(shù)主要指利用植物吸收污染土壤中的重金屬[8]。目前發(fā)現(xiàn)的對重金屬具有超積累能力的植物有45科約400多種,如向日葵和印度芥菜可大量積聚As、Ce、Cr、U、Hg、Pb、Zn等重金屬;羊齒類鐵角蕨屬植物對Cd有超耐性;香蒲植物天葉紫花苕子對Pb具有超耐性[9]。韋朝陽等人[10]在湖南發(fā)現(xiàn)砷超累積植物——大葉井口邊草。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)曾清如等在湖南郴州東坡鉛鋅尾礦砂的嚴重污染區(qū)種植了對重金屬有明顯抗性的楊樹,這種樹生長快,既可美化環(huán)境又可富集土壤中的重金屬,凈化土壤,木材可用來生產(chǎn)火柴,產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益[11]。植物修復(fù)技術(shù)普遍被認為具有物理化學(xué)修復(fù)和化學(xué)修復(fù)所無法比擬的成本低、不破壞場地結(jié)構(gòu)、能起到美化環(huán)境作用、可操作性、不造成地下水的二次污染、易于為社會所接受等優(yōu)點,缺點是處理重金屬污染種類單一,處理效率較低,難以全面清除污染土壤內(nèi)的重金屬。

微生物修復(fù)則是利用微生物對某些重金屬的吸收、沉積、氧化和還原等作用,減少植物攝取,從而降低重金屬的毒性。不同類型微生物對重金屬污染的耐性也不同,通常為真菌＞細菌＞放線菌。真菌是一種非常有效的重金屬蓄積器,重金屬主要沉積在真菌共生體細胞壁外表面上,或者進入真菌細胞壁之內(nèi)。因此,正在致力于改進植物根部攝取金屬的速度的微生物學(xué)家們正想方設(shè)法從植物根部去掉真菌根中的真菌,因為真菌能夠阻止植物攝入更多的金屬。在好氣或厭氣條件下,一些異養(yǎng)微生物可將As5+還原成As3+,可催化Cr6+還原成Cr3+,從而降低其毒性[12,13]。微生物修復(fù)在具體實踐中也有一定的局限性:微生物修復(fù)易受各種環(huán)境因素的影響,每種微生物菌株對影響生長和代謝的水分、溫度、氧氣、pH和生物因子等都有一定的耐受范圍,如果環(huán)境條件超出了所有定居微生物的耐受范圍,微生物的修復(fù)作用就會停止。微生物修復(fù)相關(guān)文獻報道較少,也缺乏進一步的試驗研究,現(xiàn)場環(huán)境中的微生物可能由于難以適應(yīng)環(huán)境或競爭而導(dǎo)致作用結(jié)果與實驗結(jié)果有較大出入。此外,微生物修復(fù)土壤的能力有限,某些微生物只能降解特定類型污染物,只能修復(fù)小范圍的污染土壤,并且有些情況下不能將污染物全部去除,微生物/酶制劑可能帶來次生污染問題[14]。

動物修復(fù)的典型例子是蚯蚓,蚯蚓可以通過兩種途徑,富集土壤中的污染物:被動攝食作用和擴散作用,前者是污染物由土壤通過蚯蚓的吞食作用進入蚯蚓體內(nèi),并在內(nèi)臟器官內(nèi)完成吸收作用;而后者則是污染物從土壤溶液經(jīng)蚯蚓體表吸收進入蚯蚓的體內(nèi)。蚯蚓對重金屬有較強的富集作用,且隨著土壤中重金屬含量的增加,蚯蚓體內(nèi)富集量增加,且成較好的線性關(guān)系。但是蚯蚓對重金屬的富集能力有一定的忍耐力,如果土壤中的重金屬含量超過蚯蚓的忍受范圍,會直接毒害蚯蚓。試驗發(fā)現(xiàn),當Pb濃度為3 500 mg/kg土,蚯蚓全部死亡,絕對死亡率為100%[15,16]。

3 結(jié)論和展望

湖南重金屬污染治理難度較大,在治理和控制重金屬污染時,必須充分考慮和研究重金屬污染持久性、難以降解性、富集性這些特性,通過改變其存在的形態(tài),達到治理污染的目的。重金屬礦區(qū)污染源頭的整治是關(guān)鍵。堅持源頭預(yù)防,嚴格準入,優(yōu)化湖南產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),降低產(chǎn)污強度,加大落后產(chǎn)能淘汰力度,努力消化污染存量,制定近期和遠期重金屬污染治理相結(jié)合規(guī)劃,統(tǒng)籌污染防治與產(chǎn)業(yè)發(fā)展,突出重金屬污染防控區(qū)、行業(yè)和企業(yè),分區(qū)、分類推進污染防治。此外,要加大宣傳力度,提高全省人民的環(huán)境保護意識,同時要進一步明確政府和部門職責(zé),強化部門聯(lián)動機制,對礦山、冶煉等企業(yè)監(jiān)管其完善相應(yīng)的污染處理設(shè)施,控制“三廢”排放,對工業(yè)“三廢”進行綜合回收處理,推廣閉路循環(huán),無毒工藝,并嚴格控制污染物排放量與濃度,制定區(qū)域性污染防治規(guī)劃,按照總量控制要求,必須在規(guī)定時限內(nèi)達標排放。對非法采選礦、冶煉等企業(yè)必須按照“七個不留”即“不留井口、不留設(shè)備、不留廠棚、不留供水管道、不留電源、不留人員、不留隱患”進行徹底整治。在防治工作中,積極推廣運用重金屬污染修復(fù)技術(shù),針對礦山的具體情況,在傳統(tǒng)的修復(fù)技術(shù)的基礎(chǔ)上,多種工藝組合來解決重金屬污染問題。如何將已有的科學(xué)研究成果,通過篩選、提煉優(yōu)化后用于重金屬污染的土壤和水體的實際修復(fù)中是迫切需要解決的問題。

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Analysis on Heavy Metals Pollution Status in Hunan Province and Its Remediation Strategy

L EI Dan
(Hunan Research Institute of Nonferrous Metals,Changsha410015,China)

With rapid development of industry and agriculture,and excessive exploitation of mine resources,the p ollution of Hunan province caused by heavy metals is getting more and more serious.In this paper,the status quo and impacts of heavy metals pollution in Hunan province were investigated.The source and causation of heavy metals pollution were discussed,and several methods to recover the heavy metals pollution were discussed.

Hunan province;heavy metals pollution;remediation strategy

X131.3

A

1003-5540(2012)01-0057-04

雷丹(1985-),女,助理工程師,主要從事環(huán)境保護和環(huán)境監(jiān)測工作。

2011-10-26