劉桂建，袁自嬌，周春財，孫浩，徐仲雨

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院， 安徽 合肥 230026)

采礦區(qū)土壤環(huán)境污染及其修復(fù)研究

劉桂建，袁自嬌，周春財，孫浩，徐仲雨

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院， 安徽 合肥 230026)

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用在給人類帶來巨大財富和生活便利的同時，也產(chǎn)生了生態(tài)破壞和環(huán)境污染的不良后果。隨著礦產(chǎn)資源開發(fā)的持續(xù)進行，一些礦區(qū)土壤污染現(xiàn)象日益凸顯，進而威脅到農(nóng)產(chǎn)品的安全及人類身體的健康。通過總結(jié)我國礦產(chǎn)資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及其對環(huán)境造成的影響，闡明了采礦區(qū)土壤污染防治的迫切性，并對不同環(huán)境修復(fù)技術(shù)進行歸納，提出了礦區(qū)土壤污染防治“三步走”的設(shè)想。

礦產(chǎn)資源開發(fā)；采礦區(qū)；土壤污染；環(huán)境修復(fù)；污染防治

0 引言

礦產(chǎn)資源是國家經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在很大程度上決定著社會生產(chǎn)力的發(fā)展水平和社會變遷?！笆濉逼陂g，我國石油、煤炭等資源查明儲量增長明顯，一次能源、有色金屬資源等供應(yīng)能力顯著提升。在工業(yè)化、城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化加快推進和全面建設(shè)小康社會的關(guān)鍵時期，礦產(chǎn)資源消費亦在加速[1]。礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用是一柄“雙刃劍”，其在保障經(jīng)濟快速增長和社會迅速發(fā)展的同時，限于當前的管理水平和開發(fā)技術(shù)水平，也產(chǎn)生了一系列環(huán)境問題[2]。采礦區(qū)作為承載礦產(chǎn)資源綜合開發(fā)活動的場地，礦產(chǎn)資源開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的廢水、廢氣以及采后遺留的廢渣、廢棄地等對采礦區(qū)造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞日漸顯現(xiàn)，其中，礦區(qū)土壤環(huán)境污染尤為突出[3]。

作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，土壤是人類社會生產(chǎn)和生活中不可缺少的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要基地。土壤受到污染后不僅會通過水體傳遞、大氣環(huán)流等途徑對采礦區(qū)及周邊環(huán)境造成危害[4]，還會經(jīng)食物鏈傳遞對食品安全以及人體健康構(gòu)成嚴重威脅[5-6]。

面對采礦區(qū)土壤污染的嚴峻形勢，探明采礦區(qū)土壤污染現(xiàn)狀并對其生態(tài)功能進行恢復(fù)已然成為亟待解決的熱點問題。

1 礦產(chǎn)資源開發(fā)利用及其環(huán)境影響

1.1 我國礦產(chǎn)資源開發(fā)利用現(xiàn)狀

我國幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，擁有獨天得厚的礦產(chǎn)資源。截至2015年底，我國共發(fā)現(xiàn)172種礦產(chǎn)資源，包括石油、天然氣、煤炭等能源礦產(chǎn)12種，鐵、銅、金等金屬礦產(chǎn)59種，非金屬礦產(chǎn)95種，以及地下水、礦泉水等水氣礦產(chǎn)6種，已探明資源儲量的高達162種[1]。由此可見，我國礦產(chǎn)資源總量豐富、礦種較全，并在“十二五”期間首次探獲頁巖氣地質(zhì)儲量，進一步豐富了礦產(chǎn)種類[1]。我國已成為世界上為數(shù)不多的礦產(chǎn)資源大國，這為國家經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展提供了重要物質(zhì)保障。然而，我國礦產(chǎn)資源人均探明儲量相對較低，部分礦產(chǎn)儲量嚴重不足；優(yōu)劣礦并存、整體質(zhì)量欠佳；中小型礦多、大型礦少；貧礦多、富礦少，共生伴生礦多、單一礦少。此外，我國礦產(chǎn)資源的地區(qū)分布極不均衡，總體來說北富南貧、西多東少，資源開發(fā)利用難度較大[1，7]。面對復(fù)雜多變的國內(nèi)外礦產(chǎn)資源形勢，我國于“十二五”期間制定發(fā)布了煤炭、石油、天然氣、銅礦等27種礦產(chǎn)的“三率”(開采回采率、選礦回收率、綜合利用率)指標，初步形成了主要礦種的資源節(jié)約和綜合利用評價指標體系[1]。

1.2 采礦對環(huán)境的影響

礦產(chǎn)資源的開發(fā)利用對于促進我國經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要作用。在我國礦產(chǎn)資源的需求與經(jīng)濟規(guī)模的增長同步。隨著礦產(chǎn)開發(fā)的持續(xù)進行，礦產(chǎn)資源形勢愈發(fā)嚴峻，后備礦產(chǎn)資源儲量已漸漸滿足不了日益增長的礦產(chǎn)資源需求，供需矛盾日漸顯現(xiàn)[7-8]。部分企業(yè)非法開采、或重采輕治等不合理的開采行為頻發(fā)，礦產(chǎn)資源尤其是煤炭的長期大量開采帶來了眾多環(huán)境問題。

1.2.1 生態(tài)破壞

在經(jīng)濟利益的驅(qū)動下，部分礦井忽視環(huán)境生態(tài)保護，無秩序且不規(guī)范地進行開采活動。隨著開采規(guī)模和強度的加大，地面出現(xiàn)塌陷區(qū)，且隨著開采的持續(xù)，塌陷面積、塌陷深度不斷擴大，可能引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害問題[9]。例如，位于陜北毛烏素沙漠邊緣地的神府礦區(qū)，采空區(qū)所引發(fā)的地表塌陷、房屋開裂等問題日趨嚴重，給當?shù)厝嗣袢罕娚顜順O大困擾[10]。礦山開采也會產(chǎn)生大量固體廢棄物，占用農(nóng)田，破壞地表植被和生態(tài)平衡。此外，礦產(chǎn)開發(fā)過程還會改變原生態(tài)的水文地質(zhì)條件，誘發(fā)水文地質(zhì)災(zāi)害，還可能改變地下水的徑流和排泄條件，造成地下水水位下降、水文環(huán)境惡化等[11-12]。

1.2.2 環(huán)境污染

除了生態(tài)環(huán)境破壞，礦產(chǎn)開發(fā)還會造成環(huán)境污染，主要表現(xiàn)為大氣污染、水污染及土壤污染等。采礦過程產(chǎn)生的粉塵、廢氣，例如煤炭開采過程中產(chǎn)生的瓦斯、煤炭自燃產(chǎn)生的CO、SO2等進入大氣，會造成大氣污染，進而危害礦區(qū)及周邊地區(qū)人民的身體健康[13]；伴隨著干濕沉降，這些粉塵、有害氣體到達地表，進一步污染礦區(qū)及周邊地區(qū)的地表水、地下水、土壤、農(nóng)作物和植被等。礦產(chǎn)開發(fā)產(chǎn)生的大量固體廢棄物，通常堆放于地表上、暴露在空氣中，如果處理不當，伴隨著風蝕吹揚、雨水沖刷、淋洗等自然作用，和未經(jīng)處理的廢水一起也會造成嚴重的污染與危害：例如，燃煤電廠產(chǎn)生的大量粉煤灰，在干旱或者風季里易漂浮在空氣中，污染大氣環(huán)境，并在降落地表后，造成土壤、水體污染[14]。在采礦造成的環(huán)境污染中，土壤污染不像大氣污染、水污染那樣直觀，很難被人類察覺，隨著時間的推移，污染日益加重，嚴重威脅農(nóng)產(chǎn)品安全及人體健康，因此土壤受到的影響最為深刻[15]。

2 采礦區(qū)土壤環(huán)境污染

在一定程度上，土壤可以作為大部分污染物在環(huán)境中的儲存庫。研究表明，世界上90%的污染物最終都將會滯留在土壤中，嚴重威脅人類及動植物的生存與發(fā)展[16]。據(jù)環(huán)境保護部和國土資源部2014年公布的《全國土壤污染調(diào)查公報》結(jié)果顯示，我國耕地點位超標率達19.4%，主要污染物為鎘、鎳、銅、砷、汞等重金屬以及多環(huán)芳烴等有機污染物，耕地土壤環(huán)境質(zhì)量堪憂，而工礦業(yè)廢棄地土壤環(huán)境問題突出。礦區(qū)土壤污染主要來自于包括開采、選礦與運輸過程中產(chǎn)生的粉塵、廢氣和廢水，以及選礦后堆積的尾礦和廢礦渣[17]。在采礦造成的各種土壤環(huán)境污染中，重金屬和有機污染成為近年來被關(guān)注的焦點問題。

2.1 礦區(qū)土壤重金屬污染

重金屬一般指密度大于4.5g/cm3的金屬，包括金、銀、銅、鋅、鉛、鉻、鎘、鐵、錳、鎳等45種元素，在環(huán)境污染方面所說的重金屬主要是指汞、鎘、鉛、鉻、銅、鋅，以及具有顯著生物毒性的類金屬砷元素等[18-19]。重金屬是環(huán)境中普遍存在的一類污染物，具有難降解性、持久性和生物累積性，且在一定環(huán)境條件下可轉(zhuǎn)化為毒性更強的金屬有機復(fù)合物，進而在人體或動物體內(nèi)不斷累積，對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重毒害[20-23]。

采礦等人類活動致使很多微量有害元素進入土壤，在土壤的吸附、絡(luò)合、沉淀等作用下，絕大多數(shù)元素會殘留在土壤中，造成土壤中的重金屬含量超過背景值，引發(fā)土壤重金屬污染。礦區(qū)土壤重金屬污染主要源自于以下幾個方面：①原礦石：例如，煤中微量元素的異常富集是造成礦區(qū)土壤重金屬污染的重要原因之一[24]；②采礦固廢：廢石、廢渣、尾礦等采礦固廢中含有不同程度的有毒有害重金屬物質(zhì)，在日曬、雨淋和風吹等自然條件下，造成礦石的風化、淋溶等，從而使重金屬污染物進入土壤[25]；③大氣干濕沉降：例如，煤礦開采過程中產(chǎn)生的粉塵在大氣作用下遷移沉降，使粉塵在煤礦周圍土壤中被重新分布，通過淋溶滲濾進入土壤中，造成土壤污染；④礦井廢水：采礦產(chǎn)生的廢水中含各種不同的金屬元素，可能會通過灌溉、溢流或滲漏等不同途徑進入土壤，使土壤受到污染[26]。由于土壤污染具有隱蔽性和滯后性等特點，污染后不易被人類察覺，隨著時間的推移，土壤重金屬污染日益加重，農(nóng)田土壤肥力也逐漸衰退，進而導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降，嚴重制約經(jīng)濟的發(fā)展，威脅人類的食品安全及身體健康[27]。目前，國內(nèi)多地礦區(qū)土壤均被報道受到重金屬污染：孫銳等曾研究了湖南水口山鉛鋅礦區(qū)及其周圍地區(qū)土壤中重金屬的污染特征，發(fā)現(xiàn)受鉛鋅選礦和冶煉活動影響，表層土壤已經(jīng)明顯受到重金屬污染[28]；孫賢斌和李玉成曾發(fā)現(xiàn)安徽淮南大通煤礦廢棄地土壤中重金屬含量超標，化工廠和煤矸石堆區(qū)域重金屬復(fù)合污染嚴重[29]；徐友寧等曾對小秦嶺金礦區(qū)農(nóng)田土壤中重金屬污染展開研究，發(fā)現(xiàn)該礦區(qū)礦業(yè)活動導(dǎo)致土壤、地下水、農(nóng)作物中重金屬元素均出現(xiàn)不同程度的累積或超標，且存在重金屬導(dǎo)致的不可接受的人體健康高非致癌風險和致癌風險[30]。

2.2 礦區(qū)土壤有機污染

研究表明，中國受各種有機污染或化學(xué)污染的農(nóng)田共計達6 000×108m2，而每年出產(chǎn)的主要農(nóng)產(chǎn)品中多環(huán)芳烴(PAHs)殘留高達20%以上[31]。PAHs是一類在環(huán)境中普遍存在的持久性有機污染物，由兩個或兩個以上的苯環(huán)構(gòu)成[32]。由于PAHs具有很強的致癌、致畸、致突變性，美國環(huán)保局建議將16種PAHs列為優(yōu)先控制的污染物，其中的七種，包括苯并[a]蒽、屈、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽、苯并[a]芘、二苯并[a,h]蒽以及茚并[1,2,3-cd]芘被國際防癌研究委員認定為毒性極強[33]。PAHs等持久性有機污染物具有半揮發(fā)性、遠距離傳輸性、疏水性和親脂性，它們可以通過大氣傳輸?shù)狡h地區(qū)，通過各種各樣的路徑到達土壤環(huán)境，并經(jīng)食物鏈在生物體內(nèi)進行進一步地累積和放大，進而影響人體健康[34]。礦區(qū)土壤中PAHs主要來自于煤炭等化石燃料的不完全燃燒、油田開采利用過程中石油及其精煉產(chǎn)品的泄露、采礦三廢以及礦產(chǎn)運輸過程中機動車尾氣的排放等。目前，多地礦區(qū)土壤中均發(fā)現(xiàn)有PAHs檢出：劉靜靜等曾對安徽淮北蘆嶺礦區(qū)土壤進行PAHs的污染調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)部分土壤受到PAHs中度到重度污染[35]；潘峰等曾對中原油田開采區(qū)土壤中PAHs的殘留量進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)苯并[a]芘的檢出率達100%，運行中和停產(chǎn)時間較短的油田周圍土壤的生態(tài)風險較高[36]；王新偉等研究了煤矸石堆放對土壤環(huán)境PAHs污染的影響，發(fā)現(xiàn)煤矸石山堆積區(qū)土壤已受到PAHs的嚴重污染，且土壤中16種優(yōu)控PAHs的總量與煤矸石山距離呈負相關(guān)關(guān)系，主要來自于煤矸石山揚塵沉降、煤矸石燃燒、原煤煤塵降落與燃燒[37]。

3 礦區(qū)土壤污染修復(fù)

為了實現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用，保障人類的食品安全，對于已經(jīng)受到污染的土壤，迫切需要研究并提出經(jīng)濟、可行、高效的土壤污染修復(fù)技術(shù)對其進行治理[38]。目前，污染土壤治理方法主要包括物理、化學(xué)及生物修復(fù)，即采用物理、化學(xué)或生物的方法使土壤中的污染物被降解、轉(zhuǎn)化和吸收至濃度達到可接受的水平或者將有毒有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害的過程。

3.1 物理/化學(xué)修復(fù)

污染土壤的物理修復(fù)主要是利用污染物與環(huán)境之間各自物理特性的差異，達到將污染物從環(huán)境中去除的目的；化學(xué)修復(fù)是利用加入到土壤中的化學(xué)修復(fù)劑與污染物發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，使污染物被降解和毒性被去除或降低的修復(fù)技術(shù)[39]。土壤的物理/化學(xué)修復(fù)技術(shù)主要包括客土換土法、淋洗法、熱解析法、電動修復(fù)法、固定/穩(wěn)定化技術(shù)等[40]?？屯翐Q土法屬于傳統(tǒng)的土壤修復(fù)手段，能夠有效去除土壤中污染物，但該法費用高，工程量大，被換的污染土壤占用大量堆積空間，且存在二次污染風險，多用于范圍較小的重污染區(qū)土壤治理[41]；淋洗法是利用淋洗液將污染物從土壤固相轉(zhuǎn)移到液相中去，再將富集的廢水進一步回收處理的修復(fù)技術(shù)，該技術(shù)雖能有效去除輕質(zhì)土和砂質(zhì)土中的污染物，但對滲透系數(shù)很低的土壤修復(fù)效果不佳[40,42]；熱解析技術(shù)是采用直接或間接的技術(shù)對污染土壤進行加熱，使某些污染物揮發(fā)，收集揮發(fā)產(chǎn)物進行集中處理的過程，該法對部分揮發(fā)性污染物去除效果較好，但能耗成本高，且對于揮發(fā)產(chǎn)物的收集和處置還有待進一步研究[40]；電動修復(fù)是在污染土壤兩側(cè)施加電壓，利用電場作用將污染物帶到電極兩端再進行集中處理，該法可同時去除重金屬和有機污染物、不攪動土層、操作簡單、效率高，但易導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)變化[43]；固定/穩(wěn)定化技術(shù)是將污染土壤與能聚結(jié)成固體的黏結(jié)劑混合，從而將污染物捕獲或固定在固體結(jié)構(gòu)中的技術(shù)，該法經(jīng)濟、快速，但缺乏關(guān)于固化體長期穩(wěn)定性的研究[44]。

3.2 生物修復(fù)

生物修復(fù)是指利用特定生物的生命代謝活動將污染物吸收、富集、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移和降解，進而恢復(fù)土壤系統(tǒng)正常生態(tài)功能的過程，主要包括植物修復(fù)、動物修復(fù)以及微生物修復(fù)[45]。植物修復(fù)是指利用植物對土壤中的污染物進行提取、吸收、轉(zhuǎn)化和固定等過程對污染土壤進行修復(fù)，主要包括植物提取、植物揮發(fā)、植物穩(wěn)定和根際過濾四種方式[46-47]。動物修復(fù)是指通過特定的動物對土壤中的污染物進行吸收、轉(zhuǎn)化、富集等，以達到恢復(fù)土壤功能的目的[48]；微生物修復(fù)是利用微生物(細菌、藻類和酵母等)的代謝活動來減輕或消除土壤污染[49]。生物修復(fù)的產(chǎn)物大多是無害物質(zhì)，不會產(chǎn)生二次污染，修復(fù)效果好、成本低、易于操作管理，是環(huán)境修復(fù)技術(shù)目前主要的研究和發(fā)展方向[50-51]。

4 結(jié)語

面對土壤污染的嚴峻形勢，國務(wù)院于2016年頒布了《土壤污染防治行動計劃》(簡稱“土十條”)，自此，我國土壤污染修復(fù)事業(yè)受到的關(guān)注度又被提上了一個新的高度，礦區(qū)土壤污染修復(fù)工作更加迫在眉睫。然而，如前所述，礦區(qū)土壤污染來源復(fù)雜，環(huán)境修復(fù)技術(shù)又種類繁多，為了提高土壤修復(fù)工作效率，筆者建議按照如下流程開展工作，實現(xiàn)礦區(qū)土壤污染防治“三步走”。

①積極開展礦區(qū)土壤污染預(yù)防工作。對于未受污染的區(qū)域，切勿濫挖濫采，應(yīng)對礦產(chǎn)資源進行合理開發(fā)，且在開發(fā)利用過程中采取一系列措施將污染的可能性降到最低。例如，積極探索采礦固體廢棄物(如煤矸石)的綜合利用途徑，如發(fā)電、制磚等，提高固廢的綜合利用率，減少固廢的堆放，對于采礦產(chǎn)生的廢水經(jīng)處理后再排放等。

②加強礦區(qū)重金屬及有機污染物環(huán)境調(diào)查，建立礦區(qū)污染物環(huán)境地球化學(xué)信息庫。通過野外實地采樣及實驗室分析測試，研究采礦區(qū)土壤重金屬及有機污染物含量、形態(tài)和分布特征，利用GIS等技術(shù)，結(jié)合土地利用類型圖及其它自然要素圖，繪制礦區(qū)土壤污染分布圖，探索重金屬及PAHs等有機污染物在礦區(qū)土壤中的遷移轉(zhuǎn)化模型，同時根據(jù)污染物的類型、污染程度以及相關(guān)環(huán)境質(zhì)量標準進行土壤質(zhì)量評價、生態(tài)風險及人體健康風險評價，從而建立礦區(qū)土壤污染環(huán)境地球化學(xué)信息庫，為污染土壤的治理與恢復(fù)提供參考[15]。

③根據(jù)實際情況合理選擇土壤修復(fù)技術(shù)，恢復(fù)土壤功能。不同礦區(qū)土壤受污染的程度以及污染物的種類不同，根據(jù)前面建立的礦區(qū)污染物環(huán)境地球化學(xué)信息庫，選擇合適的環(huán)境修復(fù)技術(shù)，因地制宜進行土壤修復(fù)。

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MiningAreaSoilEnvironmentalContaminationandRehabilitationStudy

Liu Guijian, Yuan Zijiao, Zhou Chuncai, Sun Hao and Xu Zhongyu

(School of Earth and Space Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui 230026)

The exploitation and utilization of mineral resources have brought great wealth and convenience to human beings, but also caused ecological destruction and environmental contamination at the same time. With the continuous exploitation of mineral resources, soil contamination in mining areas has become more and more serious, which threatened the agricultural products safety and human health. Through investigating the present situation of mineral resources exploitation and its impact to the environment in our country, the present research work elaborates the urgency of prevention to the soil contamination in mining areas and summarizes different environmental rehabilitation technologies. In the end, the thoughts of "three-step way" to prevent and control the soil contamination in mining areas is proposed based on the above-mentioned analysis.

mineral resource exploitation; mining area; soil contamination; environmental rehabilitation; contamination control

國家科學(xué)部支撐計劃(2012BAC10B02)，安徽省國土資源廳科技項目(2015-K-13)，安徽省公益性地質(zhì)工作項目(2015-g-37)

劉桂建(1966—)，教授，博士生導(dǎo)師。

2017-08-01

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.09.07

1674-1803(2017)09-0037-04

A

責任編輯：孫常長