湖南重金屬污染現(xiàn)狀分析及其修復(fù)對(duì)策

雷 丹

(湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

湖南重金屬污染現(xiàn)狀分析及其修復(fù)對(duì)策

雷 丹

(湖南有色金屬研究院,湖南長(zhǎng)沙 410015)

近年來(lái)隨著湖南工農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展,礦產(chǎn)資源的開(kāi)發(fā),湖南重金屬污染日趨嚴(yán)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(duì)重金屬污染來(lái)源與原因進(jìn)行了分析。同時(shí)討論了修復(fù)重金屬污染的對(duì)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(duì)策

湖南是我國(guó)重要的重金屬礦區(qū)之一,分布著大量?jī)?yōu)質(zhì)鉛鋅礦和銅鋅礦等重金屬礦。二十世紀(jì)以來(lái),隨著湖南經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人們對(duì)金屬產(chǎn)品,特別是重金屬礦產(chǎn)品需求量不斷擴(kuò)大,與此同時(shí),引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重,重金屬污染是其中最為典型的一個(gè)。長(zhǎng)期以來(lái),許多礦山由于管理不善和資金等原因,在開(kāi)采的過(guò)程中對(duì)礦區(qū)周?chē)耐寥琅c環(huán)境造成了嚴(yán)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(guó)內(nèi)大型礦區(qū),礦石中錫(Sn)、鋅(Zn)、鉛(Pb)品位較高。隨著開(kāi)采量擴(kuò)大,該礦區(qū)產(chǎn)生的環(huán)境問(wèn)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(méi)有專(zhuān)門(mén)的尾礦庫(kù),尾砂、廢水隨意排放,加之當(dāng)?shù)亻_(kāi)發(fā)無(wú)序,濫采濫控,環(huán)保投入不足,導(dǎo)致礦山品位下降,開(kāi)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(jìn)行。

1 湖南重金屬污染來(lái)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(dá),代表性企業(yè)有湖南株洲化工集團(tuán)有限責(zé)任公司、株冶集團(tuán)、湘潭鋼鐵集團(tuán)有限公司、湖南水口山有色金屬集團(tuán)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(kāi)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(dāng)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(yán)重污染。首先,在礦產(chǎn)資源開(kāi)采、加工、冶煉過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生含有大量重金屬等污染物的廢氣、揚(yáng)塵和廢水。其次,礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用對(duì)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(wú)序堆放,造成土壤污染,有些中小型礦山企業(yè)無(wú)尾礦庫(kù),將尾礦和礦渣亂堆亂放,勢(shì)必造成對(duì)土地資源的破壞和污染;二是采礦、冶煉產(chǎn)生大氣沉降,對(duì)土壤造成污染,由于礦山開(kāi)采過(guò)程產(chǎn)生的揚(yáng)塵、冶煉過(guò)程產(chǎn)生的有害氣體等物質(zhì),通過(guò)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(guò)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(cè)試發(fā)現(xiàn)鉛(Pb)、鎘(Cd)、砷(As)等超標(biāo)嚴(yán)重,其監(jiān)測(cè)情況列于表1。

表1 甘溪河水質(zhì)監(jiān)測(cè)情況 mg/L

湖南的鎘、汞、鉛、鉻排放量位居全國(guó)首位。同時(shí),因工業(yè)布局不合理,污染物排入的相對(duì)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(gè)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(chǔ)存庫(kù)和最后的歸宿。當(dāng)水環(huán)境發(fā)生變化,或遇到洪水時(shí),底泥受到擾動(dòng),沉積在底泥中的重金屬重新溶解或懸浮進(jìn)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(yán)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(duì)霞灣港清淤導(dǎo)流,底泥中所含的大量鎘進(jìn)入水體,造成了鎘污染事件,導(dǎo)致長(zhǎng)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(duì)策

重金屬污染治理一直是國(guó)內(nèi)外研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。由于重金屬在環(huán)境中具有難降解性和相對(duì)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(duì)策分為三類(lèi):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(rùn)土、沸石和殼聚糖等,通過(guò)離子絡(luò)合、螯合等作用吸附重金屬的一種方法。優(yōu)點(diǎn)是自然的吸附材料來(lái)源廣、制造容易、成本較低,目前應(yīng)用普遍;缺點(diǎn)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(guò)反滲透作用將溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行濃縮或分離的方法。在實(shí)際應(yīng)用中,這種技術(shù)選擇性強(qiáng)、分離率高、能耗低、無(wú)污染,在常溫下操作無(wú)相態(tài)變化,可作為重金屬?gòu)U水終端處理,分離效率可達(dá)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(diǎn)是其程序復(fù)雜,對(duì)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(shù)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(diǎn)是可選擇不同的交換樹(shù)脂選擇性分離不同的重金屬離子,回收重金屬資源,交換樹(shù)脂也可以循環(huán)利用,缺點(diǎn)是其程序復(fù)雜,對(duì)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(lái)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?gòu)U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(guò)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(guò)過(guò)濾等方法將沉淀物從廢液中分離。該方法雖然操作簡(jiǎn)單,但往往受到環(huán)境條件的限制,處理后的廢液達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn),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?gòu)U液時(shí),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?gòu)U水時(shí)處理量大,處理效率高,重金屬殘留少,生成的渣泥少,運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)低,但凈化水處理和渣液?jiǎn)栴}須進(jìn)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(guò)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(jià)態(tài),然后再沉淀、過(guò)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(dòng)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(chēng),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(jī)污染物和利用植物清除放射性核素四個(gè)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(duì)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(lèi)鐵角蕨屬植物對(duì)Cd有超耐性;香蒲植物天葉紫花苕子對(duì)Pb具有超耐性[9]。韋朝陽(yáng)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(yán)重污染區(qū)種植了對(duì)重金屬有明顯抗性的楊樹(shù),這種樹(shù)生長(zhǎng)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(lái)生產(chǎn)火柴,產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益[11]。植物修復(fù)技術(shù)普遍被認(rèn)為具有物理化學(xué)修復(fù)和化學(xué)修復(fù)所無(wú)法比擬的成本低、不破壞場(chǎng)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(huì)所接受等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是處理重金屬污染種類(lèi)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(duì)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(lèi)型微生物對(duì)重金屬污染的耐性也不同,通常為真菌＞細(xì)菌＞放線(xiàn)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(xì)胞壁外表面上,或者進(jìn)入真菌細(xì)胞壁之內(nèi)。因此,正在致力于改進(jìn)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?yàn)檎婢軌蜃柚怪参飻z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(shí)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(duì)影響生長(zhǎng)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(huì)停止。微生物修復(fù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少,也缺乏進(jìn)一步的試驗(yàn)研究,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的微生物可能由于難以適應(yīng)環(huán)境或競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致作用結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(lèi)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(lái)次生污染問(wèn)題[14]。

動(dòng)物修復(fù)的典型例子是蚯蚓,蚯蚓可以通過(guò)兩種途徑,富集土壤中的污染物:被動(dòng)攝食作用和擴(kuò)散作用,前者是污染物由土壤通過(guò)蚯蚓的吞食作用進(jìn)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(jìn)入蚯蚓的體內(nèi)。蚯蚓對(duì)重金屬有較強(qiáng)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(xiàn)性關(guān)系。但是蚯蚓對(duì)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(guò)蚯蚓的忍受范圍,會(huì)直接毒害蚯蚓。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)Pb濃度為3 500 mg/kg土,蚯蚓全部死亡,絕對(duì)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(shí),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(guò)改變其存在的形態(tài),達(dá)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(jiān)持源頭預(yù)防,嚴(yán)格準(zhǔn)入,優(yōu)化湖南產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),降低產(chǎn)污強(qiáng)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(yuǎn)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(lèi)推進(jìn)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(hù)意識(shí),同時(shí)要進(jìn)一步明確政府和部門(mén)職責(zé),強(qiáng)化部門(mén)聯(lián)動(dòng)機(jī)制,對(duì)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(duì)工業(yè)“三廢”進(jìn)行綜合回收處理,推廣閉路循環(huán),無(wú)毒工藝,并嚴(yán)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(shí)限內(nèi)達(dá)標(biāo)排放。對(duì)非法采選礦、冶煉等企業(yè)必須按照“七個(gè)不留”即“不留井口、不留設(shè)備、不留廠(chǎng)棚、不留供水管道、不留電源、不留人員、不留隱患”進(jìn)行徹底整治。在防治工作中,積極推廣運(yùn)用重金屬污染修復(fù)技術(shù),針對(duì)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(lái)解決重金屬污染問(wèn)題。如何將已有的科學(xué)研究成果,通過(guò)篩選、提煉優(yōu)化后用于重金屬污染的土壤和水體的實(shí)際修復(fù)中是迫切需要解決的問(wèn)題。

[1] GB 3838-2002,地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] 劉耀馳,高栗,李志光,等.湘江重金屬污染現(xiàn)狀、污染原因分析與對(duì)策探討[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2010,36(4):26-29.

[3] 鄒照華,何素芳,韓彩蕓.吸附法處理重金屬?gòu)U水研究進(jìn)展[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué),2010,36(3):22-25.

[4] 韓玲玲,曹惠昌,代淑娟,等.重金屬污染現(xiàn)狀及治理技術(shù)研究進(jìn)展[J].有色礦冶,2011,27(3),94-97.

[5] 雷兆武,孫穎.離子交換技術(shù)在重金屬?gòu)U水處理中的應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2008,33(10):82-84

[6] 劉有才,鐘宏,劉洪萍.重金屬?gòu)U水處理技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].廣東化工,2005,(4):36-39.

[7] 胡海洋.重金屬?gòu)U水治理技術(shù)概況及發(fā)展方向[J].中國(guó)資源綜合利用,2008,26(2):22-25.

[8] 張美欽.南方重金屬礦區(qū)的重金屬污染現(xiàn)狀及治理[J].亞熱帶農(nóng)業(yè)研究,2006,2(3),212-215.

[9] 秦淑琴.治理土壤重金屬污染的方法概述[J].新疆環(huán)境保護(hù), 1998,20(1):19-23.

[10] Wei C Y,Chen T B,Huang Z C,et al.Cretan brake(Pteris cretica L.):a arsenic2accumulating plant[J].Acta Ecological Sinica, 2002,22(5):777-778.

[11] 曾清如,楊仁斌,鐵柏清,等.郴縣東西河流域重金屬污染農(nóng)田的防治技術(shù)和生態(tài)利用模式[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù),2002,21 (5):428-432.

[12] Lovely D R.Microbial reduction of iron,manganese,and other metals[J].Advances in Agronomy,1995,54:175-231.

[13] 張秋芳.土壤重金屬污染治理方法概述[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2000,15(增刊):200-203.

[14] 朱蘭保,盛蒂.重金屬污染土壤生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2011,37(2):20-21.

[15] 郜紅建,蔣新,魏俊嶺.蚯蚓對(duì)污染物的生物富集與環(huán)境指示作用[J].農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境科學(xué),2006,22(11):360-363.

[16] 寇永綱,伏小勇,侯培強(qiáng),等.蚯蚓對(duì)重金屬污染土壤中鉛的富集研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2008,33(1):62-64.

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(hù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。

2011-10-26