一體化藥劑對重金屬污染尾砂庫的修復效果

劉登彪，任 重，林曉燕，李紅艷，裴東輝，黃 雷，張時偉

(深圳市鐵漢生態環境股份有限公司，廣東深圳 518040)

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一體化藥劑對重金屬污染尾砂庫的修復效果

劉登彪，任 重，林曉燕，李紅艷，裴東輝，黃 雷，張時偉

(深圳市鐵漢生態環境股份有限公司，廣東深圳 518040)

摘要[目的]研究一體化藥劑對重金屬尾砂庫的修復效果。[方法]通過對比試驗，研究重金屬穩定增肥一體化藥劑對礦區剩余尾砂治理的修復效果，探討其對景觀苗木生長及尾砂重金屬浸出毒性的影響。[結果]種植植物6個月后，木芙蓉、金葉女貞、紫薇等優勢植物在尾砂上生長良好；重金屬穩定增肥一體化藥劑能夠顯著提高植物的成活率、冠幅和株高，促進植物生長。添加藥劑對植物吸收P、K的影響與植物品種本身耐受性和植物生長情況有很大關聯，植物所處的季節及生長時期不同，植物吸收積累的P、K含量也有所不同；礦區添加重金屬穩定增肥一體化藥劑進行植被恢復可有效控制重金屬的淋洗，同時可以降低重金屬的浸出毒性。[結論]重金屬穩定增肥一體化藥劑可有效修復重金屬尾砂庫。

關鍵詞一體化藥劑；植物修復；重金屬；尾砂庫

我國是世界第三大礦業大國，礦產資源的開發極大地促進了經濟繁榮、社會進步和人類文明。但是由于未建立和實施礦山生態環境保護與治理的相應法律制度，礦產資源開發與環境保護相分離，礦山企業重視經濟效益，忽略生態環境，產生了一系列礦山環境問題[1-2]。

礦山環境治理需要雄厚的技術支持和資金來源，涉及地質、化工、農、林、環保等多種學科和技術。礦區生態環境恢復是一個系統工程，需要大量投入，而一些礦山企業負擔重、經濟效益差，使得礦區生態環境恢復工作困難重重[1]。目前，國內外對土壤重金屬污染修復探索出了深耕法、排土法、熱解吸法、客土法、熱處理法、電化學法、土壤淋洗法和固化穩定化法等技術[3-4]。然而，這些方法都有一定的局限性，尚未得到大面積推廣應用。如客土法運輸量大，成本高，易引發二次污染。土壤穩定化修復技術具有時間短、成本低、可操作性強及能同時處理多種污染物等優勢，在美國、日本和歐洲等國家已經得到廣泛應用[5]。雖然穩定化修復技術在國內起步較晚，但是從目前土壤修復治理技術的市場來看，穩定化技術有望成為土壤重金屬污染修復技術領域的主力，并初步形成了黏土礦物、碳材料、含磷材料、硅鈣材料、金屬氧化物、工業廢棄物等堿性類物質及有機物料和復合鈍化劑等土壤重金屬鈍化劑。該方法的原理是通過改變重金屬在土壤中的存在狀態，使其由活性狀態轉變為穩定態，從而降低其毒害作用。但鈍化只是礦山修復的一部分，對于礦山生態修復，還需要種植植物才能穩固土壤，建立起良性的礦區生態圈。因此，筆者針對營養嚴重缺乏或不平衡的礦山土壤，通過在土壤重金屬鈍化劑中復配營養元素肥料，然后造粒成具有鈍化和增加肥力的雙重功效產品，研究其對礦山的修復效果，旨在為促進礦山區域生態修復可持續發展提供科學依據。

1材料與方法

1.1供試植物①草本植物：十大功勞(MahoniaFortunei)、金葉女貞(LigustrumVicaryi)、紅葉石楠(PhotiniaSerrulata)；②灌木：南天竹(NandinaDomestica)、苧麻[Boehmerianivea(L.)Gaudich]、紫薇(LagerstroemiaIndica)；③喬木：桂花(OsmanthusFragrans)、櫻花(CerasusYedoensis)、木芙蓉(HibiscusmutabilisLinn)。均購于郴州市當地花卉世界。

1.2供試藥劑重金屬穩定增肥一體化藥劑為深圳市鐵漢生態環境股份有限公司自主研發產品。該藥劑既能穩定土壤中的重金屬，防止其遷移擴散；又能增加礦區土壤肥力，提高生態修復苗木成活率。該藥劑是一種可以增強礦區生態恢復效果的重金屬復合穩定劑，適用于重金屬污染礦區或工業污染土壤的生態修復。

1.3試驗設計在剩余尾砂區域設置2個試驗樣地(10 m×10 m)，分別標示為添加藥劑處理區(TJ)和CK區(圖1)，在樣地周邊外側開挖深30 cm、寬50 cm的排水溝。TJ區和CK區分別種植相同數量的櫻花、桂花、紫薇、苧麻、木芙蓉、金葉女貞、南天竹、紅葉石楠、十大功勞。向CK區添加等量的營養元素肥料，其他澆水等日常養護與TJ區完全一致。從圖1可見，試驗基地中 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ為草本種植區，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ為灌木種植區、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ為喬木種植區。喬木種植4株/m2小苗，2橫2豎；灌木種植9株/m2小苗，3橫3豎；草本16顆/m2，4橫4豎。向尾砂表層添加重金屬穩定增肥一體化藥劑，添加計量為5%(質量比m藥劑：m尾砂=5%)，處理厚度為尾砂表層0.5 m，處理尾砂方量約為50方，添加藥劑約為4.3 t。采用機械攪拌(挖機)和人工輔助將藥劑和尾砂混合攪拌均勻，攪拌尾砂厚度為0.5 m。為使藥劑和尾砂充分反應，使尾砂重金屬浸出毒性得到有效降低，在尾砂和藥劑混合后穩定3 d，相對濕度控制在90%。

圖1　試驗基地設計Fig.1　Design of testing base

1.4樣品采集與分析測定

1.4.1植物樣品采集與分析測定。每月測量統計具有明顯變化的植物冠幅、株高，每3個月采集各小區植物樣品、尾砂樣品，每種植物采集5個混合樣，裝入塑料密封袋，做好標記，運回實驗室。在實驗室用自來水和去離子水洗凈，用吸水紙吸干表面水。將樣品置于烘箱內105 ℃殺青30 min，然后于65 ℃烘至恒重。植物樣品用萬能粉碎機磨細，過0.25 mm尼龍篩，備測營養元素含量。

1.4.2尾砂樣品采集與分析測定。種植植物前和種植3、6個月，均采集尾砂樣品，采集時各小區按“S”形線路采集3個尾砂樣(由3～5個小樣混合而成)，采集深度0～30 cm，采集量約1 kg，樣品采集后立即裝入塑料密封袋，做好標記，運回實驗室。在室內自然風干，除去土壤中的石塊、植物根系和凋落物等，并研磨過20、100目尼龍篩，包裝登記后保存備測。重金屬浸出毒性采用硫酸-硝酸法(HJ/T 299—2007)[8]。1.5數據統計數據用Excel 2003進行處理分析。

2結果與分析

2.1藥劑對植物生長的影響通過對植物生長情況定期觀察，發現木芙蓉生長變化明顯，前3個月冠幅和株高變化情況見圖2。從圖2可見，CK從第2個月開始出現滯長，并伴有葉片發黃等現象，而TJ的冠幅和株高以平均40 cm/月和30 cm/月正常生長。入秋之后木芙蓉均開始落葉凋零，株高及冠幅未見明顯變化。

圖2　不同處理木芙蓉的冠幅和株高比較Fig.2　Comparison of crown diameter and plant height of Hibiscus mutabilis Linn in different treatments

2.2藥劑對植物吸收K、P的影響

2.2.1種植3個月后。從圖3可見，添加藥劑促進了各種植物對K的吸收，植物種植3個月后，相比于CK，TJ的增加幅度為10.4%～119.8%，其中，以紫薇的增加幅度最大，TJ是CK的2.2倍；金葉女貞和木芙蓉增加幅度也高達80.2%和87.3%。這說明種植3個月后紫薇、金葉女貞和木芙蓉在添加藥劑后的尾砂上生長良好。

圖3　種植3個月后不同處理植物中K含量Fig.3　K contents in plant after planted for three months in different treatments

從圖4可見，添加藥劑促進了大部分植物對P的吸收，增加幅度為25.5%～170.9%。木芙蓉增加幅度最大，TJ是CK的2.7倍；金葉女貞和苧麻增加幅度也高達58.8%和91.4%。這說明種植3個月后木芙蓉、金葉女貞和苧麻在添加藥劑后的尾砂上生長良好。而TJ南天竹、桂花、櫻花中P的含量比CK略有降低，降低幅度分別為0.8%、17.6%和16.7%，這說明這3種植物在TJ區生長不良。

圖4　種植3個月后不同處理植物中P含量Fig.4　P contents in plant after planted for three months in different treatments

2.2.2種植6個月后。從圖5可見，植物種植6個月后，相對于CK，TJ對K的吸收增加幅度為7.0%～119.4%。木芙蓉和金葉女貞增加幅度最大，TJ分別是CK的2.2和2.3倍，其余植物增加幅度均在38.7%以下。由此可見，種植6個月后金葉女貞和木芙蓉在添加藥劑的尾砂上生長情況最佳。

圖5　種植6個月后不同處理植物中K含量Fig.5　K contents in plant after planted for six months in different treatments

從圖6可見，種植6個月后TJ的十大功勞P含量比CK有所降低，南天竹和櫻花的P含量變化不明顯。添加藥劑促進了其余植物其對P的積累，其增加幅度為24.2%～721.8%。TJ的苧麻和金葉女貞增加幅度最大，TJ是CK的7.2和1.3倍；木芙蓉增加幅度也高達75.9%。這說明種植6個月后木芙蓉、金葉女貞和苧麻在添加藥劑后的尾砂上生長良好。

圖6　種植6個月后不同處理植物中P含量Fig.6　P contents in plant after planted for six months in different treatments

2.2.3綜合分析。通過比較種植3個月和6個月后植物中K含量可知，種植6個月后，CK的十大功勞、金葉女貞、櫻花3種苗木K含量有所降低，降幅分別為2.5%、6.4%和26.6%。這與十大功勞、金葉女貞和櫻花生長不良，死亡率高一致。其他5種苗木K含量均有所升高，升高幅度為1.6%～61.7%，其中紫薇增幅最大，這與本身成活率略高一致。而TJ的桂花和櫻花的K含量下降明顯，降低幅度分別為17.9%和30.6%。金葉女貞、紅葉石楠、木芙蓉和苧麻4種苗木K含量增幅均在17.9%以上。

從種植3個月和6個月后植物中P含量對比可以看出，CK的苧麻、桂花、櫻花3種苗木的P含量分別降低78.4%、33.9%和46.6%，其他6種苗木均有所升高，升高幅度為1.4%～81.2%。而TJ處理的十大功勞、木芙蓉、苧麻和櫻花的P含量有所降低，降低幅度為8.0%～34.2%，其他5種苗木的K含量均有所升高，升高幅度為3.9%～78.1%。綜上所述，苗木K、P的含量因品種、生長情況、成活率、死亡率而異，藥劑能夠促進部分苗木對K、P的吸收與積累，促進其生長。

2.3藥劑對尾砂重金屬浸出毒性的影響由表1、2可知，Pb、Zn、Cu、Cd的浸出毒性均較低，Cu的部分樣品均在檢測線以下，未檢測出。Pb的浸出毒性除TJ處理的 Ⅰ 區和 Ⅱ 較CK略大外，其余均較CK小，降幅為13.5%～58.9%，這表明TJ處理能夠降低大部分區域尾砂Pb的浸出毒性。而Zn的浸出毒性與Pb相反，大部分TJ處理較CK略大。Cd的浸出毒性在Ⅸ區降幅最大，達50.0%，其余處理50%降低，50%升高，這可能與添加藥劑時與土壤攪拌不均勻有關。

表1　種植3個月后不同處理各小區尾砂重金屬浸出毒性

注：ND表示未檢測或在檢測線以下。

Note：ND indicated not detected or below the detection line.

種植6個月后Pb、Zn、Cu、Cd的浸出毒性大部分均有所降低，Cu的部分樣品濃度仍在檢測線以下，未被檢測出，與其全量未超標相呼應。結合表1、2可以看出，CK處理Pb的浸出毒性降幅為10.21%～73.55%，TJ處理降幅為14.87%～57.11%，這可能是由于試驗地長期為梅雨季節，CK處理經淋洗之后流失，浸出毒性較低，而TJ區經過藥劑的穩定化作用，浸出毒性較之前有所降低，但雨水淋洗出較少。CK和TJ處理Zn、Cd的浸出毒性降幅分別為27.71%～79.00%和36.71%～70.98%、47.45%～85.94%和5.53%～75.15%，這表明添加穩定化藥劑后能夠有效降低尾砂Zn、Cd的浸出毒性。

表2　種植6個月后不同處理各小區尾砂重金屬浸出毒性

注：ND表示未檢測或在檢測線以下。

Note：ND indicated not detected or below the detection line.

3結論

(1)重金屬穩定增肥一體化藥劑顯著促進了木芙蓉等植物的生長，增加其冠幅和株高。種植3個月后添加藥劑處理區紫薇的K含量是空白對照區的2.2倍；金葉女貞和木芙蓉的K含量增加幅度也高達80.2%和87.3%。種植6個月后木芙蓉和金葉女貞的K含量增幅最大，其添加藥劑處理區分別是空白對照區的2.2和2.3倍。這表明紫薇、金葉女貞和木芙蓉在添加藥劑后的尾砂上生長良好。種植3個月后木芙蓉的P含量增幅最大，添加藥劑處理區是空白對照區的2.7倍；金葉女貞和苧麻的P含量增幅也高達58.8%和91.4%。種植6個月后苧麻和金葉女貞的P含量增幅最大，添加藥劑處理區是空白對照區的7.2和1.3倍；木芙蓉增加幅度也高達75.9%。結果表明，木芙蓉、金葉女貞和苧麻在添加藥劑后的尾砂上均生長良好。

(2)重金屬穩定增肥一體化藥劑能夠有效降低尾砂Pb、Zn、Cu、Cd 4種重金屬的浸出毒性，通過吸附、沉淀或離子交換等作用改變重金屬在土壤中的存在形態，降低重金屬在土壤環境中的溶解遷移性、浸出毒性和生物有效性，減少由于雨水淋溶對動植物造成的危害，從而實現對尾砂的安全處置，保護生態環境。

參考文獻

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[2] 張建龍，孔令，張云國，等.我國礦山環境恢復治理制度現狀及對策[J].中國礦業，2011(4)：44-46.

[3] 孫鵬軒.土壤重金屬污染修復技術及其研究進展[J].環境保護與循環經濟,2012(11):3397-3400.

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基金項目廣東省軟科學研究計劃項目(2014B090903015)；廣東省省級科技計劃項目(2015B090904008)；深圳市科技計劃項目 (CXZZ20140418105252027)；廣東省生態環境建設與保護(鐵漢)工程技術研究中心(粵科函政字 [2013] 1589號)。

作者簡介劉登彪(1989- )，男，湖南婁底人，工程師，碩士，從事環境污染治理與修復研究。

收稿日期2016-04-25

中圖分類號S 181.3

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)15-101-04

Rehabilitation Effects of Integrated Agent on the Tailing Sand Reservoir with Heavy Metal Pollution

LIU Deng-biao, REN Zhong, LIN Xiao-yan et al

(Shenzhen Techand Ecology & Environment Co., Ltd., Shenzhen, Guangdong 518040)

Abstract[Objective] To research the rehabilitation effects of integrated agent on the tailing sand reservoir with heavy metal pollution. [Method] The control effects of integrated agent on tailing sand were researched by comparative trial. The effects of integrated agent on landscape seedling growth were studied, as well as on the leaching toxicity of heavy metal in tailing sand. [Result] After seedling planting for 6 months, Hibiscus mutabilis, Ligustrum vicaryi, and Lagerstroemia indica grew well in the tailing sand. The integrated agent significantly enhanced the survival rate, crown diameter and plant height, and promoted the growth of plant. The effects of added agent on plant P and K absorption had close correlation with the tolerance of plant variety and plant growth. The accumulated P and K contents in plant varied in different growth periods and seasons. Adding integrated agent in mining area for vegetation recovery could effectively control the leaching of heavy metal, and reduced the leaching toxicity of heavy metal. [Conclusion] The integrated agent can effectively rehabilitate the tailing sand reservoir.

Key wordsIntegrated agent; Phytoremediation; Heavy metal; Tailing sand reservoir