尾礦庫周邊土壤重金屬元素含量檢測能力及檢測質量控制

宋曉曦

（湖南省分析測試中心有限公司，湖南 長沙 410004）

現階段，我國工業技術在快速進步，隨之使得水土環境污染問題日益嚴重，尤其是尾礦庫周邊土壤重金屬污染，對人們的身心健康帶來了極大的危害。所以，土壤重金屬污染問題需應用先進的檢測方式及技術進行治理和優化，統計分析土壤重金屬元素的占比及成分，針對性的借助具體修復技術進行檢測質量控制，就當下的水土環境污染現狀而言，對尾礦庫周邊的土壤重金屬元素的檢測質量控制勢在必行。

1 尾礦庫周邊土壤重金屬元素含量檢測能力分析

土壤重金屬污染元素中鎘、鉻在檢測能力項目中屬于常規的樣品，同時，我國當前進行土壤重金屬元素檢測能力分析研究中鎘、鉻元素是主要的評價指標，所以，由客觀角度而言，尾礦庫周邊土壤重金屬元素含量檢測能力研究可從鎘、鉻元素入手開展相關試驗，以此來驗證土壤重金屬元素含量的檢測能力及技術水平，在實驗中可進行多種檢驗方法進行分析和研究，如X射線熒光光譜檢測方法、極譜分析法、原子吸收光譜法、原子熒光光譜法、電熱修復法、電動修復法等等，檢測能力越強，檢測質量的控制效果就越好，對于對比和了解早期以及新型的檢測方法具有重要意義[1]。

2 尾礦庫周邊土壤重金屬污染的簡述及危害

（1）重金屬污染土壤簡述。尾礦庫周邊的土壤重金屬污染通常由于礦區開采所產生的重金屬劇毒元素，促使土壤內部的結構及原始成分污染或被損壞，隨之，重金屬污染濃度較高，嚴重危害到周邊水體及土壤的正常使用，進而破壞大自然的生態平衡。目前，土壤中重金屬污染元素種類繁多，然而其具有相同的特征，土壤中最為常見的重金屬污染元素有Zn、Cu、Fe等。此外，重金屬污染土壤所帶來的危害不僅僅是一種方式，很多時候受重金屬的濃度及成分含量所決定，并且不同種類的重金屬元素其自身的形態及內部結構也有所差異，一般而言，如果污染土壤的重金屬元素其內部結構形態是水溶或是交換，那么對土壤的污染及破壞較強，容易被土壤中的種植物吸收進而產生一系列的連鎖化學反應。

（2）尾礦庫周邊重金屬污染的危害。重金屬污染元素在土壤中占比如果超標，將會危及周邊的水土環境、生態平衡以及人們的身心健康安全。首先，會對地表植物的頁面及根系等生態特征造成嚴重的損害，植物吸取土壤中污染的重金屬元素成分及含量，進而會產生具有毒素的有害物質，使得植物所需的營養物質大量流失，逐步降低植物對Mg、Ca等所需礦物質元素的吸收力度；對于各種生物、動物及微生物的主要活動場所就是土壤，如果重金屬元素含量及濃度超標，會影響各種生物急凍植物的繁衍生存。土壤中自身所帶有的各種生物能夠自動調節土壤內的營養物質、密度以及活性成分，并且大多數生物均屬于微群體，具有多樣化的特性，如果土壤內重金屬元素污染嚴重，勢必會影響微生物的群體多樣性以及各項環境指標，使得土壤肥力逐步弱化；而土壤中具有一種生物催化劑，叫作酶，由此可以看出土壤內部結構、活性情況以及肥力強弱，土壤酶自身的活性由土壤的化學、物理及生物活性所決定，如果土壤環境遭受重金屬污染元素的損壞，那么土壤酶的活性會驟然降低，如Hg作為重金屬元素的一種，其自身特性較為敏感，可以質土壤中的脲酶活性，所以，如果重金屬元素Hg對土壤污染濃度超標，那么，土壤中的脲酶活性會降低；最后，土壤重金屬污染會危及人類的身心健康安全，特別是土壤地表所含有的重金屬元素，很可能附著在地表農作物上，伴隨食物鏈損害人們的生命安全，如重金屬元素Cd如果被人體大量吸入，會對人體造成嚴重的損害；如果重金屬元素Pb在人體內含量超標，將會影響人們的生殖功能，破壞人自身的免疫力；而人體長期吸入重金屬元素Ni則會引發嚴重的肺癌和鼻癌；可見，土壤中重金屬污染對人類的身心健康影響極大。

（3）尾礦庫周邊土壤重金屬污染的主要來源。土壤是各種動物及微生物棲息的主要場所，可以為各種植物生長提供肥沃的營養物質，然而尾礦庫周邊土壤重金屬污染極其嚴重，其主要來源有礦區廢水排放、農藥使用、污水灌溉等等；在尾礦庫周邊地區，各種礦區開采及冶煉的工廠較多，煙氣排放及礦區開采會產生大量的有毒氣體和粉塵，其中會涉及大量的重金屬污染元素，如Pb、Cd、Hg、As等，之后污染大氣環境直接自然降塵，使得重金屬污染元素伴隨著雨水天氣直接流入土壤地表以及深處，而大氣自然沉降的范圍較廣，重金屬污染元素甚至隨著大氣層的流動飄落在各個地方的土壤之中，從而引發嚴重的土壤重金屬污染，具體如下圖所示：

圖1 引發嚴重的土壤重金屬污染示意圖

加之在礦區周邊許多農業耕地，由于過度追求農業的高效生產，大量施加各種化肥農藥，此間也會有大量的重金屬元素，如Hg、Pb、Cd、As等，隨之使得地壤表層的農藥殘留導致各種污染重金屬元素大量聚集，嚴重破壞農業耕地的生態平衡以及土壤肥力，經研究表明，許多殺蟲劑、除草劑、殺菌劑內等各種農藥中會含有大量的重金屬污染元素砷，與此同時，人們在農業薄膜中使用的熱穩定劑，其中也還有Pb、Cd等重金屬污染元素，嚴重危及周邊的水土環境；此外，各個礦區及工廠不按要求及標準私自排放各種廢水，流進灌溉農田，其中廢水中含有大量的重金屬污染元素，如As、Cd、Pb等嚴重危害土壤中的有機物質、礦物膠體等自然吸附，使得各種微生物在土壤中的分解難度加大，隨之不斷堆積進行遷移，致使灌溉土壤中的重金屬污染元素濃度較高，破壞土壤的良性正常發展。現階段有許多污染灌溉區中的重金屬污染元素濃度已經嚴重超標，不僅危急各種微生物的活性，還會阻礙土壤的自然呼吸，破壞各種農作物的正常生長，嚴重危及人類的健康安全。

3 尾礦庫周邊土壤中金屬元素含量檢測質量控制策略

3.1 物理檢測質量控制策略

現階段，土壤重金屬污染檢測質量控制的物理技術通常有電熱修復法、土壤淋洗法、電動修復法[2]。

（1）電熱修復檢測質量控制技術。此方式一般借助高頻次的電壓進而滋生高強度的電磁波加熱重金屬污染的土壤，借助高溫激發特定的金屬污染物質，使其特性能夠從土壤中分離之后揮發、稀釋，進而達到治理修復土壤的作用，此修復技術經常用在As以及Hg等重金屬元素污染的土壤之中，然而此方式在治理修復土壤的過程中，過度高溫也會損壞土壤自身的內部結構和成分含量，所以，可結合實際被重金屬污染的土壤的應用需要采用此技術[3]。

（2）土壤淋洗檢測質量控制策略。此質量檢測的核心原理在于借助林洗液將土壤中的重金屬遷移到淋洗液中，進而收集吸收重金屬物質到廢水進行處理或廢棄，進而實現土壤修復及質量控制的目的。在質量檢測的過程中需要最大限度確保土壤的內部結構及成分不被損壞，同時還能快速提取不同形態重金屬物質的廢棄液，當前應用最多的淋洗液有無機酸、有機酸、鹽、堿、熬合劑，經研究顯示，EDTA可將土壤對Cu的細節率和吸收率有效降低，而EDTA劑量的對數和土壤與Cu的細節率與吸收率呈現負相關，此方式當前在土壤中金屬污染檢測質量控制中的應用較為廣泛，且效果良好[4]。

（3）電動修復檢測質量控制策略。此方式一般是借助電流產生強烈的磁場之后讓污染土壤的重金屬元素如Cd、Cr等或者無機離子，以電滲透的模式集中匯集到工作電極，進而處理并解決被污染的土壤。此方式無需攪拌土層，自動修復率較高。強大的電流能夠沖破各種金屬以及土壤物質。在特定的強電壓下，去除率以及電壓的額定時間呈正相關，當額定時間通電越長，那么土壤中重金屬的污染元素去除越快，效率越高，經濟可行性較高。然而借助此方式控制土壤中重金屬污染的檢測質量，若是在滲透度較強、電遷移薄弱的土壤中應用時，其去除率會稍微降低，經研究顯示，許多重金屬的污染元素以及土壤的pH值、成分等一定程度上都會對此技術的應用有所干擾，所以，對于土壤的特定環境要求較高，比較適用于小范圍的規模使用[5]。

3.2 工程治理的控制策略

此技術通常采用物理機械的原理優化治理土壤中的重金屬污染，當下輔助于應用的工程治理控制方法有深耕翻土法、換土法等。通常換土法是把被重金屬所污染的土壤遷移到其他地方進行處理，之后采用無污染的干凈土壤進行替換；客土法是指在被重金屬污染的土壤中增添新的土壤，降低土壤金屬的污染濃度或是將被重金屬所污染土壤與外界隔絕；深耕翻土法是借助工程機械將被重金屬所污染的土壤進行深耕翻出，把上面重金屬所污染的土壤重新翻到地底下，進而降低地表土壤重金屬的污染濃度，在此過程中，施工人員可結合土壤被重金屬污染的程度綜合選擇最佳的治理策略，客土法與換土法通常適用于污染較為嚴重的土壤；而深耕翻土法通常適用于污染較輕的土壤。切記在應用換土法的過程中，需要妥善安置挖掘出來的重金屬污染土壤，以免二次污染周邊的水土環境[6]。

3.3 化學治理的控制策略

顧名思義，此方式借助化學試劑對重金屬污染的土壤進行吸附、抑制或者沉淀，進而改變土壤中重金屬元素的內部結構及形態，達到檢測質量控制土壤重金屬元素對土壤污染控制目的。現階段，經常借助的化學治理方式有化學抑制法、改良法、有機質改良法等等。化學改良法通常是在含有重金屬元素污染的土壤中撒上化學改良劑，以此轉變土壤中重金屬元素的結構及形態，進而實現對污染土壤的進一步溶解和遷移，使得植物對重金屬元素的利用率大幅度降低，最為常見的化學改良劑有碳酸鈣、磷酸鹽、石灰石等等，若是調節土壤pH值可采用碳酸鈣和石灰石，進而將土壤中重金屬污染元素轉變為難溶物質，對于土壤中還有的重金屬元素如Zn、Cu等起到進一步優化改良的作用，進而降低此類重金屬元素在土壤中的污染濃度，在具體的實際應用中，可結合土壤的實際情況，采用科學合理的方式進行改良和調節。而有機質改良法通常是在被重金屬污染的土壤中增添有機物質，進而取代各種陽離子，以此來優化轉變被重金屬污染的土壤的pH值以及導電性能[7]。

3.4 生物治理的控制策略

（1）微生物控制策略。此方式依據優化植物跟C的周邊環境，以此加大各種微生物植物對土壤中重金屬污染物質的沉淀、吸附、積累、吸收等的力度，進而可以優化、稀釋土壤中重金屬污染的濃度，對于一些微生物菌類根系可以和重金屬污染物質直接接觸，進而吸附重金屬污染物質中的毒素，產生螯合反應，如硫酸還原菌、一些藻類、藍細菌、膠菌能夠分泌胞外聚合物進而與重金屬離子產生一定的反應，組合而成新的絡合物。經研究表明，一些特定的微生物質能夠揮發毒性很強的重金屬污染元素，如甲基汞等以及毒性微小的Hg單質重金屬元素[8]。

（2）植物修復控制策略。此方式借助人工方式或者自然界現有的各種自然植物修復控制被重金屬污染的土壤，其中涵蓋植物穩定、揮發、提取，植物提取的方式通常是借助植物吸附土壤中的污染重金屬，之后遷移到表部分，之后進行處理收割植物，以此來改善土壤中重金屬污染的濃度。現階段，已經有高達700多種的重金屬超富集植物，如野生莧、紫葉花苕、稻草等，加大對重金屬超富集植物的種植時間及持續度，能夠大幅度降低被重金屬污染的土壤濃度，改善土壤質量及內部結構，如下圖所示：

圖2 土壤重金屬污染的植物修復原理

通常采用植物提取的方式時，需要確保植物元素富集占比達到0.1%～1.0%，在此區間內，可進行植物地上組織的收割和處理，進而將植物應用的經濟價值發揮最大化，進而實現治理土壤的根本目的。同時，植物揮發是依照其根系在土壤內部吸收重金屬離子，之后形成氣態進而揮發到大氣之中，此方式通常是針對性的治理As以及Hg的土壤重金屬元素，然而一定程度上會引發二次污染大氣的問題。此外，植物穩定通常是經過植物的長期堆積以及對重金屬抗耐性較強的根系進行吸附和沉淀，之后將有毒的重金屬污染元素堆積并固定在植物根系內，進而有效防止因雨水沖刷將堆積的重金屬污染物遷移至別處造成二次污染，若是地表植被遭受大面積損壞，植被穩定的方式很難發揮作用，正常情況下，植物提取的方式用于治理土被重金屬污染的土壤效果顯著。

3.5 農業修復控制策略

在此控制方式中，有兩種最為常用，分別是生態控制以及農藝控制。生態控制通過對重金屬污染的土壤進行水分調節、肥力優化、酸堿性中和、氧化還原性能、pH值以及有機質含量采取方式進行優化調節，改善土壤環境中空氣濕度以及氣溫等多種綜合因素的干擾，實時調控重金屬污染源在土壤中的各種活性，進而將重金屬污染從土壤中進行修復遷移，盡可能將對周邊水土環境的影響及污染降到最低。而農藝控制策略是借助農業耕作的相關管理機制，大量種植不與食物鏈相關的各種植物，加大有機肥的使用力度，以此來固定重金屬污染的范圍，借助一些化肥降低重金屬污染元素對土壤的破壞，從而有效達到降低重金屬對土壤污染的濃度，整體而言，生態控制策略的修復力度較小，需要特定的周期才能有顯著效果。

除此之外，還可借助穩定固化法優化土壤的物理特性，以此來降低土壤中重金屬的濃度及含量，可分別采用固化和穩定的方式來優化，固化的方式在于將固化劑和土壤依照一定比例進行混合，從而增強土壤的穩定性能，借助低滲透且不易流動的緊密固體將重金屬污染元素包裹在內，使其無法向外擴散；而穩定的方式則是在土壤中增添一定量的穩定劑，借助穩定劑還原重金屬污染元素的化學沉淀、有害物質，以此來減輕對土壤的進一步遷移和深度損害，降低重金屬污染元素在土壤中的有效性和遷移性，將重金屬污染元素穩定在土壤之中使其無法被土壤中的生物、植物根系以及各種微生物所吸收。

4 結語

總的來說，土壤中重金屬的檢測能力及檢測質量控制策略至關重要，關乎著人們賴以生存的環境和人身健康安全。當前，土壤重金屬污染是全球均面臨的環境問題，治理污染逐步成為環境科學研究的點。隨著當下科學技術的進步與發展，檢測質量及水平也越來越高，土壤重金屬元素污染的檢測質量控制技術也越來越多，具體需要結合土壤污染的現狀及實際情況，優選最佳的重金屬污染策略加以控制，進而能夠有效緩解水土環境的壓力，為生態環境的治理提供更大的緩沖空間，最大限度確保水土環境能夠良性穩定發展。