湖南重金属污染现状分析及其修复对策

雷 丹

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

湖南重金属污染现状分析及其修复对策

雷 丹

(湖南有色金属研究院,湖南长沙 410015)

近年来随着湖南工农业的快速发展,矿产资源的开发,湖南重金属污染日趋严重。文章着重调查了湖南重金属污染现状与己造成的影响,对重金属污染来源与原因进行了分析。同时讨论了修复重金属污染的对策和措施,包括物理化学修复、化学修复和生物修复等措施。

湖南;重金属污染;修复对策

湖南是我国重要的重金属矿区之一,分布着大量优质铅锌矿和铜锌矿等重金属矿。二十世纪以来,随着湖南经济发展,人们对金属产品,特别是重金属矿产品需求量不断扩大,与此同时,引发的环境问题日趋严重,重金属污染是其中最为典型的一个。长期以来,许多矿山由于管理不善和资金等原因,在开采的过程中对矿区周围的土壤与环境造成了严重影响。以湖南临武为例:临武三十六湾矿区规模属于国内大型矿区,矿石中锡(Sn)、锌(Zn)、铅(Pb)品位较高。随着开采量扩大,该矿区产生的环境问题也随之日益增多。由于矿山分布较散,规模较小,工艺技术落后,装备水平低,没有专门的尾矿库,尾砂、废水随意排放,加之当地开发无序,滥采滥控,环保投入不足,导致矿山品位下降,开采难度大,并造成了一定的重金属污染,使生态环境的修复、改造治理难以进行。

1 湖南重金属污染来源分析

湖南重金属污染与地方产业结构直接相关。湖南是全球极具盛名的有色金属之乡,上游的采矿业、中游的采、选、冶行业和下游的冶炼业均较发达,代表性企业有湖南株洲化工集团有限责任公司、株冶集团、湘潭钢铁集团有限公司、湖南水口山有色金属集团有限公司等。有色金属采选冶炼等工业行业的粗放发展是造成湖南重金属污染的最主要原因。湖南有色金属平均开采回收率仅50%左右,伴生矿综合回收利用仅25%,大量低品位矿石及伴生矿石被当作废矿渣遗弃,工业废水、废渣、废气等的排放给周边生态环境造成了严重污染。首先,在矿产资源开采、加工、冶炼过程中会产生含有大量重金属等污染物的废气、扬尘和废水。其次,矿产资源开发利用对土壤造成重金属污染,主要表现以下几种形式:一是尾矿和矿渣的无序堆放,造成土壤污染,有些中小型矿山企业无尾矿库,将尾矿和矿渣乱堆乱放,势必造成对土地资源的破坏和污染;二是采矿、冶炼产生大气沉降,对土壤造成污染,由于矿山开采过程产生的扬尘、冶炼过程产生的有害气体等物质,通过大气沉降和大气降水落在地表,造成土壤污染;三是农田灌溉引用矿山废水,造成的土壤污染,由于矿区水资源受到污染,农业生产引用污水灌溉农田,也是土壤受到污染的主要原因;四是,采选过程产生的大量废水未经处理,直接排入河流造成河流地表水污染和地下水污染。例如:湖南临武县由于受到采选矿影响,甘溪河水质受到污染,2006年7月测试发现铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)等超标严重,其监测情况列于表1。

表1 甘溪河水质监测情况 mg/L

湖南的镉、汞、铅、铬排放量位居全国首位。同时,因工业布局不合理,污染物排入的相对集中,区域污染叠加影响,局部区域环境质量恶化,企业违法排污和事故引发的重金属污染事件也多次发生,详情列于表2。

表2 湖南重金属引起的污染事件

此外,造成湖南重金属污染现状的另一个原因是环境重金属累积引起的历史污染。底泥往往是河水中重金属的储存库和最后的归宿。当水环境发生变化,或遇到洪水时,底泥受到扰动,沉积在底泥中的重金属重新溶解或悬浮进入水体,造成水体重金属含量迅速升高。湘江底泥中重金属累积造成的历史性污染严重,治污难度大,成为了饮用水安全的最大隐患。2006年1月,株洲水利公司对霞湾港清淤导流,底泥中所含的大量镉进入水体,造成了镉污染事件,导致长沙、株洲、湘潭水质出现不同程度污染[2]。

2 重金属污染修复对策

重金属污染治理一直是国内外研究的难点和热点。由于重金属在环境中具有难降解性和相对稳定性,因此很难从环境中清除。根据不同的重金属的污染性质的不同,大致可将重金属污染修复对策分为三类:物理化学修复、化学修复和生物修复。

2.1 物理化学修复

物理化学修复包括三种处理技术:吸附法、膜分离法和离子交换法。

吸附法是利用自然的吸附材料,如活性炭、膨润土、沸石和壳聚糖等,通过离子络合、螯合等作用吸附重金属的一种方法。优点是自然的吸附材料来源广、制造容易、成本较低,目前应用普遍;缺点是重金属一旦吸附饱和之后很难回收,资源不能回收利用[3]。

膜分离法是在外界压力的作用下和不改变溶液中物化性质的前提下,利用微滤膜、纳滤膜、超滤膜、电生物膜等半透膜,通过反渗透作用将溶质和溶剂进行浓缩或分离的方法。在实际应用中,这种技术选择性强、分离率高、能耗低、无污染,在常温下操作无相态变化,可作为重金属废水终端处理,分离效率可达95%以上,使废液中的重金属离子分离,处理后的水可循环再利用。缺点是其程序复杂,对生产技术要求较高、成本较高,在推广应用中受到了限制[4]。

离子交换法是利用离子交换树脂与废水中重金属离子发生离子交换,使废水中重金属浓度降低,从而净化废水的方法。这种方法的优点是可选择不同的交换树脂选择性分离不同的重金属离子,回收重金属资源,交换树脂也可以循环利用,缺点是其程序复杂,对生产技术要求较高、成本较高,在推广应用中受到了限制[5]。

2.2 化学修复

化学修复包括化学沉淀法、化学浮选法和氧化还原法等,主要用来处理重金属离子浓度含量较高的废水。

化学沉淀法是最传统的重金属废水处理方法,包括硫化物沉淀法、中和沉淀法、铁氧体沉淀法和钡盐沉淀法等,基本原理是通过化学反应将废液中的重金属离子转化为不溶于水的沉淀物,然后通过过滤等方法将沉淀物从废液中分离。该方法虽然操作简单,但往往受到环境条件的限制,处理后的废液达不到排放标准,沉淀物需要妥善处理,以避免二次污染[6]。

化学浮选法按粘附方式不同可分为离子气浮法、泡沫气浮法、沉淀气浮法、吸附胶体气浮法等。在处理重金属废液时,重金属离子先析出,然后在表面活性剂的作用下疏水化,随着气泡上浮之后,利用刮板或者自流将其除去。化学浮选法在处理稀的重金属废水时处理量大,处理效率高,重金属残留少,生成的渣泥少,运转费低,但净化水处理和渣液问题须进一步解决[4]。

氧化还原法是根据重金属易还原或氧化的性质,向废液中加入还原剂或者氧化剂,通过氧化还原反应将重金属离子转变为沉淀或毒性更小的价态,然后再沉淀、过滤将其回收或去除。氧化还原法较容易操作,可回收利用一部分重金属,但是处理量小、耗能大,容易产生废渣[7]。

2.3 生物修复技术

生物修复技术包括植物修复技术、微生物修复技术和动物修复技术。

植物修复就是利用植物吸收、提取、转化、分解或固定沉积物、土壤、地表或地下水、污泥中有毒有害的污染物的技术的总称,广义的植物修复技术包括利用植物净化空气、利用植物修复重金属污染的土壤、利用植物及其根际微生物共存体系净化土壤中有机污染物和利用植物清除放射性核素四个方面,狭义的植物修复技术主要指利用植物吸收污染土壤中的重金属[8]。目前发现的对重金属具有超积累能力的植物有45科约400多种,如向日葵和印度芥菜可大量积聚As、Ce、Cr、U、Hg、Pb、Zn等重金属;羊齿类铁角蕨属植物对Cd有超耐性;香蒲植物天叶紫花苕子对Pb具有超耐性[9]。韦朝阳等人[10]在湖南发现砷超累积植物——大叶井口边草。湖南农业大学曾清如等在湖南郴州东坡铅锌尾矿砂的严重污染区种植了对重金属有明显抗性的杨树,这种树生长快,既可美化环境又可富集土壤中的重金属,净化土壤,木材可用来生产火柴,产生明显的经济效益[11]。植物修复技术普遍被认为具有物理化学修复和化学修复所无法比拟的成本低、不破坏场地结构、能起到美化环境作用、可操作性、不造成地下水的二次污染、易于为社会所接受等优点,缺点是处理重金属污染种类单一,处理效率较低,难以全面清除污染土壤内的重金属。

微生物修复则是利用微生物对某些重金属的吸收、沉积、氧化和还原等作用,减少植物摄取,从而降低重金属的毒性。不同类型微生物对重金属污染的耐性也不同,通常为真菌＞细菌＞放线菌。真菌是一种非常有效的重金属蓄积器,重金属主要沉积在真菌共生体细胞壁外表面上,或者进入真菌细胞壁之内。因此,正在致力于改进植物根部摄取金属的速度的微生物学家们正想方设法从植物根部去掉真菌根中的真菌,因为真菌能够阻止植物摄入更多的金属。在好气或厌气条件下,一些异养微生物可将As5+还原成As3+,可催化Cr6+还原成Cr3+,从而降低其毒性[12,13]。微生物修复在具体实践中也有一定的局限性:微生物修复易受各种环境因素的影响,每种微生物菌株对影响生长和代谢的水分、温度、氧气、pH和生物因子等都有一定的耐受范围,如果环境条件超出了所有定居微生物的耐受范围,微生物的修复作用就会停止。微生物修复相关文献报道较少,也缺乏进一步的试验研究,现场环境中的微生物可能由于难以适应环境或竞争而导致作用结果与实验结果有较大出入。此外,微生物修复土壤的能力有限,某些微生物只能降解特定类型污染物,只能修复小范围的污染土壤,并且有些情况下不能将污染物全部去除,微生物/酶制剂可能带来次生污染问题[14]。

动物修复的典型例子是蚯蚓,蚯蚓可以通过两种途径,富集土壤中的污染物:被动摄食作用和扩散作用,前者是污染物由土壤通过蚯蚓的吞食作用进入蚯蚓体内,并在内脏器官内完成吸收作用;而后者则是污染物从土壤溶液经蚯蚓体表吸收进入蚯蚓的体内。蚯蚓对重金属有较强的富集作用,且随着土壤中重金属含量的增加,蚯蚓体内富集量增加,且成较好的线性关系。但是蚯蚓对重金属的富集能力有一定的忍耐力,如果土壤中的重金属含量超过蚯蚓的忍受范围,会直接毒害蚯蚓。试验发现,当Pb浓度为3 500 mg/kg土,蚯蚓全部死亡,绝对死亡率为100%[15,16]。

3 结论和展望

湖南重金属污染治理难度较大,在治理和控制重金属污染时,必须充分考虑和研究重金属污染持久性、难以降解性、富集性这些特性,通过改变其存在的形态,达到治理污染的目的。重金属矿区污染源头的整治是关键。坚持源头预防,严格准入,优化湖南产业结构,降低产污强度,加大落后产能淘汰力度,努力消化污染存量,制定近期和远期重金属污染治理相结合规划,统筹污染防治与产业发展,突出重金属污染防控区、行业和企业,分区、分类推进污染防治。此外,要加大宣传力度,提高全省人民的环境保护意识,同时要进一步明确政府和部门职责,强化部门联动机制,对矿山、冶炼等企业监管其完善相应的污染处理设施,控制“三废”排放,对工业“三废”进行综合回收处理,推广闭路循环,无毒工艺,并严格控制污染物排放量与浓度,制定区域性污染防治规划,按照总量控制要求,必须在规定时限内达标排放。对非法采选矿、冶炼等企业必须按照“七个不留”即“不留井口、不留设备、不留厂棚、不留供水管道、不留电源、不留人员、不留隐患”进行彻底整治。在防治工作中,积极推广运用重金属污染修复技术,针对矿山的具体情况,在传统的修复技术的基础上,多种工艺组合来解决重金属污染问题。如何将已有的科学研究成果,通过筛选、提炼优化后用于重金属污染的土壤和水体的实际修复中是迫切需要解决的问题。

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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,助理工程师,主要从事环境保护和环境监测工作。

2011-10-26