一体化药剂对重金属污染尾砂库的修复效果

刘登彪，任 重，林晓燕，李红艳，裴东辉，黄 雷，张时伟

(深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东深圳 518040)



一体化药剂对重金属污染尾砂库的修复效果

刘登彪，任 重，林晓燕，李红艳，裴东辉，黄 雷，张时伟

(深圳市铁汉生态环境股份有限公司，广东深圳 518040)

摘要[目的]研究一体化药剂对重金属尾砂库的修复效果。[方法]通过对比试验，研究重金属稳定增肥一体化药剂对矿区剩余尾砂治理的修复效果，探讨其对景观苗木生长及尾砂重金属浸出毒性的影响。[结果]种植植物6个月后，木芙蓉、金叶女贞、紫薇等优势植物在尾砂上生长良好；重金属稳定增肥一体化药剂能够显著提高植物的成活率、冠幅和株高，促进植物生长。添加药剂对植物吸收P、K的影响与植物品种本身耐受性和植物生长情况有很大关联，植物所处的季节及生长时期不同，植物吸收积累的P、K含量也有所不同；矿区添加重金属稳定增肥一体化药剂进行植被恢复可有效控制重金属的淋洗，同时可以降低重金属的浸出毒性。[结论]重金属稳定增肥一体化药剂可有效修复重金属尾砂库。

关键词一体化药剂；植物修复；重金属；尾砂库

我国是世界第三大矿业大国，矿产资源的开发极大地促进了经济繁荣、社会进步和人类文明。但是由于未建立和实施矿山生态环境保护与治理的相应法律制度，矿产资源开发与环境保护相分离，矿山企业重视经济效益，忽略生态环境，产生了一系列矿山环境问题[1-2]。

矿山环境治理需要雄厚的技术支持和资金来源，涉及地质、化工、农、林、环保等多种学科和技术。矿区生态环境恢复是一个系统工程，需要大量投入，而一些矿山企业负担重、经济效益差，使得矿区生态环境恢复工作困难重重[1]。目前，国内外对土壤重金属污染修复探索出了深耕法、排土法、热解吸法、客土法、热处理法、电化学法、土壤淋洗法和固化稳定化法等技术[3-4]。然而，这些方法都有一定的局限性，尚未得到大面积推广应用。如客土法运输量大，成本高，易引发二次污染。土壤稳定化修复技术具有时间短、成本低、可操作性强及能同时处理多种污染物等优势，在美国、日本和欧洲等国家已经得到广泛应用[5]。虽然稳定化修复技术在国内起步较晚，但是从目前土壤修复治理技术的市场来看，稳定化技术有望成为土壤重金属污染修复技术领域的主力，并初步形成了黏土矿物、碳材料、含磷材料、硅钙材料、金属氧化物、工业废弃物等碱性类物质及有机物料和复合钝化剂等土壤重金属钝化剂。该方法的原理是通过改变重金属在土壤中的存在状态，使其由活性状态转变为稳定态，从而降低其毒害作用。但钝化只是矿山修复的一部分，对于矿山生态修复，还需要种植植物才能稳固土壤，建立起良性的矿区生态圈。因此，笔者针对营养严重缺乏或不平衡的矿山土壤，通过在土壤重金属钝化剂中复配营养元素肥料，然后造粒成具有钝化和增加肥力的双重功效产品，研究其对矿山的修复效果，旨在为促进矿山区域生态修复可持续发展提供科学依据。

1材料与方法

1.1供试植物①草本植物：十大功劳(MahoniaFortunei)、金叶女贞(LigustrumVicaryi)、红叶石楠(PhotiniaSerrulata)；②灌木：南天竹(NandinaDomestica)、苎麻[Boehmerianivea(L.)Gaudich]、紫薇(LagerstroemiaIndica)；③乔木：桂花(OsmanthusFragrans)、樱花(CerasusYedoensis)、木芙蓉(HibiscusmutabilisLinn)。均购于郴州市当地花卉世界。

1.2供试药剂重金属稳定增肥一体化药剂为深圳市铁汉生态环境股份有限公司自主研发产品。该药剂既能稳定土壤中的重金属，防止其迁移扩散；又能增加矿区土壤肥力，提高生态修复苗木成活率。该药剂是一种可以增强矿区生态恢复效果的重金属复合稳定剂，适用于重金属污染矿区或工业污染土壤的生态修复。

1.3试验设计在剩余尾砂区域设置2个试验样地(10 m×10 m)，分别标示为添加药剂处理区(TJ)和CK区(图1)，在样地周边外侧开挖深30 cm、宽50 cm的排水沟。TJ区和CK区分别种植相同数量的樱花、桂花、紫薇、苎麻、木芙蓉、金叶女贞、南天竹、红叶石楠、十大功劳。向CK区添加等量的营养元素肥料，其他浇水等日常养护与TJ区完全一致。从图1可见，试验基地中 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ为草本种植区，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ为灌木种植区、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ为乔木种植区。乔木种植4株/m2小苗，2横2竖；灌木种植9株/m2小苗，3横3竖；草本16颗/m2，4横4竖。向尾砂表层添加重金属稳定增肥一体化药剂，添加计量为5%(质量比m药剂：m尾砂=5%)，处理厚度为尾砂表层0.5 m，处理尾砂方量约为50方，添加药剂约为4.3 t。采用机械搅拌(挖机)和人工辅助将药剂和尾砂混合搅拌均匀，搅拌尾砂厚度为0.5 m。为使药剂和尾砂充分反应，使尾砂重金属浸出毒性得到有效降低，在尾砂和药剂混合后稳定3 d，相对湿度控制在90%。

图1　试验基地设计Fig.1　Design of testing base

1.4样品采集与分析测定

1.4.1植物样品采集与分析测定。每月测量统计具有明显变化的植物冠幅、株高，每3个月采集各小区植物样品、尾砂样品，每种植物采集5个混合样，装入塑料密封袋，做好标记，运回实验室。在实验室用自来水和去离子水洗净，用吸水纸吸干表面水。将样品置于烘箱内105 ℃杀青30 min，然后于65 ℃烘至恒重。植物样品用万能粉碎机磨细，过0.25 mm尼龙筛，备测营养元素含量。

1.4.2尾砂样品采集与分析测定。种植植物前和种植3、6个月，均采集尾砂样品，采集时各小区按“S”形线路采集3个尾砂样(由3～5个小样混合而成)，采集深度0～30 cm，采集量约1 kg，样品采集后立即装入塑料密封袋，做好标记，运回实验室。在室内自然风干，除去土壤中的石块、植物根系和凋落物等，并研磨过20、100目尼龙筛，包装登记后保存备测。重金属浸出毒性采用硫酸-硝酸法(HJ/T 299—2007)[8]。1.5数据统计数据用Excel 2003进行处理分析。

2结果与分析

2.1药剂对植物生长的影响通过对植物生长情况定期观察，发现木芙蓉生长变化明显，前3个月冠幅和株高变化情况见图2。从图2可见，CK从第2个月开始出现滞长，并伴有叶片发黄等现象，而TJ的冠幅和株高以平均40 cm/月和30 cm/月正常生长。入秋之后木芙蓉均开始落叶凋零，株高及冠幅未见明显变化。

图2　不同处理木芙蓉的冠幅和株高比较Fig.2　Comparison of crown diameter and plant height of Hibiscus mutabilis Linn in different treatments

2.2药剂对植物吸收K、P的影响

2.2.1种植3个月后。从图3可见，添加药剂促进了各种植物对K的吸收，植物种植3个月后，相比于CK，TJ的增加幅度为10.4%～119.8%，其中，以紫薇的增加幅度最大，TJ是CK的2.2倍；金叶女贞和木芙蓉增加幅度也高达80.2%和87.3%。这说明种植3个月后紫薇、金叶女贞和木芙蓉在添加药剂后的尾砂上生长良好。

图3　种植3个月后不同处理植物中K含量Fig.3　K contents in plant after planted for three months in different treatments

从图4可见，添加药剂促进了大部分植物对P的吸收，增加幅度为25.5%～170.9%。木芙蓉增加幅度最大，TJ是CK的2.7倍；金叶女贞和苎麻增加幅度也高达58.8%和91.4%。这说明种植3个月后木芙蓉、金叶女贞和苎麻在添加药剂后的尾砂上生长良好。而TJ南天竹、桂花、樱花中P的含量比CK略有降低，降低幅度分别为0.8%、17.6%和16.7%，这说明这3种植物在TJ区生长不良。

图4　种植3个月后不同处理植物中P含量Fig.4　P contents in plant after planted for three months in different treatments

2.2.2种植6个月后。从图5可见，植物种植6个月后，相对于CK，TJ对K的吸收增加幅度为7.0%～119.4%。木芙蓉和金叶女贞增加幅度最大，TJ分别是CK的2.2和2.3倍，其余植物增加幅度均在38.7%以下。由此可见，种植6个月后金叶女贞和木芙蓉在添加药剂的尾砂上生长情况最佳。

图5　种植6个月后不同处理植物中K含量Fig.5　K contents in plant after planted for six months in different treatments

从图6可见，种植6个月后TJ的十大功劳P含量比CK有所降低，南天竹和樱花的P含量变化不明显。添加药剂促进了其余植物其对P的积累，其增加幅度为24.2%～721.8%。TJ的苎麻和金叶女贞增加幅度最大，TJ是CK的7.2和1.3倍；木芙蓉增加幅度也高达75.9%。这说明种植6个月后木芙蓉、金叶女贞和苎麻在添加药剂后的尾砂上生长良好。

图6　种植6个月后不同处理植物中P含量Fig.6　P contents in plant after planted for six months in different treatments

2.2.3综合分析。通过比较种植3个月和6个月后植物中K含量可知，种植6个月后，CK的十大功劳、金叶女贞、樱花3种苗木K含量有所降低，降幅分别为2.5%、6.4%和26.6%。这与十大功劳、金叶女贞和樱花生长不良，死亡率高一致。其他5种苗木K含量均有所升高，升高幅度为1.6%～61.7%，其中紫薇增幅最大，这与本身成活率略高一致。而TJ的桂花和樱花的K含量下降明显，降低幅度分别为17.9%和30.6%。金叶女贞、红叶石楠、木芙蓉和苎麻4种苗木K含量增幅均在17.9%以上。

从种植3个月和6个月后植物中P含量对比可以看出，CK的苎麻、桂花、樱花3种苗木的P含量分别降低78.4%、33.9%和46.6%，其他6种苗木均有所升高，升高幅度为1.4%～81.2%。而TJ处理的十大功劳、木芙蓉、苎麻和樱花的P含量有所降低，降低幅度为8.0%～34.2%，其他5种苗木的K含量均有所升高，升高幅度为3.9%～78.1%。综上所述，苗木K、P的含量因品种、生长情况、成活率、死亡率而异，药剂能够促进部分苗木对K、P的吸收与积累，促进其生长。

2.3药剂对尾砂重金属浸出毒性的影响由表1、2可知，Pb、Zn、Cu、Cd的浸出毒性均较低，Cu的部分样品均在检测线以下，未检测出。Pb的浸出毒性除TJ处理的 Ⅰ 区和 Ⅱ 较CK略大外，其余均较CK小，降幅为13.5%～58.9%，这表明TJ处理能够降低大部分区域尾砂Pb的浸出毒性。而Zn的浸出毒性与Pb相反，大部分TJ处理较CK略大。Cd的浸出毒性在Ⅸ区降幅最大，达50.0%，其余处理50%降低，50%升高，这可能与添加药剂时与土壤搅拌不均匀有关。

表1　种植3个月后不同处理各小区尾砂重金属浸出毒性

注：ND表示未检测或在检测线以下。

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

种植6个月后Pb、Zn、Cu、Cd的浸出毒性大部分均有所降低，Cu的部分样品浓度仍在检测线以下，未被检测出，与其全量未超标相呼应。结合表1、2可以看出，CK处理Pb的浸出毒性降幅为10.21%～73.55%，TJ处理降幅为14.87%～57.11%，这可能是由于试验地长期为梅雨季节，CK处理经淋洗之后流失，浸出毒性较低，而TJ区经过药剂的稳定化作用，浸出毒性较之前有所降低，但雨水淋洗出较少。CK和TJ处理Zn、Cd的浸出毒性降幅分别为27.71%～79.00%和36.71%～70.98%、47.45%～85.94%和5.53%～75.15%，这表明添加稳定化药剂后能够有效降低尾砂Zn、Cd的浸出毒性。

表2　种植6个月后不同处理各小区尾砂重金属浸出毒性

注：ND表示未检测或在检测线以下。

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

3结论

(1)重金属稳定增肥一体化药剂显著促进了木芙蓉等植物的生长，增加其冠幅和株高。种植3个月后添加药剂处理区紫薇的K含量是空白对照区的2.2倍；金叶女贞和木芙蓉的K含量增加幅度也高达80.2%和87.3%。种植6个月后木芙蓉和金叶女贞的K含量增幅最大，其添加药剂处理区分别是空白对照区的2.2和2.3倍。这表明紫薇、金叶女贞和木芙蓉在添加药剂后的尾砂上生长良好。种植3个月后木芙蓉的P含量增幅最大，添加药剂处理区是空白对照区的2.7倍；金叶女贞和苎麻的P含量增幅也高达58.8%和91.4%。种植6个月后苎麻和金叶女贞的P含量增幅最大，添加药剂处理区是空白对照区的7.2和1.3倍；木芙蓉增加幅度也高达75.9%。结果表明，木芙蓉、金叶女贞和苎麻在添加药剂后的尾砂上均生长良好。

(2)重金属稳定增肥一体化药剂能够有效降低尾砂Pb、Zn、Cu、Cd 4种重金属的浸出毒性，通过吸附、沉淀或离子交换等作用改变重金属在土壤中的存在形态，降低重金属在土壤环境中的溶解迁移性、浸出毒性和生物有效性，减少由于雨水淋溶对动植物造成的危害，从而实现对尾砂的安全处置，保护生态环境。

参考文献

[1] 李新.矿山环境污染现状及恢复治理初探[J].中国科技信息，2009(5)：23.

[2] 张建龙，孔令，张云国，等.我国矿山环境恢复治理制度现状及对策[J].中国矿业，2011(4)：44-46.

[3] 孙鹏轩.土壤重金属污染修复技术及其研究进展[J].环境保护与循环经济,2012(11):3397-3400.

[4] 黄益宗，郝晓伟，雷鸣，等.重金属污染土壤修复技术及其修复实践[J].农业环境科学学报，2013,32(3):409-417.

[5] 王永强，蔡信德，肖立中.多金属污染农田土壤固化/稳定化修复研究进展[J].广西农业科学，2009,40(7):881-888.

基金项目广东省软科学研究计划项目(2014B090903015)；广东省省级科技计划项目(2015B090904008)；深圳市科技计划项目 (CXZZ20140418105252027)；广东省生态环境建设与保护(铁汉)工程技术研究中心(粤科函政字 [2013] 1589号)。

作者简介刘登彪(1989- )，男，湖南娄底人，工程师，硕士，从事环境污染治理与修复研究。

收稿日期2016-04-25

中图分类号S 181.3

文献标识码A

文章编号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