铁尾矿路用对土壤环境的影响及生态修复降解措施

王绪旺 蒋应军

(1.商洛学院 城乡规划与建筑工程学院，陕西 商洛 726000； 2.长安大学 公路学院，西安 710064)

矿产资源开发和金属冶炼等工业活动促进了当地的经济发展，但矿区的开采和冶炼活动产生大量废水、废渣和粉尘，严重污染了矿区周围土壤[1]。据统计，我国现有国营矿区企业8 000 多个，民营矿区达到23万多，全国矿区累计被破坏的土地面积达2.88×106hm2，并且每年大约以4.67×104hm2的速度增长[2]。2018年由自然资源部公示的《冶金行业绿色矿山建设规范》明确要求，应对露天剥离的表土、生产过程中产生的废水、尾矿等固体废弃物进行资源化利用，安全处置率应达到100%，可见开展矿山废石及尾矿的资源化利用及绿色矿山建设是矿山企业可持续发展的必然要求[3]。将铁尾矿使用无机结合料改进后能够满足规范中对道路基层材料的要求[4]，把铁尾矿资源用于路面建设，路表水渗透对道路沿线土壤不构成污染，是铁尾矿用于路面建设成为环境友好型筑路材料的重要评价内容。

1 铁尾矿路用理化指标试验

在柞水小岭镇木梓沟铁尾矿库取铁尾矿试样10份，每份质量5±0.1 kg，采用人工四分法[5]制备试验样品，测定其颗粒级配、粗细程度、化学组成、硫化物(以氯离子质量计)、硫酸盐、有机质含量、泥土石粉含量、放射性物质，测定结果见表1～4。

表1 铁尾矿砂级配组成

表2 铁尾矿砂矿物主要化学成分

表3 有害物质含量和泥土石粉含量

表4 铁尾矿砂放射性物质检测

根据表1数据，按照公式(1)计算铁尾矿的细度模数μf的值[6]。

(1)

式中，A0.15、A0.30、A0.60、…、A4.75分别为各筛上的累计筛余百分率，%。

经计算μf=1.50，满足特细砂0.7<μf≤1.5指标，说明试验用铁尾矿为特细砂。

2 铁尾矿路用对土壤环境的影响

2.1 铁尾矿理化指标分析

表2～3可知，铁尾矿的硫化物及硫酸盐(按照SO3质量计)含量为2.89%，不能满足铁尾矿砂硫化物及硫酸盐(按照SO3质量计)含量不得大于0.5%的要求[6]。表3中铁尾矿砂中的氯化物含量、有机质含量、泥土石粉含量均满足GB 51032—2014的指标限值要求[7]。表4中铁尾矿的放射性Ra-226、Th-232、K-40活度浓度满足建筑主体材料和装饰装修材料的指标要求[8]。

2.2 对土壤环境的影响评价

铁尾矿资源化利用服务于矿区周边县区道路建设，路面基层混合料中以掺加80%的铁尾矿进行考虑，以秦巴山区内的山地黄棕壤为对象，选择7种对土壤影响较大的重金属，以薛澄泽等[9]对陕西省主要农业土壤中十种元素背景值研究成果和2018年6月22日由生态环境部发布实施的《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(简称“国评标准[10]”)作为相应的评价标准(表5)，评价时按照金属离子在道路建设沿线产生最不利的全浸入式扩散进行分析。

表5 各参考标准的土壤重金属含量

对于掺加80%的铁尾矿路面基层混合料，判定混合料的金属污染程度，采用“单因子指数法[11]”评价污染程度，按照公式(2)进行计算。

(2)

式中：Pi为土壤中污染物i的环境质量指数；Ci为污染物i的含量，mg/kg；Si为污染物i的评价标准，mg/kg。根据Pi值将土壤污染程度进行划分，最终划分成5个级别(表6)，铁尾矿掺入80%用于道路对道路沿线农用土壤的影响见表7。

表6 单因子污染指数污染评价分级标准

表7 各参考标准的土壤重金属含量

从表7数据可以看出，土壤中的Cu含量为106.4 mg/kg，超过了2018 年《农用地土壤环境质量标准(3 次征求意见稿)》的1.064倍，是陕西黄棕壤背景值的4.03倍，按照GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》分析，铁尾矿用于道路建设时，Cu元素将对农用耕地产生Ⅱ级污染，对原状黄棕壤产生Ⅳ级污染；元素Cr、Ni对农用耕地无污染，对原状黄棕壤产生Ⅳ级污染；其余重金属元素均在正常范围以内，无任何污染。

3 生态修复降解措施

3.1 生态修复

杨元根等研究发现，重金属Cu进入土壤后，使土壤微生物特征发生了一系列变化，微生物量随Cu 浓度升高而降低[12]。还有研究表明，当人体摄入超标的Cu时，就会在人类肝脏中积累，从而引起肝癌、肝硬化等疾病[13]。对于铁尾矿道路的沿线农用耕田，为满足2018年《农用地土壤环境质量标准(3次征求意见稿)》的重金属指标限量的要求，采用植物修复法和微生物修复法。生物修复法具有安全、费用低廉等优点，因此被称为环境友好替代技术[14]。植物修复是指利用植物对重金属离子的提取、区隔、稳定和代谢等功能来降低或去除土壤中重金属污染物的经济高效治理技术，该技术主要包括植物挥发法、植物固定法、根系过滤法、植物提取法等。其中，植物提取法应用最为广泛，通过超积累植物的根系吸收污染土壤中的重金属Cu，转移并存储于地上部，然后收获地上部并集中处理，如超Cu积累植物鸭跖草，其地上部 Cu 含量平均能达到1 224 mg/kg，具有很强的修复能力[15]。同时通过改良铁尾矿土壤给重金属Cu超积累植物和微生物提供修复环境，主要是通过改良尾矿土壤结构，利用城市剩余污泥、黄褐土作为尾矿矿砂土壤的改良材料，添加40%污泥改良效果最好。用黄褐土作为添加材料，与铁尾矿充分混合，形成新的复配土壤有利于植物生长。5%粉煤灰+50%尾矿砂+45%黄褐土有效改良尾矿山地土壤[16]。在道路沿线被污染的农用黄棕土土壤中加入钝化材料腐殖酸、凹凸棒土、膨润土、粉煤灰，对可交换态Cu有明显的钝化作用，过磷酸钙对碳酸盐结合态Cu有明显钝化作用[17]。通过有效利用城市的污泥、工业粉煤灰，再加入钝化材料腐殖酸、凹凸棒土、膨润土对铁尾矿筑路时造成农耕土土壤重金属Cu污染进行植物、生物和钝化的复合修复，起到良好的环境效应和经济效益。

3.2 路用混合料中重金属降解

在黄棕壤中重金属离子不宜迁移，可以暂时在表层或浅表层吸附，不易对地下水造成更深度的污染，但是也会随地表径流横向迁移到河流或其他区域。铁尾矿用于道路建设时应降低掺加量，表5中掺加80%铁尾矿时，农用土壤中重金属Cu含量达到最大值106.4 mg/kg，若用6.4%的砂替代6.4%的铁尾矿，即路用混合料配合比中掺加80%的铁尾矿变为73.6%铁尾矿+6.4%砂，则农用土壤中重金属Cu含量达到最大值100 mg/kg，恰好为国家评价标准的农用土壤中Cu含量最大值100 mg/kg。当掺入80%比例的铁尾矿用作路面基层时，铁尾矿被替换值大于6.4%时，能够满足2018年《农用地土壤环境质量标准(3次征求意见稿)》中Cu含量的限量要求。

4 结论

1)研究区铁尾矿试样的放射性Ra-226、Th-232、K-40活度浓度满足建筑主体材料和装饰装修材料的指标要求，有害物质含量和泥土石粉含量满足路用细集料指标要求。铁尾矿砂硫化物及硫酸盐含量不满足混凝土道路使用指标要求，所以铁尾矿用于配制混凝土时，应控制铁尾矿中硫化物及硫酸盐(按照SO3质量计)含量在0.5%以内。

2)当掺入80%比例的铁尾矿用作路面基层时，按照GB 15618—2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》分析，铁尾矿中的Cu元素将对农用地产生Ⅱ级污染，元素Cr、Ni对农用地无污染。按照陕西农业黄棕壤土壤元素背景值分析，铁尾矿中的Cu元素将对原状黄棕壤产生Ⅳ级污染，元素Cr、Ni对原状黄棕壤产生Ⅳ级污染。其余重金属元素均不会产生任何污染。

3)种植重金属Cu超积累植物并采用城市的污泥、工业粉煤灰(5%粉煤灰+50%尾矿砂+45%黄褐土)改良尾矿土壤结构，再通过加入钝化材料腐殖酸、凹凸棒土、膨润土对铁尾矿筑路时产生的农用耕田土壤中Cu元素污染进行植物、生物和钝化的复合修复。

4)对于掺入80%铁尾矿路用时超标的Cu等其它重金属元素，应用大于6.4%比例的砂替代铁尾矿，能够满足2018年《农用地土壤环境质量标准(3 次征求意见稿)》中重金属含量的限量要求。