铁尾矿路用对土壤环境质量影响及安全修复研究

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)

前 言

生态环境部发布的《2019年全国大、中城市固体废弃物污染环境防治年报》中显示工业企业尾矿产生量为8.8亿t，综合利用率仅为27.1%，为提高铁尾矿的综合利用，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[1]。随着社会的进步和经济的发展，电镀、印染、农药、化工、矿业等人类活动产生大量的重金属，重金属可以通过大气沉降、污水灌溉、固体废弃物等途径进入土壤系统，使土壤重金属污染日益加剧，对农业生产和人体健康都造成了严重的危害[2]，尾矿浸出液中的金属浓度取决于尾矿总的金属含量和所含的金属种类[3]，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[4]，铁尾矿用作筑路材料，降低了道路建设的经济成本，减少了尾矿堆存，减轻了环境压力，但铁尾矿的重金属进入道路沿线土壤系统后改变土壤结构，用“单因子指数法”评价铁尾矿道路沿线的土壤环境质量，对超标的重金属采取可行的安全处置方法进行修复，使铁尾矿成为环境友好型筑路材料。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 铁尾矿

在柞水小岭镇木梓沟铁尾矿库取铁尾矿试样，采用人工四分法[5]制备试验样品将铁尾矿砂试样磨细至标准样品的粒度要求，用矿石X射线荧光光谱定性半定量分析铁尾矿废渣各化学成分含量，结果列于表1。测定结果显示铁尾矿中化学成分主要是SiO2、Fe2O3、AL2O3，含量达到85.59%，其中影响土壤环境质量的重金属以NiO、CuO、Cr2O3的化学形态存在，含量达到0.03%。

表1 铁尾矿砂矿物主要化学组成成分

铁尾矿作为筑路材料，应满足JTG E42-2005《公路工程集料试验规程》的有害物质和泥土石粉含量要求[6]，测定铁尾矿所含的硫化物、硫酸盐、有机质含量、泥土石粉含量，结果列于表2。测定结果显示铁尾矿中氯离子、有机质、泥土石粉含量指标满足要求，但硫化物含量高达到2.89%，是指标控制限制0.50%的5.78倍，用于道路建设后也将影响土壤环境质量。

表2 有害物质含量和泥土石粉含量

1.1.2 土壤

为了节省运输成本，道路建设材料一般按照“就地取材”的原则，所以铁尾矿的路用基本围绕周边市县。秦巴山区内存有大量的铁尾矿库，故以秦巴山区内的陕西南部山地黄棕壤作为道路建设的耕土环境，陕西黄棕壤中的重金属含量背景值见表3所示。

1.2 分析方法

文献[3]研究成果中关于“尾矿中金属浸出机理的研究”表明：尾矿浸出液中的金属浓度取决于尾矿总的金属含量和所含的金属种类。铁尾矿属于细粒料，可用水泥粉煤灰处治作为半刚性路面基层，JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》关于细粒料采用水泥粉煤灰进行稳定时，推荐比例为水泥粉煤灰：细粒材料=30∶70～10∶90[7]。以秦巴山区内的山地黄棕壤为影响对象，细粒料铁尾矿掺加比例界限作为土壤环境影响工况进行分析，掺加70%的铁尾矿为下限值，掺加90%的铁尾矿为上限值，选择7种对土壤影响较大的重金属，根据薛澄泽等对陕西省主要农业土壤中十种元素背景值研究成果[8]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)》[9](简称“国评标准”)作为相应的评价标准(表3)，评价时按照重金属在道路建设沿线土壤中产生最不利的全浸入式扩散进行考虑，采用“单因子指数法”[10]进行评价。

7月16日，2018年北京市种子监管工作会议在京召开，会上下发了《北京市种子监管三年行动计划（2018－2020年）及2018年工作方案》，这标志着北京市正式启动种子监管三年行动计划。方案提出，到2020年实现主要农作物种子质量合格率达96%以上、主要蔬菜作物种子质量合格率达90%以上、种子大案要案依法查处“百分百”、生物品种监管“零死角”、逐步规范品种权使用行为等。

表3 各参考标准的土壤重金属含量

2 结果与分析

2.1 铁尾矿对土壤的影响

对于掺加70%～90%的铁尾矿路面基层混合料，判定混合料的金属污染程度，采用内梅罗指数法，即“单因子指数法”进行评价污染程度，按照以下公式进行计算。

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4)，掺入70%～90%的铁尾矿用于道路建设时对沿线土壤的影响分析见表5所示。

表4 单因子污染指数污染评价分级标准

表5 各参考标准的土壤重金属含量

从表5中的铁尾矿路用的土壤重金属含量可以看出：Cr最大含量103.24 mg/kg是2018 年《农用地土壤环境质量标准(3 次征求意见稿)》的1.03倍，是陕西黄棕壤背景值的3.31～3.85倍，按国评标准评定为污染等级为Ⅱ级；Cu最大含量116.4 mg/kg是2018 年《农用地土壤环境质量标准(3 次征求意见稿)》的1.16倍，是陕西黄棕壤背景值的4.41倍，按国评标准评定为污染等级为Ⅱ级；Ni最大含量127.29 mg/kg是2018 年《农用地土壤环境质量标准(3 次征求意见稿)》的0.67倍，是陕西黄棕壤背景值的3.41～3.76倍，按国评标准评定污染等级为Ⅰ级；其余重金属元素对黄棕壤重金属含量没产生任何变化，含量在国家标准正常范围以内。

2.2 铁尾矿路沿线土壤安全修复

重金属污染将直接或潜在地对土壤生态系统产生危害[11]，大宗化利用铁尾矿用于道路建设，应采取可实施性的措施对铁尾矿道路沿线农耕土壤进行修复，修复过程中防止产生二次土壤污染。治理土壤重金属污染常采用物理、化学和生物法，并且针对土壤重金属污染治理实行基于风险控制的策略[12]。

2.2.1 生物修复

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[13]，土壤中的微生物能够架起土壤与植物之间的桥梁，以生物积累、生物吸附等生物富集和生物氧化还原、甲基化与去甲基化、重金属溶解和有机络合配位降解等环境友好的方式影响植物生长和重金属吸收[14]。在同等条件下，高生物量的非超富集植物烟草对镉的提取量，是印度芥菜和超富集植物遏蓝菜对镉提取量的4倍左右，是向日葵对镉提取量的13倍，从而说明利用高生物量非超富集植物修复重金属污染的土壤的可行性[15]，高生物量非超富集植物一般具有生长速度快、生物量大和经济效益高等特点，主要包括一些能源植物、经济作物和木本植物，如甜高粱、麻疯树、柳枝稷、芒草、麻类作物、杨树和构树等[16]。因此对铁尾矿道路沿线土壤上种植高生物量的非超富集植物，可以对被铁尾矿污染的土壤进行修复，直至土壤含量检测达标后再进行农作物的种植。

2.2.2 原位钝化技术

铁尾矿道路沿线被重金属污染的黄棕壤中，Cr、Cu按国评标准评定为污染等级为Ⅱ级，Ni按国评标准评定未构成污染。对黄棕壤产生的重金属Cr、Cu污染，可以用含钙类物质的钝化剂，如石灰、石灰石、碳酸钙镁；对黄棕壤产生的重金属Ni污染，可以用含硅物质的钝化剂，如硅酸钠、硅酸钙、硅肥、硅酸盐类黏土矿物；以上的含钙类物质的钝化剂与含硅物质的钝化剂都是降低重金属的迁移，减少对植物的伤害，增加土壤PH值，增加重金属的吸附或者生成不溶性沉淀[20]。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[21]。

2.2.3 农田多模式联合修复技术

把高生物量非超富集植物、微生物钝化剂联合使用，形成“土壤—植物—微生物复合体”，从而改变单一修复机理进行修复土壤重金属，提高农田重金属污染修复效率。文献[22]研究出丛枝菌根真菌(AMF)能够促进非宿主植物海马齿(SesuviumL)的生长和重金属Cd、Ni的吸收转运。在铁尾矿道路沿线耕地里将钝化剂与低积累作物品种相结合，以提高钝化剂的修复效果，崔俊义等将抗重金属水稻品种与钝化剂的联合施用使稻米Cd含量降低50%左右，并提高了水稻产量[23]。

2.2.4 铁尾矿用量控制

铁尾矿道路引起的土壤重金属都在黄棕壤表层或浅表层吸附，不易对地下水造成更深度的污染，但是会随地表径流横向迁移到河流或其他区域。从铁尾矿用于道路建设不引起重金属超标的角度，应降低铁尾矿在道路建设时的掺加比例。JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》明确当采用水泥粉煤灰稳定铁尾矿用于道路建设材料时，推荐掺入70%～90%的铁尾矿，按照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)》，可以计算出掺加铁尾矿的比例上限。经计算，重金属Cr、Cu、Ni含量达标的铁尾矿掺加比例上限依次为85%、73%、100%，取上述掺加比例上限的最小值73%作为铁尾矿的掺加比例上限，这时铁尾矿道路沿线的土壤能够满足2018年《农用地土壤环境质量标准(3次征求意见稿)》中重金属含量的限值要求。

3 结 论

3.1 铁尾矿硫化物含量高达到2.89%，是指标控制限制0.50%的5.78倍，不满足铁尾矿配制混凝土时硫化物的要求。

3.2 铁尾矿路用的土壤中重金属Cr最大含量103.24 mg/kg、Cu最大含量116.4 mg/kg，国评标准污染等级Ⅱ级；Ni最大含量127.29 mg/kg，国评标准污染等级Ⅰ级；其余重金属元素含量均在国家标准正常范围以内。

3.3 在铁尾矿道路沿线种植高生物量的非超富集植物、利用硫酸盐还原菌与革兰氏阴性细菌等微生物、城市的污泥、工业粉煤灰(5%粉煤灰+50%尾矿砂+45%黄褐土)修复重金属Cr、Cu污染的土壤；用含钙类物质的钝化剂处置重金属Cr、Cu污染的土壤；腐殖酸、凹凸棒土、膨润土能够钝化土壤中的重金属Cu；把高生物量非超富集植物、微生物钝化剂联合使用，形成“土壤—植物—微生物复合体”具有更好的修复效率。

3.4 当铁尾矿掺加比例为73%时，铁尾矿道路沿线的土壤能够满足2018年《农用地土壤环境质量标准(3次征求意见稿)》中重金属含量的限值要求，也能够满足JTG/T F20-2015《公路路面基层施工技术细则》关于细粒料采用水泥粉煤灰稳定的70%～90%推荐比例。