关于冀北地区农用地重金属污染土壤修复技术集成体系研究

郭学辉，张建强，苏宏建，郭晓飞，刘志军，孙秀国

(华北地质勘查局 五一四地质大队，河北 承德 067000)

0 前 言

冀北地区土壤重金属污染主要来源于金属选矿企业和化工类企业两类，本研究主要针对34家工矿企业周围5公里农用地范围。土壤中重金属富集性强、降解困难、隐秘性强等特点，属于是易积累、难去除，冀北地区农作物、蔬菜、水果等农产品种类较多，重金属极易通过食物链危害人类健康，因此，摸清农用地质量，对已污染的农用地做好防控，截断工企业对周围土壤的重金属迁移为当务之急。

研究区域矿山及周围土壤污染研究相对南方部分地区起步较晚，且多数研究及修复仍停留在单一的修复技术，更甚至将土壤转移至水泥窑协同处置，修复手段过于粗暴，缺乏基于不同风险等级的控制技术、分级管理和治理体系，本次针对研究区的污染特点，将多种修复方法集成研究，各类土壤分级管理，完善了相对匮乏的治理体系。

1 适应于研究区修复技术的筛选

重金属污染耕地修复的技术集成首先通过对国内或者国际上比较成熟的、使用广泛的农田土壤修复的单项技术进行筛选、总结和归纳。

1.1 传统主要修复技术特点

传统的修复技术主要有植物修复、物理修复、化学修复3大类，植物修复主要是通过植物提取、植物挥发、植物钝化等方式，缺点是受气候、土壤环境影响较大；化学修复多用石灰、沸石、EDTA、NaHS等，优点是见效快，易破坏土壤结构、成本高等；物理方法多为客土、换土、深耕土等，优点是效果彻底，缺点是成本高、工作量大等。

1.2 微生物原位固化及生态修复技术

近几年矿山重金属修复微生物原位固化技术不断推广，很多微生物原位固化技术也渐渐成熟。开放环境下自发的生物冶金过程自养铁硫氧化菌广泛存在，加速酸、铁及重金属溶出，形成恶性循环，降雨及地下水淋溶加速矿区重金属污染周边农用地(见图1)。

图1 降雨及地下水淋溶加速矿区重金属浸出示意

利用铁还原菌、硫酸盐还原菌混合修复，形成生物冶金逆过程——生物成矿过程，降低环境点位、提升pH、原位固化重金属，将恶性循环变为良性循环(见图2)。

图2 微生物原位固化原理示意

冀北地区矿山周围多为农用地及水源地，重金属极易通过降雨淋溶进入周围土壤和地下水，造成农用地与水源地重金属污染，微生物原位固化修复技术适合多数有色金属污染矿山的修复。

本次研究的微生物修复主要针对矿山尾矿库的修复治理上，用玉米秸秆及柠檬酸将尾矿库表层重金属活化向下迁移至0.5 m深度，再利用了硫酸盐还原菌的生物冶金逆过程，将重金属固化在0.5 m深度，不但使矿山尾矿库的重金属污染得到有效治理，而且还能有效的改善尾矿库浅层的土壤结构成分，通过本次野外试验研究证明可以种植农作物玉米，间接增加了耕地使用率，提升了当地的经济效益。尾矿1与尾矿2修复前后详细数据见下表1。

表1 尾矿1与尾矿2修复前后数据对比

1.3 植物修复技术特性

针对冀北地区本次筛选了3种修复植物，通过研究都完全适合冀北地区的气候特征，详细情况见表2。

表2 植物修复技术研究区适应性

对研究区周围农作物进行了相关调查，多以玉米、白菜、胡萝卜为主，详细情况见表3。

表3 植物修复技术研究区适应性

间作套种是运用群落的空间结构原理，以充分利用空间和资源为目的而发展起来的一种农业生产模式，这种模式也被用作农用地重金属修复，冀北地区部分污染农用地可用此模式对重金属污染进行修复，常用修复组合见表4。

表4 研究区适用间作套种技术

在研究区经过2年的间作套种试验，主要利用模式是伴矿景天和玉米间作，经过两年数据对比，修复效果不明显，研究区植物修复方法只能针对一些污染较轻的农用地修复，修复周期较长，对于一些污染较重的农用地难以短时间内阻断重金属的迁移，故只能联合别的修复技术一起使用才能达到一定的预期修复效果。

1.4 固化药剂修复技术特性

土壤固化剂的使用要综合考虑诸多因素，包括土壤类别、固化效果、适用性、耐用性、施工方式、成本、环境友好程度等等，对于研究区的尾矿库可使用固化药剂进行修复，防治重金属淋溶迁移至周围农田，常用钝化剂见表5。

表5 常用固化药剂技术特性

本次研究区主要发明的修复药剂是利用羟基磷灰石对重金属的吸附作用，固化药剂对研究区一些重度污染区域修复效果明显，但修复成本较高，需要适当的选择性使用，试验修复区修复前后对比数据见表6。

表6 研究区试验修复区修复前后数据对照

2 矿山及周围土壤重金属修复技术集成

冀北地区矿山及周围土壤多以旱地为主，坡耕地面积较大，存在以砂砾层为主的障碍性土层，土壤有机质含量低、养分易造淋溶，对外源肥料依赖较大，再就氮、磷、钾等养分元素含量差异很大，养分极不均衡，所以，对本区域的矿山及周围土地的修复要综合考虑其特点，研发一种相适应的修复集成技术甚为关键。

综合多种矿山及周围土壤重金属修复技术，微生物重金属修复技术具有较大的优势，也是现在国内外市场上推广使用比较广泛的技术之一，在综合考虑本区域特点的前提下，建立一套完整的技术评价与技术集成体系，为后续土壤环境保护和科学管控提供有利的依据和技术支持，其特点是：①结合相应的法律法规建立土壤污染分级分类机制，以无害化为出发点，针对各类重金属污染土壤的特性，精细筛选异性高效修复菌株，提高相应菌种在土壤中的安全性、长期性与活性；②优化组合多种修复技术，如植物与微生物、各种钝化剂与微生物、植物与钝化剂等组合联用，结合每种修复技术的优势，更快、更有效地修复各种重金属污染问题；③加大从基因领域更深程度地研究微生物修复机理并完善其修复机理，以期更好地为实际工程应用提供理论支持。

矿山及周围土壤重金属修复技术集成，首先通过系统的污染调查研究，确定污染源、污染途径、污染物的种类以及土壤的各项理化参数；其次进行风险等级的确定，确定修复的各类污染指标以及修复范围等；再次进行集成技术筛选，优先选择能够降低污染物含量、毒性、迁移性的单一技术进行集成研究，最终通过专家相关论证确定最佳集成技术；最后结合政府和公众的接受程度，确定是否进一步开展相关修复工作。

矿山及周围土壤重金属修复流程及技术集成示意图见图3。

图3 修复流程及技术集成示意

3 结 语

综上可知，冀北地区主要污染来源于金属选矿企业和化工类企业两类，相应的污染研究相对匮乏，完善治理体系尤为重要。传统修复技术的弊端随着社会各类研究的深入渐渐显示出来，新兴的微生物原位固化技术逐渐成熟，但深入研究仍是一个相对漫长的过程，不同种类污染源的作用下，农田土壤中重金属的类型、浓度和价态均有差异，单一的修复治理技术都有各自的技术特点和适用范围，当单一的修复技术无法满足于现在的修复目标时，有效的多种修复技术集成甚为关键，不但发挥了单一修复技术的良好效果，同时，也丰富了整套完整的治理修复体系。