矿区潜在有毒元素评价及修复技术综述

＊周星星 贾凌寒

（1.宁夏理工学院 建筑与环境学院 宁夏 753000 2.沈阳市生态环境保护综合行政执法队 辽宁 110058）

1.前言

煤矿开采是一个国家经济发展的重要支柱。然而，从历史上看，矿区浪费和危废堆积的现象越来越多，对生态系统和人类健康产生了越来越严重甚至不可逆转的负面影响，如果不采取预防措施，会导致严重的环境破坏，如土地退化、地形变化、土壤和水污染及生态恶化。在格拉斯哥气候变化大会之后，逐步淘汰煤炭并转向可再生能源是全球所有国家的主要政策关注点之一，其中煤矿的关闭和复垦是主要问题。矿山尾矿中通常含有大量潜在有毒元素（PTEs）和化学制剂，可以在矿山周边持续数百年。煤矿中的PTEs污染、其生物可利用性及其对人类健康的影响在复垦过程中往往没有得到重视。PTEs 属于生态系统中最普遍、最持久、对环境最有害的污染物，其中Cd、As、Cu、Cr、Pb、Ni、Hg 和Zn 被确定为煤矿区毒性最强的元素，如堆积物中生物利用度极高且可溶态的PTEs 含量不断增加，会对煤矿区的水生环境造成危害。人类也会通过进食、呼吸、饮水和触摸等方式接触PTEs，其可通过肠道进入人体，因为它们具有足够的水溶性，与循环系统一起转移到各个器官，并被不同的器官吸收，上皮细胞、内皮细胞和肺泡巨噬细胞等都会直接受到伤害。因此开展矿区污染评价和生态治理修复至关重要。

2.矿区污染评价

(1)内梅罗污染指数

内梅罗污染指数是PTEs 常用的污染评价方式之一，该方法的特点是兼顾了污染物的平均值和其最大值，可以突出高浓度污染物的污染作用。缺点是只对单污染物评价，无法对区域进行全面综合评价。其公式可参照姜等人进行方法计算。陆等人其利用内梅罗污染指数发对肃北蒙古自治县条湖沟矿区进行评价，共采集80 个样品，结果证实Pb、Cd 浓度高于本底值，内梅罗污染指数证实Pb 污染最高，Zn 污染最低，表明矿区必须采取强有力的措施，加大对矿区地质环境治理及生态恢复力度。他等人对商洛市尾矿库进行评价，内梅罗污染指数证实5 号（10.22）和13号（3.78）点位为重污染，其中5 号点位Cd 的污染最为严重，是矿区污染的主要原因。因内梅罗污染指数强调最大值的贡献，因此使用该方法更能够强调最不利因素的影响，能够引起决策者的重视。

(2)地质累积污染指数

地质累积指数法最早是由Muller 提出，用来评价沉积物、水体和土壤中PTEs 的污染程度，该方法评价结果主要受当地土壤背景值和人为活动的影响。故该方法能够反应出PTEs 分布的自然特征，也可分辨污染是否为人为活动所造成，是区分环境污染的主要参数。抚顺西露天矿去闭矿后，李等人对矿区PTEs进行评价，地质累积指数法结果为Cd（3.70）＞Hg（2.60）＞Ni（0.90）＞Cu（0.87）＞Zn（0.21）＞Cr（-0.17）＞Pb（-1.40）＞As（-2.00），表明Cd 的污染程度最高，从严重污染到极度污染，其次是Hg，表现为严重污染。其中Cr、Cu、Zn 和As 主要来自母岩的地球化学风化作用，Cd 和Hg 明显受到工业排放和采矿活动的干扰，As 可能来自人类活动。表明一旦矿山关闭，就需要实施更有效、更严格的污染控制。姚等人对遵义的镍钼矿进行评价，矿区旱地（14.7 mg·kg-1）、水稻土（8.67 mg·kg-1）和森林土壤（16.5 mg·kg-1）中铀平均含量均超过当地土壤背景值（主要为轻度污染），但在部分旱地中存在中度污染-重污染级别，这需有关部门重视，采取相关管控措施。

(3)潜在生态危害指数

潜在生态指数法是由Hakanson 教授提出的，是通过沉积学角度来评价PTEs 和潜在生态危害的一种方法。该方法不仅考虑了PTEs 的污染程度，还将PTEs 的环境效应、生态效应及环境毒理学联系在一起的等价指数评价方法。陈等人探究了湖南某煤矿的PTEs 污染现状和生态风险，土壤中PTEs 的浓度分别为Pb（8.51 mg·kg-1）、Zn（38.59 mg·kg-1）、Cr（18.65 mg·kg-1）、As（10.01 mg·kg-1）、Hg（0.18 mg·kg-1）和Cd（3.41 mg·kg-1），生态风险系数Cd 最高为339.80，Cr 最低为0.85，其余指数均介于0.98-28.55 之间，矿区综合潜在生态风险指数为较高生态风险（计算值为390.3），表明污染程度为危险。李等人对某煤矸石堆积区进行生态评价，PTEs 含量排序为Mn ＞Cu ＞Zn ＞Cr ＞Ni ＞Pb ＞Cd，单元素和矿区综合潜在生态危害指数均为低风险生态危害，其中主要危害元素为Cd 和Cu，证实在矿区生态修复和综合利用过程中应优先考虑Cd 和Cu 的污染。

3.矿区生态修复技术

(1)物理修复

矿山物理修复技术的特点是处理成本较低，适用范围广泛，因此是我国废弃矿山生态修复应用最广泛的方法，主要包括客土覆盖、矿区原表土覆盖等方式实现生态修复。客土覆盖是指矿山矸石表面覆盖一层具有一定厚度未受污染的土壤，其能够固定矿山裸露的岩石为植物的定植创造条件，还能起到预防自然灾害的功能。同时客土中还含有健康的土壤微生物种群，废弃的矸石中土壤结构破坏，养分含量低，水溶性差，土壤微生物群落结构和多样性遭到严重破坏，当其覆盖一定厚度的客土后，土壤微生物的多样性会很快恢复，短期内就可实现生态恢复。

矿区原表土覆盖修复。矿区原表土覆盖是指在矿坑修复期间，将储存的矿区原表层土壤施用到矿井弃土上，该方法通常是首选方法。将这种表土添加到矸石堆中是为了减少矸石对植物生长的不利影响。然而，观察多年后恢复情况，能观测到其中许多地点土壤养分、土壤有机碳、土壤结构、水文特性未能恢复。有研究发现使用20～30 cm 的积土修复弃土场，在停止管理后（即自然恢复5 年后），也需要施肥、病虫害防治、植株定期喷灌，否则复垦面积会受到侵蚀，植被发生严重退化，主要原因是土壤肥力条件差、侵蚀和土壤板结。同时在修复过程中将表土与矿山弃土混合会稀释表土的剩余价值，有学者预估废弃矸石将在大约36 年后能恢复，以匹配等效的天然未开采土壤。如想尽快恢复其土壤水平，需要定期添加肥料（氮、磷、钾和有机质），这部分支出也会增加采矿后对矿山的管理成本。

(2)植物修复

20 世纪后期，有学者提出可以通过在矿区种植适宜植物去除/吸收PTEs，以降低土壤中PTEs 浓度的设想。植物修复技术能够很好的保护矸石污染，预防PTEs 的淋溶和迁移，同时植物的根系可产生化学物质沉淀和钝化一部分PTEs，具备超富集能力的植物能够吸收PTEs，进而降低土壤中PTEs 的浓度。随着植物修复年限的增加，土壤中有机质含量会得到明显改善，矿山复垦土壤也会朝着更加有利于植被生长的方向发展。目前植物修复矿区污染土壤的主要问题有两个，其一是对于超富集植物的筛选，超富集植物筛选的思路是在污染场地中寻找能够很好存活的植物，这类植物通常能够大量富集土壤中PTEs，但这类植物的缺点也较为明显生长周期长、生物量小，对气候具有较强的依赖性，将其移栽至目标修复场地后会因自身原因生长缓慢甚至死亡。其二是通过现代生物学和农学的经验和技术强化超积累植物或本地优势植物的修复性能，最终提高PTEs 吸收水平。众所周知植物育种、优势种的筛选和培育需要较长的时间周期，因此未来的主要研究方向是从已有矿区修复植物中筛选高富集植物。

(3)生态修复

无脊椎动物修复。在矿山修复过程中，关于无脊椎动物修复的报道很少，关于它们对植物的定植和其他土壤生物的相互作用探讨更是鲜有报道。有研究证实无脊椎动物会对土壤食物链贡献1/3 的份额，但它们在生物地球化学循环恢复、土壤结构形成和矿山废物修复过程中的重要性很少被讨论，这会成为今后研究的重点内容。其中，Collembola 是一种微型节肢动物，被确定为土壤生态系统功能的重要介质，因为它们能够通过直接和间接的活动帮助劣质土壤变得肥沃。实现无脊椎动物修复有两种方案，第一种是直接接种无脊椎动物，第二种是通过物理、化学或生物的刺激使周边土壤的无脊椎动物迁徙到待恢复土壤中。

矸石固有的低养分浓度（有机碳、氮）、严酷的土壤化学环境和煤质弃土长期贫瘠条件使现有的微生物种群在细胞生长、资源获取和胁迫耐受性之间进行权衡，换句话说微生物种群，在矸石环境中大多处于生存模式，缺乏促进加速土壤发生所必需的生物地球化学过程的能力。因此，在微生物修复矿山环境时，多接种丛枝菌、根真菌和固氮菌，同时添加有机和无机肥料，短期结果（两年内）表明，氮、磷和钾营养得到改善，矿山矸石中的植物能够稳定。目前大多数的微生物修复多在实验室中完成，还没有大规模的野外实验，同时面临两个问题，也是未来研究的主要方向：第一是如何选择有助于加速废弃矸石转化的土壤微生物，第二是如何提高其在废弃矸石中的“自然”存活率。

4.结论

通过矿山污染评价，能够明晰主要污染物，可为决策者制定政策提供数据支撑，根据评价结果结合矿区实际情况，对矿山生态环境恢复治理，改善受损的生态系统，为脆弱的生态系统平衡稳定提供保障，为环境保护和可持续发展做出贡献。