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矿山废弃地分析及生态环境修复技术研究进展

发布日期:2018-01-09 浏览次数:

矿山废弃地分析及生态环境修复技术研究进展

谢计平

甘肃省环境科学设计研究院

  

摘要

矿山资源开发为我囯囯民经济建设做出了巨大贡献,但矿山开发也造成破坏生态、地质灾害、污染环境等严重问题, 尤其是矿山开发形成的废弃地, 严重危害生态环境,亟待冶理。简述了矿山开发环境影响现状, 总结了矿山废弃地的分类、特点及对生态系统的危害,综述了我囯矿山废弃地的修复现状,在此基础上着重介绍了基质改良技木、物理修复技木、化学修复技木、生物修复技木及其他辅助技木在矿山废弃地生态修复买践中的适用性和优缺点,并提出今后矿山废弃地冶理的措施和方向。

关键词: 矿山; 废弃地; 环境修复

1 引言

矿产资源是经济社会发展的重要物质基础, 现阶段, 我国进人加速城镇化、工业化时期, 大量一次性能源、工业原料、农业生产资料、基础设施建设材料来自于矿产资源。矿产资源的开发利用,虽为社会经济发展起到巨大的推动作用,但同时也带来了严重的生态环境问题、矿山经济发展问题。中国经济发展步人“ 新常态”,国内生产总值(GDP) 虽然维持在中高速増长阶段, 但对大宗矿产资源仍然保持较高需求,高新技术产业对相关矿产资源的需求量也在快速増长。因此, 在生态文明建设进程中, 矿区的绿色发展尤为重要,探索矿区的生态修复变得十分必要。

2 矿山开发环境影响现状

矿山开发造成的环境问题主要有3 类(表1)分别是地址环境问题、生态环境问题、环境污染问题。

表1 矿山开发造成的主要环境问


 

我国矿山环境总体不容乐观。据统计, 截至2012年底, 我国合法采矿用地面积226.7x104hm2,历史遗留矿山开采损毁土地总面积280.2x104hm2,其中未复垦土地面积约230.8x104hm2。

3 矿山废弃地的分类及其特点

根据矿山废弃地的形成原因, 可以将其分为4种类型, 详见表2 。

表2 矿山废弃地的分类及其特点


 

矿山废弃地一般具有生态景观受破坏、水土流失严重、地表结构发生形变、土壤及水质污染和生物群落被破坏等特征。矿山废弃地对生态环境的危害主要体现在以下几个方面:

(1)占用及破坏土地资源。截至2012年, 我国因采矿活动产生的废弃地达hm2。我国虽地大物博,但人均资源占有量极少, 随着矿山废弃地面积的日益扩大, 无疑对人类生存构成了潜在威胁。

(2) 破坏地表景观及土壤结构。采矿过程中尤其是露天开采,植被被大面积去除, 造成地表裸露, 改变了原有的地形地貌。从环境景观学角度看,其对人类产生了视觉上的冲击。此外, 当地下矿层采出后, 采空区顶板岩层在自重力及其上覆岩层的作用下还可能产生下沉和弯曲, 引起地表移动和变形。

(3)危害相邻的生态系统。比如南方某废弃的稀土矿区, 地表裸露, 土壤结构破坏严重, 在酸雨的侵蚀作用下,矿区残余的重金属持续释放出来, 易以毒性最大的水溶态形式通过地表径流等途径迁移转化, 从而对周边群众的健康造成潜在的威胁。

(4)影响生态系统的整体。以煤矿为例, 我国大型露天煤矿大多处于干旱、半干旱的生态脆弱区, 如西北黄土高原过渡带的沙化区等,此类矿区废弃地产生的影响不仅对中国西北生态脆弱区造成灾难性的破坏, 对全国生态环境的质量也将造成整体性的负面影响。

4 矿山废弃地修复现状

近年来, 我国在矿山废弃地环境修复方面加大了资金投人力度。截至2014年底, 累计投人的矿山环境修复资金已超过900亿元。据国土资源部数据显示, 截至2014年, 全国累调躺土池303 万hm2, 已完成修复治理工作的土地面积仅为81万hm2, 治理恢复率仅为26.7% , 远低于国际矿山复垦率(50% — 70%)。

然而, 我国矿山废弃地环境治理历史欠账比较多, 治理压力比较大, 目前主要依靠政府财政拨款,但全国数万家矿山企业中也只有百余家能够得到财政补贴, 更多的企业需要自行承担修复成本。据国土资源部统计,截至目前, 全国有60% 以上的矿山未得到有效治理。

缺乏良好的商业模式, 社会资本未能加人是目前矿山废弃地修复陷人困境的主要原因。土壤污染修复中, 场地修复由于修复后的地块一般具有较高的商业开发价值, 因此社会参与度较高,其技术和市场方面已开始走向成熟, 也是目前土壤修复的主要市场。耕地由于直接关系到食品安全问题, 政府已开始大面积工程示范, 而矿区地块由于地理位置相对偏僻,一直未能探索出好的市场模式。但从土壤治理环境角度来说,矿山污染土地的危害很大, 且其具有累积性、隐蔽性、不可逆性的特点, 矿山环境修复与治理问题已刻不容缓、势在必行。

5 矿山环境修复技术

在自然条件下, 矿山废弃地经过自然演替可以恢复原貌, 但需要很长时间, 因此, 通过人工干预在相对较短的时间内快速恢复矿山废弃地的生态环境显得尤为必要。

5.1基质改良技术

恢复矿区生态系统功能, 首先要创造适合植被生长的土壤环境,土壤是植物和微生物生存的基质,矿区土壤限制植物生长的主要因素是基质结构性差、营养成分缺失。基质改良技术主要有表土覆盖与回填技术、物理法与化学法基质改良技术、生物改良技术等。

5.2物理修复技术

物理修复是用物理方法( 如隔离、固化、电动力学、热力学、玻璃化、热解吸等) 进行污染土壤的治理。

隔离法主要使用各种防渗材料, 如水泥、黏土、石板、塑料板等, 把污染土壤就地与未污染土壤或水体分开, 以减少或阻止污染物扩散到其他土壤或水体。常用的有振动束泥浆墙、平板墙、薄膜墙等。该方法常应用于污染严重并易于扩散且污染物又可在一段时间后分解的情况,使用范围较为有限。研究表明, 电动力学技术可以同时去除土壤中的多种重金属污染物, 在阴极添加乙二胺四乙酸(EDTA)能提高修复过程中的电流,强化电动力学修复效果。0.1mol/L 的:EDTA污染土壤中的总铜、总铅和总镉的去除率分别是90.2% ,68.1% 和95.1% 。朱佳文等在对湘西花垣铅锌尾矿砂中镉、铅、锌使用石灰和磷酸一铵等钝化剂后,发现对镉、铅、锌的移动性和生物有效性有明显的影响和固化效果。同时有研究表明, 向土壤中加人不同形式的磷改良剂, 能有效地将土壤中的铅从非残渣态转化成为残渣态的形式存在,从而降低土壤中铅的移动性与生物有效性。

物理修复有修复效果好的优点, 但其修复成本高, 修复后较难再农用。因此, 该方法仅适用于污染重、污染面积小的情况。

5.3化学修复技术

化学修复是指通过添加各种化学物质, 使其与土壤中的重金属发生化学反应, 从而降低重金属在土壤中的水溶性、迁移性和生物有效性。

黄细花等研究发现, 可以利用P&T 技术(抽出一处理技术)处理污染淋出液,在深层土壤添加固定剂, 能有效固定从耕作层淋下来的重金属, 且被固定的重金属很少被后期的降水等再淋洗出来, 能很好地控制对地下水造成的环境风险。朱光旭等在云南省个旧古山选矿厂尾砂库的研究发现,基于综合毒性削减指数和经济成本, 选择在1:6土水比2次洗3h的技术条件下,0.10mol /L 的:EDTA是合适的高效淋洗剂。a淀粉酶是较理想的重金属络合剂,对酸提取态、可还原态和可氧化态的重金属有一定的去除效果。铁盐、亚铁盐、铁氧化物等, 特别是硫酸高铁和硫酸亚铁能够有效降低砷的移动性和抑制植物对砷的吸收。

5.4生物修复技术

目前, 文献报道的生物修复技术主要包括植物修复技术、微生物修复技术、动物修复技术、生物材料修复技术及四者之间的组合技术, 此外, 还包括物理、化学、生物联合修复技术。

5.4.1植物修复技术

植物修复技术是指利用植物来转移、转化环境介质中有毒有害污染物, 进而使污染土壤得到修复与治理。近10年我国关于植物修复技术的成果主要表现在以下4个方面:

(1)修复植物物种库不断丰富。国内学者不断研究发现可用于修复污染土壤的植物种类, 如金丝草和柳叶箬为pb的超富集植物。王奋飞将低生物量的砷超富集植物蜈蚣草植物螯合肽合成酶基因pvpcsi转人高生物量的南芥中,构建了能修复砷污染土壤的工程植物。Chen Yun an等% 利用基因工程技术研究发现谷胱甘肽巯基转移酶(glutathi-one-s-transferase)基因可以调节植物氧化应激效应, 提尚植物对汞的富集能力。

(2)修复植物的处置技术更加环保、经济。利用富集植物修复污染废弃地, 当植物生长到一定阶段时, 要进行收获,从而产生大量重金属富集植物体。如果对这些植物处置不当, 可能产生二次污染。近年国内学者不断探索出更加环保、高效、经济的处理方法, 如植物冶金法、热液改质法、生物解吸法等。邓自祥W研究了超富集植物的“ 水热液化” 处理方法, 并用“ 水热液化” 方法处理蜈蚣草、垂序商陆、东南景天茎叶收获物,证实该方法可将绝大部分( 超过95% ) 有害重金属分离到水溶液中, 并将超过80% 的生物质转化为粗生物油, 实现了修复植物的无公害处理和资源化利用。目前, 修复植物的处置技术处于研究阶段, 在处置技术的工艺流程设计、处置效果和资源化利用方面还存在争议,这在一定程度上阻碍了植物修复技术的推广应用。

5.4.2微生物修复技术

微生物修复技术是利用微生物在适宜的条件下将污染土壤中的污染物降解、转化、吸附、淋滤除去或利用其强化作用修复污染土壤。近年来, 菌根技术已成为污染土壤修复的研究趋势,并取得了较好的效果。

张军等从某矿的酸性矿井水中分离出一株嗜酸氧化亚铁硫杆菌用于生物淋滤, 在一定条件下处理15d,使污泥中去除率Zn,Pb,Ni,Cu,Cd及Cr分别达到93.56% ,46.54 % ,85.48%,97.68% ,90.64% ,45.15% 。王红新等利用铁砂尾砂作为基质接种丛枝菌根, 试验结果表明, 菌根的接种使植物地上部分磷含量增加了2倍, 促进了植物对磷的吸收。周笑白? 利用两种丛枝菌根真菌(GZomas intraradices Glomus mosseae)进行试验, 发现两种丛枝菌根真菌均能促进PAHS污染土壤中植物的生长和PAHS降解的能力,GZomas mosseae更能明显促进植物对尚分子量的二苯并蒽的降解。国内学者认为菌根真菌与超富集植物的组合在重金属污染土壤的修复中有广泛的应用前景。

5.4.3动物修复技术

动物修复技术是指利用土壤中的某些低等动物(虫丘蝴、线虫、甲螨等)的直接作用或间接作用修复污染土壤。蚯蚓是最常用的土壤修复动物, 有学者对蚯蚓富集污染物的规律及污染物对蚯蚓的影响等内容进行相关研究,但由于土壤动物不能像收割植物那样轻易从土壤中移除, 因此目前国内仍鲜见利用动物的直接作用修复污染土壤的案例, 而大多数是利用土壤动物的间接作用强化植物、微生物的修复效果。马淑敏等利用蚯蚓一甜高粱复合系统修复镉污染土壤,发现蚯蚓可显著提高甜高粱的生物量及其对镉的吸收量, 并使土壤有效镉提高了9.8% 。目前, 动物修复技术的研究不多,尚处于起步阶段, 土壤动物更多是被用于生物指示剂污染土壤的风险评价。

5.4.4生物材料修复技术

朱清清等研究了浓度和pH值对皂角苷溶液淋洗土壤重金属去除率的影响, 发现增加溶液浓度和降低p H 值均有利于重金属的去除。生物螯合剂主要用于重金属污染土壤,刘晓娜等发现螯合剂和菌根真菌联合在某些情况下可协同强化植物修复效果。与传统化学试剂相比, 生物表面活性剂和生物螯合剂在污染土壤修复中表现出巨大优势, 但因其存在可能使污染物下渗污染地下水,对植物、微生物存在生物毒性, 造成土壤养分流失等问题, 且现阶段材料制备成本高、技术不成熟, 因此二者在污染土壤修复中的应用仍处于试验阶段, 如何克服二者在诱导污染物修复和进行土壤淋洗中的弊端是亟待解决的重要问题。

尽管生物修复技术显现出成本低、环境友好等巨大优势, 但也存在不足之处, 如植物修复速度较慢、生物很难在高度污染土壤中生存等问题。为克服上述缺点, 国内学者将物理、化学修复技术与生物修复技术进行联合修复研究,目前尚处于探索阶段, 但已有的研究结果表明, 联合修复技术具有广阔的应用前景。

5.4.5辅助修复技术

针对矿山废弃地的特征, 除了采取上述必要的物理修复技术、化学修复技术、生物修复技术外, 还需要辅助一些如边坡稳定技术、截排水措施等, 才能达到生态修复的最佳效果。

6 展望

目前, 我国正在大力推进生态文明建设和环境保护工作, 进人环境质量改善阶段, 相比于水污染治理、大气污染治理技术的市场日益成熟, 矿山废弃地修复公众关注度较小,技术也还未形成体系。做好矿山废弃地的修复, 减少废弃地的产生是重要措施和途径。在开采过程中要实现源头控制一过程阻断一末端修复全过程管理的绿色开采模式, 实现节能减排、资源综合利用和保护环境的循环经济发展模式。

可以拓宽矿山废弃地生态修复模式, 由传统的单一复绿模式, 因地制宜地发展成为农林渔牧复垦,也可以作为各类矿山公园、地质公园或矿业遗址旅游地。另外,矿山废弃地修复也可利用互联网思维探索出能有效吸引民间资本进人的商业模式, 积极推动第三方参与, 甚至实现通过后期运营获得盈利的方式。

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中国砂石协会

2018年01月09日

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