1 矿山生态修复研究背景

我国是世界矿业大国,矿产资源开发促进了我国社会经济的发展。 然而,各种矿山的开采也带来了严峻的环境问题(),主要包括环境污染、生态环境问题和地质环境问题[]。 相关报道表明[-],在大部分矿区,由于开采后缺乏科学管理,我国矿山地质灾害频发,生态环境破坏问题也十分严重。 这不仅威胁人民生命财产安全,也给国民经济造成严重损失。 因此,矿山开采后的生态恢复刻不容缓。

表1(表1)

表1 采矿造成的环境问题

表1 采矿造成的环境问题

环境问题

污染类型

环境污染

空气、水、固体、辐射和土壤污染

生态破坏

树木砍伐、水土流失、生物多样性减少

地质灾害

坝体垮塌、边坡失稳、水位下降、垮塌变形

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生态修复是指停止对生态系统的干扰和破坏,因地制宜、因地制宜地进行治理,利用生态系统的自我修复功能,采用人工干预措施,使被破坏的生态系统恢复到预期状态或移动生态系统。走向良性循环。 的发展方向,从而实现生态、经济和社会的综合效益。 预期状态是指:(1)将受损的生态结构尽可能恢复到破坏前的状态; (二)人为地促进生态系统的发展,最终使其服务于人类的某些需求; (3)将其修复成另一种能与环境融合共生的状态。 因此,矿山生态恢复是保护矿区居民根本利益的有效途径。

2 矿山生态修复技术

生态修复技术统筹环境污染综合治理和生态系统修复两大战略。 它以生态原理为基础,融合物理、化学工程和生物技术,以低成本达到最佳效果。 目前,国内外学者对矿山采后生态恢复主要关注物理恢复、化学恢复、生物恢复、联合恢复四个方面。

2.1 物理修复技术

物理修复技术是通过隔离、电动力、换土、覆盖等物理手段控制采矿造成的环境污染。

隔离法是指利用水泥、石板等防渗材料将污染土壤或水土隔离,防止污染物扩散到周围环境中。 电动力法是将电极插入污染土壤,输入电流,利用电渗析、电泳等原理使污染物迁移的过程。 通常用于同时去除土壤中的多种重金属。 周明等. 【】在阴极槽中添加乙二胺四乙酸(EDTA),显着增大了物理修复过程中的电流,加强了电动修复效果; 添加0.1 mol/L EDTA后,污染土壤中的Cu、Cd去除率分别可达90.2%和95.1%。 另一项研究表明,提高电压和EDTA用量可以提高铜尾矿中铜的去除率[]。 在我国,表土回填技术也是污染土壤物理改良的常用方法。 该技术将表土(0~60cm)分离并储存,采矿后回填时回收覆盖; 或者直接从外地运来未受污染的土壤使用[]。 表土回填技术的主要目的是保持矿区表土的结构、养分、水分以及微生物和动物群落,使其成为可以生长植被的优质土壤。 在我国鞍山、承德市的几个矿区,用新土覆盖污染土壤表面的物理修复方法取得了良好的效果。 我国铁尾矿中往往含有较高含量的N、P、K等元素。 因此,铁尾矿修复往往采用半新土覆盖的方式。 这种方法需要将新土与尾矿砂按一定比例混合,然后覆盖。 铁尾矿表面[]。 不仅可以优化土壤的理化性质,还可以降低大量新土的使用成本。 当覆盖新土与铁尾矿的质量比为1,再分析为1时,可以获得可观的生物多样性和均匀性指数,但新土层的稳定性与降水特征、坡度、边坡特征以及覆盖土密切相关厚度。 有关的[]。

物理修复方法因其操作简单、不易造成其他负面影响等优点,在我国矿山修复中得到广泛应用,但也存在一定的局限性。 其中,隔离法的使用范围有限,通常仅适用于土壤已受到严重污染且土壤中的污染物易于迁移和分解的情况。 换土法和覆盖法成本较高,且占用大量土地。 虽然尾矿经过土壤修复后可以达到农业土壤质量标准,但也需要人力和大量新土,而且新的取土面积也可能会影响原生态。 造成破坏和干扰,该方法适用于污染面积较小的修复工程。 电动力法适用于导电性良好的土壤,但该方法消耗大量能源,且易受电极和土壤成分复杂的影响,使其无法充分发挥其技术优势。

2.2 化学修复技术

化学修复一般有两种主要形式:(1)通过水或化学试剂从土壤中浸出重金属,促进重金属的分析,将其从固相转移到液相; (2)或采用添加固化剂等化学方法抑制。 或降低污染物的水溶性、流动性和生物有效性。

常用的浸出液有酸液、盐液(CaCl2、NaCl等)、表面活性剂(鼠李糖脂等)[]。 土壤中具有化学活性的金属氧化物,例如氧化铁,只需用水清洗即可溶解。 然而,酸性溶液的使用会对土壤产生严重影响[]。 酸性淋洗液一般用于溶解土壤中的铝、硅和其他氧化物。 氧化铝的溶解效果远高于氧化硅[]。 研究表明,使用乙二胺四乙酸(EDTA)淋洗液去除土壤重金属时,土壤有机质含量也会下降,表明酸淋洗过程中可以释放与有机质或无机氧化物结合的重金属[]。 刘等人。 []利用2 M HCl对土壤中的Cr、Pb、Zn、Cu、Cd进行浸出,发现HCl可以改变各重金属的形态,从而达到更好的去除效果。 各重金属去除率为80.75%。 %、88.69%、98.00%、79.33% 和 95.52%。

在化学修复过程中,最常用的方法是通过添加改性剂等来固化或钝化重金属,以减少或抑制重金属造成的污染风险。 石灰石、碳酸氢盐、磷肥等是土壤重金属污染修复常用的化学改良剂。 添加石灰、(NH4)3PO4等钝化剂不仅可以改变尾矿的pH值,而且可以加强铅锌尾矿中重金属离子的稳定作用[,]。 黄等人。 【】采用P&T萃取处理技术治理矿山重金属污染。 当添加混合有机络合剂(柠檬酸,然后分析味精废液,然后分析EDTA,然后分析KCl=10,然后分析1,然后分析2,然后分析3(摩尔比))时深层土壤,可以有效固定从耕作层淋滤出来的重金属,这种固定作用具有长期效果,可以防止重金属造成地下水污染的风险。 谢等人。 【磷酸二氢钾、氯化钾和生石灰按一定比例混合,稳定铅锌矿区污染土壤。 实验结果表明,随着固化剂的加入,重金属离子与Ca、P、PO43-、OH-反应,形成相互交联的稳定络合物,如Ca-P-Pb沉淀、PbHPO4、Pb- PO4-Cl/OH和混合沉淀Fe-PO4-Ca-Pb-Zn-OH等。通过包裹,最终降低了重金属离子的含量。 除了上述常用的化学稳定剂外,α-淀粉酶也是一种理想的重金属络合剂。 对酸可萃取态、可还原/可氧化态等多种形态的重金属都有一定的去除率。 []。 此外,铁盐、铁氧化物等含铁物质可以有效固定As,减少植物根系对As的吸收[]。

另外,通过在矿区土壤中添加肥料,使重金属与其发生反应,形成沉淀物,不仅降低了土壤中重金属的生物有效性,而且提高了尾矿区的肥力,这是另一个优势。恢复尾矿生态环境的重要途径[1]。 研究表明,添加磷肥可以显着将土壤中非残留的铅转化为残留形式,从而固定矿区污染土壤中的Pb,降低其生物有效性[]。 然而,一些重金属的可提取状态会因某些肥料的添加而增强,有些改良剂甚至可能引起植物中毒[]。 在尾矿中添加污泥、畜禽粪便、秸秆等有机废弃物,可以有效提高尾矿的肥力,降低重金属离子的生物有效性。

化学修复方法见效快,受自然因素影响较小。 但值得注意的是,淋滤方式极易影响土壤肥力,并可能对地下水造成二次污染。 一般适用于孔隙大、污染严重的土壤。 虽然固化/螯合处理效果良好,但在修复过程中,一些络合物常年沉淀在土壤中,难以排放和去除。 极有可能成为新的污染源,对土壤造成二次污染。 处置不当会造成采矿,因此需要配合其他处理方法,并对处理地点污染物的释放情况进行长期监测。 另外,增施肥料适用于低风险污染地区,常与其他处理方法配合作为辅助方法。 而且当污染面积过大时,修复成本就会增加。

2.3 生物修复技术 2.3.1 植物修复

植物修复是金属矿山生态修复中最有前景的技术之一。 植物修复主要依靠在废弃矿山地表种植适宜稳定的本地树种和外来绿色植物,在一定程度上防止水土流失。 同时去除废弃矿区污染物,利用植被的植物富集、稳定和稳定作用。 根际过滤功能可以逐步改善受损的矿山生态环境,改善土壤理化性质,增加动物和微生物的多样性。 最终目标是让矿山生态系统回归良性循环。 但由于矿井土壤结构较差,养分流失较多,重金属毒性较大,植物的选择尤为重要。 用于植物修复的植物应具有生长容易、抗旱性强、耐瘠薄性强、根系繁殖充分、生物量大等特点。 草本、木本植物广泛应用于矿山荒地生态修复。

目前矿区生态修复所用植物主要为草本植物。 矿区经过人工开采,土壤养分相对缺乏,重金属污染严重。 在矿井土壤上种植草本植物,不仅可以改善因采矿活动而降低的土壤肥力,还可以富集稳定土壤中的重金属,改善矿井土壤基质。 研究人员利用黄花、苜蓿、苜蓿等豆科植物对矿山土壤基质进行修复。 结果表明,3种草本植物通过共生固氮作用可显着提升土壤肥力指数,且随着种植时间的不断延长,荒地土壤肥力综合指数逐渐升高。 此外,土壤中的重金属等污染物逐渐从土壤转移到植物中。 苜蓿根主要富集Zn、Pb、Ni等元素,而苜蓿根可富集Cu、Zn[]。 然而,草本植物通常身材矮小,生物量不足,限制了其在土壤中重金属的积累总量。 以草本植物为主的生态系统抗逆能力较差,难以应对突发的极端气候条件。

相比之下,木本植物凭借生物量大、抗逆性强、根系发达等优势,逐渐成为矿山生态植物修复的研究趋势。 木本杨梅、沙棘等具有较强的固氮能力,可显着改善矿区贫瘠土壤[,]。 通过植物提取或稳定化,木本杨柳科植物可以有效吸收和富集土壤中的重金属。 其枝叶对镉的吸收量超过20毫克/公斤。 不断生长的幼苗可以肥沃土壤。 产品中镉含量降低0.6-1.2毫克/公斤。 此外,杨柳科植物对汞和铜也有非常显着的富集作用,最高富集量分别达到233.77 mg/kg和1 649.06 mg/kg[]。 此外,其他木本植物修复矿山荒地的研究也受到广泛关注。 银合欢、桑树、臭椿等已成功用于废弃矿山的现场修复,对Cd、Pb、Cu有显着的富集效果[]。

植物修复技术是一种原位修复技术。 修复效果好,成本低,修复过程不易造成二次污染。 植被形成后,可以起到防风沙、固土、减少水土流失的作用。 是目前矿山修复中最具应用前景的技术之一。 可广泛应用于矿山废弃地的生态和景观恢复。 然而,植物修复也有一定的局限性。 尽管耐受植物可以显着超积累重金属,但修复过程主要依赖于生物过程。 它们的生长缓慢导致修复周期较长。 它们只适合表层修复,对于深层污染的治理能力相对较弱。 此外,矿山荒地土壤普遍含有多种同时超标的污染物,而植物往往只对某些污染物有良好的修复效果。 当重金属在植物体内积累到一定程度时,就需要进行收获和处理。 然而,焚烧、热解等传统处置技术容易造成二次污染。 处置过程的工艺设计尚未完全成熟,处置效果和资源最大化利用尚未完全成熟。 在利用方面仍存在一些瓶颈需要克服。

2.3.2 动物康复

动物修复技术是改善矿山废弃地基质的新兴技术。 主要利用土壤动物及其微生物的生命活动和生理代谢来改善贫瘠土壤的理化性质和营养状况。 研究人员发现,蚯蚓、蜘蛛等土壤动物不仅能耐受土壤中极高浓度的重金属,还能通过吞咽有效富集重金属。 另外,蚯蚓在土壤中的运动,可以通过自身的分泌物搅动土壤,疏松板结的土壤,丰富土壤养分,增加土壤肥力,而且它们在土壤中的生长还能促进土壤团聚体的形成,使土壤保持良好的通风和透水性。 西伯利亚爱胜蚓在最佳条件下驯化后,对污染土壤中的重金属具有较强的提取作用。 此外,土壤动物不仅可以直接富集重金属,还可以与周围的植物、微生物或其他动物相互作用,起到调节者的作用。 例如,土壤动物在土壤中的生长、迁徙等生命活动和生理代谢,可以显着加快土壤微生物在地下环境中的迁移速度,从而促进微生物对土壤基质的改良。 而且,土壤中的有机物在土壤动物的摄食和消化下,也能分解转化为有机酸,不仅更容易被植物吸收,还能使土壤中的重金属失活,失去毒性。 。

动物恢复技术在矿山废弃地生态系统修复中的发展趋势是将土壤动物释放到废弃地污染土壤中,以提高传统土壤生物处理技术的修复效果和速度。 目前国内外的研究主要集中在土壤动物的生态作用和环境指示作用方面。 然而,土壤动物富集土壤重金属、改善土壤质量的能力却鲜有研究。 因此,土壤动物修复技术需要进一步研究和开发。

2.3.3 微生物修复

微生物修复技术是指利用原生微生物或人工驯化的微生物在适宜的环境条件下,通过自身代谢降低土壤中有毒有害污染物的活性,改善土壤质量的修复技术。 微生物主要通过氧化还原、吸附、沉淀、甲基化或去甲基化等方式对土壤中的有害物质进行解毒[]。 例如,由于采矿而形成的酸性矿山废水中的大量硫酸盐可以被天然硫酸盐还原菌还原和去除。 同时,还原产物还能与废水中的重金属形成沉淀,达到协同修复效果。 实验室连续流实验结果表明,当进水pH值为5.00、水力停留时间为18 h时,硫酸盐还原菌的硫酸盐还原率可达46.10%。 与此同时,进水中的铜、锌、铁浓度分别下降了99.46%、99.68%和96.40%。 而且微生物可以利用土壤中的有机肥料和动植物尸体分解成腐殖质,对大气中的N2进行生物固定,从而改善土壤的理化性质。 研究表明,矿山荒地贫瘠土壤可以通过固氮细菌与豆科植物的共生,将大气中的无机氮转化为有机氮并固定到荒地土壤中。 此外,菌根技术在矿山修复中的应用也逐渐受到青睐并取得了一定的成效。 例如,丛枝菌根真菌可以分泌有机酸代谢物和配体来溶解和固定土壤中的重金属[]。

微生物修复技术可用于矿山废弃地的现场修复,节省改良成本。 由于是自然强化过程,环境负担小,能最大限度降低污染物浓度。 它已被用于荒地土壤基质的改良。 初步结果具有广阔的应用前景。 但矿山生态微生物修复条件恶劣、改善周期长。 特定微生物一般只能解毒单一污染物。 微生物的选择容易受到环境条件的限制,不适合大规模的污染治理。 微生物修复技术是一个复杂的修复工程,目前的处理模式和能力还存在较大的局限性。

2.4 接头修复技术

在实际矿山生态修复中,单一的修复技术往往存在一定的局限性,不能满足修复需求。 通过开发综合多种修复技术的联合修复技术,优势与劣势互补,达到更好的修复效果。 常见的有物理-化学联合修复技术、微生物-化学联合修复技术、植物-化学联合修复技术、植物-微生物联合修复技术等。 物化联合修复技术可以充分发挥物理和化学修复的快速优势,通过固化/稳定化的方式直接消除矿山废弃地中的有毒有害物质。 常见的有水泥-石灰固化/稳定修复技术和水泥-火山灰固化/稳定修复技术。 这种组合修复技术成功的关键因素是选择合适的结合剂,能够与废物场土壤基质中的重金属或其他污染物产生特定的混合效果。 化学浸出-微生物联合修复可以通过向土壤中注入化学浸出溶剂,促进有毒物质的溶解、迁移和分离,同时增强微生物对污染物的捕获能力和利用率,提高生物修复效率。 另外,可以在土壤中添加表面活性剂,增加土壤中疏水性物质的溶解度,促使污染物从固相分布到表面活性剂的胶束相中,同时也增强微生物的膜通透性,使微生物能够提高效率。 易于修复和解毒[]。 化学-植物修复技术通过在土壤基质中添加螯合剂来促进植物修复,可以显着增强土壤中有害物质的解毒作用。 研究发现,矿山荒地土壤中的重金属可以与EDTA、DTPA等螯合剂形成可溶性络合物,从而增加植物对重金属的富集和积累。 植物-微生物联合修复技术可以通过接种特定微生物来协同补充植物根系,增强植物修复效果。 根瘤菌的生物固氮作用可以有效促进植物对氮的吸收。 菌根真菌的生命活动和生理代谢可以将水、酶等物质输送到附近的植物,从而影响植物的生长,并影响土壤重金属的转化、迁移和地球化学行为,从而提高植物对重金属的耐受性和浓缩能力。 研究表明,将植物促生长菌(PGPB)接种到土壤中,可以通过代谢活动促进宿主植物侧根的形成,从而提高镉的生物修复效率。

联合修复技术如今已大受欢迎,在改善矿山荒地土壤基质方面取得了一定的成效。 通过同时应用两种或多种修复技术,产生协同效应,极大地突破了单一修复技术的局限性,提高了资源利用率,增强了生态修复效果。 因此,协同综合生态修复技术的发展必然成为未来矿山生态修复的主流研究趋势。 然而,关节修复技术的研究大部分仍处于实验室阶段。 各种修复技术的协同组合是一个极其复杂的生化过程。 其现场应用比单一修复技术更容易受到环境因素的影响。 而且,这项技术要求操作者对每一项单项技术都有一定的操作经验,增加了一定的操作难度。 因此,关节修复技术的广泛推广还需要进一步研究。

3 结论

近年来,矿山生态修复技术逐渐在我国引起重视。 土基法是目前我国应用最广泛、最有效的治理技术,而植物修复则是最具应用前景的技术之一。 然而,利用微生物的技术仍处于实验室研究阶段。 然而,退化的矿山生态环境无法通过单一方法轻易彻底恢复,多种修复技术的综合运用可能是未来的趋势。 在矿山管理方面,应加强尾矿实时监测,完善相关法规和标准。 矿山生态修复和污染治理是矿业可持续发展的前提和基础。 因此,未来应完善修复技术和管理体系,促进我国采矿业的可持续发展。

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