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Yonker點將臺
針對礦山重金屬面源汙染的影響以及現有研究工作的不足，永清水務牽頭承擔了國家重點研發計劃項目《重金屬廢水深度處理與安全利用技術集成示範及轉化模式》，並且負責了課題《重金屬面源汙染生態攔截與修復技術集成與產業化》，湖南農業大學為課題參加單位。本期點將臺，講述重金屬面源汙染生態攔截與修復技術研究與集成。
01
研究背景
水體重金屬汙染具有毒性大、不易被代謝、容易被生物富集並有生物放大效應的特點，是危害程度十分嚴重的水汙染問題之一。為了治理重金屬汙染，我國實施了《重金屬汙染綜合防治十二五規劃》，總體上取得良好成效。但是近30年涉重金屬產業的快速擴張造成重金屬汙染物排放總量仍處於高位水平，歷史遺留重金屬汙染問題短期解決難度大，涉重金屬企業環境安全隱患依然較為突出。
重金屬礦山的開採及其產品的利用是重金屬汙染的重災區，也是重金屬汙染的主要源頭所在。降雨和融雪產生的礦山面源汙染物對於周邊地表水、地下水和土壤都會產生嚴重的汙染，而且相對於其他礦山廢水，礦山面源汙染物的治理程度更低。在治理技術方面，相對於研究相對比較廣泛和充分的農業營養物面源汙染治理，礦山重金屬面源汙染治理在機理研究和技術開發方面都存在明顯不足。
針對礦山重金屬面源汙染的影響以及現有研究工作的不足，永清水務有限責任公司牽頭承擔了國家重點研發計劃項目《重金屬廢水深度處理與安全利用技術集成示範及轉化模式》（2016YFC0403000），並且負責了課題《重金屬面源汙染生態攔截與修復技術集成與產業化》（2016YFC0403001），湖南農業大學為課題參加單位。課題主要開展礦山重金屬面源汙染時空分布特徵與輸移轉化規律的研究，進行物化穩定化與生態攔截技術研發，並且開展技術集成和工程示範。課題研究促進了礦山重金屬面源汙染控制的技術進步，對於解決礦山行業汙染問題，實現行業可持續發展具有重要意義。
02
現有研究存在問題及發展趨勢
在礦山重金屬面源汙染治理相關的重金屬汙染土壤修復、生態攔截與人工溼地處理三個方面均開展了相應的研究工作，並且取得了一定的研究成果，應用於工程實踐也取得了一定效果。但是相對於重金屬面源汙染的特徵和治理特點，現有研究成果在關鍵技術性能、技術集成與工程實踐、技術規範等方面尚存在明顯不足。
關鍵治理技術的研究開發需要針對重金屬面源的特有規律和要求，在提高技術成效和降低治理成本方面開展進一步的研究。目前研究和應用的土壤鈍化劑大多直接利用工農業廢棄物，沒有經過進一步的加工。鈍化劑的粒徑、酸鹼度、有效成分釋放等參數對修復效果會有很大的影響，需要確定最優參數，進而對鈍化劑原料進行加工而提高修復效果。同時，礦山重金屬汙染土壤大多為多種重金屬複合汙染，因而篩選或製備同時鈍化多種汙染物的多功能穩定化材料對礦區面源治理具有重要意義。礦山重金屬面源汙染控制的主要目標是降低汙染物向周圍環境的遷移，一般情況下並不需要去除土壤中的重金屬，因此需要以高效攔截為主要目標，研究「喬-灌-草」植物配置種植模式，而且非食用的能源植物將產生良好的環境效益和經濟效益，需要開展進一步的研究。
礦山重金屬面源汙染具有複合汙染的特徵，因此需要對物化穩定化、生態攔截與人工溼地等技術進行集成，從而實現重金屬面源複合汙染的全過程控制，但是目前尚未見到這方面的研究成果。為了建立集成化的技術方案，需要考慮各單項技術在複合汙染治理中的作用和效果，單項技術耦合可能產生的相互影響問題也需要開展深入研究，集成技術的成本也是實現技術產業化的重要問題。
在技術規範方面，我國尚沒有專門針對礦山重金屬面源治理與修復的技術標準，已經建立的相關標準沒有針對礦山重金屬面源汙染特徵提出系統性的技術體系，多種技術評價方法在針對性和適用性方面存在明顯不足，無法指導建立有效的技術方案。因此，針對礦山重金屬面源汙染的特點，急需建立集成物化、生態攔截與生態修復技術的重金屬面源汙染生態攔截與修復技術規範，以填補該領域的技術標準空白。
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主要研究內容、方法和成果
3.1礦山重金屬面源的汙染特徵及環境效應
礦山重金屬面源主要來源於地表廢棄物、廢水排放和大氣降塵，其中地表廢棄物在降水作用下的淋溶和水土流失是礦山重金屬面源汙染的主要產生方式。重金屬面源汙染物在自然環境中的遷移轉化主要包括大氣汙染物遷移轉化、地表汙染物遷移轉化和水體汙染物遷移轉化三種形式。土壤中重金屬的形態分為可交換態、碳酸鹽結合態、鐵錳氧化物結合態、有機物結合態和殘渣態5種形態，前兩種形態穩定性差，在中性或酸性環境中容易浸出，而後三種形態穩定性強，不易釋放到環境中。本研究採用分布式水文模型SWAT結合重金屬面源汙染負荷模擬方法，進行了典型區域和流域兩種空間尺度的重金屬面源模擬分析，驗證了該方法對重金屬面源模擬的有效性。
Cd、Cu、Pb、As 面源負荷空間異質性特徵
3.2礦山汙染土壤重金屬複合型高效阻控材料
針對重金屬面源汙染場地中含有多種有害重金屬元素，傳統的治理藥劑純在成本高、修復周期較長、去除效果有限的問題。課題利用天然粘土礦物、和工農業廢棄物原料，研製了高效持久、低成本且環境友好的重金屬穩定化材料，最終獲得了3種穩定可靠的土壤重金屬汙染修復藥劑：建築廢物資源化重金屬穩定劑、礦物材料重金屬穩定劑以及重金屬離子礦化穩定劑，藥劑對重金屬修復效果高效、穩定，並對植物生長具有積極的作用。礦物材料、建築垃圾重金屬穩定劑對重金屬的固化效果明顯，能顯著降低土壤中重金屬的有效態含量；礦山重金屬汙染離子礦化穩定劑針對礦山重金屬汙染特點，採用多種礦物質作為原料，可實現重金屬離子礦化穩定化，藥劑可針對多種重金屬實現汙染物的長期穩定化，形成一套離子礦化穩定化處理的獨特工藝。
不同添加比例水泥渣的複合調理劑對土壤中鎘形態的影響
3.3礦山重金屬面源汙染生態攔截技術
本課題通過本土適生生物物種選育，開展了生物對土壤中重金屬吸收、吸附、拮抗能力試驗，評估了植物的吸收和攔截能力，篩選了桑樹、景天、花生、甜菜和油葵等5種本土重金屬高效攔截的植物。研究結果顯示，桑樹有較好的重金屬富集效果，東南景天—花生和紅葉甜菜—油葵兩種作物模式對輕中度重金屬汙染土壤修復效果明顯。根據典型區域地理特徵和汙染狀況，課題通過資料調研、實驗研究建立了「喬—灌—草（農作物）」的優化配置，可以同時發揮植物富集和減少水土流失的作用，有效阻斷重金屬的遷移。
不同作物品種Cd提取總量（mg/㎡）
3.4重金屬面源汙染的生態攔截與修復技術集成與示範
基於礦山重金屬面源汙染強度大、範圍廣，汙染隱蔽、間接危害大，滯後性、不可逆性，治理難度大、費用高的特點，課題進行了物化穩定化、重金屬面源汙染土壤生態修復的植物篩選和群落構建、重金屬水體生態修復的技術集成。課題研究突破了多模式耦合的關鍵技術，形成了重金屬面源汙染生態攔截與修復技術集成示範。示範工程採用重金屬土壤穩定劑、喬灌草種植體系、生態攔截溝渠、人工溼地等課題研發技術對重金屬面源汙染進行「源頭控制、過程攔截、末端強化」的全過程生態治理。通過集成藥劑穩定、植被修復、生態攔截、人工溼地等多項技術構建了以物化穩定和多空間生態攔截耦合模式和技術體系。示範工程監測結果表明，此技術體系可保證可靠的治理效果，同時工程投入和成本相比一般場地治理技術而言有大幅度下降，具有較高的經濟效益，具有較高的工程推廣應用價值。
工程示範的技術框架
3.5礦山重金屬面源汙染生態攔截與修復技術規範
基於技術體系研究和工程示範，課題提出以源頭阻控為主，以過程攔截、末端強化為輔的汙染控制策略，建立了具有適應性管理特徵的《礦山重金屬面源汙染生態攔截與修復技術規範》，並且經過湖南省環境治理行業協會組織的評審，作為團體標準發布實施。技術規範的制定可以有效提高礦山重金屬面源治理的科學性、針對性和有效性，對於礦山水汙染防治可以發揮技術指導作用，具有重要的環境、經濟與社會意義。
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示範工程及主要技術參數
在重金屬面源汙染生態攔截與修復關鍵技術研究的基礎上，課題選取位於湖南省瀏陽市的某硫鐵礦廢棄露天採礦場進行了工程示範。示範工程面積約為12000平米，所在區域存在黑土型金銀礦露採場地裸露汙染場地，汙染場地尚未進行處理，存在對水體的汙染，特別是遇到降雨，地表產流和土壤滲濾液兩部分出水進入水渠，對附近河道產生汙染，因此需要對場地的重金屬汙染進行攔截和修復，逐步恢復場地的生態環境，減少進入周邊環境的汙染負荷，改善水體和土壤環境質量。
本研究採取「源頭控制、過程攔截、末端強化」相結合的原則，包括面源汙染物產生過程的控制，汙染物遷移過程中的攔截以及末端通過溼地系統進行強化處理等多種方式進行綜合治理，實現在示範區範圍內面源汙染物的控制。
工程示範區技術工藝過程
工程示範區治理前
工程示範區土壤穩定化和生態修復治理後
工程示範區生物濾池攔截面源汙染物
工程示範區人工溼地末端強化重金屬面源治理效果
示範區各項工程措施實施完成後，採集現場土壤樣品進行了浸出實驗，同時在現場採集水樣，檢測面源重金屬汙染物濃度以及泥沙含量，在此基礎上分析工程示範區重金屬面源治理的效果。
監測結果顯示，在經過重金屬離子礦化穩定劑作用後，土壤浸出液中重金屬離子含量均有大幅度下降，其中Cd下降89.76%、Cu下降99.7%、Fe下降99.7%、Mn下降91.3%、Pb下降98.7%、Zn下降96.2%。修復後的土壤浸出液重金屬濃度基本滿足地表IV類標準。生態攔截系統經過一個月的養護後，其出水基本達到了地表水四類標準，同時此過程中水質處於逐步變好的過程。主要汙染物錳、鐵、銅、鋅的消減量均較高，其中錳和銅的削減率最高，特別是6月底的結果顯示，大部分汙染物的削減率在70%以上，Pb的消減率也到了25%以上。
土壤浸出液汙染物濃度及削減率
生態攔截工程汙染物消減率
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技術適用範圍
重金屬面源生態攔截與修復技術體系主要適用於礦山重金屬面源汙染的生態攔截與修復工程，其他類型的重金屬面源汙染控制可參照採用其中的單項或幾種技術組合。本課題建立的技術標準規定了礦山重金屬面源生態攔截與修復工程的基本原則和工作程序、監測與評價、汙染評價、方案設計、維護管理等技術要求，可以作為制定技術方案的依據。
文章來源：永清環保
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