改良剂对铅锌尾矿砂重金属形态的影响

2014-12-22 11:47黄凯张学洪张杏锋
湖北农业科学 2014年21期
关键词:改良剂重金属

黄凯+张学洪+张杏锋

摘要:采用改良剂(有机肥、泥炭、土壤)与铅锌尾矿砂混合的试验方法,通过改进BCR法连续提取As、Zn、Pb、Cu的化学形态,评价改良剂对尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的移动性和生物有效性的影响,降低铅锌尾矿砂的重金属污染风险。结果表明,尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu总量高,分别为255.44、9 445.67、1 296.02和61.93 mg/kg,重金属主要以残渣态>可氧化态>可还原态>弱酸提取态的形式存在。改良剂与铅锌尾矿砂混合后,As、Zn、Pb、Cu的总量、弱酸提取态所占比例得到降低,其中有机肥和泥炭能显著提升重金属的可氧化态所占比例,使重金属稳定性得到增加,达到降低重金属危害的目的。

关键词:尾矿砂;改良剂;重金属;化学形态

中图分类号:X53          文献标识码:A          文章编号:0439-8114(2014)21-5126-05

DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.21.018

Effects of Amendments on Heavy Metal Speciation of Lead-zinc Mine Tailings under Sequential Extraction Procedure

HUANG Kai1,2, ZHANG Xue-hong1,2, ZHANG Xing-feng1,2

(1. Guilin University of Technology/Guangxi Scientific Experiment Center of Mining,Metallurgy and Environment,Guilin 541004,Guangxi,China;2.College of Environmental Science and Technology/Guangxi Key Laboratory of Environmental Pollution Control Theory and Technology,Guilin University of Technology,Guilin 541004,Guangxi,China)

Abstract: Optimized BCR sequential extraction procedures for different chemical fractions of metals were used to evaluate the effects of these amendments on the mobility and bioavailabity of As, Pb, Zn and Cu in the tailings. The chemical fractions of As, Pb, Zn and Cu in tailings were 255.44 mg/kg,9 445.67 mg/kg,1 296.02 mg/kg and 61.93 mg/kg, respectively. Heavy metals were mainly in the forms as residual>oxidizable>reducible>acid-extractable. The total amount and acid-extractable proportion of As, Zn, Pb and Cu were reduced after adding amendments. Organic fertilizer and peat significantly improved the proportion of oxidizable heavy metals and made the metals more stable, which can reduce the hazards of heavy metals.

Key words: mine tailing; amendment; heavy metal; chemical fractions

尾矿砂是指在选矿过程中,通过粉碎、定向化学浸提和浮选后被遗弃的矿石提取残余物,堆积在尾矿库中,其主要成分为沙粒和粉粒,其特点是基质不稳定、重金属含量高、养分贫瘠和植物覆盖率低等[1,2]。世界各国每年排出的尾矿量超过50亿t[3],而我国每年产出尾矿砂约3亿t[4],由于尾矿砂的水蚀风蚀现象严重,在其长期堆放过程中重金属会随着雨水和扬尘扩散,污染周边的土壤和水体,严重危害生态环境,威胁人体健康。

近年来,重金属原位钝化的修复方法得到了国内外学者的广泛关注,实际应用也比较广泛。这种修复方法主要是基于污染物化学行为的改良措施,施入一种或多种改良剂、抑制剂等化学物质,通过对重金属的吸附、沉淀、络合、氧化还原等一系列物理化学作用,改变重金属的存在形态,降低其生物有效性和迁移性,从而降低重金属污染物对环境中动植物的毒性,达到修复重金属污染的目的[5-7]。改良剂修复法具有成本低廉、操作简单、改良剂来源广泛等优点,具有潜在的经济价值,能用于大面积重金属污染的治理[8,9]。

本研究选用重金属毒性高的铅锌尾矿砂为试验材料,将铅锌尾矿砂与有机肥、泥炭和土壤按一定比例混合,采用改进的BCR法研究改良剂对铅锌尾矿砂中重金属化学形态的影响,为探寻适合多种重金属复合污染的铅锌尾矿砂的原位钝化技术和生态修复方法提供理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验材料

供试铅锌尾矿砂采自广西省河池市环江某铅锌矿尾矿库,风干后过20目筛和100目筛备用;土壤采自桂林理工大学校园内,风干后过20目筛和100目筛备用;有机肥均取自桂林当地农户;泥炭购于桂林市花鸟市场。供试铅锌尾矿砂和土壤重金属含量如表1所示。

1.2  试验方法

本试验共设置8个处理(表2),按不同质量比加入尾矿砂、有机肥、泥炭和土壤进行混合,每个处理设3次重复,共24盆。①对照(CK):只加入尾矿砂;②尾矿砂+泥炭+有机肥(A):有机肥猪粪∶草木灰质量比为=4∶1,按有机肥25%+尾矿砂75%混合后,再加入泥炭10%;③尾矿砂+少量泥炭(B1):泥炭施加量为尾矿砂质量的5%;④尾矿砂+少量泥炭(B2):泥炭施加量为尾矿砂质量的10%;⑤尾矿砂+泥炭+清洁土壤少量(C1):按清洁土壤25%+尾矿砂75%混合后,再加入泥炭10%;⑥尾矿砂+泥炭+清洁土壤中量(C2):按清洁土壤50%+尾矿砂50%混合后,再加入泥炭10%;⑦尾矿砂+泥炭+清洁土壤大量(C3):按清洁土壤75%+尾矿砂25%混合后,再加入泥炭10%;⑧土壤(KB):只加入土壤。施加改良剂混合后平衡一周,取适量的改良剂和尾矿砂混合物风干后过20目筛和100目筛备用。

1.3  样品分析

尾矿砂及其与改良剂组合的pH采用土水比10∶2.5,用酸度计测定。尾矿砂及其与改良剂组合的As、Pb、Cu、Zn形态含量的测定。采用改进BCR法提取[10](表3),分为弱酸提取态(T1)、可还原态(T2)、可氧化态(T3)和残渣态(T4)。尾矿砂及其与改良剂组合的As、Pb、Cu、Zn全量采用HNO3-H2O2电热板消解,所有重金属含量用ICP-OES(PE-Optima7000DV,美国)测定。用标准土样GBW07407(GSS-7)砖红壤进行质量控制,As回收率为94.8%,Zn回收率为98.3%,Pb回收率为96.7%,Cu回收率为99.0%。所用容器均用10% HNO3浸泡24 h后使用,避免重金属污染的各种可能性。

1.4  数据处理

所有数据使用统计软件SPSS 19.0和 Excel 2007进行方差分析和多重比较。

2  结果与分析

2.1  不同改良剂对尾矿砂中As形态的影响

试验铅锌尾矿砂中As总量为255.43 mg/kg。尾矿砂中As的形态组成如表4所示。由表4可知,各种化学形态比例大小顺序为残渣态(87.85%)>可氧化态(6.62%)>可还原态(2.97%)>弱酸提取态(2.56%)。如图1所示,尾矿砂中As主要以残渣态存在,其迁移能力较低,生物利用率低,但其潜在的危害不能忽视。添加不同改良剂与尾矿砂进行混合后,各个处理的As总量都有所降低,降低幅度为6.93%~77.86%,因此,各个处理中As的总量得到有效的控制。As在各个处理中均以残渣态(T4)为主,达到86.65%~92.61%。弱酸提取态(T1)迁移性强,容易被生物直接利用,添加改良剂后各个处理中As的弱酸提取态(T1)占其处理中As总量的百分比得到了有效降低,降低幅度为6.25%~40.63%,进而减弱了As对外界环境的毒害作用。尾矿砂与改良剂混合后,As主要化学形态向可氧化态(T3)与残渣态(T4)转化,有机肥与尾矿砂混合(A)后,As可氧化态(T3)明显上升,可氧化态(T3)有较高的稳定常数,减低了As的迁移能力。

2.2  不同改良剂对尾矿砂中Zn形态的影响

供试铅锌尾矿砂中Zn总量为9 445.67 mg/kg。尾矿砂中Zn的形态组成如表5所示,由表5可知,各种化学形态比例大小顺序为残渣态(69.73%)>可氧化态(16.38%)>弱酸提取态(6.97%)>可还原态(6.92%)。改良剂与尾矿砂进行混合后,虽然各个处理Zn的总量都有所降低,降低幅度为4.77%~60.39%,但各处理Zn总量还是相对偏高。Zn在各个处理中均以残渣态(T4)为主(图2),达到54.54%~79.44%。KB处理土壤中Zn弱酸提取态(T1)和可还原态(T2)相对较高,分别达到19.69%和20.09%,在一定条件下,容易被生物利用,但因其总量较低,危害相对较弱。改良剂与尾矿砂混合后,尾矿砂中Zn的弱酸提取态(T1)占其处理中Zn总量的比例得到了有效降低,降低幅度为9.76%~33.43%,进而削弱了Zn对动植物的危害。尾矿砂与有机肥和泥炭(A)混合后,Zn可氧化态(T3)所占比例增加,尾矿砂与土壤混合的3个处理(C1、C2、C3)均提升了Zn残渣态(T4)占总量的比例,减低了Zn的迁移能力。

2.3  不同改良剂对尾矿砂中Pb形态的影响

试验铅锌尾矿砂中Pb总量为1 296.03 mg/kg。尾矿砂中Pb的形态组成如表 6 所示。由表6可知,各种形态所占比例顺序为残渣态(71.14%)>可氧化态(14.56%)>可还原态(8.22%)>弱酸提取态(6.08%)。改良剂与尾矿砂进行混合后,各处理中Pb的总量大部分与CK相比有所降低,降低幅度为18.05%~52.87%,但C1处理中Pb总量上升了8.67%,原因可能是所用土壤中Pb总量较高。如图3所示,Pb在各个处理中均以残渣态(T4)为主,达到66.11%~75.01%。改良剂与尾矿砂混合处理中(B2除外),尾矿砂中Pb的弱酸提取态(T1)占其处理中Pb总量的百分比有所降低,降低幅度为0.99%~24.18%, Pb的生物可利用性得到了降低。尾矿砂与改良剂混合后,Pb可氧化态(T3)含量增加(C1除外), C3中Pb可氧化态(T3)含量增加最为明显。

2.4  不同改良剂对尾矿砂中Cu形态的影响

试验铅锌尾矿砂中Cu总量为61.93 mg/kg。尾矿砂中Cu的形态组成如表7所示,由表7可知,各种化学形态比例顺序为残渣态(74.36%)>可还原态(10.03%)>可氧化态(8.41%)>弱酸提取态(7.20%)。改良剂与尾矿砂进行混合后,各个处理Cu的总量大部分有所降低(C1、C2除外)。由于土壤中Cu含量与尾矿砂中Cu含量相近,土壤与尾矿砂混合后的3个处理的Cu含量没有较大变化。Cu在各个处理中均以残渣态(T4)为主,达到59.11%~75.88%。改良剂与尾矿砂混合后,大部分尾矿砂中Cu的弱酸提取态(T1)比例有所增加(B2除外),主要以土壤和尾矿砂混合的组合(C1、C2、C3)增加最为明显。尾矿砂与有机肥和泥炭混合(A、B1)后,提升了Cu的可氧化态(T3)含量比例,提升了Cu的稳定性;而土壤与尾矿砂混合(C1、C2、C3)则降低了Cu可氧化态(T3)占总量的比例,Cu的稳定性下降,生物可利用率增加。

3  小结与讨论

1)供试铅锌尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的含量高,对周边环境具有极强的生态风险。尾矿砂中As、Zn、Pb主要以残渣态>可氧化态>可还原态>弱酸提取态的形式存在,Cu则以残渣态>可还原态>可氧化态>弱酸提取态的形式存在。

2)采用有机肥、泥炭、土壤与铅锌尾矿砂按一定比例混合后,As、Zn、Pb和Cu的总量、弱酸提取态得到降低,有机肥和泥炭能显著提升重金属的可氧化态,使重金属稳定性增加,从而起到固定重金属的效果,达到降低重金属危害的目的。

3)改良剂与铅锌尾矿砂混合的生态修复方法是否能在野外实践中取得较好的效果,还需要进一步研究。同时,改良剂与铅锌尾矿砂混合不仅需要对重金属有较强的稳定作用,而且需要保持长期有效,因此必须继续开展改良剂对As、Zn、Pb和Cu更长时期的稳定效果研究。

综上所述,铅锌尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的总量较高,对附近农田、环境、人类健康均构成巨大的危害。试验采用改进BCR法进行重金属形态分析,其中弱酸提取态(T1)其键合力微弱,在中性和酸性条件下极易释放,最容易被生物吸收;可还原态(T2)主要通过吸附或共沉淀作用积累重金属,这些作用机制对氧化还原条件敏感,在还原条件下该结合态重金属被活化;可氧化态(T3)为有机物及硫化物结合态金属,总体较稳定;残渣态(T4)能长期稳定在沉积物中,基本不为生物利用[11]。由试验结果可知,铅锌尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的残渣态含量所占比例最高,主要以残渣态>可氧化态>可还原态>弱酸提取态的形式存在,其中As、Zn、Pb和Cu总量较高,对环境威胁较大。本研究中,不同的改良剂与尾矿砂混合,不仅能够有效降低尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的总量,而且显著减弱尾矿砂中各种重金属的生物可利用率,进而降低其对环境和人类的危害。此外,各个处理对尾矿砂中重金属弱酸提取态比例起到一定的降低作用,其中有机肥、泥炭与尾矿砂混合后,重金属的可氧化态含量显著增加,说明有机物料中的有机质可与重金属发生反应,起到吸附和螯合作用,从而降低了重金属的迁移能力[12]。

参考文献:

[1] 衣德强,尤六亿,范庆霞.梅山铁矿尾矿综合利用研究[J].矿冶工程,2006,26(2):45-47.

[2] MENDEZ M O, GLENN E P, MAIER R M. Phytostabilization potential of quailbush for mine tailings: growth, metal accumulation, and microbial community changes[J]. Joumal Environmental Quality, 2007,36:245-253.

[3] 王亚平,王苏明.矿山固体废物的环境地球化学研究进展[J].矿产综合用,1998(3):30-34.

[4] 鲍  负,常前发.尾矿利用是实现矿业可持续发展的重要途径[J].矿业快报,2000(7):3-5.

[5] MCGOWEN S L, BASTA N T, BROWN G O. Use of diammonium phosphate to reduce heavy metal solubility and transport in smelter-contaminated soil[J]. Journal of Environmental Quality, 2001, 30(2): 493-500.

[6] KUMPIENE J, LAGERKVIST A, MAURICE C. Stabilization of As, Cr, Cu, Pb and Zn in soil using amendments–A review[J]. Waste management, 2008, 28(1): 215-225.

[7] 郑爱珍,宋唯一.土壤重金属污染的治理方法研究[J].安徽农学通报,2009,15(5):84-87.

[8] CAO X, DERMATAS D, XU X, et al. Immobilization of lead in shooting range soils by means of cement, quicklime, and phosphate amendments[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2008, 15(2):120-127.

[9] GARAU G, CASTALDI P,SANTONA L, et al.Influence of red mud,zeolite and lime on heavy metal immobilization, culturable heterotrophic microbial populations and enzyme activities in a contaminated soil[J]. Geoderma,2007,142(1-2):47-57.

[10] 张朝阳,彭平安,宋建中,等.改进BCR法分析国家土壤标准物质中重金属化学形态[J].生态环境学报2012,21(11):1881-1884.

[11] 焦  伟,卢少勇,牛  勇,等.环太湖河流沉积物中生物有效态重金属分布[J].环境化学,2013,32(12):2315-2320.

[12] 王意锟,张焕朝,郝秀珍,等.有机物料在重金属污染农田土壤修复中的应用研究[J].土壤通报,2010,41(5):1275-1280.

(责任编辑  韩  雪)

3  小结与讨论

1)供试铅锌尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的含量高,对周边环境具有极强的生态风险。尾矿砂中As、Zn、Pb主要以残渣态>可氧化态>可还原态>弱酸提取态的形式存在,Cu则以残渣态>可还原态>可氧化态>弱酸提取态的形式存在。

2)采用有机肥、泥炭、土壤与铅锌尾矿砂按一定比例混合后,As、Zn、Pb和Cu的总量、弱酸提取态得到降低,有机肥和泥炭能显著提升重金属的可氧化态,使重金属稳定性增加,从而起到固定重金属的效果,达到降低重金属危害的目的。

3)改良剂与铅锌尾矿砂混合的生态修复方法是否能在野外实践中取得较好的效果,还需要进一步研究。同时,改良剂与铅锌尾矿砂混合不仅需要对重金属有较强的稳定作用,而且需要保持长期有效,因此必须继续开展改良剂对As、Zn、Pb和Cu更长时期的稳定效果研究。

综上所述,铅锌尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的总量较高,对附近农田、环境、人类健康均构成巨大的危害。试验采用改进BCR法进行重金属形态分析,其中弱酸提取态(T1)其键合力微弱,在中性和酸性条件下极易释放,最容易被生物吸收;可还原态(T2)主要通过吸附或共沉淀作用积累重金属,这些作用机制对氧化还原条件敏感,在还原条件下该结合态重金属被活化;可氧化态(T3)为有机物及硫化物结合态金属,总体较稳定;残渣态(T4)能长期稳定在沉积物中,基本不为生物利用[11]。由试验结果可知,铅锌尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的残渣态含量所占比例最高,主要以残渣态>可氧化态>可还原态>弱酸提取态的形式存在,其中As、Zn、Pb和Cu总量较高,对环境威胁较大。本研究中,不同的改良剂与尾矿砂混合,不仅能够有效降低尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的总量,而且显著减弱尾矿砂中各种重金属的生物可利用率,进而降低其对环境和人类的危害。此外,各个处理对尾矿砂中重金属弱酸提取态比例起到一定的降低作用,其中有机肥、泥炭与尾矿砂混合后,重金属的可氧化态含量显著增加,说明有机物料中的有机质可与重金属发生反应,起到吸附和螯合作用,从而降低了重金属的迁移能力[12]。

参考文献:

[1] 衣德强,尤六亿,范庆霞.梅山铁矿尾矿综合利用研究[J].矿冶工程,2006,26(2):45-47.

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[4] 鲍  负,常前发.尾矿利用是实现矿业可持续发展的重要途径[J].矿业快报,2000(7):3-5.

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[6] KUMPIENE J, LAGERKVIST A, MAURICE C. Stabilization of As, Cr, Cu, Pb and Zn in soil using amendments–A review[J]. Waste management, 2008, 28(1): 215-225.

[7] 郑爱珍,宋唯一.土壤重金属污染的治理方法研究[J].安徽农学通报,2009,15(5):84-87.

[8] CAO X, DERMATAS D, XU X, et al. Immobilization of lead in shooting range soils by means of cement, quicklime, and phosphate amendments[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2008, 15(2):120-127.

[9] GARAU G, CASTALDI P,SANTONA L, et al.Influence of red mud,zeolite and lime on heavy metal immobilization, culturable heterotrophic microbial populations and enzyme activities in a contaminated soil[J]. Geoderma,2007,142(1-2):47-57.

[10] 张朝阳,彭平安,宋建中,等.改进BCR法分析国家土壤标准物质中重金属化学形态[J].生态环境学报2012,21(11):1881-1884.

[11] 焦  伟,卢少勇,牛  勇,等.环太湖河流沉积物中生物有效态重金属分布[J].环境化学,2013,32(12):2315-2320.

[12] 王意锟,张焕朝,郝秀珍,等.有机物料在重金属污染农田土壤修复中的应用研究[J].土壤通报,2010,41(5):1275-1280.

(责任编辑  韩  雪)

3  小结与讨论

1)供试铅锌尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的含量高,对周边环境具有极强的生态风险。尾矿砂中As、Zn、Pb主要以残渣态>可氧化态>可还原态>弱酸提取态的形式存在,Cu则以残渣态>可还原态>可氧化态>弱酸提取态的形式存在。

2)采用有机肥、泥炭、土壤与铅锌尾矿砂按一定比例混合后,As、Zn、Pb和Cu的总量、弱酸提取态得到降低,有机肥和泥炭能显著提升重金属的可氧化态,使重金属稳定性增加,从而起到固定重金属的效果,达到降低重金属危害的目的。

3)改良剂与铅锌尾矿砂混合的生态修复方法是否能在野外实践中取得较好的效果,还需要进一步研究。同时,改良剂与铅锌尾矿砂混合不仅需要对重金属有较强的稳定作用,而且需要保持长期有效,因此必须继续开展改良剂对As、Zn、Pb和Cu更长时期的稳定效果研究。

综上所述,铅锌尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的总量较高,对附近农田、环境、人类健康均构成巨大的危害。试验采用改进BCR法进行重金属形态分析,其中弱酸提取态(T1)其键合力微弱,在中性和酸性条件下极易释放,最容易被生物吸收;可还原态(T2)主要通过吸附或共沉淀作用积累重金属,这些作用机制对氧化还原条件敏感,在还原条件下该结合态重金属被活化;可氧化态(T3)为有机物及硫化物结合态金属,总体较稳定;残渣态(T4)能长期稳定在沉积物中,基本不为生物利用[11]。由试验结果可知,铅锌尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的残渣态含量所占比例最高,主要以残渣态>可氧化态>可还原态>弱酸提取态的形式存在,其中As、Zn、Pb和Cu总量较高,对环境威胁较大。本研究中,不同的改良剂与尾矿砂混合,不仅能够有效降低尾矿砂中As、Zn、Pb和Cu的总量,而且显著减弱尾矿砂中各种重金属的生物可利用率,进而降低其对环境和人类的危害。此外,各个处理对尾矿砂中重金属弱酸提取态比例起到一定的降低作用,其中有机肥、泥炭与尾矿砂混合后,重金属的可氧化态含量显著增加,说明有机物料中的有机质可与重金属发生反应,起到吸附和螯合作用,从而降低了重金属的迁移能力[12]。

参考文献:

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[4] 鲍  负,常前发.尾矿利用是实现矿业可持续发展的重要途径[J].矿业快报,2000(7):3-5.

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[6] KUMPIENE J, LAGERKVIST A, MAURICE C. Stabilization of As, Cr, Cu, Pb and Zn in soil using amendments–A review[J]. Waste management, 2008, 28(1): 215-225.

[7] 郑爱珍,宋唯一.土壤重金属污染的治理方法研究[J].安徽农学通报,2009,15(5):84-87.

[8] CAO X, DERMATAS D, XU X, et al. Immobilization of lead in shooting range soils by means of cement, quicklime, and phosphate amendments[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2008, 15(2):120-127.

[9] GARAU G, CASTALDI P,SANTONA L, et al.Influence of red mud,zeolite and lime on heavy metal immobilization, culturable heterotrophic microbial populations and enzyme activities in a contaminated soil[J]. Geoderma,2007,142(1-2):47-57.

[10] 张朝阳,彭平安,宋建中,等.改进BCR法分析国家土壤标准物质中重金属化学形态[J].生态环境学报2012,21(11):1881-1884.

[11] 焦  伟,卢少勇,牛  勇,等.环太湖河流沉积物中生物有效态重金属分布[J].环境化学,2013,32(12):2315-2320.

[12] 王意锟,张焕朝,郝秀珍,等.有机物料在重金属污染农田土壤修复中的应用研究[J].土壤通报,2010,41(5):1275-1280.

(责任编辑  韩  雪)

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