金矿尾矿场周边土壤与植被重金属污染现状研究-张蕊.docx

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1、西安科技大学 硕士学位论文 金矿尾矿场周边土壤与植被重金属污染现状研究 姓名：张蕊 申请学位级别：硕士 专业：环境工程 指导教师：薛喜成 2011 论文题目：金矿尾矿场周边土壤与植被重金属污染现状研究 专 业：环境工程 硕士生：张蕊 （签名 ） 指导教师：薛喜成 （签名 ） 摘要 尾矿场作为重金属的持久性污染源，其污染特点具有隐蔽性、长期性和不可逆性， 并通过食物链危害人类生命安全。因此由尾矿场所造成的生态环境破坏问题日益受到人 们的高度重视。 为了确切查明金矿尾矿场环境中各类重金属的污染现状，论文以蒲略金矿尾矿场周 边土壤与代表性植物为研究对象，通过系统采集各类样品，室内借助原子吸收分光光度

2、 计测定其重金属含量，并采用 Tessier形态连续提取法测定各形态含量。在系统测试基 础上，应用地积累指数与潜在生态危害指数相结合方法及单项污染指数法和综合污染指 数法，评价不同介质中的重金属污染现状，重点研究重金属的形态分布、生物有效性及 在植物体内的富集情况，最后对尾矿场重金属在尾砂一土壤一植物系统中的迁移转化规 律进行了深入研究。 研究表明：土壤及尾砂中主要污染因子为 Cu和 Cd,且 Cd主要以碳酸盐结合态为 主，易受土壤环境等多种因素影响，使其迁移性强，易被植物根系吸收。植物均受到重 金属污染，其中 Cu、Pb、 Zn含量较高，且植物根部重金属吸收量明显高于地上部，表 现为根 茎叶

3、 籽实。植物体内重金属含量与受污土壤含量在一定范围内具有高度相关 性，反映出植物的吸收能力除本身生理条件限制外，还受生长环境中土壤重金属含量的 影响。代表性植物对 Cd的吸收能力最为突出，这与其在土壤中的有效态最为活泼有关， 且富集系数最大。同时发现可将艾草 和羊草作为富集植物，对当地重金属污染的修复工 程作出贡献。重金属在尾砂一土壤一植物中通过物理、化学和生物的方式实现迁移转化， 整个过程在系统中相互制约、相互影响，是一个复杂的动态平衡过程。 关键词： 尾矿场；重金属污染；形态分析；生物有效性；迁移转化 论文类型： 理论研究 Subject :The Study of Heavy Metal

4、 Pollution of Soil and Vegetation around Gold Mine Tailings Specialty : Environmental Engineering Name : Zhang Rui (Signature) Instructor :Xue Xi-cheng (Signature) ABSTRACT The tailings is a persistence pollution of heavy metals. It has the characteristics, namely, hidden, long-term and irreversible

5、. Meanwhile, it may endanger human life through the food chain. Thus, the problem of the destruction of ecological environment is noticed which caused by the tailings. The purpose of this paper is to study the situation of heavy metals pollution in Puyu gold mine tailings. The soil and plants around

6、 the Huashan Gold Mine tailing are investigated. The test samples are collected through the system, the content of heavy metals has been measured by flame atomic absorption spectrophotometer, and the method of Tessier sequential extraction is used. In addition, the methods of the accumulation index,

7、 the potential ecological risk index, the single pollution index and integrated pollution index are taken which are provided the heavy metals pollution of different material. The key points are the heavy metal speciation, bioavailability, and enrichment in plants. Finally, the rule of transformation

8、 of heavy metals in the tailings - the soil - the migration of plants is researched. The results shows that the main pollution is Cu and Cd in the soil and tailing of study area, and the Cd is formed by carbonate, which is easily influenced by soil environment, and has a strong migration, easily abs

9、orption by plant roots. Moreover, all plants have been polluted by heavy metals, the high content is given for Cu, Pb and Zn. The content of heavy metals in roots has significantly higher than the surface of earth, as root leaf seed. A great relativity are presented between the content of heavy meta

10、ls in plants and the content of polluting soil, which reflect the absorption capacity of the plant is influenced by the content of the heavy metals in soil except for the physiological conditions. The sample plant has a prominent absorption capacity for Cd, it is related with the most active on the

11、effective state in soil and the maximum enrichment coefficient. Meanwhile, it is found that the argy and leymus chinensis can be used to enrichment plants, which have contribution for the pollution of heavy metals and restoration of soil. In a word, the heavy metals are transformed in the tailings -

12、 the soil - the plants by physical, chemical and biological approaches, which is a complicated dynamic process. Keywords ： Tailings Heavy metal pollution Speciation analysis Bioavailability Migration and Transformation Thesis ： Theoretical study 1 绪论 1.1选题背景 1.1.1金矿开发与环境污染问题 中国金矿资源丰富，黄金开采历史悠久，是世界上最早

13、认识和开发利用黄金的国家 之一。改革开放以来，金矿勘查与黄金生产取得了飞速发展。从 2007年起中国黄金产 量首次超过南非，位居世界第一，到 2010年我国黄金产量达到 340.876t， 比上年增加 26.896t， 增幅 8.57%，再创历史新高，标志着我国已连续四年成为世界第一产金大国， 因而在世界黄金生产和消费方面占有极其重要的位置。矿产资源的勘探和开发，黄金产 量的提高，直接关系到国家的经济实力。在当前的新形势下，用科学的发展观拓宽黄金 矿产资源开发渠道，进一步发展我国黄金工业，实现人与资源、环境、社会的协调发展， 具有十分重要的意义 1。 因此，在科学发展我国黄金工业的同时，必须高

14、度重视金矿开发所带来的环境污染 问题。黄金开采中选冶工艺一般采用炭浆法、单一浮选和混汞 -浮选法。 “ 三小 ” 提金（即 小球磨、小混汞碾、小氰化池提金）工艺所产生的环境污染最为严重。上世纪 80年代 中期，大部分中小型矿山（点）普遍采用汞法提金，技术工艺落后，尤其是一些个体开 办的小球磨、小混汞碾和小氰化迅速增加，分布散乱，管理难度大，导致选矿废水、废 渣、废气无组织乱排乱放，不仅浪费资源，而且给环境带来了严重的破坏和污染 2。 1.1.2重金属污染危害 金属矿产资源的采、选、冶活动过程中，矿石中的部分重金属元素会随尾矿废水、 废渣、废气进入人居环境，对矿区的地表水、地下水、大气、土壤等环

15、境介质造成污染， 进而通过人体食物链 危害人群的健康 3。故重金属污染对水、土壤、植物及人类均有不 同程度的危害，如广西南丹采冶炼造成刁江上百千米的河段严重污染，鱼虾绝迹，致使 粮食每年减产 200X 104kg以上 4】。广东省韶关大宝山多金属矿有毒废水灌溉农田导致上 坝村生产的水稻、蔬菜、水果中 Cd元素严重超标，村民皮肤病、肝病、癌症高发 ， 200 多人死于癌症 5。在重金属元素潜在毒性分类中， Hg、 Cd、 Pb、 Cr被划分为第一类的 第 1、 2、 4、 5位有害元素，职业暴露或长期低水平接触重金属元素会产生水俣病 （ Hg)、 疼痛病 （ Cd)、 乌脚病 （ As)等疾病。

16、 重金属在水体中积累到一定的限度就会对水体一水生植物一水生动物系统产生严 重危害，并可能通过食物链直接或间接地影响到人类的自身健康。例如日本由于汞污染 引发的 “ 水俣病 ” 和由镉污染造成的 “ 疼痛病 ” 就是典型例证。除此之外，积累在水底 沉积物中的重金属又会由于界面环境条件的变化，诸如空隙水酸碱度、水扰动作用及生 物活动等再次进入水体，形成 “ 二次污染， 6。 土壤污染为大气中污染物经过降雨、降尘及自然降落污染土壤。水污染后，因灌溉 流经土壤，有害元素经 土壤的过滤留在其中，通过农作物、植被的吸收，直接或间接进 入人体食物链，其危害是长期的。这些有害物质一般都有一个临界爆发界限，在人

17、体内 吸收的有毒物质未达到临界点时，人一般没有感觉，等到了临界点，其发作速度非常快， 在医学上可称为生态环境病的延缓效应、积存效应和爆炸效应。这些重金属有害物质的 积累，在人体内会引起急性或慢性中毒，某些重金属还具有致癌、致畸和致突变作用 2。 土壤是植物的天然培养基，又是植物体内重金属的主要来源。重金属在土壤中的积 累，能抑制许多生化反应，改变反应方向和速度，从而影响土壤的物 理和化学性质以及 破坏其中原有有机物或无机物所固有的化学平衡和转化，进而改变植物的根际环境，间 接地影响植物的生长发育 7。许多重金属 (例如 Cu， Zn等 )都是植物必需的微量元素，对 植物的生长发育起着十分重要的

18、作用。但是，当环境中重金属数量超过某一临界值时， 就会对植物产生一定的毒害作用，轻则植物体内的代谢过程发生紊乱，生长发育受到抑 制，重则导致植物死亡 8。 总之，矿山环境中的重金属，一方面，通过废石及尾矿堆的孔隙下渗进入底垫土壤 或通过地表径流进入周围环境土壤。另一方面，通过地表径流进入下游水文系统或下渗 到地下水，将地表水和地下水联系起来，造成整个矿区甚至附近大区域上的水体污染， 并影响整个生态系统。 1.1.3研究背景 陕西金矿主要分布在华北板块南缘北秦岭造山带和小秦岭地区，其次为南秦岭古生 代盖层和勉（县）略（阳县 ） 宁（强县 ） 基性火山岩分布区。由于受多种因素控制，且 各地区控制因

19、素有差别，导致陕西金矿的分布极不均衡 9。其中，横跨河南省灵宝市、 陕西省潼关县、洛南县和华阴市的小秦岭金矿带，是我国第二大黄金产区。论文研究区 位 于西岳华山东侧 20km处的金矿区。该区成矿地质条件优越，找矿潜力巨大，目前已 产黄金约 4t10。 区内主要分布与中酸性岩体有关的金矿，矿床产出与燕山期花岗岩密切 相关，大型、中型金矿大约分布在岩体的边缘或接触部位，故区内地球化学异常的中低 温元素 Cu、 Pb、 Zn、 Ag异常分布在岩体边缘地带 9。调查表明，区内金矿选冶企业 - 蒲略金矿共有新旧尾矿场 2处，占用耕地总面积 136260m2,尾砂积存总量 280600m310。 我国尾矿

20、库（场）数量众多，且环境风险隐患重重，致使环境污染问题尤为突出。 有关资料表明，我国 17%的尾矿库是危库、险库和病库，均存在不同程度的安全隐患， 极易造成次生突发环境事件。当前自然灾害频发，一些尾矿库的设计防洪能力无法抵御 极端天气的侵害，不仅危库、险库、病库容易出问题，甚至一些正常库和已闭库多年的 尾矿库也相继发生泄漏、垮坝等事故，进而引发突发性环境事件。加上企业关闭破产、 企业改制、企业管理粗放和企业经济效益差等原因，尾矿库隐患治理问题一直以来没有 得到有效彻底地解决，大批危库、险库都时刻面临着溃坝的风险，对当地的水土与植被 环境造成直接或间接的严重污染。 2010年 4月，四川省内江市

21、隆昌县渔箭镇等地受铅污染村民经血液化验，发现血铅 含量异常 49人，其中儿童 47人。同年 5月，陕西安康市旬阳县五联宏宝矿业有限公司 发生尾矿库泄漏事件，约 1000m3含铅锌尾矿泄漏，尾矿经甘溪沟流入汉江一级支流旬 河。 8月初，陕西凤翔县长青镇发生了大规模血铅超标事件， 15人被确认血铅超标，其 中 163名中度铅中毒， 3名重度铅中毒。在湖南等省份也相继发生铅超标事件， 8月份 有上百人被确认铅超标，此轮铅超标事件迅速波及其他几个产铅大省。 10月中旬，陕西 洛南尾矿库泄漏，数十公里河水被污染，查明原因为陕西秦岭钥业公司尾矿库管道包布 老化致使部分废水泄漏。就 2010年以来，由重金属

22、污染引起的突发环境事件达百起， 这些数据已让人触目惊心，而相继发生的 9起血铅事件更为我们敲响了警钟。可见，研 究并治理尾矿周边水土与植被重金属污染问题已迫在眉睫。 1.2研究意义 1.2.1理论意义 随着矿山开采量日益增大，尾砂积存量迅猛扩增，重金属污染问题极其突出，对矿 山生态系统造成了严重破坏。矿山开发过程中形成的尾矿场，导致其占用大量耕地，并 对原有生态系统造成破坏，将尾砂中的重金属释放到环境当中，使其污染物通过表生地 球化学作用及其界面化学反应、雨水长期淋溶、渗漏、溢流等作用，改变生态环境条件， 使固定在颗粒中的重金属释放、迁移出来，导致土壤、植物等周边环境介质遭受不同程 度的重金属

23、污染。此外尾矿场是持久性污染源，其污染具有隐蔽性、长期性和不可逆性， 并可通过食物链危害人类的生命安全。因此尾矿所造成的生态环境破坏是一个十分严重 并日益受到高度重视的环境问题。故研究尾矿中重金属的形态分布、生物有效性及其在 尾砂一土壤一作物之间的迁移转化机理尤为重 要。 1.2.2实践价值 目前，已有不少学者从事矿区重金属污染方面的研究，但是由于地域、成矿地质条 件、地球化学背景、矿物成分的差异，其他研究区域的重金属污染问题不一定适合小秦 岭金矿区。鉴此，论文以蒲略金矿尾矿场为研究范围，通过系统采集尾砂、土壤和代表 性植物样品，采用原子吸收分光光度法和 Tessier形态连续提取法测定各类样

24、品的重金 属含量及存在形态，应用地积累指数与潜在生态危害指数相结合的方法及单项污染指数 法和综合污染指数法，评价不同环境下的重金属污染现状，并探索重金属在环境系统中 迁移转化机理，分析重金属在尾砂、土壤和植物之间的迁移转化规律和污染途径，筛选 出当地具有超富集潜能的植物，从而采取积极有效的治理与保护措施，缓解当地因重金 属污染引起的生态环境状况，为当地带来一定的经济效益与社会效益，并能为该地区金 矿尾矿场的治理工作提供有用的科学依据和实践指导。 1.3国外研究动态 西方发达国家早已认识到金属矿山开发引起环境污染问题的严重性，特别注重国内 矿产资源与生态环境的保护，重视矿产资源的战略储备和资源的

25、 循环利用，严格限制以 牺牲环境为代价进行矿业开发活动 11。因此，对重金属污染评价与治理技术以及重金属 在土壤与植物中迁移转化规律等方面，国外已有较早研究。 1.3.1 土壤重金属污染评价与治理研究 Kotrba,Pavel等研究了转基因植物在植物修复技术中对土壤和沉积物重金属的污染 作用，并对转基因技术在植物修复重金属研究领域中作了展望 12; Fernandez-CalianiJ.C. 等对伊比利亚半岛硫铁矿带矿山废弃地周边土壤的重金属污染进行了研究，并探讨了重 金属在土壤中的迁移转化机理 13。 Parizanganeh,Abdolhossein等采用健康风险评价法对伊朗赞詹市锌工业区

26、周边表层 土壤重金属污染状况进行了评估，并认为其方法中生物有效性及重金属迁移率是该研究 区受污土壤的重要指标 14; Bhuiyan,Mohammad A.H.等调查了位于孟加拉国北部煤矿农 田土壤重金属污染状况，并应用富集因子法、地积累指数法和污染负荷指数法对其进行 评价 15。 1.3.2重金属形态与生物有效性的研究 Hoque,Raza Rafiqul等研究了雅鲁藏布江支流沉积物中重金属 （ Fe、 Mn、 Zn、 Cu、 Ni、 Pb、 Cd)含量及其化学形态分布，其中重金属富集系数均大于 1,且 Cd、 Cu和 Pb 大多以可交换态和碳酸盐结合态为主，具有较强的迁移性和生物有效性 1

27、6; Lambrechts,Thomas等针对废弃矿区受污土壤采用根际生物试验分析重金属的生物有效 性 17】； Sundaray,Sanjay Kumar等对河流沉积物中重金属地球化学形态进行了研究，并利 用风险评价指数对研究区进行了分析 18; 1.3.3重金属富集与超积累植物研究 自新西兰科学家 Brooks等于 1977年首先提出超积累植物概念 19和 Chaney于 1983 年提出利用超富集植物清除土壤重金属污染的设想以来 2Q】， 世界上已发现了约 450种超 积累植物，国外开展这方面的研究较早。 Gupta,S.等调查研究了重金属在植物、农田土壤及农作物中的累积状况，并提出用

28、适合的超富集植物对当地受污土壤进行修复 21； Kaushik,A.和 Kansal,Ankur等应用富集 因子对沉积物中重金属污染进行评价，并分析了重金属在水 -沉积物 -水中植物之间的相 互作用及其重要特征 22; Rastmanesh,F.等对表层土壤重金属 （ As、 Cu、 Pb、 Zn、 Mo和 Cd)污染情况进行了调查，分别利用地积累指数、污染因子及污染等级表现土壤中重金 属的富集程度 23。 1.3.4重金属迁移转化机理研究 Ostrowska,Apolonia等针对铜矿区废弃地中渗滤液对周边水土重金属的迁移转化规 律进行了研究和探讨，并发现尾矿区渗滤液提供了受污水体中重金属元

29、素向环境系统迁 移的途径 24; Baker,Matthew R.等研究了红大马哈鱼在淡水环境系统中其体内 Hg的生物 积累量及迁移规律，并强调了汞污染的严重危害性 25; Bakis,Recep等调查了土耳其 Eskisehir垃圾填埋场地下水的重金属迁移情况，目的是为了有效地评估地下水的潜在危 害性 26。 1.4国内研究动态 近年来，国内相关专家对矿山环境中的重金属污染问题进行了广泛研究，并采取行 之有效的措施治理环境。 1.4.1 土壤重金属污染评价与治理研究 王学礼为筛选出供植物修复技术应用的重金属富集植物，针对福建主要金属矿区的 重金属污染状况，分析矿区植物对不同重金属的富集效果，

30、进而筛选出重金属超富集植 物，并揭示了植物地上部重金属富集量与浸提剂提取有效态量的相关性，从而为修复矿 区受污土壤及环境风险评估提供科学依据 27。 王玲梅、韦朝阳等研究了矿冶区周边水稻对不同来源重金属污染的指示作用，结果 证明利用水稻茎叶指示矿冶周边重金属污染来源是可行的 28;刘玥、薛喜成等将灰色关 联分析法应用在土壤重金属污染评价中，结果表明基于灰色关联分析的土壤重金属污染 评价方法能够较完整地反映土壤重金属污染程度，是一种实用且准确的评价方法 29。 石平、王恩德等应用地积累指数法和潜在生态危害指数法对土壤重金属污染状况进 行分析，为土壤改良和植物修复提供了科学依据。并认为矿区周围农田

31、应优先考虑发展 林业，待土壤重金属污染状况改善之后再发展农业 30;王学刚等认为尾矿库的土壤重金 属污染修复问题已迫在眉睫，针对矿山的具体情况，需加强污染土壤植物修复与物理化 学修复技术相结合的综合技术研究。更提出如何将已有的研究成果通过筛选、提炼优化 后用于矿山污染土壤的实际修复中是迫切需要解决的问题 31。 1.4.2重金 属形态与生物有效性的研究 窦磊、周永章等介绍了土壤环境中重金属生物有效性评价方法及其环境学意义，并 提出未来发展的重点是进一步加强重金属生物有效性的理论研究，实现土壤学、化学和 生物学的融合，将评价方法统一化和标准化，提高数据的可靠性和对比性 32；吕文英等 研究分析了

32、广州农田土壤重金属各形态的生物有效性，发现水田中 Cd的生物有效性较 旱田高，而旱田中的 Pb生物有效性比水田高 33； 高军锋和毛玉红就污染土壤中重金属生物有效性问题，探讨了植物效应和生物有效 性的关联关系，并根据重金属的生物有效性评价结论 ，可针对不同土壤污染类型采用不 同的植物应对措施，尝试应用避性排斥型植物在生物有效性低的污染土壤上生产出非污 染的农产品，从而为进行安全农业生产提出一条新的思路 34；娄庭与杨丽娟对重金属在 土壤中的存在形态、 pH值、根际环境等对其生物有效性影响及重金属在土壤中的环境 化学行为等方面进行了简要综述，并对未来相关领域的研究发展趋势作了展望，以此为 深入开

33、展土壤重金属有效性研究提供科学参考 35。 王惠萍等研究了德兴铜矿尾砂库周边农田土壤中重金属 （ Cd、 Zn、 Cu)的形态分 布特征和生物有效性。结果表明： Cu主要以有机结合态形式存在， Zn主要以残渣态形 式存在，而 Cd则主要以可交换态形式存在，易发生迁移，对环境潜在影响较大 36;王 春雷研究了耐 Pb、 Cd真菌对污染土壤中 Pb、 Cd形态的影响，发现将产黄头孢霉和头 孢霉属两种菌接种到 Pb、 Cd污染的土壤中，均能促进土壤 Pb、 Cd向生物有效性低的 形态转化，从而降低其在土壤中的毒性 37。 1.4.3重金属富集与超积累植物研究 孙建，铁柏清等对有色金属矿区土壤和植物重

34、金属污染状况进行了调查，发现野菊 花、旋鳞莎草、五节芒 3种植物地上部生物量较大且对某些重金 属向地上部转运能力较 强，对重金属污染土壤有一定的修复潜力 38;闻研等调查了超富集植物对重金属耐受和 富集机制的研究进展情况，概述了超富集植物对重金属的耐受机制，并讨论了重金属多 种运输方式的富集过程 39。 徐华伟等研究了铅锌矿区先锋植物野艾蒿对重金属的吸收与富集特征，综合分析结 果表明，野艾蒿能吸收富集多种重金属并且具有耐重金属的特性，基于其具有生物量较 大、生长速度快的特点，作为重金属污染的修复植物具有较好的应用前景 40;周向军综 述了重金属超富集植物环境修复技术研究进展，并指出了目前存在问 题及今后需努力的 方向 41。