中国矿山环境地质问题及生态修复技术研究

中国矿山环境地质问题及生态修复技术研究1矿山地质环境的特点矿产资源开发区的地质环境不仅由原生地质环境条件决定，更受人为的矿山资源开发活动影响，因而呈现出复杂性和动态性。张卫东等[1]认为，矿山地质环境具有资源和环境双重属性,较大的地质环境容量和良好的地质环境质量有利于矿业的正常生产,脆弱的或恶化的地质环境影响和制约矿山正常生产。矿产资源开发区大多地处生态环境脆弱区,或崩塌、滑坡、泥石流原生灾害高发的山地地区,其开发活动触发和产生了一系列矿山环境地质问题,一方面是原生地质环境条件决定的,另一方面矿产资源开发人为地质作用使其形成复杂化。大规模、高强度的矿产资源开发活动已成为影响和改变矿区地质环境的最活跃、最主要的地质作用力,成为加剧矿区地质环境变化的“催化剂”。徐友宁[2]提出，矿产资源开发活动亦称矿山地质作用(剥蚀作用、搬运作用、弃土堆渣的堆积作用等塑造了人工地貌景观,改变了地应力的平衡和地表地球化学场等),它叠加在矿山原生地质环境上并且与原生地质环境发生相互作用,导致原生矿山地质环境随矿业活动时间、强度而呈现复杂的、动态的变化。2矿山环境地质问题2.1矿山环境地质问题分类作为当代环境地质学的重要研究课题，矿山环境地质问题不仅影响矿产资源的开发、经济与环境的协调发展，更关乎社会的和谐和稳定。因此对矿山环境地质问题进行科学的分类，并调查其空间分布，有利于因地制宜，有效地指导矿山地质环境调查、评估评价、预测预报和保护治理等工作。武强[3]依据矿山存在问题的性质（不考虑工业灾害问题），将我国矿山环境地质问题分为了“三废”问题，地面变形问题，矿山排（突）水、供水、生态环保三者之间的矛盾，沙漠化和水土流失问题五类。其中，“三废”问题分为固相废弃物，液相废弃物，气相废弃物污染3类；地面变形问题分为开采沉陷、地面岩溶塌陷、地面沉降、边坡、地裂缝、崩塌、泥石流7类；矿山排（突）水、供水、生态环保三者之间的矛盾分为岩溶矿床和西北采煤保水问题2类；沙漠化则分为包括西北干旱半干旱矿山沙漠化和油田沙漠化问题；水土流失可分为水力侵蚀和风力侵蚀2类。2.2我国矿山环境地质问题分布何芳等[4]在研究全国矿山环境地质问题类型、分布、规模、危害等因素的基础上，首次将影响中国矿山环境地质问题分布的区域划分为戈壁沙漠沙地区、平原盆地区、黄土高原区、中低山丘陵区、中高山地区、多年冻土区等6大地质环境区，研究了各地质环境区矿山环境地质问题分布特征：戈壁沙漠沙地区属生态环境脆弱区，自然环境条件差，矿业开发应防治的是土地沙化的加剧和水资源、植被资源的破坏；平原盆地区煤矿山的地面塌陷、地下水位下降、泥石流、崩塌，金属矿山的水土环境污染，地下水位下降、土地占用与破坏，非金属矿山的地面塌陷、景观资源的破坏是区内的主要问题；黄土高原地处生态环境脆弱区，水资源相对缺乏、植被稀疏、再生力低、水土流失严重，因此开矿造成的水土流失、水环境破坏和污染、植被破坏及黄土边坡的崩塌、滑坡是开矿需要防治的主要问题；中低山丘陵区由于自然生态环境条件好，矿业开发活动强烈，煤矿山的地面塌陷、地裂缝、水均衡系统的破坏，金属矿山的水土环境污染，山地区的崩塌、滑坡、泥石流是值得关注的问题；中高山地区由于地形陡峭、切割强烈，是矿山泥石流、滑坡、崩塌的多发区，地面塌陷地裂缝发育区，也是土地占用与破坏、“三废”污染的严重区，因此中高山区泥石流、滑坡、崩塌、地面塌陷灾害和“三废”对水土环境的污染是要防治的主要问题；多年冻土区由于矿产资源开发程度较低，产生的环境地质问题属于较轻区，这一带开矿主要关注对生态环境的保护。2.3我国矿山环境地质问题现状董永观等[5]研究发现，华东地区主要的矿山环境地质问题有土地资源毁损和占用、矿山地质灾害以及环境污染等三种类型。华东地区在矿产开发过程中产生的废石、尾矿、煤矸石、冶炼废渣等数量巨大,长期堆放压占大量土地。该地区矿山地质灾害具有时间的不均匀性(如6～7月梅雨季节,滑坡泥石流灾害尤为突出)、灾害的地域性(如滑坡泥石流主要发生在东南丘陵山地,采空塌陷主要发生在黄淮平原及江西萍乡煤矿区)，具有矿山地质灾害的共生性和矿产专属性(如煤矿区瓦斯爆炸、地面塌陷、地裂缝等)。华东地区已经累计堆积50亿吨矿山固体废弃物。由于大气氧化和雨水浸泡,对周围的水土造成不同程度的污染。华东地区矿山废水废液年排放量十分巨大,各种类型矿山年排放废水废液总量达62753.77万吨。重金属污染、矿业酸水危害已成为金属矿床开发产生的两大环境公害。陈家彪等[6]对西南地区的调查结果显示，西南地区有矿山企业21073个,矿山环境地质问题以矿山环境污染问题最为突出,矿山地质灾害和矿山资源破坏问题也比较严重，矿山环境地质问题已影响和阻碍了地区经济的可持续发展。西南地区由于矿产资源以有色金属、煤炭以及硫、磷化工原料为特色,加之矿产开发过程中很多矿山没有建尾矿库和沉淀池,洗选厂建造亦很不规范,因此污染问题相当突出。而在矿山地质灾害中,以地面塌陷和地裂缝居多,滑坡、崩塌次之。徐友宁等[7]研究发现，西北地区矿产资源破坏与浪费严重,资源综合利用效率低。矿山不合理开发毁损土地巨大。矿山型水土流失、土地沙化严重废渣不合理堆放诱发滑坡、泥石流等地质灾害及加剧土地沙化程度。煤矿瓦斯爆炸频发,社会影响极坏。部分地区“三废”无组织排放严重污染矿区环境。矿山生态环境恢复治理重视不够,进展缓慢,土地复垦率低,初步估算不足5%。贾伟光等[8]研究了东北地区的矿山地质环境，发现该区的矿山环境地质问题主要为资源破坏、环境污染、地质灾害3个类型。东北地区的矿山每年剥离岩土约2.2-2.6亿吨，露天矿坑及堆土（岩）场侵占了大片的山村（林）和农田。矿山井下开采过程中，由于岩石采空，地面发生大面积塌陷（沉陷）积水，致使大量良田废弃，村庄搬迁。据调查，东北平原地区，每采万吨煤炭要塌陷土地0.2hm2。东北岩溶地区的煤、铁矿山，每年要排矿坑水近亿吨，绝大部分都受到不同程度的污染，其中近30%经处理使用，其他都是自然排放。如某地多金属矿床排放酸性矿坑水，造成河水污染，鱼虾绝迹，水草不生，同时土壤物理性质变坏，造成农田污染，农作物生长受到损害。矿山排出大量矿渣及尾矿的堆放，除了占用大量土地、严重污染水土资源及大气外，还经常发生塌方、滑坡、泥石流。尾矿和矸石堆经常发生自燃放出有害的气体，污染大气。另外，在尾矿和矸石堆中含有许多有害的干燥废渣物，随风吹到城市和居民区，影响人民生活和身体健康。3矿山生态环境修复目前，矿山地区生态修复的方法主要包括生物修复、物理修复和化学修复。我国近代的矿山废弃地生态修复工作是从20世纪50年代末60年代初开始的。在20世纪50—80年代，许多矿山开始逐渐开展废弃地的生态修复工作，并积累了一些宝贵的经验。在20世纪70年代，我国东部平原煤矿矿区零散的开展了一些矿山废弃地的生态修复工作，修复后的土地和水面用于建筑房屋、种植小麦和水稻、养鱼或栽藕等。1989年国务院第19号令《土地复垦规定》和1989年颁发的《中华人民共和国环境保护法》，是建国以来矿山废弃地生态修复工作步入法制轨道的标志。20世纪80年代初，我国矿山废弃地的生态修复率不到1%，80年代末期，生态修复率约为2%，到目前为止，生态修复率仍不到12%，远低于发达国家65%的修复率[9]。3.1生物修复矿山土壤修复的生物技术主要包括植物修复、动物修复和微生物修复。3.1.1植物修复植物修复是以植物忍耐、分解或超量积累某种或某些化学元素为基础，利用植物及其共存微生物体系来吸收、超量积累、降解、固定、挥发及富集环境中污染物，实现部分或完全修复污染的一门环境污染原位治理技术。Salt等[10]研究了利用金属累积植物清除土壤、水体中重金属元素和放射性核素的环境治理技术，他们将金属污染的植物修复作用方式归结为植物吸收、植物稳定作用和根滤作用。植物根系与根际土壤环境间存在着复杂的相互作用。植物根系分泌的糖类、有机酸、氨基酸、脂肪酸等有机质,降低了根际土壤的pH值。植物根系对土壤水分、氧含量、土壤通气性的调适,将刺激根系附近微生物群体的发育,使根际环境成为微生物作用的活跃区域。Fernandez等[11]发现，在根际环境中金属元素可以得到富集,金属元素的赋存形态及其生物有效性增加,从而提高植物对元素的吸收、挥发或固定效率。不管是植物吸收、挥发还是植物稳定、根滤作用,植物本身的特性是决定污染治理效率的关键。因此,寻找与筛选适宜的植物始终是植物修复研究的一项重要任务。杨肖娥[12]通过营养液培养实验证明，东南景天是一种Zn超积累植物，其对生长介质中的Zn有很强的的忍耐能力，当生长介质中的Zn浓度高于240mg/L时，植株仍正常生长，其生物量与对照相没有显著差异，其地上部Zn含量及其积累量均随生长介质中Zn浓度的增加而增加。刘威等[13]通过野外调查和温室试验，发现并证实宝山堇菜是一种Cd超富集植物，但其生物量较小，需要利用生物技术提高其生物量才能更好地应用于污染土壤的修复。刘秀梅等[14]在温室砂培盆栽条件下对铅锌尾矿区附近生长的6种植物——山野豌豆、草木樨、披碱草、酸模、紫苜蓿和羽叶鬼针草体内Pb的含量与分布、重金属Pb的迁移总量、根系的耐性指数做了研究，发现羽叶鬼针草和酸模能够富集重金属Pb，可以作为先锋植物修复被Pb污染的土壤。魏树和等[15]通过盆栽模拟实验和小区实验，从20科54种杂草植物中筛选出Cd超累积植物龙葵。近年来，科学界将目光转向了耐重金属污染植物物种的基因资源，超富集基因转入基因工程植物将会得到关注。3.1.2动物修复Curry在系统研究后，发现蚯蚓不仅改善了土壤的机构、透水性和通气性，其排出的粪便还能有效促进植物生长发育。Butt等[16]经过进一步的研究，发展了蚯蚓繁殖盒技术，将蚯蚓更好的应用到了废弃土壤的生态修复中。戈峰[17]在将蚯蚓用于德兴铜矿废弃地的修复研究中发现，蚯蚓不但可以改良土壤理化性质，还可富集土壤中的重金属，实现了持续利用的目的。但动物修复需在植物修复获得一定成效后实施才可获得其效果。3.1.3微生物修复微生物修复的机理包括:通过微生物作用，改变重金属在土壤中的化学形态，使重金属固定或解毒，降低其在土壤环境中的移动性和生物可利用性；通过微生物吸收、代谢达到对重金属的削减、净化与固定作用。微生物能通过氧化还原、甲基化和去甲基化作用转化重金属，将有毒物质转化成无毒或低毒物质。能够改变金属存在的氧化还原形态，随着金属价态的改变，金属的稳定性也随之变化。Charm等[18]在污水处理厂发现一种嗜硫酸盐细菌可以还原Cr6+为低毒的溶解度较小的Cr3+，从而降低水体中的重金属毒性。Barton等[19]选用从浓度为10mmol/LCr6+，Zn2+，Pb2+的土壤中分离出来的菌种，发现该菌种能够将硒酸盐和亚硒酸盐还原为胶态Se，能将Pb2+转化为Pb，使胶态Se与胶态Pb不具毒性，且结构稳定。微生物对重金属的生物固定主要有3种方式，即：胞外络合作用、胞外沉淀作用以及胞内积累。Beveridge等[20]研究发现从芽孢杆菌上分离下来的细胞壁可以从溶液中螯合大量的金属元素，当将细胞壁放入含氯化金的水溶液中时，可在细胞壁上通过聚核作用形成微小晶体。生物矿化作用是指在生物的特定部位，在有机物质的控制或影响下，将离子态重金属离子转变为固相矿物。Fendler等[21]提出生物矿化作用是自然界广泛发生的一种作用，它与地质上的矿化作用明显不同的是无机相的结晶严格受生物分泌的有机质的控制。Macaskie等[22]研究表明，革兰氏阴性细菌Citrobacer通过磷酸酶分泌大量磷酸氢根离子在细菌表面与重金属形成矿物。微生物的代谢活动,在一定程度上改善了土壤的理化性质,促进植物根系对中重金属的吸收和累积,有助于植物的生长和降低土壤中重金属污染。植物修复中，微生物的协同作用是指在利用特殊植物进行污染土壤修复的同时，往土壤中投加一定量的微生物肥料，微生物的代谢活动有助于协同增强植物修复效果的现象。[23]微生物协同植物修复技术,在国外矿山废弃地修复中有较快的发展,特别是具有协同作用的