贵州土法炼锌废渣的矿物学特征及综合利用

废渣矿物组成较为复杂,并有较多玻璃质、微晶质和不同矿物的过渡相存在。废渣中锌主要分布在硅酸盐和锌铁尖晶石中;铅含量低,主要以铅矾形式存在;铁的主要物相为赤褐铁矿和硅酸铁;废渣含碳量高,烧失量较大。根据废渣含锌量及浸出毒性结果,将废渣分为两类处理。锌含量低且浸出毒性在国标规定范围的这一类废渣,金属回收价值不高,可作为建筑材料的原料(如水泥、混凝土及烧结砖)。另一类锌含量较高或浸出毒性超出国标规定范围的废渣,进行还原焙烧回收有价金属,90%以上的Zn和85%以上的Pb挥发进入烟尘,得到锌铅含量低且浸出毒性在国标规定范围的残渣,可用于建筑材料。

先锋修复植物对土法炼锌废渣基质养分及微生物学特性的影响

为综合评价先锋修复植物对黔西北土法炼锌废渣基质的生态修复效应,通过野外采样及室内分析研究改良的土法炼锌废渣上自然定居植物土荆芥(Chenopodium ambrosioides)和大叶醉鱼草(Buddlejia davidii)以及先锋修复植物白三叶草(Trifolium repens)和黑麦草(Perennial ryegrass)对废渣基质的养分、酶活性及微生物活性的改善效果。结果表明:与无植被修复的裸露废渣相比,4种修复植物具有明显的根际效应,表现为根际废渣pH值降低,且4种修复植物可显著(p<0.05)增加根际废渣基质的养分(N,P,K、有机质)、酶活性(脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶)、微生物活性(细菌、真菌、放线菌、微生物量、呼吸作用强度)。相关性分析表明,植物根际废渣养分、酶活性和微生物活性之间总体上呈正相关关系,其中有效氮与蔗糖酶和磷酸酶之间,全氮与细菌之间均呈极显著(p<0.01)相关,而有效钾与呼吸作用强度、微生物量和真菌之间,真菌与脲酶和蔗糖酶之间及微生物量与脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、过氧化氢酶之间均呈显著相关(p<0.05)。通过主成分分析计算的综合肥力指标表明,三叶草修复铅锌冶炼废渣基质的综合肥力最高,而无植被存在的裸露废渣肥力指标最低。可见,在4种先锋修复植物中,三叶草作为先锋植物对土法炼锌废渣基质的修复效果最好。因此,在土法炼锌废渣堆场生态修复过程中,可选择三叶草作为先锋植物显著改良炼锌废渣的植生特性,为在废渣堆场上快速引进其他植物提供了有利条件。

2种优势植物对不同粒径炼锌废渣团聚体养分及重金属赋存形态分布的影响

为评价土法炼锌废渣堆场上自然着生的优势植物对废渣团聚体中重金属的控制效应及生态修复效果,以废渣堆场上已自然定居且生长茂盛的本土植物土荆芥(Chenopodium ambrosioides L.)和大叶醉鱼草(Buddleja davidii Franch.)为研究对象,以未经修复的空白废渣为对照,分析这2种优势植物对根际、非根际废渣内不同粒径团聚体中主要养分(氮、磷、有机质)和主要重金属(Cu、Pb、Zn、Cd)赋存形态及含量分布的影响。结果表明:土法炼锌废渣堆场上自然着生的2种优势植物对根际与非根际不同粒径炼锌废渣的主要养分含量具有显著影响,且不同种类植物参与对根际与非根际废渣中有机质的贡献明显不同。养分在粒径<1 mm的团聚体废渣中分布含量较高,除大叶醉鱼草非根际废渣中的总氮含量低于对照废渣外,植物影响下的各粒径团聚体中的养分含量总体高于对照废渣。优势植物生长明显影响炼锌废渣中Cu、Pb、Zn、Cd等主要重金属在不同粒径废渣中的含量分布及赋存特征,Cu和Cd主要分布在粒径<0.25,0.25~0.5,0.5~1 mm团聚体中,Zn主要分布在粒径<0.25,2~5 mm团聚体中,Pb则在0.25~5 mm的4种不同粒径团聚体中含量分别达最高;且其降低了各粒径废渣团聚体中Cu、Pb含量,对粒径>5 mm团聚体中的Cd含量有一定的提高作用,其中,2种优势植物影响下的粒径<5 mm团聚体中的酸可溶解态Cu、Pb、Zn的比例明显降低,而残渣态Zn和酸可溶解态Cd的比例有所提升。主成分分析结果表明,2种优势植物对根际和非根际粒径<5 mm团聚体中的养分、Zn全量及酸可溶解态Cd含量贡献率高,但对粒径>5 mm团聚体中的养分影响不大。综上,自然定居且繁茂生长的土荆芥和大叶醉鱼草可显著改善铅锌冶炼废渣中的养分状况,同时可有效减小废渣中重金属Cu、Pb、Zn对环境生态的潜在风险,开展铅锌冶炼废渣堆场水土保持及生态修复相关工作时可优选这2种植物作为先锋植物。

两种先锋植物对铅锌废渣生境改善及重金属迁移的影响

为了研究自然定居的先锋植物对铅锌废渣的生态修复效应,通过野外采样及室内分析,研究了典型的黔西北土法炼锌废渣堆场上自然着生的2种先锋植物(土荆芥及类芦)对废渣基质养分积累、酶活性改善状况,并分析了2种先锋植物生长对炼锌废渣中特征重金属Cu、Cd、Zn、Pb的吸收积累特征及先锋植物根际微域中重金属赋存形态的影响。结果表明,与对照(无植被修复的裸露废渣)相比,自然定居在铅锌废渣堆场上的土荆芥和类芦可显著(P<0.05)改善植物根际废渣基质的养分(N、P、K、有机质)、酶活性(碱性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶)及微生物活性(呼吸作用强度);2种自然定居植物对Cu、Cd、Zn、Pb的赋存形态特征具有明显影响,植物生长促进根际废渣基质中残渣态Cu、Cd、Zn、Pb向可交换态转化进而增加废渣基质中重金属的生物有效性。土荆芥对Cu、Cd、Zn、Pb和类芦对Cu、Zn、Pb的转运系数均小于1,但类芦对Cd的转运系数达到2.02,表明类芦对Cd具有较强的吸收转移能力;两种植物均能在极端的废渣环境中生长,表现出对铅锌废渣较强的耐性和抗性。土荆芥和类芦的自然定植及生长对土法炼锌废渣堆场重金属污染有一定的修复作用,可作为先锋优势植物应用于铅锌废渣植被重建或生态修复工程实践的前期修复工作中。

黔西北典型炼锌区重金属污染特征及生态风险

贵州黔西北土地资源匮乏,当地居民在土法炼锌区废渣和土壤上种植农作物后,可能因重金属污染威胁居民身体健康。该文以黔西北土法炼锌区炼锌规模较大的水城区、赫章县、威宁县3个典型废弃矿区为研究对象,分别测定了废渣与土壤中Cu、Cd、Cr、Ni、Pb、Zn的含量,利用地积累指数法和Hankanson潜在生态风险指数法对受污染土壤进行评价,并对废渣与土壤中重金属含量进行多元统计分析。结果表明,3个研究区废渣中Cd(55.33、74.54、26.02 mg/kg)、Pb(2583.87、14818.66、4984.65 mg/kg)平均含量超过农用地土壤风险管制值,土壤污染风险极高。3个研究区土壤重金属均超过贵州省土壤重金属背景值,其中赫章县土壤中Pb、Zn、Cd污染严重,分别超标134.13、246.26、108.28倍。地累积指数法分析表明,研究区土壤中Cu、Pb、Zn、Cd污染较为严重,土壤中Cr、Ni污染较轻。潜在生态风险指数法分析表明,土壤中Cd污染严重,存在极强潜在生态风险;土壤中Cu、Pb和Zn污染较重,存在较强潜在生态风险。土壤重金属RI指数平均值达到2505.39,存在很强综合潜在生态风险。多元统计分析结果表明,冶炼废渣长期堆放是研究区土壤中Pb、Cd、Ni、Cu累积的主要来源。

三叶草和黑麦草修复对炼锌废渣剖面养分及重金属分布特征的影响

为评价两种草本植物修复5年后的土法炼锌废渣剖面上养分及重金属分布特征,以废渣堆场上人工种植的三叶草(Trifolium repens)和黑麦草(Lolium perenne)为研究对象,分析两种草本植物剖面(0~60 cm)上不同粒径废渣中养分和重金属的分布特征.结果表明:随着废渣剖面深度增加,废渣中全氮、碱解氮、全磷、有效磷含量逐渐降低,表层废渣(0~10 cm)中有机质含量大多显著(p<0.05)低于深层废渣(10~60 cm);而表层废渣(0~20 cm)的有效态氮磷含量大多显著(p<0.05)高于深层废渣(20~60 cm).有机质和全氮含量随着废渣粒径增大呈先增加后降低的趋势,其含量在粒径为0.25~0.5 mm的废渣中最高,而碱解氮和有效磷含量则随废渣粒径增大逐渐降低.三叶草修复作用下其剖面不同粒径废渣中有机质、全氮、碱解氮、全磷含量高于黑麦草.As、Cu、Pb、Zn含量随着废渣深度增加呈先降低后增加的趋势,且其在表层废渣(0~20 cm)中的含量高于深层废渣(20~60 cm).除As外,Cd、Cu、Pb、Zn的含量总体表现为随废渣粒径增大而降低.两种植物修复作用下,酸可交换态As、Cd、Cu、Zn占比均随废渣剖面深度增加而增加,酸可交换态Cd、Cu、Pb、Zn占比均随废渣粒径增大而增加.综上,三叶草和黑麦草参与下垂直剖面上不同粒径废渣养分及重金属含量分布特征具有明显的差异.

不同类型植物凋落物参与下炼锌废渣对斑马鱼抗氧化酶和神经毒性的影响

为评价矿山生态修复过程中植物凋落物参与下炼锌废渣体系浸出液对水生生物抗氧化酶和神经毒性的影响,通过模拟添加不同类型代表性修复植物(三叶草、刺槐、构树和法国梧桐)凋落物处理黔西北土法炼锌废渣,检测在不同处理废渣浸出液中暴露28 d斑马鱼(Danio rerio)组织中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、丙二醛(MDA)和乙酰胆碱酯酶(AChE)的变化,以及红细胞DNA的损伤情况.结果表明,无凋落物组在28 d时SOD和CAT活性受到显著抑制,而添加凋落物组抗氧化酶活性在实验期间无明显规律,基本维持在正常水平;在实验期间,无凋落物组MDA含量显著升高,并在28 d时含量最高,凋落物组MDA含量并无明显升高,仅刺槐组在暴露后期(28 d)时显著高于空白组.随暴露时间延长,各处理组对斑马鱼脑AChE活性表现为先诱导后抑制的作用,并在28 d时受抑制程度明显加强.无凋落物组在28 d时DNA发生明显偏移,而添加凋落物处理后,Olive尾矩(OTM)明显缩短.综上,添加凋落物可明显降低废渣浸出液对斑马鱼抗氧化系统损伤和遗传毒性,其中阔叶高蛋白乔木构树凋落物可以显著降低炼锌废渣生态风险,可作为废渣污染控制的有机改良剂.因此,在开展金属冶炼废渣堆场生态修复过程中选取合适的植物种类及其凋落物对加速冶炼废渣生态修复进程及有效降低废渣污染物的生态风险具有重要意义.