改良剂与植物耦合对汞铊矿废弃物的生态修复效应研究

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贵州省黔西南地区的汞铊矿区废弃物堆场具有养分含量低、呈较强酸性并富含Tl、Hg、As和Sb等多种有毒元素的特征,目前,研究表明,该汞铊矿区废弃物中大量金属硫化物长期裸露堆存,经自然风化以及降雨冲刷淋洗,使得Tl、Hg、As和Sb等重金属持续释放并迁移进入周边土壤、河流和农作物而引起环境污染和居民健康风险。因此,开展汞铊矿区废弃物污染释放的源头控制与生态修复研究对改善汞铊矿区废弃物堆场的生态环境质量和保障居民健康具有重要意义。为此,本研究根据汞铊矿废弃物的污染特性和劣境特征,因地制宜创新性地采用富含多种养分的鱼粪和呈现较强重金属固定效果的赤泥,在此基础上,结合在研究地区具有良好的气候适应性和较强耐酸性的两种典型草本植物(黑麦草和巨菌草),设置6个实验组,即:CK组(汞铊矿废弃物)、FY组(汞铊矿废弃物+鱼粪)、FC组(汞铊矿废弃物+赤泥)、FYC组(汞铊矿废弃物+鱼粪+赤泥)、FYCJ组(汞铊矿废弃物+鱼粪+赤泥+巨菌草)和FYCH组(汞铊矿废弃物+鱼粪+赤泥+黑麦草)。通过考察赤泥与鱼粪联合先锋植物在150 d内对汞铊矿废弃物不同批次淋滤液的污染控制效应、汞铊矿废弃物的生境改良效应和生物效应,并对相应的影响机制进行探讨,为科学指导典型的多金属矿山开采、选矿、冶炼外排尾矿废弃物处置中堆场复合污染物释放迁移的污染原位控制与矿区环境的生态修复提供重要的理论依据。取得的主要研究结果如下:(1)改良剂与植物的耦合作用可明显改善汞铊矿废弃物不同批次淋滤液的理化性质并有效控制特征污染物的释放。与对照组相比,各处理组p H值逐渐从酸性上升至接近中性,其中鱼粪-赤泥改良剂的复合添加对p H值的提升效果比单独添加的较好,Eh和EC出现不同程度下降;与对照组相比,联合修复的汞铊矿废弃物各处理组淋滤液中的Tl和Sb的溶出量明显降低。与CK组相比,FYCH组在5次淋滤实验中As和Sb溶出量的降幅分别为21.28%~51.94%和32.20%~34.20%。(2)改良剂与植物耦合可明显降低汞铊矿废弃物淋滤液的生物毒性。在黑麦草种子萌发毒性实验中,FYCJ和FYCH组对黑麦草种子萌发的发芽情况改善效果最好,这使得黑麦草种子萌发的发芽情况从对照组的17.78%提高到了77.78%~83.33%;FYCH组淋滤液芽伸长情况在5次淋滤中是CK组的3.56~5.55倍。在斑马鱼毒性实验中,FYC和FYCH组的斑马鱼CAT活力值一直增加,其中,淋滤液L5与淋滤液L1相比,增幅分别为356.70%和254.92%;各处理组中FYCJ和FYCH组的POD活力是最高的,分别是CK组的1.77~2.40和1.68~2.23倍。(3)改良剂与植物耦合可改善汞铊矿废弃物不同深度的理化性质。各处理组汞铊矿废弃物不同深度的p H由对照组的酸性升至接近中性;在各处理组中,整体来说,0-8 cm深度位置的Eh较高,16-24 cm深度位置的Eh较低;CK、FC、FYCJ和FYCH组的EC随着汞铊矿废弃物深度的不断增加而逐渐降低。(4)改良剂与植物耦合可提高汞铊矿废弃物不同深度的养分含量。各处理组中,速效钾在0-8 cm深度位置的含量是最高的;FY组在汞铊矿废弃物不同深度的有效磷含量最高,是CK组的3.36~4.37倍;各处理组有机质含量变化范围为2.50~3.56 g/kg,最大值出现在FY组16-24 cm深度的位置;CK、FY和FC组碱解氮含量随着汞铊矿废弃物深度的增加呈不断增加的趋势。(5)改良剂与植物耦合后各处理组中FYCH组的细菌群落丰富度最高,Chao1和Ace指数分别是CK组的18.45和18.74倍;各处理组的Shannon指数是CK组的2.11~3.10倍,表明改良剂联合植物修复不仅可以增加汞铊矿废弃物堆场的群落物种丰富度,还可以提高堆场中群落物种的多样性。综上,通过资源化利用富含氮、磷、钾和碳等营养元素的水产养殖废弃物(鱼粪)和富含铁铝及碱性物质的工业废弃物(赤泥)作为汞铊矿废弃物的改良剂,在此基础上联合当地大型暖季草本植物巨菌草和冷季型适生植物黑麦草进行生态修复后,可明显控制汞铊矿废弃物的污染释放、有效改善汞铊矿废弃物的养分特性及堆场生境条件。因此,改良剂与植物耦合修复可综合实现汞铊矿废弃物污染释放的原位生态控制、生境改良和生物植被的明显改善。
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