利用同位素示踪法解析城市污泥矿山复垦过程中重金属迁移转化机制的研究

Municipal sludge is considered a proper covering soil substrate for mine–reclamation because of its high organic matter content and big production. However, both of the sludge and the soil surrounding mine contain a lot of heavy metals, but the transportation and transformation mechanism of heavy metals when the two sources intermingled with each other were still not clear, which made the potential environmental risks in sludge disposal area were difficult to evaluate. This research plans to use lead isotopic tracing technique to announce the migration mechanism of heavy metals that derived from sludge and soil surrounding mine during mine–reclamation process. And we also attempted to build a mathematical model to simulate the transfer of heavy metals in environment. The above products could provide the basis for establishing a scientific environmental security assessment system.

城市污泥有机质含量丰富、产生量大且难以处理，将其用于废弃矿山复垦是大规模资源化的有效途径之一。但城市污泥和矿山土壤均含有多种重金属元素，由于二者相互混合过程中的重金属迁移机制及控制机理尚不明确，使得这一技术在应用过程中存在难以评估的潜在环境污染风险。因此本研究拟使用铅同位素示踪法，追踪城市污泥矿山复垦过程中污泥源重金属和矿山源重金属的赋存形态变化及其在土壤、水体、植物等自然环境中的迁移转化规律，并尝试通过迁移转化规律与各环境影响因子间的相关性分析，建立不同重金属在土壤中迁移的数学模型，预测实际矿山复垦过程中各重金属的迁移分布情况。该研究有助于更加科学合理的评估利用城市污泥进行矿山复垦这一技术手段的环境安全性，为城市污泥的大规模资源化应用提供可行性依据。

城市污泥和矿山土壤均含有多种重金属元素，故城市污泥用于矿山复垦过程中的重金属迁移机制及控制机理尚不明确，使得这一技术在应用过程中存在难以评估的环境风险。本研究制备了以菌糠为调理剂，食品废物为添加剂的稳定化城市污泥，稳定化过程使得体系中重金属元素的有机结合态与残渣态占比上升，重金属稳定度进一步增强，经检验各项指标均符合国家标准中相应限值，矿山土壤复垦模拟植物种植实验评估，最佳施用量为30t∙ha-2，受试植物生长状况良好。.各总金属总量沿土壤剖面分布呈现如下规律：Cd的浓度随着深度的增加而增加，Cr、Cu、Hg主要积累在表层土壤（5cm处），Pb主要积累在中部土壤（47cm处）。腐殖酸结合态Cd、Cr、Cu、Hg、Pb主要积聚在表层；碳酸盐结合态Cd、有机结合态Cr、有机结合态、水溶态和离子交换态Hg、碳酸盐结合态、有机结合态、水溶态和离子交换态Pb及Cu均集中积累在中部；离子交换态Cd沿深度方向逐渐积累；Fe-Mn氧化物结合态Cr沿剖面表现出先减少后增加的趋势，有机结合态、Fe-Mn氧化物结合态Cd、碳酸盐态Cr沿深度方向迁移不明显。铅同位素示踪结果表明，稳定化污泥中的铅元素对60cm以上土层影响较大，影响程度沿土层深度逐渐下降；60cm以下以矿山本底铅元素为主。.剖面土壤中重金属的平均Igeo值依次排序为Cr>Cd>Cu>Pb>Hg，Cd、Cr的Igeo值属于第3级，即中度污染；Cu、Pb、Hg的Igeo值均为1级，污染等级为无污染；风险指数值依次排序为：Cd>Hg>Cr>Cu>Pb，污泥复垦土壤的RI值明显高于矿山土壤的RI值，说明污泥的施用增加了生态风险。潜在生物利用度依次排序为：Cd>Pb>Hg>Cu>Cr。Cd在整个土壤剖面的MF值（14.0%~18.1%）呈中度迁移性，仍存在转移到食物链的风险。故城市污泥用于矿山复垦在长期使用情况下仍具有一定的潜在环境风险。