硫铁矿区土壤污染特征与风险管控

世界硫铁矿矿产资源十分丰富，探明储量分布广泛，相对集中于少数国家和地区。全球硫铁矿资源主要分布在美国、俄罗斯、加拿大、沙特阿拉伯、波兰、印度和中国。据美国地质调查局的估计，中国、加拿大、沙特阿拉伯、俄罗斯和美国的储量在1 亿吨以上，这五个国家的硫铁矿资源接近全球总储量的57%。我国硫铁矿资源丰富，相对集中于四川、安徽、贵州、云南、内蒙古、广东、山东等省（自治区），七省（自治区）查明资源量占到全国的80% 以上。硫铁矿矿床以单一硫铁矿矿床为主，从大区来看，西南地区矿床最多，为212 个，占硫铁矿矿床总数的33.18%。 
硫铁矿属于特殊的矿产资源，硫铁矿开采和利用过程中会引起大量的环境污染问题，其中最严重的是重金属污染。硫铁矿中有毒有害的重金属主要来源于采矿和选矿废水的排放、矿山粉尘以及尾矿的堆存，通过雨水冲刷、降尘、扩散等方式进入水、大气和土壤环境中，并进一步迁移扩散，给矿区和周边敏感区域带来生态风险。其中，硫铁矿区周边土壤既是Cu、Cd、Zn、Pb、Cr、As、Ni、Mn、Tl 等的汇，也是这些重金属的源，对硫铁矿区周边水体和沉积物及水生生物产生较大的环境影响，同时还会对农产品产量和安全以及人居安全造成一定的风险。因此，系统梳理硫铁矿区重金属污染物的源-汇关系、污染物迁移与转化过程、污染机制和关键控制因子，进一步评估硫铁矿区尾矿渣堆场的环境风险显得尤为重要，更是为后续区域治理提供相关依据和支持。目前虽然环境风险评价方法较多，但是尚未有针对硫铁矿尾矿渣堆场进行风险评估的完整评价体系。硫铁矿区土壤污染风险特点决定了此类矿区风险管控是一项系统性的工程，构建硫铁矿区概念模型，可对矿区环境背景、污染物已发生或潜在暴露情况、污染物迁移归趋行为进行综合描述，准确识别硫铁矿区“污染源-暴露途径-受体”之间的关系，并通过三维立体的形式直观地反映硫铁矿区复杂的污染情况，无疑将对硫铁矿区土壤污染风险评估与管控起到举足轻重的作用。 
近年来，国内外学者围绕有色金属矿区的重金属污染治理开展了大量的研究工作，矿区的含重金属废水，主要处理方法有沉淀法、电化学法、吸附法、生物法、人工湿地法等。矿区土壤重金属污染修复技术主要包括物理修复技术、化学修复技术和生物修复技术。硫铁矿属于非有色金属矿，其成矿区土壤酸化严重，导致重金属极易迁移扩散，严重威胁到区域耕地生产安全和农业生态安全。为此，从构建酸性矿区的全过程土壤风险管控模式出发，梳理适合不同酸化特征土壤的重金属防控技术和产品，集成多向阻控综合防治重金属污染技术等无疑将为硫铁矿区污染乃至所有金属矿区的治理与修复提供一种全新思路与方案。 
鉴于此，本书围绕国家金属矿山污染生态修复的重大需求，聚焦极易引起土壤酸化、重金属污染的硫铁矿资源开发利用过程中的生态环境问题，在系统介绍特殊类矿产——硫铁矿资源的形成特点、分类、分布，以及硫铁矿区环境污染来源、特征、生态风险和矿区重金属污染防控的相关前沿政策法规的基础上，重点阐述硫铁矿区重金属迁移转化行为，系统梳理硫铁矿区土壤污染风险评估技术并构建相关模型；基于对矿区重金属污染治理与修复技术的总结，以及各类重大科技项目的原创性研发成果集成，创新性提出硫铁矿区土壤污染风险管控模式，并首次从污染源头管控、污染过程阻断、影响区治理与修复等角度，详细阐述各种技术的先进性与实用性，并创新性地提出生态皮肤无土复绿技术。此外，着重列举了相关工程应用案例，为有效解决硫铁矿区及其他金属矿区重金属污染问题提供有力支撑。 
本书由四川大学的余江教授任主编，四川省生态环境科学研究院的吴怡研究员、四川省环境政策研究与规划院任春坪、四川大学的徐恒教授任副主编，同时成都工业学院的刘建泉、四川大学的邓思维、余杰、江吟莹、吴玥蓉、周雪玲、李思佳、孙晓霜、杨韬、丁森旭、常凯威、金元宵、王泽、朱韦韦等参与编写，另外参与本书编写及材料整理的还有黄郅、皇甫卓曦、邵啸等。特别感谢“高山河谷金属采选场地及周边土壤防治技术研发与模式构建（重点研发计划项目，2018YFC1802605）”“川滇地区散露矿渣堆污染扩散生态阻隔关键技术研究与集成示范（区域创新合作重大专项，2022YFQ0081）”对本书的资助。 
由于编者学识水平所限，书中不足和欠妥之处在所难免，敬请广大读者批评指正。 

余江 
2023年4月于成都

《硫铁矿区土壤污染特征与风险管控》围绕国家金属矿山污染生态修复的重大需求，聚焦极易引起土壤酸化、重金属污染的硫铁矿资源开发利用过程中的生态环境问题，在系统介绍硫铁矿资源形成特点、分类、分布，以及硫铁矿区环境污染来源、特征、生态风险和矿区重金属污染防控相关政策法规的基础上，重点阐述硫铁矿区重金属迁移转化行为，详细梳理硫铁矿区土壤污染风险评估技术并构建相关模型，创新性提出硫铁矿区土壤污染风险管控模式。基于对矿区重金属污染治理与修复技术的总结，从污染源头管控、污染过程阻断、影响区治理与修复等方面详细阐述各种技术的先进性与实用性，并提出基质强化修复、生态皮肤无土复绿等自主研发创新技术。此外，还列举了相关工程应用案例，为有效解决硫铁矿区重金属污染问题提供有力支撑。本书既有较扎实的理论知识，又具有较强的实用性，可作为科研机构、环保企业矿山修复、环境科学、环境工程等相关专业技术人员、研究人员，生态环境、矿产资源、土地资源等管理部门人员的参考书；也可作为高等院校资源环境、环境科学、环境工程、土壤学、矿产资源管理、土地资源管理等专业的研究生和本科生的教材和参考书使用。

余江，教授，博士生导师，曾留学于美国加州大学圣 地亚哥分校，入选科技部“三区”人才支持科技人员专项计划，现为四川大学建筑与环境学院环境系副主任、四川省环境保护土壤生态保护与污染防治重点实验室副主任、四川省水安全与水污染控制工程技术研究中心副主任、省海外高层次人才、省学术和技术带头人后备人选、中国土壤学会土壤修复专业委员会委员、中国环境科学学会生态修复专业委员会委员、四川省土壤与地下水防治专业委员会委员、成都市生态环境局土壤专业委员会副主任，生态环境部、科技部、、省生态环境厅、省科技厅、省发改委、省自然资源厅、省助建厅、省侨联、省质量监督局等技术审查专家，联合国气候专家，国家重点研发计划、自然基金评审专家等。长期从事土壤（农田、场地、矿山）调查、污染风险评估以及土壤污染修复技术研发及工程应用，擅长流域污染治理、农业面源污染治理，以及大宗固体废物处置与资源化利用。主持承担国家自然科学基金、重点研发计划、省重大专项、国际合作项目以及其他省市级项目等百余项。申请专利12项。主编副主编教材3部、参编专著2部。

第1章 绪论1 
1.1 硫铁矿矿产资源形成特点及分类  1 
1.1.1 硫铁矿资源概况 1 
1.1.2 硫铁矿矿产资源类型 3 
1.1.3 我国硫铁矿矿产资源特点  4 
1.2 硫铁矿矿产资源分布 5 
1.2.1 世界硫铁矿矿产资源分布  5 
1.2.2 我国硫铁矿矿产资源分布  5 
1.3 硫铁矿矿产资源开发利用概况  7 
1.4 硫铁矿矿产资源开发利用中存在的主要问题及重金属污染评价  9 
1.4.1 硫铁矿山开采的环境特点  9 
1.4.2 硫铁矿山开采的生态环境问题  10 
1.4.3 硫铁矿开采重金属污染评价  10 
1.5 硫铁矿山重金属污染治理发展趋势  12 
1.5.1 硫铁矿山废水重金属污染治理发展趋势 12 
1.5.2 硫铁矿山土壤重金属污染治理发展趋势 12 
1.5.3 硫铁矿山固体废物重金属污染治理发展趋势  13 
1.6 硫铁矿区重金属污染防控的政策法规 13 
1.6.1 国外重金属污染防治相关政策法规 13 
1.6.2 我国硫铁矿区重金属污染防控相关政策法规  14 

第2章 硫铁矿区环境污染来源、特征以及重金属迁移转化行为17 
2.1 硫铁矿区环境污染来源 17 
2.1.1 废水排放 17 
2.1.2 废气排放 19 
2.1.3 固体废物排放  20 
2.2 硫铁矿区环境污染特征 21 
2.2.1 地表水污染特征 21 
2.2.2 地下水污染特征 23 
2.2.3 土壤污染特征  24 
2.2.4 大气沉降特征  27 
2.2.5 固体废物堆场特征 27 
2.3 硫铁矿区重金属迁移转化行为 29 
2.3.1 重金属在地表水中的迁移转化  29 
2.3.2 重金属在地下水中的迁移转化  33 
2.3.3 重金属在大气中的迁移转化  35 
2.3.4 重金属在土壤中的迁移转化  36 
2.3.5 重金属在植物中的迁移转化  39 
2.3.6 重金属输移通量计算  41 

第3章 硫铁矿区重金属污染的生态风险46 
3.1 重金属污染对水生态的影响  46 
3.1.1 重金属污染对地表水的影响  46 
3.1.2 重金属污染对水生动植物的影响 47 
3.1.3 重金属污染对沉积物的影响  49 
3.2 重金属土壤污染对农产品的影响  52 
3.2.1 间接影响 53 
3.2.2 直接影响 53 
3.3 重金属土壤污染对人体健康的影响  56 

第4章 硫铁矿区土壤污染风险评价与管控模式59 
4.1 硫铁矿区概念模型构建 59 
4.1.1 概念模型构建基本原则  59 
4.1.2 概念模型构建途径 60 
4.1.3 硫铁矿区概念模型 61 
4.2 硫铁矿区污染源尾矿渣堆场风险评价 62 
4.2.1 一般工业固体废物贮存场、填埋场评价法 62 
4.2.2 综合评分法  66 
4.3 硫铁矿区土壤污染风险评价  70 
4.3.1 土壤污染生态风险评价  70 
4.3.2 土壤污染健康风险评价  77 
4.3.3 矿区周边农田土壤风险评价  91 
4.4 风险管控与修复目标 94 
4.4.1 目标确定基本原则 94 
4.4.2 目标确定途径  94 
4.5 风险管控模式 95 

第5章 硫铁矿区重金属污染治理与修复技术概述97 
5.1 物理修复技术 97 
5.1.1 电动修复法  97 
5.1.2 换土法  98 
5.1.3 阻隔覆盖技术  99 
5.1.4 热处理技术 100 
5.1.5 水泥窑协同处置技术 100 
5.2 化学修复技术  103 
5.2.1 土壤淋洗技术 104 
5.2.2 化学氧化/还原修复技术 106 
5.2.3 固化/稳定化技术 107 
5.3 生物修复技术  110 
5.3.1 动物修复  110 
5.3.2 植物修复  110 
5.3.3 微生物修复 112 
5.4 联合修复技术  113 
5.4.1 植物-微生物联合修复 113 
5.4.2 化学-生物联合修复  114 
5.4.3 改良剂-植物联合修复 115 
5.4.4 物理-化学联合修复  115 
5.4.5 改性生物炭技术  116 
5.4.6 物理-化学-微生物三元体系联合修复  117 
5.5 工程措施与生态恢复  117 
5.5.1 工程措施  117 
5.5.2 生态恢复  117 

第6章 硫铁矿区污染源治理与管控技术120 
6.1 污染源治理技术 120 
6.1.1 废水源头治理 120 
6.1.2 大气污染源头治理 123 
6.1.3 固废源头治理 124 
6.2 硫铁矿区尾矿渣堆场管控技术  125 
6.2.1 物理拦截技术 126 
6.2.2 生态皮肤无土复绿技术  128 
6.2.3 重金属固化/稳定化技术 129 

第7章 硫铁矿区污染过程阻断132 
7.1 清污分流 132 
7.2 渗透性反应墙  132 
7.3 生态拦截 134 
7.3.1 植物稳定技术 135 
7.3.2 生态隔离带 137 
7.4 污染过程阻断效果评价 138 
7.4.1 单一植物污染阻断效果评价 138 
7.4.2 多种植物综合污染阻断效果评价  139 
7.4.3 整体生态效益评价 140 

第8章 硫铁矿区影响区治理与修复143 
8.1 硫铁矿区受污染水体末端治理与修复  143 
8.1.1 “主动治理”技术 143 
8.1.2 “被动治理”技术 152 
8.1.3 硫铁矿区废水处理与修复的发展趋势 160 
8.2 受污染农用地土壤治理与修复  160 
8.2.1 优先保护类 160 
8.2.2 安全利用类 161 
8.2.3 严格管控类 167 

第9章 硫铁矿区重金属污染修复与风险管控方案设计案例分析172 
9.1 黄家沟硫铁矿尾矿渣堆场及周边农田土壤污染修复与风险管控项目  172 
9.1.1 项目基本概况 172 
9.1.2 区域环境概况 173 
9.1.3 污染识别  175 
9.1.4 详细调查与风险评估的内容及结论 179 
9.1.5 风险管控与治理修复方案设计  180 
9.1.6 预期效果  182 
9.2 石海镇硫铁矿渣堆场及周边农田土壤污染修复与风险管控项目 184 
9.2.1 项目基本概况 184 
9.2.2 污染识别  185 
9.2.3 详细调查与风险评估的内容及结论 188 
9.2.4 风险管控与治理修复方案设计  188 
9.2.5 预期效果  193 
9.3 仙峰苗族乡新华硫铁矿渣堆场风险管控项目  194 
9.3.1 项目基本概况 194 
9.3.2 污染识别  194 
9.3.3 详细调查与风险评估的内容及结论 196 
9.3.4 风险管控与治理修复方案设计  198 

参考文献203

《硫铁矿区土壤污染特征与风险管控》围绕国家金属矿山污染生态修复的重大需求，聚焦极易引起土壤酸化、重金属污染的硫铁矿资源开发利用过程中的生态环境问题，在系统介绍硫铁矿资源形成特点、分类、分布，以及硫铁矿区环境污染来源、特征、生态风险和矿区重金属污染防控相关政策法规的基础上，重点阐述硫铁矿区重金属迁移转化行为，详细梳理硫铁矿区土壤污染风险评估技术并构建相关模型，创新性提出硫铁矿区土壤污染风险管控模式。基于对矿区重金属污染治理与修复技术的总结，从污染源头管控、污染过程阻断、影响区治理与修复等方面详细阐述各种技术的先进性与实用性，并提出基质强化修复、生态皮肤无土复绿等自主研发创新技术。此外，还列举了相关工程应用案例，为有效解决硫铁矿区重金属污染问题提供有力支撑。本书既有较扎实的理论知识，又具有较强的实用性，可作为科研机构、环保企业矿山修复、环境科学、环境工程等相关专业技术人员、研究人员，生态环境、矿产资源、土地资源等管理部门人员的参考书；也可作为高等院校资源环境、环境科学、环境工程、土壤学、矿产资源管理、土地资源管理等专业的研究生和本科生的教材和参考书使用。

余江，教授，博士生导师，曾留学于美国加州大学圣 地亚哥分校，入选科技部“三区”人才支持科技人员专项计划，现为四川大学建筑与环境学院环境系副主任、四川省环境保护土壤生态保护与污染防治重点实验室副主任、四川省水安全与水污染控制工程技术研究中心副主任、省海外高层次人才、省学术和技术带头人后备人选、中国土壤学会土壤修复专业委员会委员、中国环境科学学会生态修复专业委员会委员、四川省土壤与地下水防治专业委员会委员、成都市生态环境局土壤专业委员会副主任，生态环境部、科技部、、省生态环境厅、省科技厅、省发改委、省自然资源厅、省助建厅、省侨联、省质量监督局等技术审查专家，联合国气候专家，国家重点研发计划、自然基金评审专家等。长期从事土壤（农田、场地、矿山）调查、污染风险评估以及土壤污染修复技术研发及工程应用，擅长流域污染治理、农业面源污染治理，以及大宗固体废物处置与资源化利用。主持承担国家自然科学基金、重点研发计划、省重大专项、国际合作项目以及其他省市级项目等百余项。申请专利12项。主编副主编教材3部、参编专著2部。

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