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改善生态环境,我们在行动

—聚焦自然资源部生态地球化学重点实验室新技术新成果

来源:中国自然资源报 发布时间:2019-04-23

国家地质实验测试中心向瑞金市人民政府移交土地质量调查成果并进行科普宣传

 

地球化学生物技术处理酸性矿山废水现场

 

仙桃市富硒办公室等向测试中心赠送锦旗

生态环境是人类生存最为基础的条件,是我国持续发展最为重要的基础。国家地质实验测试中心所属自然资源部生态地球化学重点实验室近年来在矿山酸性废水处理、复合性污染土壤修复、土地质量调查、大气中持久性有机污染物示踪研究等方面取得了显著进展,为改善地球环境作出了贡献。让我们一起来了解他们保护地球家园的行动。

卡住污染的源头

——地球化学生物修复技术处理酸性矿山废水

谭科艳

金属硫化物矿山在开采、冶炼过程中,会产生含有大量金属离子及硫化物的酸性废水。若这种酸性矿山废水直接排放到地表水中,就会使其中的金属和硫元素在底泥中富集,并对周边生态环境及人体健康造成严重危害。

目前,针对酸性矿山废水的处理技术主要有以下几种:一是中和处理技术,通过向废水中投放碱性中和剂(石灰、硫化钠、碳酸盐矿物等)来实现废水处理。中和法是传统的处理方法,虽可实现一定的废水处理目的,但存在不易控制、处理效果差的问题。二是微生物处理技术,通过具有特定功能的微生物对废水中的污染物进行富集、转化、矿化等来降低其有效性和迁移性。微生物处理技术具有成本低、效率高的特点,但存在稳定性差的问题。三是人工湿地处理技术,人工湿地由人工基质和水生植物组成,通过土壤—植物—微生物系统来对废水进行净化,但存在占地面积大、处理周期长的问题。四是渗透—渗析处理技术,具有分离效率高、无相变、节能的特点,但存在修复费用高的问题。

为了解决上述技术瓶颈问题,国家地质实验测试中心设计了一套地球化学生物技术处理酸性矿山废水的系统,提高了酸性矿山废水处理效果,增强了系统稳定性,且不会造成二次污染。

该中心在江西德兴铜矿酸性矿山废水排放源头建立了一个示范点,设计了铁去除、硫酸盐还原、硫回收、锰去除和末端净化单元,利用当地底泥驯化的SRB,在厌氧条件下通过代谢使能量和电子转移(氧化还原反应),进行硫酸根离子的还原和硫化铜的回收;利用曝气和氧化细菌的方法将大量的铁、锰转化为氧化物进行絮凝沉淀;利用天然矿物材料强大的阳离子交换吸附能力去除微量有毒重金属;并调节pH值到中性以达到减少污染排放和对下游生态环境的影响,达到国家污水综合排放标准。针对pH值极低,含大量铜、锰重金属,含大量铁,以及极高浓度的硫酸根离子的AMD,设计方案理论上达到重金属去除率80%以上,具有结构简单、成本低廉、控制容易、处理效率高、净化效果好、能耗低的优点,针对德兴铜矿排放废水的特点提供了技术解决方案。

本技术不仅将污染修复工作放到铜矿AMD的源头排放点,卡住污染排放的根本,真正做到矿山修复治理的源头防控,而且形成了从上游技术研发到下游应用的完整链条,迈出了修复技术现场应用的关键一步,同时也体现了国家地质实验测试中心的技术引领地位,开创了中心与地方企业融合发展的新局面。

彻底去除土壤中的重金属

——EK-PRB/SS联合技术修复复合污染土壤

黄园英

随着我国产业转移政策的实施和城市“三旧”改造的加快,因工业企业关停转而遗留的“棕地”不少于50万块,主要表现出多源、复合、持久、面广、量大等特征,其中,无机污染(以重金属为主)、有机污染以及二者的复合污染均较为突出。这些日益增多的污染场地将对环境和公众健康构成巨大威胁,成为影响和制约城市可持续发展的重要因素。电动修复因具有适用于低渗透性土壤和同时去除多种污染物的优势而受到广泛关注。由于土壤组成、污染物类型、性质等不同,特别是在不同污染物同时存在的复合污染情况下,单一修复技术往往难以达到修复目标,因此,不同修复技术的组合应用越来越受到重视。

依托部公益性科研专项《电动力学与PRB技术联合修复有机氯和镉、铬(Ⅵ)污染土壤》,针对重金属—有机氯复合污染土壤,国家地质实验测试中心研发了一种新型、绿色环保的土壤修复技术——电动力学—渗透反应格栅技术(EK-PRB)。项目自主研发的EK-PRB装置及工艺,以绿色环保的太阳能供电为主,电动力装置与PRB采用原位连接方式,PRB反应介质为来源广泛、价格低廉的天然材料等组成,失效后可随时更换。阴阳极采用特殊的摆放方式,克服了以往阴阳极作用距离短,电场分布不均匀的缺点,使得EK-PRB技术应用于野外现场污染场地修复成为可能,打破了以往大部分电动修复研究仅停留在实验室阶段的局限。野外现场小试结果表明,EK-PRB技术对“活动态”重金属和有机氯能同时去除,土壤中重金属镉、铬“活动态”去除率大于50%,总六六六和总滴滴涕去除率大于90%。

而对于多重金属复合污染土壤,采用自主研发的电动力学—稳定化(EK-SS)修复装置和修复方案,重点解决了如何使土壤中的多种重金属同时快速定向运动和如何将EK-SS的具体修复方案和修复装置实用化两个技术难点。典型示范结果表明,该技术对污染土壤中各种形态的重金属(包括铜、铅、锌、镉、汞和砷)都有去除作用。经过48小时处理,土壤中大多数重金属浓度可降低70%左右,电动修复的成本由每立方米2500元降低至565元左右。

EK-PRB/SS技术已形成了有机—重金属或多种重金属复合污染场地的修复方案和配套修复装置等创新性成果,并通过现场小试和典型示范说明其应用效果,初步评估其快速、高效和经济实用性。另外,该技术为“永久性”修复技术,将重金属或有机物从土壤中彻底去除,消除了重金属重新活化的风险隐患,且适用范围广,经济效益高,二次污染少,因此在污染场地原位修复方面将有广阔的应用前景。

生态环境调查的新利器

——精准高效绿色的环境有机分析技术

饶竹

环境中持久性有机污染物、药物、个人护理品、合成麝香及紫外吸收剂等新型污染物对生态环境和人体健康具有潜在威胁,其调查与评价是生态地球化学学科发展的新需求。一年来,国家地质实验测试中心先后建立了气相色谱—质谱、气相色谱—三重四极质谱法测定水、土壤中合成麝香及紫外线吸收剂,以及液相色谱三重四极质谱分析方法测定水、土壤中10种全氟化合物的新方法。这些方法高效、快速、准确,已应用于生态区地球化学样品分析,研究成果相继发表在国内外期刊上,达到国内外先进水平。

自动绿色有机污染物分析技术既是当前分析技术发展的方向,也是生态文明建设发展的需要。2019年,中心围绕自动绿色技术,开发了自动顶空—全二维气相色谱测定短链氯化石蜡分析新方法,样品用量由1升减为10 毫升,无需有机溶剂,避免了有机试剂造成的二次污染。该方法已成功应用于北京地区地下水、湖水、河水中的短链氯化石蜡测定,为生态环境调查提供了新的科学手段。

抗生素污染是生态地球环境研究的新课题。中心利用超高分辨率液相色谱—质谱联用仪建立了自动在线固相萃取—超高效液相色谱—高分辨质谱分析平台,实现了地下水中40种抗生素自动化识别、确证与定量分析,在无标准品情况下,对批量地下水样品中近200种目标物进行自动化识别,样品用量仅需10毫升,全部检测时间仅1小时,大幅减少了样品前处理时间、有机试剂用量和野外采样工作量,有助于提高地下水资源质量调查与监控的效率。

此外,该实验室还完成了“DZ/T0064.72-201x 地下水质检验方法”中敌敌畏、甲拌磷、乐果、甲基对硫磷测定 气相色谱法等4个地下水标准的报批;完成了“地下水43种极性农药测定 液相色谱—质谱”“地下水 38多环芳烃衍生物测定 气相色谱—质谱法”等6个标准方法研制工作,形成了地质行业有机污染检测标准新架构,将现行有效的“DZ/T 0064-93地下水质检验方法”中13项有机污染物检测指标扩展至265项,大幅提升有机污染检测标准化水平;有力支撑了“DZ /T 0290-2015地下水水质标准”“GB/T14848-2017地下水质量标准” “DZ/T 0307-2017地下水监测网运行维护规范”标准的实施。

这些新技术新方法已成功应用于雄安新区水土有机污染现状调查、贵州南明河抗生素赋存水平调查、污水回灌影响下的北京市地表水中药物与个人护理品分布特征与评价,以及河南洛阳、山西晋中等污染场地地下水有机污染筛查,有利支撑了生态文明建设,促进了生态地球化学学科的发展。

发掘瑞金特色土地资源

——土地质量调查助力精准脱贫攻坚

刘斯文

2017年以来,国家地质实验测试中心承担了自然资源部中国地质调查局“支撑服务赣州六县精准脱贫攻坚地质调查”工作,瑞金市1∶5万土地质量地球化学调查是其中的一部分。为高质量完成该项任务,中心调集能兵强将、充分发挥测试分析专业优势,在标准要求基础上增加了特色农产品中钾、钙、磷、铁、锗等8种有益人体健康元素的测试分析,为最大程度地发掘瑞金市特色土地资源和名特优产品提供测试分析数据支撑。

瑞金市1∶5万土地质量调查涉及7个乡镇,面积400平方公里,基本覆盖了瑞金盆地的农耕区。此次土地质量调查是自20世纪80年代瑞金市第二次土壤普查以来最为全面的一次体检,也是对“藏在深闺人未识”的特色土地资源、特色农产品的一次全面发现。

调查发现,瑞金市土壤环境质量优越,清洁土壤面积约占98%。富硒土壤面积达31平方公里,呈北东—南西向,分布于瑞金盆地、河谷边缘的黄柏乡、沙洲坝镇、云石山乡等地区。富锌土壤面积达70平方公里,连片分布于瑞金盆地内的壬田镇、叶坪乡等地区。调查还发现富硒、富锌特色农产品,比如:富硒、锌、铜、钙、钾的莲子、花生,富硒杨梅、水稻,富硒、富锰茶叶。其中,瑞金莲子中的硒、钙平均含量是普通莲子含量的4倍。项目查明,瑞金市无公害土壤和绿色食品产地面积占比高达95%。其中,AA级绿色产地占48%、A级绿色产地47%,共圈定绿色富硒、富锌农业产业基地16个。

2018年12月,国家地质实验测试中心向瑞金市人民政府移交了《赣州市瑞金市1∶5万土地质量地球化学调查成果报告》和《瑞金市绿色富硒、富锌特色农业基地档案集》。瑞金市人民政府表示,地球化学调查成果对于瑞金市脱贫攻坚,发展地方经济、脱贫致富、生态文明建设等诸多方面具有非常重要的应用价值。部分富硒、富锌农业基地已经实现成果转化应用,带动了近万人口脱贫,取得了显著的社会和经济效益。

助力仙桃打造富硒农都

——土地质量调查服务地方经济发展

刘久臣

国家地质实验测试中心承担的《湖北典型地区1∶5万土地质量地球化学调查》项目, 2016~2018年在湖北省江汉平原仙桃市开展1∶5万土地质量地球化学调查示范。调查结果显示,仙桃市土地环境质量优良,营养元素丰富,在完成的605平方千米调查面积中,发现富硒土地资源250平方千米。依靠调查成果,项目组积极与地方政府对接,服务社会效果显著。

土地质量地球化学调查成果应用于仙桃市自然资源局于2017年开展的永久基本农田划定工作,在国土管理与资源利用中发挥了重要作用。结合仙桃农业发展方向,国家地质实验测试中心协助仙桃市政府编制了《仙桃市富硒产业发展规划》,规划至2021年将着力打造40万亩富硒水稻、30万亩富硒油菜、20万亩富硒蔬菜、10万亩富硒瓜果和莲藕的“四三二一”工程,建成六大富硒板块、百万亩富硒产业基地,一个富硒产业园、富硒产品物流中心和交易中心。

围绕硒元素的科普与开发,国家地质实验测试中心协助仙桃市建设了中国首家以“硒元素”为主题的科普性展览馆“中国硒馆”。该场馆将于2019年6月开馆,届时将成为仙桃市“荆楚富硒粮仓,中国富硒农都”建设上的一张新名片。此外,还协助地方进行富硒产业的宣传推介工作,为地方进行科普讲解,在地方电视台、报纸等宣传媒介推介项目成果,吸引更多富硒产业落户仙桃。截至2018年底,仙桃市已建成富硒农产品基地45万亩,富硒产业规模达14.6亿元,从事富硒产业企业总数15家,富硒产品商标数5个。

国家地质实验测试中心还协助仙桃市组建了湖北省食用富硒农产品监督检验检测中心,为富硒产业发展技术攻关及产品质量安全提供保障。目前,该检测中心已完成100多个大宗农产品的富硒检测,开展了8个富硒农产品标准化生产科研试验示范。

仙桃市自然资源局、仙桃市农村工作领导小组办公室、仙桃市富硒农产品开发领导小组办公室、仙桃市西流河镇人民政府对项目成果给予了高度认可,并期待与国家地质实验测试中心在富硒农产品开发与测试上继续保持合作,让富硒产业在乡村振兴事业中发挥更大的作用。

揭开雾霾产生的自然条件之谜

——东亚季风区大气颗粒物7Be纬度分布规律探索

杨永亮 盖楠

宇宙射线成因核素7Be(半衰期53.3天 )来源于平流层底部和对流层顶部,是宇宙射线同大气中的氮和氧原子相互作用的产物, 7Be 在大气中的浓度不受人类活动影响、无地表污染源、可经大气运移,是一种有效的大气气溶胶示踪剂。

在中国地质调查局地质调查项目及国家自然科学基金项目的支持下,国家地质实验测试中心较为系统地开展了对处于中国东亚季风区内的纬度范围为19°N~53°N的7Be的大气沉降通量、土壤中累积量、大气气溶胶中含量在不同季风条件下的纬度分布规律以及7Be对典型大气中持久性有机污染物的示踪研究。

通过在中国五个不同纬度城市(低纬度的广州、中纬度的苏州、北京、青岛以及高纬度的黑河市)大气气溶胶中7Be和典型持久性有机污染物(有机氯农药和多氯联苯)的同步观测,发现我国东亚季风区不同纬度城市近地表大气气溶胶中7Be浓度的年平均值与纬度之间的关系服从正态分布规律。

持久性有机污染物会吸附在大气颗粒物上随大气环流远程迁移。为此,项目组开展了我国东亚季风区不同季节大气颗粒态和蒸汽态有机氯农药六六六和多氯联苯的纬度分布研究。研究证明,以宇宙射线成因核素7Be作为大气环流的参照系,可以解释东亚季风区大气环流对持久性有机污染物纬度分布现象。7Be可作为大气污染物远程迁移研究的一个有效的地球化学示踪剂。

此外,为了有效鉴别京津冀地区自然条件因素和人类活动因素对雾霾发生的影响,正在开展的大气气溶胶中7Be的纬度分布研究,根据风向在京津冀地区布置多个采样点,在观测7Be的同时也对一些重要污染物进行观测。该研究对大气环境地球化学研究以及对雾霾的预测、预报具有一定的科学意义和应用价值。

项目组通过对不同地区大气沉降通量的同步研究,对7Be的地球化学行为有了更深入的了解,并对大气污染物远程输送、沉降的中、长期变化及跨境迁移规律的探明提供了重要数据;同时,对雾霾的成因、发生过程及机理进行深入分析,研究成果将对我国中纬度地区大气污染及雾霾的防控具有重要意义。