综述：废弃冶炼厂场地土壤和地下水中重金属的行为：化学过程及迁移模式

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：The behaviour of heavy metals in soil and groundwater at abandoned smelter sites: Chemical processes and migration patterns

废弃冶炼场重金属迁移受地球化学与水文因素共同影响，整合吸附、沉淀等过程建立pH-氧化还原动态框架，新兴技术如同步辐射光谱为定量分析提供工具，但跨学科研究仍存在知识缺口，需开发预测模型和适应性管理策略。

　　废弃冶炼场地持续带来严重的环境和健康隐患，这些场地中重金属如铅（Pb）、锌（Zn）、镉（Cd）和砷（As）的长期淋溶现象，对土壤和地下水构成了持续的威胁。因此，有必要深入研究这些重金属在冶炼影响系统中的化学和物理行为，以构建一个基于过程的框架，理解pH值和氧化还原电位的变化、污染物迁移以及地下暴露风险。此外，还需考虑场地特定因素，如炉渣组成、风化作用以及微生物介导的氧化还原动态，这些因素影响重金属的形态变化和释放。近年来，同步辐射光谱技术、反应迁移模型和纳米尺度分析方法等新工具的应用，为这些过程的定量表征提供了重要支持。同时，新兴研究领域如纳米尺度氧化还原控制和由气候变化驱动的水文格局变化，可能进一步增强地球化学来源并迁移生物可利用的污染物。本综述旨在提供一个综合性的概念框架，并识别关键的知识空白，以支持全球范围内受人为影响系统中重金属污染的高级预测工具和适应性管理策略的开发。

废弃冶炼场地的重金属污染问题在全球范围内普遍存在，其影响范围和程度往往与人类活动密切相关。例如，铅和锌的污染水平在冶炼场地周边2公里范围内通常超过背景值的100至1000倍，而镉和砷则作为次要污染物出现。这种污染水平的显著升高，意味着重金属在这些区域的迁移和分布可能对生态系统和人类健康构成严重威胁。研究显示，约60-70%的这类场地报告存在可检测的地下水污染，主要来源于炉渣的淋溶和随后的风化作用。这些重金属的迁移和分布受到多种因素的影响，包括土壤和炉渣的矿物组成、水文地质条件、土壤有机质含量以及氧化还原状态。例如，一些研究表明，冶炼厂区附近的土壤中铅和锌的浓度显著升高，平均值分别达到4192.6毫克/千克和4187.7毫克/千克，这表明重金属在这些区域的累积现象十分明显。

重金属在土壤和地下水中的迁移行为具有高度的空间异质性，这与人类活动的强度和类型密切相关。例如，在铅锌冶炼区域，土壤胶体如富里酸和高岭石被确定为重金属的重要载体，而深层土壤中的胶体镉、锌、砷和铅则对这些重金属的存在和迁移潜力有显著贡献。这种迁移现象可能导致地下水污染的风险增加。此外，土壤的矿物组成和环境条件也会影响重金属的形态变化和稳定性。例如，赤铁矿和闪锌矿作为重金属的载体，而土壤中的黏土含量和有机质则可能影响这些重金属的形态转化和稳定性。这些因素共同作用，决定了重金属在环境中的分布和迁移路径。

重金属的迁移过程涉及复杂的物理和化学机制。在物理层面，溶质的运移主要通过地下水流动、扩散和水动力弥散等过程进行。地下水流动（即对流）是重金属迁移的主要驱动力，而扩散和水动力弥散则支持溶解重金属的弥散。在化学层面，重金属的迁移和固定受到多种地球化学过程的影响，如吸附、沉淀、溶解和氧化还原反应。例如，铅在低溶解度条件下会以碳酸铅或氢氧化铅的形式被固定，而在酸性或还原性条件下则会表现出更高的迁移性。相比之下，镉倾向于形成高溶解性的络合物，其迁移性在低pH值和氧化条件下尤为显著。这些化学过程不仅影响重金属的生物可利用性，还决定了其在环境中的长期命运。

值得注意的是，重金属的迁移不仅受到化学过程的影响，还受到场地特定条件的制约。废弃冶炼场地中的炉渣和冶金废料通常作为重金属持续释放的来源，它们通过改变土壤和地下水的化学环境，如pH值、氧化还原电位和矿物组成，进一步影响重金属的迁移行为。炉渣的复杂性在于其由金属硫化物、氧化物及其他相态组成，这种多样性导致了复杂的地球化学反应，使得重金属的迁移路径和形式更加难以预测。此外，地下水系统的异质性，如土壤渗透性和铁氧化物的存在，也可能影响重金属如锑和砷的迁移。这些因素的综合作用使得重金属污染的治理面临巨大挑战。

为了更准确地预测和评估重金属污染，近年来发展出了一些先进的分析方法和建模工具。例如，三维数值模拟被用于模拟重金属的迁移和浓度变化，结合了地质、水文和地球化学信息，从而实现了更精确的预测。这些模型表明，尽管通过渗透反应屏障（PRBs）等干预措施可以延缓污染物的扩散，但某些横向流动路径仍可能促进重金属的迁移。此外，高分辨率光谱技术和三维反应迁移模型的应用，使得对污染物行为的预测更加精确，支持了适应性强的治理策略的制定。这些技术的发展为重金属污染的治理提供了新的视角和工具。

然而，尽管已有诸多进展，仍存在一些知识空白，尤其是在化学和物理过程的耦合机制及其对治理的影响方面。这些空白限制了对重金属污染机制的全面理解，也影响了治理策略的有效性。因此，需要进一步研究这些过程之间的相互作用，以开发更高效的治理方法。例如，重金属的形态变化和迁移行为可能受到多种环境因素的影响，如可利用磷、黏土含量和土壤有机质等，这些因素可能影响重金属在土壤中的稳定性。此外，微生物在重金属迁移中的作用也值得关注，因为它们可能通过氧化还原反应改变重金属的形态，从而影响其迁移性和生物可利用性。

针对这些挑战，研究者们提出了多种治理策略。例如，化学改良剂的应用可以改变重金属的形态，从而降低其迁移性和生物可利用性。这些改良剂通过改变重金属与土壤成分的相互作用，有助于其稳定化和固定化，从而减少对环境和人类健康的威胁。同时，生物修复技术，如植物修复（phytoremediation），利用植物和微生物之间的相互作用，提高重金属的吸收和降解能力。这些方法的结合可能为重金属污染的治理提供更全面的解决方案。

综上所述，废弃冶炼场地的重金属污染问题具有高度的复杂性和多样性，涉及化学、物理和生物等多种因素的相互作用。为了有效应对这一问题，需要从多个角度进行深入研究，包括重金属的形态变化、地球化学过程、水文迁移机制以及微生物作用等。同时，应充分利用先进的分析技术和建模方法，以实现对污染过程的准确预测和有效治理。只有通过跨学科的合作和综合性的研究方法，才能为重金属污染的治理提供科学依据和技术支持，从而减少其对环境和人类健康的长期影响。