《Journal of Hazardous Materials》：Uncovering UK Coastal Legacy Wastes and their Potential Contaminant Release Risks through Mineralogy and Geochemistry
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本研究针对沿海地区历史遗留废物（如煤矿废物、采矿废物、钢铁冶炼渣、非铁冶炼渣、城市固体废物和铝土矿残渣）中潜在有毒元素（PTE）的赋存状态与释放风险，通过系统的矿物学和地球化学表征，揭示了其在海水淹没和侵蚀条件下的环境行为，为沿海污染风险评估和修复策略制定提供了关键科学依据。
沿海地区几个世纪以来一直是工业和城市废物的倾倒场，这些遗留废物（Legacy wastes）的成分记录往往不全，其长期存在的潜在有毒元素（PTE）释放风险引发了广泛担忧。气候变化导致的海平面上升、海岸侵蚀和海水入侵，加剧了这些废物中污染物向海洋环境扩散的威胁。然而，由于缺乏详细的矿物学和地球化学数据，评估这些金属（类金属）的迁移能力并设计有效的保护策略一直存在困难。为了应对这一全球性挑战，研究人员对英国海岸线的遗留废物展开了系统性调查，相关成果发表在《Journal of Hazardous Materials》上。
为了深入理解沿海遗留废物的环境风险，研究团队从英格兰、威尔士和苏格兰的18个优先点位采集了83份样品，涵盖了煤矿废物（CW）、采矿废物（MW）、城市固体废物（MSW）、钢铁冶炼渣（Fe-SS）、非铁冶炼渣（Me-SS）和铝土矿残渣（BR）等主要废物类型。研究旨在：i）表征废物的整体矿物学和地球化学特征；ii）量化砷（As）、铬（Cr）、铜（Cu）、镉（Cd）、镍（Ni）、铅（Pb）、锑（Sb）、钒（V）和锌（Zn）等PTEs的含量并确定其宿主矿物；iii）评估遗留废物可能造成的潜在环境风险；iv）建立一个全面的矿物学和地球化学数据库，为国家和全球尺度的修复与监测计划提供数据支持。
研究人员综合运用了多种关键技术方法。样品采集遵循复合采样原则以确保代表性。矿物学分析结合了X射线衍射（XRD）确定整体矿物组成，并利用配备能谱仪（EDS）的扫描电子显微镜（SEM）和QEMSCAN?（定量矿物学分析系统）对30个代表性样品进行矿物形态、共生关系和定量分析，重点关注含PTE的矿物。地球化学分析则采用便携式X射线荧光光谱仪（pXRF）进行初筛，并利用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）进行酸消解后的总元素含量精确测定。此外，还使用LECO分析仪测定了部分样品的碳和硫含量。数据统计采用了非参数检验方法，并将PTE浓度与加拿大土壤指南（CCME）等环境质量基准进行了比较。
3.1. 矿物学
研究揭示了不同废物类型独特的矿物学特征。煤矿废物（CW）以石英、长石、云母、粘土矿物（如伊利石、高岭石）等硅酸盐矿物为主，含有少量硫化物（如黄铁矿）和硫酸盐（如石膏）。采矿废物（MW）同样富含硅酸盐矿物，并含有硫化物（如黄铁矿、闪锌矿）、硫酸盐（如黄钾铁矾）和砷酸盐（如毒铁矿）。城市固体废物（MSW）矿物组成与CW相似，但富含碳酸盐（如方解石）和铁氧化物。钢铁冶炼渣（Fe-SS）以富钙铁的高温硅酸盐矿物（如钙铝黄长石、铁钙辉石）为特征，并含有石英和碳酸盐。非铁冶炼渣（Me-SS）矿物组成多变，富含高温硅酸盐（如橄榄石）、多种金属氧化物（如赤铁矿、磁铁矿、锡石）以及金属合金液滴。铝土矿残渣（BR）则主要由硅酸盐、铁氧化物（如赤铁矿、针铁矿）和铝氧化物（如勃姆石）组成。
3.2. 地球化学
地球化学分析表明，不同废物类型的PTE浓度差异显著。煤矿废物（CW）中砷（As）和钒（V）的浓度中位数较高，部分样品超过预测效应水平（PEL）。采矿废物（MW）表现出最高的PTE浓度，尤其是砷（As）、铜（Cu）、铅（Pb）、锌（Zn），其浓度中位数远超PEL。城市固体废物（MSW）中铅（Pb）和镍（Ni）的浓度中位数较高，且变异性大。钢铁冶炼渣（Fe-SS）的PTE浓度相对较低，但砷（As）浓度有时较高，可能与共处置的煤矿废物有关。非铁冶炼渣（Me-SS）富含多种PTE，特别是铅（Pb）、锑（Sb）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn），其浓度中位数远高于PEL。铝土矿残渣（BR）则显示出极高的铬（Cr）和钒（V）浓度。
研究的结论部分强调，除钢铁冶炼渣外，所调查的大多数遗留废物类型都存在PTE污染风险。煤矿废物、采矿废物和城市固体废物由于含有大量不稳定的原生矿物（如硫化物）和易受环境条件影响的次生矿物（如硫酸盐、铁氧化物），具有较高的PTE释放潜力。虽然非铁冶炼渣中PTE含量最高，但它们大多赋存在硅酸盐、氧化物和金属相等稳定性较高的矿物中，在一定程度上限制了其直接迁移性。然而，在海水长期浸泡、侵蚀、氧化还原条件变化或生物活动等环境扰动下，所有废物类型中的PTE都可能被活化释放。
讨论部分深入剖析了不同废物在沿海环境下的潜在释放机制。海水入侵会引入丰富的阳离子（如Na+, K+, Mg2+, Ca2+），通过离子交换作用置换出吸附在废物颗粒上的PTE。氯离子（Cl-）可与镉（Cd）、锌（Zn）、铅（Pb）等形成可溶性络合物，增强其迁移性。海水淹没可能导致局部还原环境，促使微生物介导的铁锰氧化物/氢氧化物还原溶解，释放其吸附或共沉淀的PTE。此外，物理侵蚀作用会导致含PTE的废物颗粒直接进入水体，通过悬浮物迁移扩散。
综上所述，这项研究通过对英国海岸带多种遗留废物的系统矿物学和地球化学表征，首次在宏观尺度上比较了不同废物类型中PTE的赋存状态与潜在释放风险。研究成果凸显了矿物学特征在准确评估沿海遗留废物环境风险中的关键作用，为识别优先管理区域、制定有针对性的监测和修复策略提供了至关重要的科学依据。建立的开创性数据库可用于支持国家层面的修复优先级排序，对于应对气候变化背景下日益严峻的沿海污染挑战、保护海洋生态系统和人类健康具有重要的理论和实践意义。
