某有色金屬尾礦及其污染土壤的原位風(fēng)險(xiǎn)管控處置

周 曼，熊 邦， 李雯婕，陳杭洲

(1.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇 蘇州 215163；2.上海紡織建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200060)

1 引言

我國(guó)有色金屬資源豐富，金屬礦采選業(yè)發(fā)展歷史悠久，產(chǎn)生的尾礦大量堆積，不僅占用了土地，并造成了滑坡、泥石流等安全問(wèn)題。近年來(lái)，隨著我國(guó)土壤污染調(diào)查與評(píng)估工作的逐步開(kāi)展，尾礦產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題也逐漸暴露，相關(guān)研究顯示礦區(qū)生產(chǎn)與土壤污染的關(guān)系密不可分，潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)不容忽視[1，2]。

現(xiàn)行尾礦處置與資源化利用主要包括尾礦充填采空區(qū)、制備建筑材料、有價(jià)金屬提取等[3～5]，但受限于地域條件、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等因素，大量的尾礦仍無(wú)法被消納，特別是有色金屬尾礦毒性大、資源化難度高。有色金屬尾礦中主要含有銅、鉛、砷、鎘等元素，污染范圍主要以堆場(chǎng)為中心通過(guò)地表徑流和滲濾液向下游及周邊擴(kuò)散污染下游水體和土壤，在土壤中的含量和形態(tài)分布特征受其廢棄物堆場(chǎng)中釋放率的影響，且隨距離的加大重金屬的含量逐漸降低。環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管控措施廣泛應(yīng)用于土壤污染防治中[6，7]，但目前對(duì)于歷史遺留尾礦的風(fēng)險(xiǎn)管控研究較少。

為貫徹落實(shí)“預(yù)防為主、防治結(jié)合”的方針政策，切實(shí)加強(qiáng)工業(yè)廢物處理處置，實(shí)現(xiàn)土壤污染治理目標(biāo)，本文提出采取“源頭控制”的方式對(duì)尾礦堆及其污染土壤進(jìn)行原位阻隔，通過(guò)隔離、封存等物理方法減少降雨或其它地表徑流下滲總量，從而降低污染物向外遷移擴(kuò)散。

2 項(xiàng)目概況

2.1 尾礦與土壤污染

遺留尾礦露天堆放于河邊，周邊大多為林地和農(nóng)田。尾礦總量約為50000 t，與河流高差約為5 m的陡坎(坡度近90°)，穩(wěn)定性差，存在滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。按照《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18599-2001)進(jìn)行尾礦屬性鑒別，浸出毒性檢測(cè)結(jié)果顯示，尾礦屬于一般工業(yè)固廢Ⅱ類(lèi)。

尾礦堆場(chǎng)土壤污染因子主要是重金屬砷、鉛和鋅。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，確定需開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)防控的尾礦與污染土壤方量為85260 m3，深度為16.5 m。

2.2 工程地質(zhì)情況

經(jīng)過(guò)工程勘察，場(chǎng)地在所揭露的20.0 m范圍內(nèi)土層分布情況如下。

(1)第①層灰黃～灰色礦渣，層厚2.5～3.5 m，為尾礦堆體，含碎石，較松散，滲透性較好；

(2)第②層灰黃色雜填土，層厚0.8～2.0 m，以砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土為主，夾粉砂及少量卵礫石，土質(zhì)不均，滲透性較好；

(3)第③層磚紅色圓礫或角礫夾黏性土，層厚3.3～6.3 m，以圓礫或角礫為主，局部以粉質(zhì)黏土為主，夾粉性土，土質(zhì)不均，滲透性好；

(4)第④層磚紅色含礫粉質(zhì)黏土，層厚1.2～4.2 m，以粉質(zhì)黏土為主，夾砂礫石，土質(zhì)不均，滲透性一般；

(5)第⑤層磚紅色圓礫或角礫夾黏性土，層厚2.5～6.5 m，以圓礫或角礫為主，夾粉質(zhì)黏土和礫砂，土質(zhì)不均，滲透性好；

(6)第⑥層強(qiáng)風(fēng)化泥巖，層厚1.0～1.6 m，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要由黏土礦物組成，巖芯破碎，呈碎塊，滲透性較好；

(7)第⑦層中風(fēng)化泥巖，層厚1.0～1.6 m，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀，主要由黏土礦物組成，巖芯呈柱狀，完整性較好，滲透性低，該層至20.0 m未鉆穿。

3 技術(shù)路線(xiàn)

因當(dāng)?shù)夭痪邆湮驳V集中處置和資源化條件，本項(xiàng)目擬采用原位封閉阻隔技術(shù)對(duì)尾礦堆及其覆蓋之下的污染土壤進(jìn)行環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)管控，將堆場(chǎng)穩(wěn)定性支護(hù)和防洪護(hù)坡綜合起來(lái)考慮，形成重金屬污染源頭削減與生態(tài)恢復(fù)協(xié)調(diào)控制效果。技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖1。

4 原位封閉阻隔方案

4.1 阻隔屏障選擇

4.1.1 工藝選取

近年來(lái)，發(fā)展和應(yīng)用的阻隔屏障技術(shù)主要包括水泥土攪拌樁連續(xù)墻、鋼板樁墻、高壓旋噴樁墻、泥漿阻水墻和柔性膜隔水屏障等。選擇隔離技術(shù)時(shí)應(yīng)該充分考慮其適用條件、成熟程度、施工周期及成本等。

圖1 尾礦堆場(chǎng)原位封閉阻隔技術(shù)路線(xiàn)

根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況，本項(xiàng)目采用四周設(shè)置高壓旋噴垂直隔離屏障，由于場(chǎng)地以下分布有卵石層和含礫粉質(zhì)粘土層等密實(shí)的土層，動(dòng)力觸探值在30～50擊之間，因傳統(tǒng)的高壓旋噴工法在此地質(zhì)條件下難以保證成樁質(zhì)量，本次隔離屏障采用水泥土咬合樁隔離墻。

4.1.2 邊界確定

該尾礦堆呈長(zhǎng)條形，三面鄰水一面靠山。根據(jù)調(diào)查測(cè)繪成果，首先對(duì)自然尾礦渣邊坡進(jìn)行修坡處理，沿坡腳線(xiàn)設(shè)置垂直向隔離屏障，靠山一側(cè)根據(jù)礦渣邊界線(xiàn)確定。采用素混凝土全套管咬合樁用于四周垂直隔離屏障的實(shí)施，隔離屏障厚度設(shè)計(jì)為1.0 m，相鄰樁搭接0.2 m，以形成封閉的閉水隔污屏障。

4.1.3 深度確定

土壤樣品檢測(cè)結(jié)果顯示，大部分檢測(cè)孔第⑤層圓礫或角礫夾黏土層污染物濃度超標(biāo)，說(shuō)明污染物遷移已突破隔離效果較好的第④層含礫粉質(zhì)粘土層，進(jìn)入到滲透性較好的第⑤層土中。考慮到第⑤層以下的強(qiáng)、中風(fēng)化泥巖為相對(duì)不透水層，因此垂直隔離屏障隔斷第⑤層土，到達(dá)基巖面頂部。

尾礦堆隔離封閉平面布置圖見(jiàn)圖2，垂直剖面圖見(jiàn)圖3。

4.2 臨空面支護(hù)隔離

尾礦堆結(jié)構(gòu)較松散、存在水土流失、滑坡的安全隱患，需采取有效的安全防護(hù)措施，并結(jié)合鄰河岸坡做生態(tài)護(hù)岸。生態(tài)護(hù)岸材料首先要保證其機(jī)構(gòu)的安全、穩(wěn)定和耐久性等相關(guān)要求，同時(shí)能較好地為生態(tài)河道生境的連續(xù)性提供基礎(chǔ)條件。目前常用的護(hù)岸類(lèi)型有土坡護(hù)坡、石材護(hù)岸及人工材料護(hù)岸等幾種形式，考慮到豐水季河水上漲，可能對(duì)堆場(chǎng)造成沖刷，鄰河面支檔結(jié)構(gòu)需要兼具擋水墻和護(hù)坡功能，同時(shí)為滿(mǎn)足綠化和美觀的要求，決定采用生態(tài)混凝土砌塊的防護(hù)方案。

圖2 隔離封閉平面布置

圖3 垂直隔離封閉剖面

生態(tài)混凝土砌塊擋墻采用環(huán)保、美觀的舒布洛克磚進(jìn)行砌筑，墻厚加設(shè)土工格柵加筋，并確保土工格柵與擋墻連接牢固，擋墻基礎(chǔ)設(shè)置0.5 m寬混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為地面以下0.5 m。生態(tài)混凝土砌塊擋墻鄰?fù)羵?cè)設(shè)置反慮結(jié)構(gòu)，反慮結(jié)構(gòu)不應(yīng)影響植被生長(zhǎng)。擋墻示意圖見(jiàn)圖4所示。

圖4 鄰河擋墻剖面示意

4.3 水平覆蓋系統(tǒng)設(shè)計(jì)

場(chǎng)地的污染物為重金屬，不具有揮發(fā)性，結(jié)合場(chǎng)地后期使用情況，表面采用防滲膜覆蓋+黏土覆蓋+種植植物措施。

4.3.1 防滲面層的選擇

尾礦堆上防滲層參照《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場(chǎng)污染控制標(biāo)準(zhǔn)》(GB18599-2001)設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目采用土工布及防滲膜的復(fù)合防滲層，滲透系數(shù)小于1.0×10-10cm/s。初步設(shè)計(jì)鋪設(shè)三層，第一層為土工布，防止尖銳尾礦刺穿防滲膜；第二層為HPDE土工膜，防止雨水滲透進(jìn)入尾礦里；第三層為土工布，確保其上鋪設(shè)黏土的穩(wěn)定性。

4.3.2 黏土層

植被層由營(yíng)養(yǎng)植被層和覆蓋支持土層組成。上部營(yíng)養(yǎng)植被層的土質(zhì)材料應(yīng)利于植被生長(zhǎng)，厚度為50 cm，營(yíng)養(yǎng)植被層應(yīng)壓實(shí)。下部覆蓋支持土層由壓實(shí)土層構(gòu)成，滲透系數(shù)大于1×10-4cm/s，厚度為100 cm(圖5)。

圖5 覆蓋層示意

4.3.3 綠化植物選擇

根據(jù)對(duì)周邊的綠化常用的本土植物進(jìn)行調(diào)查，封場(chǎng)初期用常綠灌木，植株規(guī)格為冠幅25～35 cm，土球Ф20 cm，灌木2000 m2。

5 環(huán)境監(jiān)測(cè)

原位阻隔工程監(jiān)測(cè)工作是控制施工質(zhì)量、檢驗(yàn)隔離封閉效果非常重要而有效的措施。過(guò)程監(jiān)測(cè)與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)計(jì)劃，具體如下。

(1) 施工期間應(yīng)充分考慮施工揚(yáng)塵問(wèn)題，每月對(duì)大氣進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)。同時(shí)，進(jìn)行確定種植土最優(yōu)含水量和壓實(shí)效果、土工布和HPDE土工膜的性能、高壓旋噴樁和擋墻等質(zhì)量監(jiān)測(cè)和變形監(jiān)測(cè)，保障施工質(zhì)量。

(2) 對(duì)尾礦的出水統(tǒng)一收集至廢水池，每季度監(jiān)測(cè)一次廢水中重金屬含量。

另外，在阻隔墻內(nèi)外建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)井，對(duì)地下水水質(zhì)和水位進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，充分掌握尾礦對(duì)地下水的影響。