酸性金屬礦山固廢堆場工程綠化技術(shù)研究

祁有祥，江 良，沈紹紅，向華浩，王志強(qiáng)

(芷蘭生態(tài)環(huán)境建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410000)

1 引言

經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展離不開礦產(chǎn)資源，因礦產(chǎn)資源開采造成區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化的現(xiàn)象在世界各國都有發(fā)生[1～3]，隨著人們對生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重視，礦區(qū)廢棄地植被重建、景觀恢復(fù)、生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)等問題日益受到國際社會廣泛關(guān)注[4～6]。根據(jù)《全國國土規(guī)劃綱要(2016—2030年)》，到2030年歷史遺留礦山綜合治理率達(dá)到60%以上。我國廢棄礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理基礎(chǔ)研究工作起步較晚，特別是金屬礦山廢棄地，因其多為強(qiáng)酸、強(qiáng)堿環(huán)境，且存在或重或輕的重金屬污染，金屬礦山廢棄地復(fù)墾缺乏成熟的技術(shù)體系。自然條件下，靠自然恢復(fù)能力，難以控制污染隱患，且周邊植物種子自然繁衍生長難以為繼，侵入植物對惡劣立地條件難有較好的適應(yīng)性和響應(yīng)性[7]。

我國有色金屬以硫化物賦存于礦物中的比例很大，約相當(dāng)于各類礦物種類總量的3/4[8]。在礦物開采和冶煉過程中，產(chǎn)生大量的含有硫化礦物的廢石、尾礦、冶煉渣等固體廢棄物[9～11]。這些固廢在露天堆置條件下，受降水淋溶和緩慢氧化作用，固廢中殘存毒害物質(zhì)對周邊土壤、水體、動植物造成一定的危害，成為礦區(qū)嚴(yán)重的毒害污染源[12]。隨著生態(tài)文明建設(shè)和對環(huán)境可持續(xù)發(fā)展認(rèn)識的加強(qiáng)，國家對環(huán)境治理的愈發(fā)重視，要求廢棄的礦山得到治理。通過人工修復(fù)，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境演替恢復(fù)進(jìn)程可大大加快[13]。對礦山生態(tài)修復(fù)主要包括植被復(fù)原和重建、重金屬污染物的消除、生態(tài)系統(tǒng)的重建和當(dāng)?shù)鼐坝^的設(shè)計(jì)[14,15]。在廢棄金屬礦山修復(fù)過程中，植物修復(fù)技術(shù)是應(yīng)用較多。通過在廢棄金屬礦山中種植植物來降低土壤中重金屬含量水平，改良土壤，促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)重建[16]。在酸性礦生態(tài)修復(fù)植物選擇中，喬木有側(cè)柏、榆樹、刺槐、臭樁，灌木可選擇紫穗槐，草本可選擇高羊茅、苜蓿、鬼針草等耐酸植物[17,18]。對于重金屬礦山，一般選用能富集重金屬的植物，如大多數(shù)十字花科植物能富集鎳[19]，狗脊、水蓼和狗牙根對Cu、Cd和Pb的富集能力較強(qiáng)[20]，刺槐和苘麻對降低重金屬Cu含量作用明顯，刺槐和田菁能有效修復(fù)土壤Pb污染[21]。在礦山修復(fù)過程中，要針對不同礦山類型、氣候特點(diǎn)結(jié)合植物生長特點(diǎn)來確定合適的植物。除植物修復(fù)之外，微生物在礦山修復(fù)應(yīng)用中也越來越受到重視。比如羊肚菌菌絲體可降低土壤中Pb的生物活性[22]，糞產(chǎn)堿桿菌可以有效礦化鉛鋅礦中的Pb2+、Zn2+等離子[23]，劉映彤等[24]利用篩選分離的萎縮芽孢桿菌和鮑曼不動桿菌有效修復(fù)砷污染土壤。隨著科技的發(fā)展，生物碳也應(yīng)用到礦山生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域，錢澤櫻等[25]利用含生物炭成分的土壤改良劑進(jìn)行酸性土壤改良，能夠顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量、交換性鉀、鈣、鎂含量，對酸性土壤具有改良作用。崔菲菲[26]在煤礦廢棄地施用改性生物碳，能有效降低Cd、Pb污染。馬曰娜等[27]利用固體廢棄物煤矸石和秸稈制成生物炭復(fù)合材料，能有效吸附水體中磷酸鹽。以上研究表明不同的生態(tài)修復(fù)方式對礦山修復(fù)具有一定的作用，但單一的修復(fù)方式還不能滿足礦山綜合生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)與重建的需求。因此，開發(fā)一種綜合的、符合酸礦山固廢堆場生態(tài)條件的生態(tài)修復(fù)技術(shù)是酸性礦山固廢堆場生態(tài)修復(fù)的迫切要求。

我國酸性礦山的污染防治，大多限于在酸性產(chǎn)生后對酸性水進(jìn)行處置的事后治理措施，該方式成本高、難度大、風(fēng)險(xiǎn)大[28～30]。因此，針對酸性金屬礦山固廢堆場工程綠化的“三難三大”問題，即酸性廢水收集治理難、堆場閉庫植被恢復(fù)難、技術(shù)可復(fù)制推廣難；酸性廢水污染范圍大、堆場表層客土用量大、閉庫修復(fù)經(jīng)濟(jì)投入大，本研究擬從綠化基材配比，生態(tài)阻酸工藝和植被恢復(fù)技術(shù)體系等方面開展研究，以期對酸性金屬礦山固廢堆場的生態(tài)綠化工程起到指導(dǎo)與示范的作用，為實(shí)現(xiàn)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的建設(shè)目標(biāo)做出貢獻(xiàn)

2 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)

本文所選實(shí)驗(yàn)地段為江西省德興銅礦水龍山排土場，位于德興銅礦采礦場南側(cè)、水龍山西側(cè)的先告河中，占地面積10.9 hm2，設(shè)計(jì)容量0.11億m3，已蓄積量0.06億m3，用于露天采場基建剝離時(shí)堆放礦石開采過程中廢石、低品位礦石1991年停止堆放。

2.1 物理特征

水龍山排土場平臺由于受大型載重卡車的碾壓，其表層土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化。平臺地表土層緊實(shí)度加大，極易板結(jié)，植物不易扎根，難以生長與存活。同事地表下滲性能降低，下雨易產(chǎn)生地表徑流，地表侵蝕嚴(yán)重，造成面蝕與溝蝕，嚴(yán)重影響植物生長。

2.2 化學(xué)特征

排土場的土壤理化性質(zhì)見表1，平臺上的土壤酸性極強(qiáng)pH值為2.99，其中凈酸產(chǎn)生量(NAPP)為42.8 H2SO4kg/t。同時(shí)，土壤中重金屬含量高，而且重金屬在酸性條件下非常活躍，不利于植物生長。受降雨淋溶重金屬和酸性物質(zhì)遷移，將會對周邊土壤、水體和動植物造成不良影響，成為持久性的環(huán)境污染源。

2.3 營養(yǎng)特征

從廢石堆的土壤主要營養(yǎng)元素測試結(jié)果來看(表1)，試驗(yàn)地土壤非常貧瘠，TKN含量只有0.0025%，速效鉀含量為45.4 mg/kg，有效磷的為0.04%，pH值為2.99。依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，本試驗(yàn)區(qū)的土壤屬于極酸性土壤且肥力屬于三級以下。

表1 土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分分析

3 綠化基材配比研究

廢棄礦山生態(tài)修復(fù)需要從改善土壤結(jié)構(gòu)和充分利用廢棄資源開始，綠化基材的選擇制備直接關(guān)系到工程質(zhì)量。從廢棄資源再利用的角度出發(fā)，本研究從環(huán)境保護(hù)和廢物利用的角度出發(fā)，選擇礦區(qū)廢棄的尾砂、底泥和礦區(qū)周邊畜禽糞便、礱糠、秸稈等一些可再利用的農(nóng)業(yè)廢棄物作為原料，以制備出質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的綠化基材。

3.1 基材的配比方案

以施工實(shí)際經(jīng)驗(yàn)配比為標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)段基材詳細(xì)配比及預(yù)處理見表2。

表2 綠化工程用基材配比

3.2 制備基材三相對比分析

對礦區(qū)礦區(qū)周邊林地表層土壤進(jìn)行取樣作為對照，對本文根據(jù)施工實(shí)際經(jīng)驗(yàn)制備的4個基材配比進(jìn)行對照分析，主要分析項(xiàng)目為吸水前后土壤三相比和容重比(表3)，與對照土樣最為接近的作為本次試驗(yàn)段施工基材標(biāo)準(zhǔn)配比。

表3 三相比和容重對比

三相分布影響著基材的水分、肥力狀況。對于自然原狀土壤，合理的三相分布大體上是固體部分約占土壤總?cè)莘e的1/2，水和空氣各占1/4，而制備基材的三相分布與土壤的三相分布有著較大的區(qū)別。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中看出，尾砂和農(nóng)業(yè)廢棄物占比增加，土壤的總孔隙度明顯變大，在吸水達(dá)到飽和時(shí)，仍有約占10%總孔隙度的氣相分布，這說明選用尾砂和農(nóng)業(yè)廢棄物制備綠化基材，更利于坡面排水，防止植物根系由于含水量過大而造成爛根，也減小了坡面土層積水造成的重力侵蝕隱患。

4 固廢堆場生態(tài)隔離防滲實(shí)驗(yàn)研究

受降雨淋溶酸性金屬礦山固廢堆場酸性物質(zhì)和重金屬離子會對周邊環(huán)境造成污染，同時(shí)不利于植物生長和綠化工程的實(shí)施，為實(shí)現(xiàn)污染源源頭控制的目標(biāo)，本文采用水溶性聚氨酯樹脂(W-OH)對固廢堆場表層進(jìn)行防滲處理，形成具有一定厚度和韌性的防滲層，同時(shí)還能夠使得植物根系正常生長。在試驗(yàn)段堆場表層填充施工結(jié)束后，在表層噴灑濃度為3%、5%和8%的W-OH溶液。一個月后，在對其形成防滲層的厚度、植物發(fā)芽和生長情況及防滲層柔韌性進(jìn)行觀測。以確定最佳W-OH溶液濃度。

從表4可以看出，3%濃度W-OH溶液形成防滲層厚度約0.5 cm，拉伸塊長度7.5 cm，拉伸效果不佳，出苗率為83.4%，植株平均高度為21.46 cm。5%濃度W-OH溶液形成防滲層厚度約1.0 cm，播拉伸長度為20 cm，出苗率為93.57%，平均植株高度為30.18 cm，防滲和出苗效果良好。8%濃度W-OH溶液形成的防滲層厚度約2.8 cm，拉伸長度為27 cm，出苗為0。說明對5%濃度W-OH溶液形成的防滲層具有較好的柔韌性，并且能夠適應(yīng)植物根系生長，同時(shí)能防止施工過程中踩踏破碎和重力拉伸斷裂，確保防滲層的完整性。

表4 不同濃度W-OH溶液效果

5 酸性金屬礦山固廢堆場植被恢復(fù)技術(shù)體系

5.1 主要施工工藝和工序

(1)堆坡穩(wěn)定處理。對經(jīng)自沉穩(wěn)定的堆積體，按照不大于自然安息角的坡度降低坡度，根據(jù)堆積體的穩(wěn)定性，設(shè)置平臺和截排水溝，考慮到堆積體自沉現(xiàn)狀，截排水溝需采用柔性材料。為增強(qiáng)堆積體的穩(wěn)定性，在坡腳及平臺內(nèi)側(cè)設(shè)置柔性生態(tài)擋土墻。

(2)堆體表層填充。對實(shí)施穩(wěn)固處理后的堆場上實(shí)施表層填充封閉，采用噴播工藝將制備好的基材噴射到堆體表層渣石縫隙內(nèi)，改良堆體淺層植生條件，表層填充所用材料主要包括尾砂、底泥、膨潤土、酸堿土壤改良劑、秸稈等材料。

(3)淺層隔離防滲。在堆體表層填充材料晾干后，采用專用噴灑設(shè)備，將水溶性聚氨酯樹脂(W-OH)雙液混合材料均勻噴灑到填充層上，濃度控制在5%左右，采用多次往復(fù)噴灑方式，入滲厚度1～2 cm，形成穩(wěn)定的防滲隔離層。

(4)基材噴播綠化。在淺層隔離防滲施工結(jié)束后，對坡度大于30°的采用掛網(wǎng)噴播綠化，小于30°的采取普通噴播綠化。考慮到堆場不均勻變形和沉降，網(wǎng)片宜選擇雙向土工格柵。基材噴播厚度8～10 cm，植生基材主要由尾砂、底泥、畜禽糞便、礱糠、秸稈、保水劑、粘合劑、復(fù)合肥、植物種子等配備成。種子選擇抗逆性強(qiáng)的先鋒植物和地帶性鄉(xiāng)土植物，喬灌草結(jié)合。

(5)后期養(yǎng)護(hù)管理。根據(jù)施工條件、工程規(guī)模、完工季節(jié)和氣候條件，靈活決定對完工坡面采取遮陽網(wǎng)、草簾覆蓋措施和布設(shè)噴灌養(yǎng)護(hù)設(shè)施。加強(qiáng)初期(完工后3個月)養(yǎng)護(hù)管理，促進(jìn)種子發(fā)芽和幼苗生長。逐步降低養(yǎng)護(hù)憑此和強(qiáng)度，提高植物適生性和自我繁衍能力。

5.2 綠化效果調(diào)查分析

按照工程施工的標(biāo)準(zhǔn)和工序，完成了6000 m2試驗(yàn)段。試驗(yàn)段堆場坡體主要由大量碎巖和礦尾石塊堆棄而成的一面坡，坡面松散程度較高，且廢石含有硫化礦物，渣石全部裸露，坡度為30°～37°，坡面沖溝和淺層滑移較多，堆場滲濾液pH值約為3.0。

初期養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，植被覆蓋度迅速達(dá)到了85%以上，草本植物生長最旺盛，形成了比較完備的地被植物層，有效防止了降雨對基質(zhì)材料的沖刷。1年后樣方調(diào)查結(jié)果顯示(表5)，坡面上分布均勻的喬灌木主要有馬棘、刺槐、鹽膚木、濕地松、胡枝子，臭椿隨有一定的數(shù)量，但分布不均。地被草本植物受喬灌木競爭生長影響，較恢復(fù)初期的密度、蓋度、生長量均顯著降低。表層封閉隔離層正常發(fā)揮功能，根據(jù)抽樣剖面觀測結(jié)果估算，能夠有效防止75%以上的降水下滲入堆體內(nèi)部，表現(xiàn)出了良好的工程治理效果。

表5 試驗(yàn)段重建植被調(diào)查結(jié)果

6 結(jié)論

本研究以德興銅礦固廢堆場為研究對象，按照“污染源頭控制、廢棄物資源化利用”的目標(biāo)要求，通過對試驗(yàn)段固廢堆場特征測試分析、綠化基材配比研究、堆場隔離防滲材料性能測試研究，提出了酸性金屬礦山固廢堆場工程綠化關(guān)鍵技術(shù)和主要施工工藝，按照工程施工標(biāo)準(zhǔn)完成的試驗(yàn)段表現(xiàn)出了很好的綠化效果。

(1)大型酸性金屬礦山固廢堆場酸性物質(zhì)和重金屬含量高，重金屬在酸性條件下異常活躍，非施以綠化工程手段難以自然復(fù)綠。

(2)選擇尾砂、底泥等礦區(qū)廢棄物和畜禽糞便、礱糠、秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物能夠制備出經(jīng)濟(jì)合理的工程用綠化基材，減少因大面積礦區(qū)廢棄地綠化所需大量土方，對周邊環(huán)境造成新的開挖破壞，體現(xiàn)出資源化利用的環(huán)保理念。

(3)5%濃度的W-OH溶液形成的柔性防滲隔離層，能有效防止施工過程中踩踏和重力拉伸斷裂，保持防滲隔離層的完整性，防止酸性物質(zhì)和重金屬雨水淋溶遷移，且能夠保證植物正常出苗生長，隔離防滲層和綠化基材層共同實(shí)現(xiàn)了對固廢堆場毒害物質(zhì)的水氣光熱的隔離，較大程度上控制了礦區(qū)毒害物質(zhì)遷移，體現(xiàn)了污染治理的源頭控制的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

(4)按照本文提出的綠化技術(shù)體系和施工工序要求完成的實(shí)驗(yàn)段取得了較好的效果，實(shí)施3個月后，植被覆蓋度達(dá)到了85%以上，目標(biāo)植物均正常出苗生長，1年后各目標(biāo)植物長勢良好。

(5)對該研究中的酸堿改良材料進(jìn)行測試改選，或者選擇科學(xué)的金屬離子穩(wěn)定劑，該方法可以推廣應(yīng)用于堿性金屬礦山固廢堆場、重金屬污染工礦廢棄場地等特殊地段的綠化。