硫化铜矿酸性废水底泥再利用试验研究

1 引言

当前，硫化铜矿酸性水处理过程中产生大量底泥，德兴铜矿酸性水处理的底泥年产生量约60万t（干渣），其中采区酸性水处理产生的底泥约30万t。通过检测分析，底泥属于Ⅰ类工业固体废物, 根据《尾矿库安全技术规程》（AQ2006-2005），底泥不能排放存入尾矿库，避免影响尾矿库的安全运行，大量底泥未经处理堆存占用宝贵的矿山空间，未实现固体废弃物循环利用，影响矿山绿色发展。国家对矿山土地复垦工作高度重视，为确保矿山环保绿色发展的需要，矿山加大土地复垦工作力度,不断提高矿区土地利用的社会效益、经济效益和生态效益，在矿山土地复垦过程中通常需要大量客土，复垦成本高且大量取土造成环境破坏。为深入推进绿色矿山建设工作，抓好环境保护、生态治理等工作，建设环境友好型、资源节约型企业，打造“绿色发展样板”，全面打造绿色矿山，锻造绿色竞争力，提升发展境界，全面建成世界一流铜矿山。因此，如何实现底泥的循环再利用已经成为硫化铜矿绿色生产过程中迫切需要解决的问题，通过对底泥的修复实现底泥循环再利用于矿山生态复垦具有现实意义和应用价值。

植物修复技术的开发一直是矿山生态修复研究的重点。例如，法国新喀里多尼亚镍矿山修复中，在水播法中撒播的是一种丛枝菌根真菌孢子包裹的种子，该种子用15 g /L 的藻酸盐作包衣剂，用微孔膜( Milliporemembranes) 覆盖。该技术的关键是控制水的pH 值，这是因为水的pH 值对包衣质量和发芽影响最大［1］。再例如，美国密歇根湖区铜矿迹地的湿地恢复中，采用土工合成材料( Geotextile materials) 、泥炭( Peat) 和当地灌草相结合的综合生态修复技术［2］。来自澳大利亚的研究人员主张建立种子生产基地、专业种子园等来培育种子，因为野生种子数量难以满足需求，他们认为建立专门基地、园地有很多优点，如保持多样性、血统、防止种子污染外物入侵、提高种子质量等，还可以作为气候变化监测场所等［3］。在澳大利亚露天矿场植被重建中，研究人员考虑到植被生命周期的播种、幼苗和成熟等三个阶段土壤和植被的相互作用，提出了全局植被重建技术，包括植物物种优选、土壤基底重构、表土覆盖、播种和维护管理等环节［4］。阿根廷的研究人员提出了干旱矿区植被重建关键技术，包括物种选择、胚质生产、幼苗种植、苗木生产、土壤和基底重构、群落构建以及植被维护等［5］。土壤修复往往是针对退化土壤的某种性状缺陷而开展的。例如，在加拿大阔叶林生态修复过程中，研究人员发现人工扰动后土壤酸性太强，因而采用添加石灰来中和土壤酸性。然而石灰的添加会影响到土壤微生物功能，尤其是影响到异养的和无机化能营养的硝化细菌的活性和潜在硝化活动，因此研究人员认为石灰添加量和修复时机十分重要［6］。再例如，加拿大的矿山生态修复研究人员为了减少锌的污染，提出了专门的土壤修复方法，包括施加鱼粉生物炭、钙基膨润土和覆盖木纤维等［7］。另外，加拿大研究人员还开发了一种加速泥炭转化为土壤有机质的方法［8］； 澳大利亚采矿场地土壤修复中特别强调土壤种子库的保护和建设，研究人员认为土壤种子库是重建生态系统抵抗干旱扰动的关键［9］。土壤的微生物修复技术也是研究的重点。例如，在英国重金属污染土壤的修复过程中，采用了生物炭和蚯蚓培育技术［10］；在南澳大利亚州干旱砂矿的土壤修复中，提出了构建微生物生态银行技术，这种技术能以最大限度恢复表土质量促进采矿场地重建，通过培育蓝菌( Cyanobacteria) 以促进生态结皮生长、表土稳定化［11］。

2 酸性废水底泥成分检测与分析

现行工艺所产生的底流泥（HDS）其主要成分是硫酸钙、氢氧化铁等，铜、铅、锌等金属含量均低于一级标准（GB8978-1996），危害成份项目经过检测均低于国家一级标准（GB8978-1996），属于Ⅰ类工业固体废物，根据有关法律、法规、政策文件以及技术规范等，可以运用于矿山复垦，不会产生二次污染。通过科学取样全面检测分析底泥中微生物指标、常规指标、常量养分、有机物指标，重点分析底泥结晶水分、pH值、有机质、重金属元素及其它硫化物。为后期底泥营养修复提供理论依据，提高底泥的利用率。根据底泥成分检测报告见（表1），底泥为弱酸性，底泥含有的各种植物生长所需的微生物指标、常量养分、有机物指标极低，且结晶水分含量高，底泥板结严重，根本无法满足植物生长需要，必须通过实施人工增肥修复与正向人工干扰技术才能实现以废治废，生态复垦的目标。

表1 底泥成分检测报告

3 循环再利用研究及研究成果

根据底泥成分检测结果报告分析，结合植物生长所需基本养分要求，以及当地气候环境特点，通过实验研究，提供一种硫化铜矿酸性废水底泥增肥修复治理用调理剂。施用在底泥中，通过与水的相互作用，迅速形成转化机能，调节底泥的pH值至中性范围，补充不足的微量元素，产生大量有益的生物菌群，改善底泥理化结构，恢复生态平衡。增肥后适合生物生长，从而实现替代土壤作为植生基质应用于矿山复垦，达到废物循环利用，避免二次污染，节约大量矿山生态复垦资金的最终目的。

根据底泥成分检测与分析结果，以人工增肥为目标辅以目前世界上应用范围最广的生物工程技术EM技术开展底泥增肥修复调理剂试验研究。以底泥为培养EM生物菌剂基质材料，利用各种EM生物菌剂试验筛选适合底泥情况下繁殖衍生的生物菌种。主要是三类菌群：（1）光合菌群(好氧型和厌氧型)，如光合细菌和蓝藻类；（2）乳酸菌群(厌氧型)。以嗜酸乳杆菌为主导；（3）酵母菌群(兼性厌氧型)。观察、分析在底泥环境下各种生物菌类的活性，筛选出适应底泥环境的EM菌剂。考虑改善底泥理化性质、提高生物活性、增强肥力等因素，试验得出调理剂组分及配比，通过“一种硫化铜矿酸性废水底泥修复治理用调理剂”增加底泥K、Na、Ca、Mg、Cu、Mo等微量元素和稀土元素含量；增加和更新底泥有机质，一定程度上净化底泥，提高通气性，持水性，有利于微生物活动，促进微生物繁殖，改善底泥理化性质，提高生物活性；能给植物补钙，强健植物体质，为植物生长提供全面营养，提高作物品质，满足植物恶劣环境生长需要，而且肥效长；还可以刺激作物根系生长和发育，使根的长度增加、条数增多，在干旱条件下保持较好长势。

开展底泥堆土种植多种植物成活率先期小型实验，筛选优生植物。利用底泥，堆成土方块或小土堆，根据植物种类需要，配以10%、20%不等的黄土，分别以扦插和移栽的方式，种植多种植物，观察成活率。栽种的扫把草、石蒜、皇竹草、芦竹、黄花、玉米草等植物长势良好，成活率达到90%以上，见表2。

表2 底泥堆土种植植物成活率

先锋植物栽种试验：在试验场地分期种植玉米草、黑麦草先锋植物以改善底泥理化性质，2017年7月下旬播撒玉米草种子，开展栽种玉米草试验。2017年8月中旬种植在无调理剂和有调理剂试验区玉米草生长情况比对，2017年11月播撒黑麦草种子，开展栽种黑麦草试验，生长情况见图1，图2及表3。

底泥理化结构改变对比见图4，图5。

表3 黑麦草和玉米草生长参数

图2 有调理剂区域玉米草生长情况图

图3 黑麦草生长情况图

图4 原始底泥板结

图5 改善后底泥

4 结论

硫化铜矿酸性废水底泥通过运用底泥增肥修复调理剂有效改善底泥理化性质、提高生物活性、增强肥力，从而实现底泥增肥修复并达到固体废弃物循环再利用的目的，同时筛选出的草、灌、乔植物也能适应底泥生长环境。利用增肥修复的底泥替代土壤作为植生基质进行生态复垦的实施，将促进硫化铜矿矿产资源的合理开发利用，对保护土地资源、发展铜矿生产、山区水土保持和改善矿区及周边生态环境具有重要意义和作用。