某有色金属尾矿及其污染土壤的原位风险管控处置

周 曼，熊 邦， 李雯婕，陈杭洲

(1.清华苏州环境创新研究院，江苏 苏州 215163；2.上海纺织建筑设计研究院有限公司，上海 200060)

1 引言

我国有色金属资源丰富，金属矿采选业发展历史悠久，产生的尾矿大量堆积，不仅占用了土地，并造成了滑坡、泥石流等安全问题。近年来，随着我国土壤污染调查与评估工作的逐步开展，尾矿产生的环境污染问题也逐渐暴露，相关研究显示矿区生产与土壤污染的关系密不可分，潜在生态风险不容忽视[1，2]。

现行尾矿处置与资源化利用主要包括尾矿充填采空区、制备建筑材料、有价金属提取等[3～5]，但受限于地域条件、技术、经济等因素，大量的尾矿仍无法被消纳，特别是有色金属尾矿毒性大、资源化难度高。有色金属尾矿中主要含有铜、铅、砷、镉等元素，污染范围主要以堆场为中心通过地表径流和渗滤液向下游及周边扩散污染下游水体和土壤，在土壤中的含量和形态分布特征受其废弃物堆场中释放率的影响，且随距离的加大重金属的含量逐渐降低。环境风险管控措施广泛应用于土壤污染防治中[6，7]，但目前对于历史遗留尾矿的风险管控研究较少。

为贯彻落实“预防为主、防治结合”的方针政策，切实加强工业废物处理处置，实现土壤污染治理目标，本文提出采取“源头控制”的方式对尾矿堆及其污染土壤进行原位阻隔，通过隔离、封存等物理方法减少降雨或其它地表径流下渗总量，从而降低污染物向外迁移扩散。

2 项目概况

2.1 尾矿与土壤污染

遗留尾矿露天堆放于河边，周边大多为林地和农田。尾矿总量约为50000 t，与河流高差约为5 m的陡坎(坡度近90°)，稳定性差，存在滑坡的风险。按照《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》(GB 18599-2001)进行尾矿属性鉴别，浸出毒性检测结果显示，尾矿属于一般工业固废Ⅱ类。

尾矿堆场土壤污染因子主要是重金属砷、铅和锌。经过现场调查和风险评价，确定需开展风险防控的尾矿与污染土壤方量为85260 m3，深度为16.5 m。

2.2 工程地质情况

经过工程勘察，场地在所揭露的20.0 m范围内土层分布情况如下。

(1)第①层灰黄～灰色矿渣，层厚2.5～3.5 m，为尾矿堆体，含碎石，较松散，渗透性较好；

(2)第②层灰黄色杂填土，层厚0.8～2.0 m，以砂质粉土、粉质黏土为主，夹粉砂及少量卵砾石，土质不均，渗透性较好；

(3)第③层砖红色圆砾或角砾夹黏性土，层厚3.3～6.3 m，以圆砾或角砾为主，局部以粉质黏土为主，夹粉性土，土质不均，渗透性好；

(4)第④层砖红色含砾粉质黏土，层厚1.2～4.2 m，以粉质黏土为主，夹砂砾石，土质不均，渗透性一般；

(5)第⑤层砖红色圆砾或角砾夹黏性土，层厚2.5～6.5 m，以圆砾或角砾为主，夹粉质黏土和砾砂，土质不均，渗透性好；

(6)第⑥层强风化泥岩，层厚1.0～1.6 m，泥质结构，主要由黏土矿物组成，岩芯破碎，呈碎块，渗透性较好；

(7)第⑦层中风化泥岩，层厚1.0～1.6 m，泥质结构，厚层状，主要由黏土矿物组成，岩芯呈柱状，完整性较好，渗透性低，该层至20.0 m未钻穿。

3 技术路线

因当地不具备尾矿集中处置和资源化条件，本项目拟采用原位封闭阻隔技术对尾矿堆及其覆盖之下的污染土壤进行环境污染风险管控，将堆场稳定性支护和防洪护坡综合起来考虑，形成重金属污染源头削减与生态恢复协调控制效果。技术路线见图1。

4 原位封闭阻隔方案

4.1 阻隔屏障选择

4.1.1 工艺选取

近年来，发展和应用的阻隔屏障技术主要包括水泥土搅拌桩连续墙、钢板桩墙、高压旋喷桩墙、泥浆阻水墙和柔性膜隔水屏障等。选择隔离技术时应该充分考虑其适用条件、成熟程度、施工周期及成本等。

图1 尾矿堆场原位封闭阻隔技术路线

根据场地实际情况，本项目采用四周设置高压旋喷垂直隔离屏障，由于场地以下分布有卵石层和含砾粉质粘土层等密实的土层，动力触探值在30～50击之间，因传统的高压旋喷工法在此地质条件下难以保证成桩质量，本次隔离屏障采用水泥土咬合桩隔离墙。

4.1.2 边界确定

该尾矿堆呈长条形，三面邻水一面靠山。根据调查测绘成果，首先对自然尾矿渣边坡进行修坡处理，沿坡脚线设置垂直向隔离屏障，靠山一侧根据矿渣边界线确定。采用素混凝土全套管咬合桩用于四周垂直隔离屏障的实施，隔离屏障厚度设计为1.0 m，相邻桩搭接0.2 m，以形成封闭的闭水隔污屏障。

4.1.3 深度确定

土壤样品检测结果显示，大部分检测孔第⑤层圆砾或角砾夹黏土层污染物浓度超标，说明污染物迁移已突破隔离效果较好的第④层含砾粉质粘土层，进入到渗透性较好的第⑤层土中。考虑到第⑤层以下的强、中风化泥岩为相对不透水层，因此垂直隔离屏障隔断第⑤层土，到达基岩面顶部。

尾矿堆隔离封闭平面布置图见图2，垂直剖面图见图3。

4.2 临空面支护隔离

尾矿堆结构较松散、存在水土流失、滑坡的安全隐患，需采取有效的安全防护措施，并结合邻河岸坡做生态护岸。生态护岸材料首先要保证其机构的安全、稳定和耐久性等相关要求，同时能较好地为生态河道生境的连续性提供基础条件。目前常用的护岸类型有土坡护坡、石材护岸及人工材料护岸等几种形式，考虑到丰水季河水上涨，可能对堆场造成冲刷，邻河面支档结构需要兼具挡水墙和护坡功能，同时为满足绿化和美观的要求，决定采用生态混凝土砌块的防护方案。

图2 隔离封闭平面布置

图3 垂直隔离封闭剖面

生态混凝土砌块挡墙采用环保、美观的舒布洛克砖进行砌筑，墙厚加设土工格栅加筋，并确保土工格栅与挡墙连接牢固，挡墙基础设置0.5 m宽混凝土条形基础，基础埋深为地面以下0.5 m。生态混凝土砌块挡墙邻土侧设置反虑结构，反虑结构不应影响植被生长。挡墙示意图见图4所示。

图4 邻河挡墙剖面示意

4.3 水平覆盖系统设计

场地的污染物为重金属，不具有挥发性，结合场地后期使用情况，表面采用防渗膜覆盖+黏土覆盖+种植植物措施。

4.3.1 防渗面层的选择

尾矿堆上防渗层参照《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制标准》(GB18599-2001)设计，本项目采用土工布及防渗膜的复合防渗层，渗透系数小于1.0×10-10cm/s。初步设计铺设三层，第一层为土工布，防止尖锐尾矿刺穿防渗膜；第二层为HPDE土工膜，防止雨水渗透进入尾矿里；第三层为土工布，确保其上铺设黏土的稳定性。

4.3.2 黏土层

植被层由营养植被层和覆盖支持土层组成。上部营养植被层的土质材料应利于植被生长，厚度为50 cm，营养植被层应压实。下部覆盖支持土层由压实土层构成，渗透系数大于1×10-4cm/s，厚度为100 cm(图5)。

图5 覆盖层示意

4.3.3 绿化植物选择

根据对周边的绿化常用的本土植物进行调查，封场初期用常绿灌木，植株规格为冠幅25～35 cm，土球Ф20 cm，灌木2000 m2。

5 环境监测

原位阻隔工程监测工作是控制施工质量、检验隔离封闭效果非常重要而有效的措施。过程监测与长期监测计划，具体如下。

(1) 施工期间应充分考虑施工扬尘问题，每月对大气进行一次监测。同时，进行确定种植土最优含水量和压实效果、土工布和HPDE土工膜的性能、高压旋喷桩和挡墙等质量监测和变形监测，保障施工质量。

(2) 对尾矿的出水统一收集至废水池，每季度监测一次废水中重金属含量。

另外，在阻隔墙内外建立长期监测井，对地下水水质和水位进行长期监测，充分掌握尾矿对地下水的影响。