酸性金属矿山固废堆场工程绿化技术研究

祁有祥，江 良，沈绍红，向华浩，王志强

(芷兰生态环境建设有限公司，湖南 长沙 410000)

1 引言

经济社会的发展离不开矿产资源，因矿产资源开采造成区域生态环境恶化的现象在世界各国都有发生[1～3]，随着人们对生态环境质量的重视，矿区废弃地植被重建、景观恢复、生态系统修复等问题日益受到国际社会广泛关注[4～6]。根据《全国国土规划纲要(2016—2030年)》，到2030年历史遗留矿山综合治理率达到60%以上。我国废弃矿区生态环境治理基础研究工作起步较晚，特别是金属矿山废弃地，因其多为强酸、强碱环境，且存在或重或轻的重金属污染，金属矿山废弃地复垦缺乏成熟的技术体系。自然条件下，靠自然恢复能力，难以控制污染隐患，且周边植物种子自然繁衍生长难以为继，侵入植物对恶劣立地条件难有较好的适应性和响应性[7]。

我国有色金属以硫化物赋存于矿物中的比例很大，约相当于各类矿物种类总量的3/4[8]。在矿物开采和冶炼过程中，产生大量的含有硫化矿物的废石、尾矿、冶炼渣等固体废弃物[9～11]。这些固废在露天堆置条件下，受降水淋溶和缓慢氧化作用，固废中残存毒害物质对周边土壤、水体、动植物造成一定的危害，成为矿区严重的毒害污染源[12]。随着生态文明建设和对环境可持续发展认识的加强，国家对环境治理的愈发重视，要求废弃的矿山得到治理。通过人工修复，矿区生态环境演替恢复进程可大大加快[13]。对矿山生态修复主要包括植被复原和重建、重金属污染物的消除、生态系统的重建和当地景观的设计[14,15]。在废弃金属矿山修复过程中，植物修复技术是应用较多。通过在废弃金属矿山中种植植物来降低土壤中重金属含量水平，改良土壤，促进生态系统重建[16]。在酸性矿生态修复植物选择中，乔木有侧柏、榆树、刺槐、臭樁，灌木可选择紫穗槐，草本可选择高羊茅、苜蓿、鬼针草等耐酸植物[17,18]。对于重金属矿山，一般选用能富集重金属的植物，如大多数十字花科植物能富集镍[19]，狗脊、水蓼和狗牙根对Cu、Cd和Pb的富集能力较强[20]，刺槐和苘麻对降低重金属Cu含量作用明显，刺槐和田菁能有效修复土壤Pb污染[21]。在矿山修复过程中，要针对不同矿山类型、气候特点结合植物生长特点来确定合适的植物。除植物修复之外，微生物在矿山修复应用中也越来越受到重视。比如羊肚菌菌丝体可降低土壤中Pb的生物活性[22]，粪产碱杆菌可以有效矿化铅锌矿中的Pb2+、Zn2+等离子[23]，刘映彤等[24]利用筛选分离的萎缩芽孢杆菌和鲍曼不动杆菌有效修复砷污染土壤。随着科技的发展，生物碳也应用到矿山生态修复领域，钱泽樱等[25]利用含生物炭成分的土壤改良剂进行酸性土壤改良，能够显著增加土壤有机质含量、交换性钾、钙、镁含量，对酸性土壤具有改良作用。崔菲菲[26]在煤矿废弃地施用改性生物碳，能有效降低Cd、Pb污染。马曰娜等[27]利用固体废弃物煤矸石和秸秆制成生物炭复合材料，能有效吸附水体中磷酸盐。以上研究表明不同的生态修复方式对矿山修复具有一定的作用，但单一的修复方式还不能满足矿山综合生态系统的修复与重建的需求。因此，开发一种综合的、符合酸矿山固废堆场生态条件的生态修复技术是酸性矿山固废堆场生态修复的迫切要求。

我国酸性矿山的污染防治，大多限于在酸性产生后对酸性水进行处置的事后治理措施，该方式成本高、难度大、风险大[28～30]。因此，针对酸性金属矿山固废堆场工程绿化的“三难三大”问题，即酸性废水收集治理难、堆场闭库植被恢复难、技术可复制推广难；酸性废水污染范围大、堆场表层客土用量大、闭库修复经济投入大，本研究拟从绿化基材配比，生态阻酸工艺和植被恢复技术体系等方面开展研究，以期对酸性金属矿山固废堆场的生态绿化工程起到指导与示范的作用，为实现资源节约型和环境友好型社会的建设目标做出贡献

2 实验地点

本文所选实验地段为江西省德兴铜矿水龙山排土场，位于德兴铜矿采矿场南侧、水龙山西侧的先告河中，占地面积10.9 hm2，设计容量0.11亿m3，已蓄积量0.06亿m3，用于露天采场基建剥离时堆放矿石开采过程中废石、低品位矿石1991年停止堆放。

2.1 物理特征

水龙山排土场平台由于受大型载重卡车的碾压，其表层土壤结构发生较大变化。平台地表土层紧实度加大，极易板结，植物不易扎根，难以生长与存活。同事地表下渗性能降低，下雨易产生地表径流，地表侵蚀严重，造成面蚀与沟蚀，严重影响植物生长。

2.2 化学特征

排土场的土壤理化性质见表1，平台上的土壤酸性极强pH值为2.99，其中净酸产生量(NAPP)为42.8 H2SO4kg/t。同时，土壤中重金属含量高，而且重金属在酸性条件下非常活跃，不利于植物生长。受降雨淋溶重金属和酸性物质迁移，将会对周边土壤、水体和动植物造成不良影响，成为持久性的环境污染源。

2.3 营养特征

从废石堆的土壤主要营养元素测试结果来看(表1)，试验地土壤非常贫瘠，TKN含量只有0.0025%，速效钾含量为45.4 mg/kg，有效磷的为0.04%，pH值为2.99。依据国家标准，本试验区的土壤属于极酸性土壤且肥力属于三级以下。

表1 土壤理化性质及养分分析

3 绿化基材配比研究

废弃矿山生态修复需要从改善土壤结构和充分利用废弃资源开始，绿化基材的选择制备直接关系到工程质量。从废弃资源再利用的角度出发，本研究从环境保护和废物利用的角度出发，选择矿区废弃的尾砂、底泥和矿区周边畜禽粪便、砻糠、秸秆等一些可再利用的农业废弃物作为原料，以制备出质优价廉的绿化基材。

3.1 基材的配比方案

以施工实际经验配比为标准，本次试验段基材详细配比及预处理见表2。

表2 绿化工程用基材配比

3.2 制备基材三相对比分析

对矿区矿区周边林地表层土壤进行取样作为对照，对本文根据施工实际经验制备的4个基材配比进行对照分析，主要分析项目为吸水前后土壤三相比和容重比(表3)，与对照土样最为接近的作为本次试验段施工基材标准配比。

表3 三相比和容重对比

三相分布影响着基材的水分、肥力状况。对于自然原状土壤，合理的三相分布大体上是固体部分约占土壤总容积的1/2，水和空气各占1/4，而制备基材的三相分布与土壤的三相分布有着较大的区别。从实验结果中看出，尾砂和农业废弃物占比增加，土壤的总孔隙度明显变大，在吸水达到饱和时，仍有约占10%总孔隙度的气相分布，这说明选用尾砂和农业废弃物制备绿化基材，更利于坡面排水，防止植物根系由于含水量过大而造成烂根，也减小了坡面土层积水造成的重力侵蚀隐患。

4 固废堆场生态隔离防渗实验研究

受降雨淋溶酸性金属矿山固废堆场酸性物质和重金属离子会对周边环境造成污染，同时不利于植物生长和绿化工程的实施，为实现污染源源头控制的目标，本文采用水溶性聚氨酯树脂(W-OH)对固废堆场表层进行防渗处理，形成具有一定厚度和韧性的防渗层，同时还能够使得植物根系正常生长。在试验段堆场表层填充施工结束后，在表层喷洒浓度为3%、5%和8%的W-OH溶液。一个月后，在对其形成防渗层的厚度、植物发芽和生长情况及防渗层柔韧性进行观测。以确定最佳W-OH溶液浓度。

从表4可以看出，3%浓度W-OH溶液形成防渗层厚度约0.5 cm，拉伸块长度7.5 cm，拉伸效果不佳，出苗率为83.4%，植株平均高度为21.46 cm。5%浓度W-OH溶液形成防渗层厚度约1.0 cm，播拉伸长度为20 cm，出苗率为93.57%，平均植株高度为30.18 cm，防渗和出苗效果良好。8%浓度W-OH溶液形成的防渗层厚度约2.8 cm，拉伸长度为27 cm，出苗为0。说明对5%浓度W-OH溶液形成的防渗层具有较好的柔韧性，并且能够适应植物根系生长，同时能防止施工过程中踩踏破碎和重力拉伸断裂，确保防渗层的完整性。

表4 不同浓度W-OH溶液效果

5 酸性金属矿山固废堆场植被恢复技术体系

5.1 主要施工工艺和工序

(1)堆坡稳定处理。对经自沉稳定的堆积体，按照不大于自然安息角的坡度降低坡度，根据堆积体的稳定性，设置平台和截排水沟，考虑到堆积体自沉现状，截排水沟需采用柔性材料。为增强堆积体的稳定性，在坡脚及平台内侧设置柔性生态挡土墙。

(2)堆体表层填充。对实施稳固处理后的堆场上实施表层填充封闭，采用喷播工艺将制备好的基材喷射到堆体表层渣石缝隙内，改良堆体浅层植生条件，表层填充所用材料主要包括尾砂、底泥、膨润土、酸碱土壤改良剂、秸秆等材料。

(3)浅层隔离防渗。在堆体表层填充材料晾干后，采用专用喷洒设备，将水溶性聚氨酯树脂(W-OH)双液混合材料均匀喷洒到填充层上，浓度控制在5%左右，采用多次往复喷洒方式，入渗厚度1～2 cm，形成稳定的防渗隔离层。

(4)基材喷播绿化。在浅层隔离防渗施工结束后，对坡度大于30°的采用挂网喷播绿化，小于30°的采取普通喷播绿化。考虑到堆场不均匀变形和沉降，网片宜选择双向土工格栅。基材喷播厚度8～10 cm，植生基材主要由尾砂、底泥、畜禽粪便、砻糠、秸秆、保水剂、粘合剂、复合肥、植物种子等配备成。种子选择抗逆性强的先锋植物和地带性乡土植物，乔灌草结合。

(5)后期养护管理。根据施工条件、工程规模、完工季节和气候条件，灵活决定对完工坡面采取遮阳网、草帘覆盖措施和布设喷灌养护设施。加强初期(完工后3个月)养护管理，促进种子发芽和幼苗生长。逐步降低养护凭此和强度，提高植物适生性和自我繁衍能力。

5.2 绿化效果调查分析

按照工程施工的标准和工序，完成了6000 m2试验段。试验段堆场坡体主要由大量碎岩和矿尾石块堆弃而成的一面坡，坡面松散程度较高，且废石含有硫化矿物，渣石全部裸露，坡度为30°～37°，坡面冲沟和浅层滑移较多，堆场渗滤液pH值约为3.0。

初期养护结束后，植被覆盖度迅速达到了85%以上，草本植物生长最旺盛，形成了比较完备的地被植物层，有效防止了降雨对基质材料的冲刷。1年后样方调查结果显示(表5)，坡面上分布均匀的乔灌木主要有马棘、刺槐、盐肤木、湿地松、胡枝子，臭椿随有一定的数量，但分布不均。地被草本植物受乔灌木竞争生长影响，较恢复初期的密度、盖度、生长量均显著降低。表层封闭隔离层正常发挥功能，根据抽样剖面观测结果估算，能够有效防止75%以上的降水下渗入堆体内部，表现出了良好的工程治理效果。

表5 试验段重建植被调查结果

6 结论

本研究以德兴铜矿固废堆场为研究对象，按照“污染源头控制、废弃物资源化利用”的目标要求，通过对试验段固废堆场特征测试分析、绿化基材配比研究、堆场隔离防渗材料性能测试研究，提出了酸性金属矿山固废堆场工程绿化关键技术和主要施工工艺，按照工程施工标准完成的试验段表现出了很好的绿化效果。

(1)大型酸性金属矿山固废堆场酸性物质和重金属含量高，重金属在酸性条件下异常活跃，非施以绿化工程手段难以自然复绿。

(2)选择尾砂、底泥等矿区废弃物和畜禽粪便、砻糠、秸秆等农业废弃物能够制备出经济合理的工程用绿化基材，减少因大面积矿区废弃地绿化所需大量土方，对周边环境造成新的开挖破坏，体现出资源化利用的环保理念。

(3)5%浓度的W-OH溶液形成的柔性防渗隔离层，能有效防止施工过程中踩踏和重力拉伸断裂，保持防渗隔离层的完整性，防止酸性物质和重金属雨水淋溶迁移，且能够保证植物正常出苗生长，隔离防渗层和绿化基材层共同实现了对固废堆场毒害物质的水气光热的隔离，较大程度上控制了矿区毒害物质迁移，体现了污染治理的源头控制的环保标准。

(4)按照本文提出的绿化技术体系和施工工序要求完成的实验段取得了较好的效果，实施3个月后，植被覆盖度达到了85%以上，目标植物均正常出苗生长，1年后各目标植物长势良好。

(5)对该研究中的酸碱改良材料进行测试改选，或者选择科学的金属离子稳定剂，该方法可以推广应用于碱性金属矿山固废堆场、重金属污染工矿废弃场地等特殊地段的绿化。