金屬礦山污染地酸性阻控及植被恢復(fù)試驗(yàn)

章夢濤 陳振峰 李東樵 潘榮森 胡天壽 陳增香 王功田 程 文

(1.深圳市如茵生態(tài)環(huán)境建設(shè)有限公司；2.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦)

金屬礦山污染地酸性阻控及植被恢復(fù)試驗(yàn)

章夢濤1陳振峰1李東樵1潘榮森2胡天壽2陳增香1王功田1程 文1

(1.深圳市如茵生態(tài)環(huán)境建設(shè)有限公司；2.江西銅業(yè)股份有限公司永平銅礦)

為了研究在金屬礦山污染地實(shí)施酸性阻控隔離技術(shù)及其對(duì)植被恢復(fù)效果的影響，提出采用清理邊坡、修筑水溝、鋪設(shè)導(dǎo)流層、鋪設(shè)沙石層、噴射隔離層、重建植生層、植被配置、覆蓋無紡布及安裝滴灌設(shè)施的步驟對(duì)礦山污染地進(jìn)行綜合治理的方案。采用樣品檢測并通過觀察現(xiàn)場植被生長情況顯示,酸性阻控隔離區(qū)域土樣pH值變化較小，植被生長良好，酸性阻控隔離技術(shù)具有較好的疏導(dǎo)水流和防止種植土酸化的作用，可給植被提供良好的生長條件，達(dá)到生態(tài)恢復(fù)的目的。

金屬礦山 污染地 酸性阻控 植被恢復(fù)

我國是世界上礦產(chǎn)資源總量豐富，種類齊全的國家之一。而礦產(chǎn)資源的開發(fā)，特別是不合理地開發(fā)利用，將引發(fā)嚴(yán)重的生態(tài)問題，這些問題嚴(yán)重影響國土生態(tài)安全，直接威脅礦區(qū)民眾的生產(chǎn)生活。由于金屬礦山往往伴生著多種金屬的硫化礦物，在開采過程中，產(chǎn)生大量的固體廢棄物，礦山固體廢渣經(jīng)雨水沖刷、淋溶，這些礦物在空氣、水和細(xì)菌的共同作用下，形成硫酸高鐵溶液，其pH值在2～4,可溶出礦石中的多種金屬離子，因而產(chǎn)生含銅、鐵、鉛、鋅、鎘、砷等的酸性水[1]，重金屬離子的含量為每升幾毫克至幾百毫克，對(duì)大多數(shù)植被都具有毒副作用，可導(dǎo)致植被的枯萎、死亡，其中有毒有害成分極易滲入土壤中，造成土壤酸化、毒化，又具有隱蔽性和長期性，導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化，植被退化，生物多樣性失衡。多金屬礦山廢棄地因?yàn)楹写罅康牧虻V物，長期裸露的廢棄礦地因土壤酸化和重金屬污染，極大的增加了生態(tài)恢復(fù)成本，嚴(yán)重地制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

礦山的開采嚴(yán)重改變甚至破壞了礦區(qū)原有的自然生態(tài)系統(tǒng)，使之相應(yīng)的生態(tài)功能減弱或喪失，造成土地退化、景觀破壞、環(huán)境污染、動(dòng)植物生產(chǎn)環(huán)境破壞等問題。目前，礦山廢棄地的生態(tài)恢復(fù)與重建已受到廣泛關(guān)注。目前，在酸性和重金屬雙重污染的堆場進(jìn)行環(huán)境修復(fù)的方法很少，常用的方法有撒石灰中和與覆土壓蓋。單一的撒石灰難以中和下層不斷反滲的酸液，也不能防止硫礦物的進(jìn)一步氧化和再酸化；大面積的厚層覆土需要大量的土壤表土，在礦區(qū)取土困難且成本高昂，難以解決礦區(qū)面上的污染和環(huán)境問題。本研究通過在金屬礦山渣土堆場建立阻控隔離復(fù)合結(jié)構(gòu)層，然后在隔離層上建立植生層并噴播種子，從而避免酸和重金屬離子對(duì)植物的毒害，達(dá)到恢復(fù)植被、改善礦區(qū)環(huán)境的效果。

1 試驗(yàn)方法和材料

1.1 供試區(qū)域

試驗(yàn)選設(shè)在江西某銅礦礦渣堆場的裸露邊坡。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)分設(shè)2個(gè)處理區(qū)，試驗(yàn)1區(qū)為該邊坡的左半?yún)^(qū)域，按清理邊坡→修筑水溝→重建植生層→植物配置及栽植藤灌木→覆蓋無紡布→安裝滴灌設(shè)施步驟實(shí)施，即未進(jìn)行酸性阻控處理；試驗(yàn)2區(qū)為該邊坡的右半?yún)^(qū)域，按清理邊坡→修筑水溝→鋪設(shè)導(dǎo)流層→鋪設(shè)沙石層→噴射隔離層→重建植生層→植物配置及栽植藤灌木→覆蓋無紡布→安裝滴灌設(shè)施步驟實(shí)施,進(jìn)行酸性阻控處理。

1.3 阻控隔離層結(jié)構(gòu)

阻控隔離層厚19～25 cm，由“導(dǎo)流層+沙石層+隔離層”疊加構(gòu)成。導(dǎo)流層位于阻控隔離復(fù)合結(jié)構(gòu)層的下部，由平鋪的一層導(dǎo)流板組成；沙石層位于復(fù)合結(jié)構(gòu)層的中部，由底層的沙層和上層的礫石層組成；隔離層位于阻控隔離復(fù)合結(jié)構(gòu)層的上部，為一層噴射形成的高分子聚合物膠體密實(shí)層。導(dǎo)流層上面鋪設(shè)有一層無紡布，防止沙粒進(jìn)入導(dǎo)流板堵塞透水孔；沙石層上面鋪設(shè)有一層無紡布，噴射隔離層時(shí)，避免膠液滑入礫石層。阻控隔離層結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 阻控隔離層結(jié)構(gòu)

1.4 實(shí)施步驟

(1)清理邊坡。針對(duì)金屬礦山邊坡長期裸露造成風(fēng)化碎裂嚴(yán)重的情況，對(duì)坡面自上而下進(jìn)行嚴(yán)格清理，采用撬桿等工具清除坡面破碎的松動(dòng)巖塊和浮石，對(duì)巖質(zhì)碎裂處陡峭而凸出或懸掛的危險(xiǎn)石塊利用人工將其排除，避免浮石或危巖影響阻控隔離層的效果，并防止碎裂懸掛的石塊隨時(shí)掉落，消除安全隱患。

(2)修筑水溝。在金屬礦山渣土堆場坡頂設(shè)置截水溝，用漿砌片石砌筑或預(yù)制U形水泥槽修筑，兩側(cè)和坡底修排水溝，防止雨水對(duì)坡面的沖刷和周邊酸水的侵入。

(3)鋪設(shè)導(dǎo)流層。導(dǎo)流板用聚氯乙烯塑料壓制成的具有一定通透性的板塊構(gòu)成，板塊上下兩面及兩頭具有透水孔，透水孔之間通過板塊內(nèi)部的空隙相互連通。將導(dǎo)流板鋪設(shè)于渣土堆場及邊坡表面，板塊之間盡量不留空隙，導(dǎo)流層上面平鋪一層無紡布。

(4)鋪設(shè)沙石層。先在導(dǎo)流層上面用竹板打橫向隔檔，竹板高度與沙石層厚度一致，竹板用鋼筋固定，隔檔間距1～2 m；將河沙平攤于隔檔內(nèi)導(dǎo)流層無紡布之上，形成一定厚度的沙層，沙層之上鋪設(shè)礫石層，礫石層之上覆蓋一層無紡布。

(5)噴射隔離層。隔離層的高分子聚合物為VAE乳液(醋酸乙烯-乙烯共聚乳液)，醋酸乙烯含量在70%～95%，呈乳白色乳液狀態(tài)。將VAE乳液加70%水(重量比)稀釋后，配成黏稠的膠液，然后用液壓噴射機(jī)(帶攪拌機(jī))均勻噴射于沙石層之上，干化后形成1～2 cm厚的膠膜，形成隔離層。

(6)重建植生層。利用種植土并添加生物有機(jī)肥、復(fù)合肥、黏結(jié)劑和保水劑等，優(yōu)化配置種植基材，用濕噴機(jī)在坡面進(jìn)行噴混10 cm厚的植生層，為草本植物和藤灌木植物提供良好的生長條件。

(7)植物配置及栽植藤灌木。基于銅礦當(dāng)?shù)貤l件并結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?、氣候等自然條件，優(yōu)先選擇耐干旱、耐貧瘠、適應(yīng)性強(qiáng)、生長快的品種，盡可能采用鄉(xiāng)土品種以及根系發(fā)達(dá)的喬灌木，優(yōu)先選擇國內(nèi)外已篩選出的礦山固體廢棄物堆綠化先鋒品種。以草本植物1～3種、喬灌木植物3～6種為宜，一般保證7個(gè)植物種類即可滿足邊坡植被固土護(hù)坡和自然演替的目的。

利用噴草系統(tǒng)將草種和部分喬灌木種子、紙漿等混勻進(jìn)行基質(zhì)面層噴射，厚度約1～2 cm，形成供植物生長發(fā)育的植生層面層。本試驗(yàn)的植物配置方案為①每平方米草木種子：狗牙根0.5 g+芒草 0.5 g+金雞菊1.5 g+車桑子3 g+馬尾松2 g+濕地松2 g+銀合歡5 g+刺槐5 g+木蘭3 g；②栽植藤灌木苗木：爬墻虎、常春藤、濕地松大苗、濕地松小苗、紫穗槐。

(8)覆蓋無紡布。噴播植草施工完成之后，在邊坡表面從上到下順勢覆蓋無紡布，用竹簽或鋼筋固定以防止雨水沖刷和在發(fā)芽期起到保水保溫利于種子發(fā)芽的作用，同時(shí)防止鳥獸對(duì)種子的吞食。

(9)安裝滴灌設(shè)施。針對(duì)地勢高、坡度陡的區(qū)域，由于后期的養(yǎng)護(hù)管理極大不便，滴灌是目前干旱缺水地方最有效的一種節(jié)水灌溉方式，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，土壤內(nèi)部水、肥、氣、熱經(jīng)常保持適宜于作物生長的良好狀況，蒸發(fā)損失小，不產(chǎn)生地面徑流，幾乎沒有深層滲漏，具有較高的節(jié)水效果，同時(shí)還可以結(jié)合施肥。

1.5 現(xiàn)場樣品采集及檢測

通過技術(shù)人員現(xiàn)場分類調(diào)查，現(xiàn)場進(jìn)行了簡單檢測，采用“S”形布點(diǎn)，按照隨機(jī)、等量和多點(diǎn)混合的原則進(jìn)行分類采集了部分典型性樣品[2]，帶回試驗(yàn)室進(jìn)行化驗(yàn)，分別測定酸性阻控處理前原渣土和客土基材、種植半年后植生土的鉛、鋅、銅含量[3-7]及pH值[8]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 現(xiàn)場采集樣品的檢測結(jié)果

酸性阻控處理前后現(xiàn)場所采集的樣品檢測結(jié)果見表1～表3。

表1 金屬礦山酸性阻控處理前渣土試驗(yàn)樣品檢測結(jié)果

由表1可知，試驗(yàn)實(shí)施的金屬礦山污染地因含有大量的硫礦物，以及長期裸露造成的氧化還原反應(yīng)析出硫，酸性污染嚴(yán)重，pH值為2～3，試驗(yàn)區(qū)域樣品的鉛、鋅含量低。

表2 噴混的植生土試驗(yàn)樣品檢測結(jié)果

表3 種植半年后的植生土試驗(yàn)樣品檢測結(jié)果

由表2、表3可知，植生土的pH值為6.5～7.0；其中按試驗(yàn)1處理，半年后種植土的pH值小于噴混時(shí)種植土的pH值，即種植土的酸性隨著種植時(shí)間的延長而增強(qiáng)；而按試驗(yàn)2處理，半年后植生土的pH值與噴混時(shí)植生土的pH值較接近，酸性變化不大，且鉛、鋅、硫的含量基本保持不變。

由表3可知，試驗(yàn)2的酸性阻控層具有較好的防止酸化的效果。阻控隔離層利用其導(dǎo)流層的疏導(dǎo)和隔離層的屏障作用，對(duì)渣土堆場的徑流和滲流進(jìn)行導(dǎo)流及渣土堆場表面進(jìn)行封閉，從而阻止下層含有多種重金屬離子的酸液向上溢流和反滲，并有效防止下層硫化物進(jìn)一步氧化和再酸化，因此，試驗(yàn)2區(qū)域中種植土的酸性隨時(shí)間變化較小。而試驗(yàn)1由于缺少酸性阻控隔離層的疏導(dǎo)和屏障作用，硫化物氧化并遇水后生成的酸液，不斷溢流和反滲進(jìn)入各植土，導(dǎo)致植生土的酸性增強(qiáng)。

綜上所述，通過在金屬礦山污染地建立酸性阻控層，能有效地阻止植生土酸化的發(fā)生。

2.2 實(shí)施半年后植被生長情況

對(duì)比試驗(yàn)1區(qū)與試驗(yàn)2區(qū)的植被生長情況(見圖2、圖3)，通過實(shí)施制定的酸性阻控工藝技術(shù)和常規(guī)養(yǎng)護(hù)的試驗(yàn)2區(qū)，半年后取得了較好的效果，植被生長良好。

圖2 半年后試驗(yàn)1區(qū)植被生長情況

此類金屬礦山污染地坡面以草本為主，移栽部分當(dāng)?shù)孛┎?，點(diǎn)綴花草，結(jié)合噴播部分灌木即可。坡面中下部以藤本為主，利用藤本植物攀爬作用對(duì)坡面進(jìn)行遮蔽以補(bǔ)充。由圖2、圖3可見，噴播半年后，試驗(yàn)1區(qū)僅剩少量灌木存活；而試驗(yàn)2區(qū)經(jīng)過半年的恢復(fù)，坡面幾乎全面覆綠，特別是灌木植物存活率高、長勢良好，植被恢復(fù)效果良好；試驗(yàn)1區(qū)的植物存活率低可能主要是由于植生土的酸性強(qiáng)，只適于一部分酸性植物生長，而大部分植物無法正常生長；而試驗(yàn)2區(qū)的植生土pH值接近中性，大部分植物不受酸的抑制，可以在此環(huán)境中較好地生長。

圖3 半年后試驗(yàn)2區(qū)植被生長情況

在礦山廢棄地上進(jìn)行植物恢復(fù)，適生植物的篩選是必要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，應(yīng)從生長和生理水平進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由于灌木植物在早期生長較慢，容易被長勢較快的草本植物淘汰，而灌木植物相比草本植物具有更好的固土護(hù)坡價(jià)值，所以在以灌木為目標(biāo)的生態(tài)恢復(fù)中必須保證坡面存活足夠的灌木植物。在早期利用耐旱性強(qiáng)的先鋒草本植物進(jìn)行快速覆綠，先鋒草種如狗牙根等，減少基層水分蒸發(fā)量，以盡量利于灌木生長。將草、灌、藤植物混合種植，提高修復(fù)的效果。為提高退化環(huán)境恢復(fù)中的特種多樣性，可在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上不斷增加物種引入的數(shù)量。

3 結(jié) 論

(1)金屬礦山在開采過程中有大量的硫礦物，礦山固體廢渣經(jīng)雨水沖刷、淋溶，在空氣、水和細(xì)菌的共同作用下，形成酸液，其pH值為2～4，是造成礦山廢棄地植被恢復(fù)失敗的關(guān)鍵因素。

(2)阻控隔離復(fù)合結(jié)構(gòu)層由導(dǎo)流層、沙石層和隔離層組成，具有較好的疏導(dǎo)水流和防止種植土酸化的作用，通過實(shí)施阻控隔離技術(shù)，客土基材的pH值隨時(shí)間變化極小，給植被提供了良好的生長條件，從而達(dá)到了生態(tài)修復(fù)的目的。

(3)在礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)中，合理配置植物，以草、灌、藤組合的方式種植，既能達(dá)到前期以草本植物為主實(shí)現(xiàn)綠化，又能保證后期以灌木和藤本為主的綠化效果。

[1] 藍(lán)崇鈺，束文圣，張志權(quán)．酸性淋溶對(duì)鉛鋅尾礦金屬行為的影響及植物毒性[J]．中國環(huán) 境科學(xué)，1996，16(6)：461-465．

[2] 中華人民共和國農(nóng)業(yè)部．NY/T 1121.1—2006 土壤檢測第1部分：土壤樣品的采集、處理和貯存[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

[3] 徐亞萍，伍自明．原子吸收分析法測定硫鐵礦中鉛、鋅、銅試驗(yàn)[J]．精細(xì)化工中間體，1981(4)：53-60．

[4] 蔣天成，劉守廷．ICP-AES快速測定土壤中硫含量[J]．光譜實(shí)驗(yàn)室，2007，2(24)：99-102．

[5] Robbed G A，Robison J D F．Acid drainage from mines[J]．Geographical Journal，1995，16(1)：47-54．

[6] Williamson N A，Johnson M S，Bradshaw A D．Mine Wastes Reclamation[M]．London：Mining Journal Books Ltd.,1992．

[7] Hossner L R．Reclamation of Surface-Mined Lands[M]．Florida：CRC Press，1998．

[8] 劉 芬．株洲地區(qū)土壤pH測定方法研究[J]．農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)，1998，1(1)：84-88．

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50974082)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助課題(20133718110005)；山東科技大學(xué)科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(2012KYTD102)；黃島區(qū)科技項(xiàng)目編號(hào)2014-1-37。

譚明洋(1989—)，男，碩士研究生，266590 山東青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)前灣港路579號(hào)。

2014-11-16)

章夢濤(1961—)，男，高級(jí)工程師，518057 廣東省深圳市南山區(qū)。