酸性廢水污泥在重金屬礦業(yè)廢棄地生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用

文_楊濤濤 朱冉冉

1.廣東桃林生態(tài)環(huán)境有限公司 ； 2.中山大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院

1 重金屬礦業(yè)廢棄地的性質(zhì)及基質(zhì)改良研究進(jìn)展

1.1 重金屬礦業(yè)廢棄地的性質(zhì)

重金屬礦業(yè)廢棄地是一類極端的生境，主要體現(xiàn)以下方面：①不良的土壤結(jié)構(gòu)和組成，礦業(yè)廢棄地的土壤通常表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定和砂石過多，土質(zhì)成分少，從而影響植物種植。②營養(yǎng)極度匱乏，有機(jī)質(zhì)及N、P、K等營養(yǎng)元素含量嚴(yán)重不足，不利于植物生長。③重金屬等有害離子含量過高，對植物的生長產(chǎn)生嚴(yán)重抑制作用。④極端的pH，給幾乎所有植物的生長帶來了嚴(yán)峻考驗。⑤持水保肥能力差，導(dǎo)致干旱問題。⑥鹽分過高，引起生理干旱。這些極端的理化條件對植物的生長造成了嚴(yán)重的阻礙。因此，在實施植被恢復(fù)工作之前，必須對礦業(yè)廢棄地進(jìn)行基質(zhì)改良，控制產(chǎn)酸、降低重金屬毒性、改良物理結(jié)構(gòu)和改善營養(yǎng)狀況，從而有利于后續(xù)植物的定居和生長。

1.2 重金屬礦業(yè)廢棄地基質(zhì)改良研究進(jìn)展

目前對于重金屬礦業(yè)廢棄地基質(zhì)改良有兩種思路。第一種思路是直接對礦業(yè)廢棄地的本底土壤添加改良材料進(jìn)行改良，使得其滿足植物生長的條件。常用的改良材料主要包括石灰、生物炭、作物秸稈、蘑菇渣、各類糞肥，以及氮肥、磷肥等無機(jī)肥料。其中，石灰在重金屬礦業(yè)廢棄地的改良中應(yīng)用廣泛。添加石灰除了具有中和酸性的作用以外，還能夠顯著降低土壤的重金屬毒性，但施加過多的石灰可能會影響植物對營養(yǎng)元素的吸收。有機(jī)改良材料相比于無機(jī)化學(xué)改良材料，其具有效果持久的優(yōu)點，并且往往還具有多重效果。第二種思路是直接在原有土壤上覆蓋一層適合植物生長的基質(zhì)，例如其他區(qū)域采集的表土等。但由于大多數(shù)礦區(qū)表土資源匱乏，且采集表土勢必會對取土點環(huán)境造成嚴(yán)重破壞。因此，有學(xué)者提出將一些工業(yè)、礦業(yè)廢棄物與其他材料合理配比，綜合利用，制成適合植物生長的人工土壤用于礦業(yè)廢棄地修復(fù)，以減少對表土的需求。例如，李冰美等（2017）的研究發(fā)現(xiàn)，將活性污泥、爐渣、粉煤灰、保水劑、少量土壤和秸稈按照合適的配比混合制成人工土壤，高羊茅具有良好的出苗率，可以用作礦山邊坡修復(fù)的基質(zhì)材料。

2 酸性廢水污泥應(yīng)用于重金屬礦業(yè)廢棄地生態(tài)修復(fù)的可行性分析

酸性廢水污泥是酸性礦山廢水處理過程中產(chǎn)生的固體廢棄物。酸性礦山廢水通常pH較低，甚至可以達(dá)到2.0以下，重金屬離子含量高，是最主要的礦山污染源之一。目前最常用的處理技術(shù)是中和法，該方法是向酸性廢水中投加石灰、石灰石等堿性物質(zhì)，提高廢水的pH值，使得金屬離子與氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)生成難溶的氫氧化物沉淀，從而達(dá)到去除污染物的目的。中和法是目前比較成熟的一種方法，其優(yōu)點是費用低、適用范圍廣、操作簡單、管理方便，但缺點是結(jié)垢嚴(yán)重、污泥產(chǎn)量大。

事實上，由于在廢水處理過程中加入了大量石灰等堿性物質(zhì)，酸性廢水污泥通常呈堿性，可用于中和礦業(yè)廢棄地土壤酸性。例如，采集了10個大寶山礦的酸性廢水污泥，經(jīng)檢測其pH均值達(dá)到了8.1（表1）。而且，污泥顆粒細(xì)小，具有較好的保水性，可用于改善礦業(yè)廢棄地土壤物理結(jié)構(gòu)，增加廢棄地的持水能力。酸性廢水污泥的重金屬含量雖然較高，但用于同樣重金屬嚴(yán)重超標(biāo)的重金屬礦業(yè)廢棄地，對廢棄地重金屬的含量并不會有太大影響，不會帶來新的環(huán)境污染問題。酸性廢水污泥在一定程度上具備了用作礦業(yè)廢棄地基質(zhì)改良材料的特征，其不足是N、P等營養(yǎng)元素含量低。經(jīng)檢測，大寶山礦酸性廢水污泥的全氮含量僅有0.13g/kg，全磷含量低于檢出限0.07g/kg（表1）。可以考慮將其與有機(jī)肥料或其他改良物如微生物菌劑等按適當(dāng)比例混合，制成合適的礦業(yè)廢棄地基質(zhì)改良材料。摻混后的酸性廢水污泥也有兩種利用途徑，一種用作改良材料施用于礦山原土壤；另一種是直接覆蓋成為新的人工植物生長基質(zhì)。通過以上途徑，可以滿足礦業(yè)廢棄地植物生長的需求，實現(xiàn)酸性廢水污泥的綜合利用，一方面，以廢治廢，避免污泥的高昂處理費用；另一方面，減少了石灰等其他改良材料的使用，可以一定程度上降低修復(fù)成本，達(dá)到雙贏的效果。

表1 酸性廢水污泥及修復(fù)樣品的理化性質(zhì)檢測結(jié)果（平均值）

3 酸性廢水污泥在大寶山礦廢棄地的應(yīng)用實踐

為了實際驗證酸性廢水污泥在重金屬礦業(yè)廢棄地的應(yīng)用效果，2019年初在廣東省大寶山礦進(jìn)行了野外試驗。

大寶山礦是一座以鐵銅為主的大型多金屬礦山，目前采用中和法處理酸性礦山廢水，大量污泥的處置已經(jīng)成為困擾大寶山礦的難題。選取的試驗區(qū)域位于大寶山礦鐵龍區(qū)域，總面積為3000m2，該區(qū)域土壤酸化嚴(yán)重，pH低至2.9。

考慮到施工的便利性，采用直接覆蓋的思路，具體操作為：將酸性廢水污泥與雞糞按照10∶1的質(zhì)量比混合后制成人工土壤，并按8g/kg的用量添加微生物菌劑，然后直接覆蓋于原土壤上用作植物生長的基質(zhì)，覆蓋厚度約30cm。選擇種植的植物主要考慮耐性植物和鄉(xiāng)土植物品種，同時兼具喬灌草結(jié)合，包括：寬葉草、狗牙根、百喜草、黑麥草、斑茅、胡枝子、苧麻、鹽膚木、小葉女貞、刺槐、馬尾松等。半年后，對試驗區(qū)進(jìn)行取樣，采集了20個修復(fù)后的樣品，同時進(jìn)行了植被調(diào)查。結(jié)果表明，酸性廢水污泥與雞糞混合制成人工土壤并添加微生物菌劑，能夠滿足植物的生長需求，半年后植被的覆蓋度達(dá)到了95%，植物整體平均高度約50cm，且植物品種具有多樣性。

與酸性廢水污泥相比，修復(fù)后樣品的重金屬有效態(tài)重金屬含量顯著降低，其中有效銅含量從修復(fù)前的111mg/kg下降至42mg/kg，下降了62%；有效鎘含量從修復(fù)前的3.2mg/kg下降至1.8mg/kg，下降了44%。由于添加了雞糞等有機(jī)改良物，修復(fù)樣品的營養(yǎng)元素含量相比酸性廢水污泥顯著提升，總碳、全氮、全磷分別達(dá)到了41g/kg、3.5g/kg、1.0g/kg，為植物生長提供了良好的營養(yǎng)條件。

從經(jīng)濟(jì)效益上分析，每修復(fù)1m2的礦業(yè)廢棄地可消耗約0.27m3的酸性廢水污泥，按重金屬固廢上千元每噸的處置價格，可產(chǎn)生數(shù)百元的間接經(jīng)濟(jì)效益，同時可節(jié)約4%～8%的改良材料直接成本。

4 結(jié)語

酸性廢水污泥的處置是礦企面臨的重大難題之一。本文從酸性廢水污泥的理化性質(zhì)分析出發(fā)，提出了酸性廢水污泥綜合用于重金屬礦業(yè)廢棄地的處置模式，并通過在大寶山礦進(jìn)行的野外試驗，初步驗證了該模式能夠取得良好的應(yīng)用效果和較為顯著的直接、間接經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣闊。當(dāng)然，不同地區(qū)、不同類型礦山的酸性廢水污泥具有一定的差異，未來仍需對該利用模式進(jìn)行更深入的研究和改進(jìn)工作，并就合理性、經(jīng)濟(jì)性、潛在的環(huán)境風(fēng)險等進(jìn)一步分析評估，以期能夠早日實現(xiàn)大規(guī)模的工程化應(yīng)用，為建設(shè)資源節(jié)約型社會、綠色礦山提供技術(shù)支撐。