生態(tài)浮床技術(shù)處理有色礦山尾礦庫(kù)廢水的可行性分析

高文謙，王 俊，張懿達(dá)

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.凡口鉛鋅礦，廣東 韶關(guān) 512325)

有色金屬礦產(chǎn)資源在保障我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化等方面發(fā)揮了重要作用。然而，在礦山開(kāi)采過(guò)程中，因廢水排放、廢石場(chǎng)和尾礦庫(kù)壓占破壞土地等原因?qū)⒉豢杀苊獾貙?duì)周邊環(huán)境造成一定的不利影響[1-3]。其中，尾礦庫(kù)廢水的超標(biāo)排放是造成環(huán)境污染的影響因素之一。除廠前回用外，其他選礦廢水以尾礦漿的形式通過(guò)輸尾管道輸送至尾礦庫(kù)，從而形成尾礦庫(kù)廢水。該廢水不同于礦山開(kāi)采產(chǎn)生的酸性廢水，其水質(zhì)更為復(fù)雜，包括pH、懸浮物、COD和重金屬等污染因子[4]。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)尾礦庫(kù)廢水處理技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。各礦山企業(yè)也針對(duì)自身水質(zhì)特點(diǎn)分別采用物理法、化學(xué)法、生物法或組合技術(shù)建設(shè)了廢水處理工程，但實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中均在一定程度上存在一些問(wèn)題，例如：藥劑等耗材消耗量大、管道等設(shè)備易結(jié)垢堵塞、產(chǎn)渣量大、能耗高、占地面積大、存在二次污染風(fēng)險(xiǎn)等。目前國(guó)內(nèi)所采用的尾礦庫(kù)廢水處理技術(shù)均為“異位處理“(即尾礦庫(kù)外)，投資成本高，因此開(kāi)發(fā)尾礦庫(kù)廢水”原位處理“技術(shù)，降低投資運(yùn)行成本，建立免/低維護(hù)的處理系統(tǒng)，同時(shí)兼具景觀改善提升作用將是今后的研究方向之一。例如：借鑒地表水體(河流、水庫(kù)、湖泊)原位治理的成熟工藝，在進(jìn)行工藝優(yōu)化調(diào)整、施工方法改進(jìn)等研究后運(yùn)用于尾礦庫(kù)的廢水處理。

本文介紹了生態(tài)浮床技術(shù)在地表水體治理領(lǐng)域的研究應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)生態(tài)浮床技術(shù)用于尾礦庫(kù)廢水處理進(jìn)行了可行性分析，就未來(lái)實(shí)際應(yīng)用提出了系列建議。

1 生態(tài)浮床技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 生態(tài)浮床技術(shù)的概念

生態(tài)浮床技術(shù)的概念，最早于1988年由SVEN Hoeger提出。作為一種水體生態(tài)修復(fù)技術(shù)，在20世紀(jì)70年代開(kāi)始應(yīng)用于德國(guó)的富營(yíng)養(yǎng)湖泊治理[5]。生態(tài)浮床也稱生態(tài)浮島、生物浮床或人工浮床，針對(duì)地表水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題，利用生態(tài)學(xué)原理除氮、除磷、降解水中的COD等。生態(tài)浮床以水生植物為主體，運(yùn)用無(wú)土栽培技術(shù)原理，以高分子材料或沸石、活性炭等為載體，以海綿、椰子纖維、生活污泥等為基質(zhì)，利用生態(tài)物種間的共生關(guān)系，通過(guò)植物根系的吸收、吸附和根際微生物的降解等作用削減水體中的污染負(fù)荷，最終實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化，同時(shí)營(yíng)造水體景觀。

生態(tài)浮床的類型很多，根據(jù)浮床構(gòu)造的不同，分為干式浮床、濕式有框浮床和濕式無(wú)框浮床。在國(guó)內(nèi)外實(shí)際工程中，濕式有框浮床因抗水力沖擊能力強(qiáng)、易固定、耐用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，占到了70%[6-7]。濕式有框浮床一般包括浮床框架、浮床床體、水下固定裝置和水生植物4個(gè)部分。

1.2 生態(tài)浮床技術(shù)的凈化機(jī)理

生態(tài)浮床技術(shù)對(duì)水體的凈化主要通過(guò)以下幾個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)：

1)植物生長(zhǎng)過(guò)程通過(guò)須根系的擴(kuò)展不斷吸收水體中的無(wú)機(jī)氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及重金屬，然后由根部向地上部轉(zhuǎn)移，再經(jīng)植物光合作用形成生物量。植物收割后，實(shí)現(xiàn)水體中氮、磷、重金屬等污染物的削減。

2)植物濃密的網(wǎng)絡(luò)狀須根具有天然的過(guò)濾吸附和阻滯作用，阻滯能夠延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，水體中的懸浮物通過(guò)須根的過(guò)濾吸附形成污泥團(tuán)后沉淀。

3)植物通過(guò)光合作用在根系附近釋氧從而形成好氧-厭氧-缺氧的環(huán)境體系，根系的生物膜通過(guò)微生物的硝化、反硝化等作用促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)換、有機(jī)物的分解、重金屬的吸附和吸收降解。

4)相比藻類而言，浮床植物對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的競(jìng)爭(zhēng)吸收能力更強(qiáng)，形成的生物量明顯大于藻類，浮床的遮光作用以及浮床植物根系的分泌物質(zhì)也抑制了藻類大量繁殖，從而防止“水華”、“赤潮”現(xiàn)象的發(fā)生。

1.3 生態(tài)浮床技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀

1.3.1 浮床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與組合研究

傳統(tǒng)生態(tài)浮床技術(shù)已較為成熟，近年來(lái)研究人員對(duì)浮床結(jié)構(gòu)不斷進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，也開(kāi)發(fā)了一系列的強(qiáng)化生態(tài)浮床技術(shù)。李艷楓等[8]設(shè)計(jì)了一種新型復(fù)合生態(tài)浮床，由頂部植物吸收利用和鳥類生存區(qū)、基質(zhì)吸附處理和魚類生存區(qū)、微生物掛膜強(qiáng)化處理和小型水生動(dòng)物生存區(qū)和沉水植物吸收區(qū)四部分組成。該復(fù)合浮床對(duì)氮、磷的去除率高于普通浮床，且更有助于增加浮游植物的多樣性，提高水生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。曾冠軍等[9]在生態(tài)浮床中增加曝氣裝置，與普通生態(tài)浮床進(jìn)行對(duì)比研究，采用鼓風(fēng)間歇曝氣后對(duì)總氮、總磷的去除率分別達(dá)到93.17%、53.28%，均提高了10%左右。李京鴻等[10]提出一種簡(jiǎn)化生態(tài)浮床設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了浮床結(jié)構(gòu)復(fù)核，驗(yàn)證了選材的合理性，并通過(guò)軟件工況模擬提出浮床安裝和運(yùn)行過(guò)程需加固處理的位置。

1.3.2 浮床床體材料和基質(zhì)研究

生態(tài)浮床床體材料和基質(zhì)的選擇非常關(guān)鍵，其性能好壞關(guān)系到整個(gè)浮床系統(tǒng)對(duì)污染物的去除效果。開(kāi)發(fā)新型床體材料和基質(zhì)對(duì)于提高污染物的處理效率、降低投資成本、降低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等具有十分重要的意義。汪銀梅等[11]研究了以竹絲、稻草和輕質(zhì)陶粒作為生態(tài)浮床基質(zhì)對(duì)浮床植物和廢水脫氮效果的影響，結(jié)果表明稻草和竹絲基質(zhì)的浮床脫氮效果最佳，水生植物代謝酶和生長(zhǎng)速度最快。常雅軍等[12]以天然礦物海泡石、膨脹蛭石、工業(yè)爐渣、粉煤灰以及微生物固定化載體海藻酸鈣(包埋反硝化聚磷菌-DPAOs)制成浮床復(fù)合基質(zhì)，并在基質(zhì)中接種微生物，在浮床上種植黑麥草，對(duì)城市生活污水和池塘富營(yíng)養(yǎng)化水體進(jìn)行凈化效果研究，總磷的去除率高達(dá)96%以上，總氮去除率達(dá)到80%以上，可解決植物浮床磷去除效果較差的問(wèn)題。針對(duì)目前絕大多數(shù)浮床床體材料難降解的現(xiàn)狀，吳平凡等[13]提出利用稻草秸稈為主要原材料制備可降解的浮床床體材料，稻草秸稈在高溫浸泡后進(jìn)行熱壓、冷卻，再采用疏水劑浸漬，所制作的秸稈床體材料無(wú)論防水性能還是物理機(jī)械性都能夠滿足要求。

1.3.3 水生植物篩選研究

水生植物篩選是生態(tài)浮床技術(shù)的核心。植物對(duì)污染物的去除具有選擇性，吸收能力也不盡相同，且單一的植物物種因生長(zhǎng)周期等原因也無(wú)法形成穩(wěn)定的生物群落。因此，水生植物的篩選和優(yōu)化配置就顯得尤為重要。李文芬等[14]選取美人蕉、蘆葦、水蔥、鳳眼蓮、水芹菜5種珠海當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)植物為研究對(duì)象，以構(gòu)建珠海珠武涌水體治理的浮床植物體系。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)水體中總氮、總磷、氨氮、COD的吸收能力較好的為美人蕉、鳳眼蓮和蘆葦。但鳳眼蓮繁殖太快，會(huì)影響生態(tài)浮床乃至區(qū)域水體的植物群落。雖然水蔥株高增長(zhǎng)最大，水蔥和水芹菜根系發(fā)育最好，但易生蟲害且老枝易枯黃。試驗(yàn)最終確定以美人蕉為主，蘆葦為輔，水蔥和水芹菜作為襯托來(lái)構(gòu)建河涌治理的生態(tài)浮床植物體系。美人蕉在北方地區(qū)難以越冬，吳黎明等[15]引種了冬季半綠植物黃菖蒲和四季常綠植物西伯利亞鳶尾，同時(shí)組合新型的人工水草，與美人蕉進(jìn)行水質(zhì)改善比較研究。其中黃菖蒲的氮、磷去除效果最好，其次為美人蕉、西伯利亞鳶尾和人工水草。因黃菖蒲和西伯利亞鳶尾耐寒能力強(qiáng)，可以越冬，可選擇作為城市水體生物浮床水質(zhì)改善的主要植物。蔣躍等[16]選取美人蕉、再力花和千屈菜3種當(dāng)?shù)爻Ｒ?jiàn)植物作為研究對(duì)象，以構(gòu)建上海淀山湖生態(tài)浮床工程。3種植物的生長(zhǎng)特性及氮、磷吸收的優(yōu)化配置研究結(jié)果表明，美人蕉和再力花的成活率高于千屈菜，且千屈菜出現(xiàn)了明顯的病蟲害。對(duì)氮、磷吸收能力最強(qiáng)的分別是再力花和美人蕉。不同面積混栽時(shí)，比單獨(dú)種植吸收的氮或磷要高，因此應(yīng)結(jié)合富營(yíng)養(yǎng)化水質(zhì)特征來(lái)優(yōu)化配置混栽比例。

1.3.4 生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

生態(tài)浮床技術(shù)因具有占地小、投資少、免/低維護(hù)、治理效果好、無(wú)生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)和二次污染風(fēng)險(xiǎn)、改善區(qū)域景觀環(huán)境等優(yōu)勢(shì)[17-19]，越來(lái)越多應(yīng)用于河流、湖泊、水庫(kù)的水質(zhì)改善工程。

生態(tài)浮床的雛形出現(xiàn)在公元3世紀(jì)我國(guó)南方地區(qū)，最早只是用于水稻種植，浮床的載體材料由植物根系和莖的聚集體或秸稈編織物構(gòu)成，中美洲(如墨西哥)和南亞(如緬甸)也有類似使用歷史。20世紀(jì)50年代，有研究人員將浮床作為鳥類棲息地和魚類產(chǎn)卵場(chǎng)，這也為之后研究動(dòng)植物生長(zhǎng)與水質(zhì)凈化的相互作用機(jī)理提供了思路。20世紀(jì)70年代，德國(guó)ESTMAN公司開(kāi)發(fā)了生態(tài)浮床的新用途，首次將該技術(shù)應(yīng)用于湖泊富營(yíng)養(yǎng)化治理，對(duì)水質(zhì)凈化起到了一定的效果。1995年第六屆世界湖泊大會(huì)在日本召開(kāi)后，該技術(shù)迅速得到推廣和應(yīng)用。日本在霞浦湖、土浦港、琵琶湖、八郎瀉、手賀沼、印幡沼等地構(gòu)建生態(tài)浮床總面積7萬(wàn)m2以上，應(yīng)用效果良好。在霞浦湖的隔離水域開(kāi)展的生態(tài)浮床示范工程結(jié)果表明，生態(tài)浮床水面覆蓋率為25%時(shí)，能夠削減94%的植物性浮游生物，總氮、總磷和COD去除效果明顯，同時(shí)也能通過(guò)植物根系富集吸收一定的重金屬物質(zhì)。此外，浮床的覆蓋對(duì)于藻類的生長(zhǎng)繁殖具有顯著的抑制作用。浮床覆蓋水面外的藻類生物量是覆蓋范圍內(nèi)藻類的10倍。

近年來(lái)，我國(guó)人工浮床技術(shù)的研究和應(yīng)用處于快速發(fā)展期，實(shí)施了無(wú)錫五里湖、杭州南應(yīng)加河及古心河、上海徐匯區(qū)金家塘、北京什剎海、南京太湖梅梁灣等多項(xiàng)湖泊、河道治理工程，均取得了不錯(cuò)的效果。

國(guó)內(nèi)外生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用工程實(shí)例，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用工程實(shí)例

2 生態(tài)浮床技術(shù)用于尾礦庫(kù)廢水處理的可行性分析

2.1 尾礦庫(kù)廢水的來(lái)源、特點(diǎn)

尾礦庫(kù)廢水是選礦廢水以尾礦漿的形式進(jìn)入尾礦庫(kù)后自然沉淀而產(chǎn)生的廢水，主要污染物包括pH、懸浮物、重金屬和COD。選礦廢水在廠前處理回用水量較少，大部分排至尾礦庫(kù)，因此尾礦庫(kù)廢水水量很大。選礦過(guò)程殘留的選礦藥劑如黃藥、起泡劑等是廢水中COD的主要貢獻(xiàn)來(lái)源[23-24]，在尾礦庫(kù)干灘和水面經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的水解、氧化和光解等作用一部分能夠轉(zhuǎn)化為其他物質(zhì)，一部分仍殘留于尾礦庫(kù)廢水中，具體表現(xiàn)為一定濃度的COD。此外，六偏磷酸鈉作為浮選工藝常用的抑制劑或分散劑，也會(huì)在廢水中以磷酸鹽形式殘留。選礦過(guò)程未完全利用的水玻璃、碳酸鈉等，在廢水中起到了分散劑的作用，使得尾礦細(xì)小顆粒與藥劑形成膠體粒子懸浮在水中難以沉降，表現(xiàn)為懸浮物濃度較高，但一般經(jīng)尾礦庫(kù)長(zhǎng)期自然沉淀后，濃度有所下降。原礦中的重金屬元素在選礦過(guò)程部分進(jìn)入精礦和殘留于尾礦，其余則以離子形式存在于尾礦庫(kù)廢水中。

2.2 可行性分析

為節(jié)約水資源，提高水循環(huán)利用率，絕大多數(shù)礦山企業(yè)將尾礦庫(kù)廢水(庫(kù)內(nèi)澄清水)泵回選廠循環(huán)使用，尾礦庫(kù)的溢流水則通過(guò)廢水處理站處理達(dá)標(biāo)后排放(未設(shè)排污口的企業(yè)除外)。庫(kù)內(nèi)澄清水仍含有選礦藥劑、懸浮物和重金屬，不經(jīng)處理直接回用于選礦工藝流程，易造成污染物累積且影響選礦指標(biāo)。對(duì)于執(zhí)行廢水特別排放限值的地區(qū)，還需對(duì)尾礦庫(kù)廢水中的懸浮物、COD和重金屬等污染物進(jìn)行深度處理。目前，將生態(tài)浮床技術(shù)用于尾礦庫(kù)廢水處理的研究工作和實(shí)際工程案例尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，若能采用生態(tài)浮床技術(shù)對(duì)尾礦庫(kù)廢水進(jìn)行原位處理，既可以滿足廢水回用于選礦的指標(biāo)要求，又能實(shí)現(xiàn)尾礦庫(kù)溢流水的達(dá)標(biāo)排放。

應(yīng)用生態(tài)浮床技術(shù)對(duì)去除重金屬離子也具有明顯的效果。張曉斌等[25]以生態(tài)浮床技術(shù)處理電鍍行業(yè)重金屬?gòu)U水，通過(guò)植物優(yōu)勢(shì)種篩選發(fā)現(xiàn)，鳳眼蓮和水芹對(duì)電鍍廢水中的鋅、銅、鉻的去除率均在80%以上。林海等[26]以負(fù)載挺水植物(蘆葦、菖蒲、空心蓮子草)、浮水植物(鳳眼蓮、菱)和沉水植物(狐尾藻、伊樂(lè)藻、黑藻、田字草)的立體式復(fù)合生態(tài)浮床對(duì)南方某河道的重金屬污染進(jìn)行治理，在5千米河道共布置200組生態(tài)浮床單元，根據(jù)水流特點(diǎn)按“S”型布置，經(jīng)工程驗(yàn)證處理效果良好，河道下游釩、鎘、鉻、鉛4種重金屬均達(dá)到地表水Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)。因此，借鑒已有研究成果和工程案例，根據(jù)尾礦庫(kù)廢水水質(zhì)特征，通過(guò)水生植物篩選和配置組合，在理論上可以達(dá)到同時(shí)去除重金屬、COD、懸浮物等污染物的目的。

尾礦庫(kù)廢水呈弱酸或弱堿性，而聚氯乙烯、聚苯乙烯等高分子材料作為生態(tài)浮床的載體，海綿、椰子纖維等作為浮床的基質(zhì)，均不會(huì)受到腐蝕影響。如采用活性炭或沸石等作為浮床載體，除耐酸堿外，還能吸附廢水中的重金屬和有機(jī)物，有利于生物掛膜和微生物附著，對(duì)微生物降解污染物起到促進(jìn)作用。因此，生態(tài)浮床的載體和基質(zhì)材料可選范圍廣，適用于尾礦庫(kù)廢水的酸堿水質(zhì)特征。

尾礦庫(kù)廢水積存于庫(kù)內(nèi)，所形成的水面受尾礦排放造成的沖擊影響較小，呈靜流或緩流狀態(tài)。生態(tài)浮床技術(shù)既適用于河流類的持續(xù)流動(dòng)水體[22]，也適用于湖泊類的靜態(tài)水體[27]。因此，尾礦庫(kù)的水流特征不是采用生態(tài)浮床技術(shù)的限制性因素。

尾礦庫(kù)廢水所形成的水面面積大，若采用生態(tài)浮床技術(shù)，浮床單元用量多，在安裝和運(yùn)行過(guò)程中需防止應(yīng)力斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。在施工工藝方面，可借鑒生態(tài)浮床在水庫(kù)治理領(lǐng)域的成熟經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)論與建議

生態(tài)浮床作為一種水體生態(tài)修復(fù)的“原位處理”技術(shù)，已成熟應(yīng)用于河流、湖泊、水庫(kù)等多項(xiàng)地表水體水質(zhì)改善工程，對(duì)氮、磷、懸浮物、COD、重金屬等污染物的去除效果顯著。生態(tài)浮床的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與組合、床體材料和基質(zhì)選擇、水生植物篩選等隨著研究的不斷深入，也成果頗豐。從有色礦山尾礦庫(kù)廢水特點(diǎn)、水生植物篩選、床體和基質(zhì)材料耐腐蝕性、廢水流態(tài)、施工工藝等方面進(jìn)行分析，將生態(tài)浮床技術(shù)應(yīng)用于尾礦庫(kù)廢水處理，原則上是可行的。同時(shí)，就未來(lái)實(shí)際應(yīng)用提出以下建議：

1)加強(qiáng)水生植物篩選和配置模式研究。篩選的水生植物要對(duì)尾礦庫(kù)廢水具有較強(qiáng)的適用性，既可以耐酸/堿，適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂驐l件，又能通過(guò)混栽配置同時(shí)去除懸浮物、COD、重金屬等多種污染物，形成長(zhǎng)期穩(wěn)定的生物群落，有效改善區(qū)域景觀環(huán)境。

2)加強(qiáng)生態(tài)浮床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與組合研究。尾礦庫(kù)廢水形成的水面大且深，生態(tài)浮床的水生植物根系對(duì)深層水域的污染物凈化能力有限，因此，應(yīng)在生態(tài)浮床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上加強(qiáng)創(chuàng)新，確保其高效運(yùn)行。

3)考慮水生植物的收割問(wèn)題和安全性。由于水生植物通過(guò)根系、莖、葉富集了水體中的重金屬，生物群落演替或季節(jié)變化導(dǎo)致植物枯死后應(yīng)及時(shí)收割進(jìn)行安全處置，以避免造成二次污染，同時(shí)防止對(duì)尾礦庫(kù)廢水溢流口的堵塞。另外，從食品安全角度考慮，不建議選擇進(jìn)入食物鏈的植物品種。

4)考慮尾礦庫(kù)廢水對(duì)水生植物的養(yǎng)分供應(yīng)問(wèn)題。尾礦庫(kù)廢水中氮、磷等可供植物吸收的營(yíng)養(yǎng)組分含量較低，應(yīng)采取保證水生植物成活率以及后期養(yǎng)護(hù)撫育等人工干預(yù)措施。