某有色金屬尾礦及其污染土壤的原位風險管控處置

周 曼，熊 邦， 李雯婕，陳杭洲

(1.清華蘇州環(huán)境創(chuàng)新研究院，江蘇 蘇州 215163；2.上海紡織建筑設計研究院有限公司，上海 200060)

1 引言

我國有色金屬資源豐富，金屬礦采選業(yè)發(fā)展歷史悠久，產(chǎn)生的尾礦大量堆積，不僅占用了土地，并造成了滑坡、泥石流等安全問題。近年來，隨著我國土壤污染調(diào)查與評估工作的逐步開展，尾礦產(chǎn)生的環(huán)境污染問題也逐漸暴露，相關研究顯示礦區(qū)生產(chǎn)與土壤污染的關系密不可分，潛在生態(tài)風險不容忽視[1，2]。

現(xiàn)行尾礦處置與資源化利用主要包括尾礦充填采空區(qū)、制備建筑材料、有價金屬提取等[3～5]，但受限于地域條件、技術(shù)、經(jīng)濟等因素，大量的尾礦仍無法被消納，特別是有色金屬尾礦毒性大、資源化難度高。有色金屬尾礦中主要含有銅、鉛、砷、鎘等元素，污染范圍主要以堆場為中心通過地表徑流和滲濾液向下游及周邊擴散污染下游水體和土壤，在土壤中的含量和形態(tài)分布特征受其廢棄物堆場中釋放率的影響，且隨距離的加大重金屬的含量逐漸降低。環(huán)境風險管控措施廣泛應用于土壤污染防治中[6，7]，但目前對于歷史遺留尾礦的風險管控研究較少。

為貫徹落實“預防為主、防治結(jié)合”的方針政策，切實加強工業(yè)廢物處理處置，實現(xiàn)土壤污染治理目標，本文提出采取“源頭控制”的方式對尾礦堆及其污染土壤進行原位阻隔，通過隔離、封存等物理方法減少降雨或其它地表徑流下滲總量，從而降低污染物向外遷移擴散。

2 項目概況

2.1 尾礦與土壤污染

遺留尾礦露天堆放于河邊，周邊大多為林地和農(nóng)田。尾礦總量約為50000 t，與河流高差約為5 m的陡坎(坡度近90°)，穩(wěn)定性差，存在滑坡的風險。按照《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標準》(GB 18599-2001)進行尾礦屬性鑒別，浸出毒性檢測結(jié)果顯示，尾礦屬于一般工業(yè)固廢Ⅱ類。

尾礦堆場土壤污染因子主要是重金屬砷、鉛和鋅。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查和風險評價，確定需開展風險防控的尾礦與污染土壤方量為85260 m3，深度為16.5 m。

2.2 工程地質(zhì)情況

經(jīng)過工程勘察，場地在所揭露的20.0 m范圍內(nèi)土層分布情況如下。

(1)第①層灰黃～灰色礦渣，層厚2.5～3.5 m，為尾礦堆體，含碎石，較松散，滲透性較好；

(2)第②層灰黃色雜填土，層厚0.8～2.0 m，以砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土為主，夾粉砂及少量卵礫石，土質(zhì)不均，滲透性較好；

(3)第③層磚紅色圓礫或角礫夾黏性土，層厚3.3～6.3 m，以圓礫或角礫為主，局部以粉質(zhì)黏土為主，夾粉性土，土質(zhì)不均，滲透性好；

(4)第④層磚紅色含礫粉質(zhì)黏土，層厚1.2～4.2 m，以粉質(zhì)黏土為主，夾砂礫石，土質(zhì)不均，滲透性一般；

(5)第⑤層磚紅色圓礫或角礫夾黏性土，層厚2.5～6.5 m，以圓礫或角礫為主，夾粉質(zhì)黏土和礫砂，土質(zhì)不均，滲透性好；

(6)第⑥層強風化泥巖，層厚1.0～1.6 m，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，主要由黏土礦物組成，巖芯破碎，呈碎塊，滲透性較好；

(7)第⑦層中風化泥巖，層厚1.0～1.6 m，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層狀，主要由黏土礦物組成，巖芯呈柱狀，完整性較好，滲透性低，該層至20.0 m未鉆穿。

3 技術(shù)路線

因當?shù)夭痪邆湮驳V集中處置和資源化條件，本項目擬采用原位封閉阻隔技術(shù)對尾礦堆及其覆蓋之下的污染土壤進行環(huán)境污染風險管控，將堆場穩(wěn)定性支護和防洪護坡綜合起來考慮，形成重金屬污染源頭削減與生態(tài)恢復協(xié)調(diào)控制效果。技術(shù)路線見圖1。

4 原位封閉阻隔方案

4.1 阻隔屏障選擇

4.1.1 工藝選取

近年來，發(fā)展和應用的阻隔屏障技術(shù)主要包括水泥土攪拌樁連續(xù)墻、鋼板樁墻、高壓旋噴樁墻、泥漿阻水墻和柔性膜隔水屏障等。選擇隔離技術(shù)時應該充分考慮其適用條件、成熟程度、施工周期及成本等。

圖1 尾礦堆場原位封閉阻隔技術(shù)路線

根據(jù)場地實際情況，本項目采用四周設置高壓旋噴垂直隔離屏障，由于場地以下分布有卵石層和含礫粉質(zhì)粘土層等密實的土層，動力觸探值在30～50擊之間，因傳統(tǒng)的高壓旋噴工法在此地質(zhì)條件下難以保證成樁質(zhì)量，本次隔離屏障采用水泥土咬合樁隔離墻。

4.1.2 邊界確定

該尾礦堆呈長條形，三面鄰水一面靠山。根據(jù)調(diào)查測繪成果，首先對自然尾礦渣邊坡進行修坡處理，沿坡腳線設置垂直向隔離屏障，靠山一側(cè)根據(jù)礦渣邊界線確定。采用素混凝土全套管咬合樁用于四周垂直隔離屏障的實施，隔離屏障厚度設計為1.0 m，相鄰樁搭接0.2 m，以形成封閉的閉水隔污屏障。

4.1.3 深度確定

土壤樣品檢測結(jié)果顯示，大部分檢測孔第⑤層圓礫或角礫夾黏土層污染物濃度超標，說明污染物遷移已突破隔離效果較好的第④層含礫粉質(zhì)粘土層，進入到滲透性較好的第⑤層土中?？紤]到第⑤層以下的強、中風化泥巖為相對不透水層，因此垂直隔離屏障隔斷第⑤層土，到達基巖面頂部。

尾礦堆隔離封閉平面布置圖見圖2，垂直剖面圖見圖3。

4.2 臨空面支護隔離

尾礦堆結(jié)構(gòu)較松散、存在水土流失、滑坡的安全隱患，需采取有效的安全防護措施，并結(jié)合鄰河岸坡做生態(tài)護岸。生態(tài)護岸材料首先要保證其機構(gòu)的安全、穩(wěn)定和耐久性等相關要求，同時能較好地為生態(tài)河道生境的連續(xù)性提供基礎條件。目前常用的護岸類型有土坡護坡、石材護岸及人工材料護岸等幾種形式，考慮到豐水季河水上漲，可能對堆場造成沖刷，鄰河面支檔結(jié)構(gòu)需要兼具擋水墻和護坡功能，同時為滿足綠化和美觀的要求，決定采用生態(tài)混凝土砌塊的防護方案。

圖2 隔離封閉平面布置

圖3 垂直隔離封閉剖面

生態(tài)混凝土砌塊擋墻采用環(huán)保、美觀的舒布洛克磚進行砌筑，墻厚加設土工格柵加筋，并確保土工格柵與擋墻連接牢固，擋墻基礎設置0.5 m寬混凝土條形基礎，基礎埋深為地面以下0.5 m。生態(tài)混凝土砌塊擋墻鄰土側(cè)設置反慮結(jié)構(gòu)，反慮結(jié)構(gòu)不應影響植被生長。擋墻示意圖見圖4所示。

圖4 鄰河擋墻剖面示意

4.3 水平覆蓋系統(tǒng)設計

場地的污染物為重金屬，不具有揮發(fā)性，結(jié)合場地后期使用情況，表面采用防滲膜覆蓋+黏土覆蓋+種植植物措施。

4.3.1 防滲面層的選擇

尾礦堆上防滲層參照《一般工業(yè)固體廢物貯存、處置場污染控制標準》(GB18599-2001)設計，本項目采用土工布及防滲膜的復合防滲層，滲透系數(shù)小于1.0×10-10cm/s。初步設計鋪設三層，第一層為土工布，防止尖銳尾礦刺穿防滲膜；第二層為HPDE土工膜，防止雨水滲透進入尾礦里；第三層為土工布，確保其上鋪設黏土的穩(wěn)定性。

4.3.2 黏土層

植被層由營養(yǎng)植被層和覆蓋支持土層組成。上部營養(yǎng)植被層的土質(zhì)材料應利于植被生長，厚度為50 cm，營養(yǎng)植被層應壓實。下部覆蓋支持土層由壓實土層構(gòu)成，滲透系數(shù)大于1×10-4cm/s，厚度為100 cm(圖5)。

圖5 覆蓋層示意

4.3.3 綠化植物選擇

根據(jù)對周邊的綠化常用的本土植物進行調(diào)查，封場初期用常綠灌木，植株規(guī)格為冠幅25～35 cm，土球Ф20 cm，灌木2000 m2。

5 環(huán)境監(jiān)測

原位阻隔工程監(jiān)測工作是控制施工質(zhì)量、檢驗隔離封閉效果非常重要而有效的措施。過程監(jiān)測與長期監(jiān)測計劃，具體如下。

(1) 施工期間應充分考慮施工揚塵問題，每月對大氣進行一次監(jiān)測。同時，進行確定種植土最優(yōu)含水量和壓實效果、土工布和HPDE土工膜的性能、高壓旋噴樁和擋墻等質(zhì)量監(jiān)測和變形監(jiān)測，保障施工質(zhì)量。

(2) 對尾礦的出水統(tǒng)一收集至廢水池，每季度監(jiān)測一次廢水中重金屬含量。

另外，在阻隔墻內(nèi)外建立長期監(jiān)測井，對地下水水質(zhì)和水位進行長期監(jiān)測，充分掌握尾礦對地下水的影響。