酸性尾矿废弃地生态修复技术进展
摘要酸性尾矿废弃地废石含有硫化物，在雨水的淋溶作用下会产出硫酸，加剧废弃地的酸化，增加企业环保成本，而生态修复工作就是从源头上控制废弃地的酸化。根据尾矿废弃地酸化机理，结合国内外最新研究进展，分析了生态修复技术现状;概述了隔离覆盖、改良剂改良、植物修复、微生物法等多种处理方法在实践中的适应性及优缺点，并分别介绍了隔离覆盖-植物修复技术、原位改良-植物修复技术在Ｒeden煤矿、永平铜矿的成功应用案例。针对酸性尾矿废弃地的特点，单一处理方法具有较大的局限性，需要采用联合工艺进行治理，隔离覆盖-植物修复技术、原位改良-植物修复技术因见效快、效果好、操作简单，势必成为将来研究的主要方向。
关键词酸性尾矿废弃地生态修复隔离覆盖原位改良
矿山开采过程会破坏矿区原有自然生态系统，使生态系统功能弱化甚至丧失，产生大量失去使用价值的矿业废弃地，主要有露天采矿场、废石堆场、尾矿库、塌陷区等，尤其是在雨水淋溶下会产生酸性废水的废弃地。酸性尾矿废弃地植物立地条件差，具有强酸性、高重金属、营养匮乏、物理结构不良等特征，其自然演替恢复周期长，若不进行人工干预恢复，势必危害周围生态环境，威胁人类健康，制约矿山企业的可持续发展。本文根据国内外尾矿废弃地修复的最新进展，概述了隔离覆盖、改良剂改良、植物修复、微生物治理等生态修复技术的适用性及优缺点，介绍了Ｒeden煤矿废弃地、永平铜矿排土场生态修复案例，以期为同类矿山的生态修复工作提供理论和实践依据。
1尾矿废弃地酸化机理
硫化物氧化导致尾矿废弃地酸化，硫广泛分布于自然界中，其亲和力较强，含硫的金属矿一般有黄铁矿(FeS2)、黄铜矿(CuFeS2)、闪锌矿(ZnS)、方铅矿(PbS)、毒砂(FeAsS)。采矿活动使硫化物暴露，与空气、雨水充分作用，在Fe3+和硫氧化菌催化作用下迅速氧化产酸。黄铁矿的氧化受氧气、水含量等化学因素控制，其纯化学氧化相对较慢，但随着pH值下降，嗜酸杆菌、钩端螺旋菌成为优势微生物群落，大大加快氧化速率;且低pH值条件下，Fe3+能迅速地促进硫化物的氧化。黄铁矿的氧化分为3个过程［1］:硫化物氧化过程为FeS2+7/2O2+H2O→Fe2++2SO2－4+2H+，Fe2+氧化过程为Fe2++1/4O2+H+→Fe3++1/2H2O，Fe3+促进氧化过程为FeS2+14Fe3++8H2O→15Fe2++2SO2－4+16H+。因此，抑制硫氧化菌、嗜酸杆菌等微生物的活性可以延缓硫化物的氧化;而控制水、空气与尾矿的接触可以有效地控制硫化物的氧化。
2酸性尾矿废弃地生态修复技术
2．1隔离覆盖
隔离覆盖技术是将泥煤、沸石、砾石等惰性材料覆盖于尾矿上，减少与水、空气接触，以减轻硫化物的氧化;同时，可以控制H+、重金属向表土层迁移。在PeterNason等研究中［2］，覆盖0．2m的污泥不能阻止氧气进入尾矿，硫化物氧化速率仅减缓约20%，且污泥引进的重金属停留在污泥和尾矿接触面;若先覆盖0．6m粉煤灰，再覆盖0．2m污泥，可以固定污泥中重金属，有效阻止氧气扩散，抑制硫化物氧化。
客土法是一种传统的土壤改良技术，对酸性尾矿废弃地的治理具有良好效果，主要是通过在酸性尾矿废弃地上覆盖净土，减少植物根系与H+和重金属的接触;其覆盖厚度由尾矿的基质成分、理化性质、恢复利用的方向确定，通常恢复为农业用地的覆盖厚度为50～100cm，恢复为林业用地的覆盖厚度为10～30cm。美国犹他州米德维尔矿渣场由铅尾渣与铜尾渣堆积而成，占地面积约2．8km2，采用挖掘回填的技术进行治理，对场地中污染区土壤进行挖掘移除，并在地表回填60cm厚的清洁土壤，而后进行植被恢复，取得较好的效果［3］。
2．2改良剂改良
酸性尾矿废弃地改良技术一般是添加碱性物料中和已经产生的酸，并抑制硫化物的进一步氧化产酸;通过添加肥料、有机质改善土壤物理结构，增加保水保肥能力;同时可以通过吸附、螯合、共沉淀作用固定重金属，降低土壤毒性，为植物的生长提高必要的营养元素。常用的改良材料有石灰石、生石灰、膨润土、沸石、粉煤灰、煤矸石、城市生活垃圾、猪粪、污泥、植物碎片等［4］。Ｒ．ZOＲNOZA等［4］使用大理石、猪粪、污泥等治理铅锌镉尾矿废弃地，改良剂用量分别为大理石55t/万m2、猪粪25kg/万m2、污泥20kg/万m2，5a后，植物的盖度、土壤生化性质优于对照组，可溶性Cd、Zn含量明显低于对照组。Ibra-himMohamed等［5］使用生物竹炭改良Cd污染酸性实验田，盆栽试验结果表明，添加生物竹炭可显著提高土壤的pH值，增加有机碳含量，降低电导率;土壤的Cd总量不变，可溶性Cd减少。
2．3植物修复技术
植物修复技术是20世纪90年代发展起来的一种经济高效、环境友好、新兴的重金属污染绿色修复技术。该技术是利用绿色植物来转移、容纳或转化污染物，使其对环境无害。通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，可以净化土壤中的污染物，达到净化环境的目的。近年来研究发现，植被建立可以有效防止尾矿废弃地酸化［1，6］。国内外报导了一批耐酸性较强的植物，如高羊茅、黑麦草、狗牙根、香根草等［7-9］。美国IKMHSS矿尾矿废弃地酸性强，pH值为2．5，重金属Pb、As、Zn含量超过2000mg/kg，JulianaGil-Loaiza等［8］采用植物修复技术治理该尾矿废弃地，在强酸性金属矿山尾矿山建立一套植被系统。通过添加20wt%的堆肥，并混种高羊茅、紫杉、水牛草等种子，41个月后，植被盖度由于21%上升到61%，接近未开采地区的植被盖度，pH值上升到7．5。Chen等［9］的研究表明，紫花苜蓿在含10%酸性尾矿的半干旱土壤中可以生长良好，并且可以有效地将尾矿中的Cu和As固定在根部。
2．4微生物处理技术
微生物处理技术是利用铁还原细菌(FＲB)和硫还原细菌(SＲB)通过反硝化、甲烷生成作用、硫还原作用以及铁、锰还原作用消耗弱碱性物质产生强碱，进一步中和酸;或利用硫酸盐还原菌将SO2－4还原成H2S，与重金属形成硫化沉淀。该技术多用于治理酸性矿山废水，与化学法相比，微生物处理技术比较难预测和控制，长期性、稳定性不确定。因此，要将该技术实施于酸性矿业废弃地的治理，还需要进一步的探索。PatrickS．Michael等人［10］在酸性硫酸盐土中加入干芦苇叶，土与芦苇叶的质量比为80∶1，通过好氧菌消耗氧气分解有机质(干芦苇叶)，使土壤处理弱氧化状态或无氧状态，有利于硫酸盐还原菌的生长，不断地产生碱性物质，6个月后，土壤的pH值由4上升至8。各种治理技术优缺点见表1。
综上所述，单一的治理方法都具有一定的局限性，当尾矿废弃地pH值过低、重金属浓度高、环境极端恶劣不适于植物生长时，应采取物理、化学以及生物联合技术对酸性尾矿废弃地进行生态修复。
3生态修复工业应用案例
3．1Ｒeden煤矿废弃地生态修复
Ｒeden煤矿位于德国萨尔州，于1996年停止开采，其尾矿废弃地面积为800m×900m(矩形)，包含了1．5×107m3废石。其尾矿废弃地时常发生自燃，并产热产酸，表面保水能力差，不适宜植物的生长。针对这一情况，柏林工业大学、伦敦帝国理工学院、WardellArmstrong公司联合开发了一种植被恢复技术，通过往尾矿废弃地上覆盖一层人造土，并种植植物，以实现尾矿废弃地生态修复。人造土的生产方案为将污水厂污泥、废纸张、木屑、建筑垃圾破碎后，按照一定的比例混合，通过好氧微生物作用40～60d而成。各种物料的用量见表2。
试验场地平整后，将人造土覆盖于试验场地上，覆盖厚度为30cm，其厚度可达到林业用地的覆土标准，并修整好排水系统。往人造土上撒播一定量的草种，其种类与比例见表3。
种植植物后，使用蒸渗计收集渗滤液，并检测其参数。结果表明，渗滤液的电导率不断下降，pH值逐渐上升，重金属含量始终在水质标准阈值内，硝酸盐初始浓度为1000～1500mg/L，而后迅速下降。复垦13a后，试验场地均被植物覆盖;其中荨麻、翼蓟覆盖面积为70%，八仙草、鸭茅、无芒雀麦、欧芹、燕雀麦、黄莺、蔷薇、黑莓覆盖面积为30%，未发现初始种植的白三叶、猫尾草、紫羊茅等植物，表明试验场地成功实现了生态系统自然演替。Ｒeden煤矿废弃地生态修复情况见图1。
Ｒeden煤矿采用隔离覆盖-植物修复技术治理其废弃地，取得较好效果，可操作性强。覆盖材料为人造土，主要成分为污水污泥、废纸张、木屑、建筑垃圾等废弃物，该方法实现固体废弃物综合利用，达到了“以废治废”的目的，其环境效益、经济效益、社会效益显著。通过覆盖人造土可以改善现有土壤条件，改进土壤物理结构，增加植物生物量，增加植物的盖度。
3．2永平铜矿排土场生态修复
永平铜矿地处江西省上饶市铅山县，海拔为185．5～273．3m，其尾矿废弃地生态修复项目位于矿区南部排土场，该排土场停用约13a，边坡坡度为(11)～(11．25)，治理前有稀疏的植物生长。该排土场废石呈强酸性，Cu、Pb、Zn含量较高，营养元素匮乏，若不经改良，无法满足植物的生长需要。针对这一特点，中国瑞林公司引进中山大学原位改良-植物修复技术进行治理，添加石灰、改良剂及微生物菌种等，其主要工艺流程见图2。
该工程于2013年11月开工，2014年3月竣工，复垦1．5a后整个实施区域已被绿色覆盖，植被盖度达90%以上，实现生态系统的自然演替，达到控制重金属等污染物迁移的目的，原位改良-植物修复技术在永平铜矿排土场取得成功应用(图3)。该技术是改良剂改良与植物修复技术的联合方法，针对硫化排土场土壤治理具有独特优势，不需要客土，通过化学中和，添加有机质提高土壤活性，增加土壤肥力，使土壤达到适宜植物生长要求，然后种植耐性植物进行生态修复，成本低，可操作性强。
4结语
矿山企业要确保可持续发展，就必须高度重视尾矿废弃地的复垦工作，开采的同时逐步治理尾矿废弃地。隔离覆盖、改良剂改良、植物修复等是目前应用较广泛的技术，针对酸性尾矿废弃地的特点，单一的方法具有较大的局限性，势必要采用联合方法。Ｒeden煤矿废弃地、永平铜矿排土场生态修复的成功案例表明，隔离覆盖-植物修复技术、原位改良-植物修复技术见效快、效果好，能较好地适用于酸性尾矿废弃地的治理，因此，联合技术是将来研究的主要方向。寻找合适的覆盖材料、改良材料，如建筑垃圾、污泥、碱性物料等，实现以废治废，是今后研究的热点。
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