硫化銅礦酸性廢水底泥再利用試驗研究

1 引言

當(dāng)前，硫化銅礦酸性水處理過程中產(chǎn)生大量底泥，德興銅礦酸性水處理的底泥年產(chǎn)生量約60萬t（干渣），其中采區(qū)酸性水處理產(chǎn)生的底泥約30萬t。通過檢測分析，底泥屬于Ⅰ類工業(yè)固體廢物, 根據(jù)《尾礦庫安全技術(shù)規(guī)程》（AQ2006-2005），底泥不能排放存入尾礦庫，避免影響尾礦庫的安全運行，大量底泥未經(jīng)處理堆存占用寶貴的礦山空間，未實現(xiàn)固體廢棄物循環(huán)利用，影響礦山綠色發(fā)展。國家對礦山土地復(fù)墾工作高度重視，為確保礦山環(huán)保綠色發(fā)展的需要，礦山加大土地復(fù)墾工作力度,不斷提高礦區(qū)土地利用的社會效益、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益，在礦山土地復(fù)墾過程中通常需要大量客土，復(fù)墾成本高且大量取土造成環(huán)境破壞。為深入推進綠色礦山建設(shè)工作，抓好環(huán)境保護、生態(tài)治理等工作，建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型企業(yè)，打造“綠色發(fā)展樣板”，全面打造綠色礦山，鍛造綠色競爭力，提升發(fā)展境界，全面建成世界一流銅礦山。因此，如何實現(xiàn)底泥的循環(huán)再利用已經(jīng)成為硫化銅礦綠色生產(chǎn)過程中迫切需要解決的問題，通過對底泥的修復(fù)實現(xiàn)底泥循環(huán)再利用于礦山生態(tài)復(fù)墾具有現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。

植物修復(fù)技術(shù)的開發(fā)一直是礦山生態(tài)修復(fù)研究的重點。例如，法國新喀里多尼亞鎳礦山修復(fù)中，在水播法中撒播的是一種叢枝菌根真菌孢子包裹的種子，該種子用15 g /L 的藻酸鹽作包衣劑，用微孔膜( Milliporemembranes) 覆蓋。該技術(shù)的關(guān)鍵是控制水的pH 值，這是因為水的pH 值對包衣質(zhì)量和發(fā)芽影響最大［1］。再例如，美國密歇根湖區(qū)銅礦跡地的濕地恢復(fù)中，采用土工合成材料( Geotextile materials) 、泥炭( Peat) 和當(dāng)?shù)毓嗖菹嘟Y(jié)合的綜合生態(tài)修復(fù)技術(shù)［2］。來自澳大利亞的研究人員主張建立種子生產(chǎn)基地、專業(yè)種子園等來培育種子，因為野生種子數(shù)量難以滿足需求，他們認為建立專門基地、園地有很多優(yōu)點，如保持多樣性、血統(tǒng)、防止種子污染外物入侵、提高種子質(zhì)量等，還可以作為氣候變化監(jiān)測場所等［3］。在澳大利亞露天礦場植被重建中，研究人員考慮到植被生命周期的播種、幼苗和成熟等三個階段土壤和植被的相互作用，提出了全局植被重建技術(shù)，包括植物物種優(yōu)選、土壤基底重構(gòu)、表土覆蓋、播種和維護管理等環(huán)節(jié)［4］。阿根廷的研究人員提出了干旱礦區(qū)植被重建關(guān)鍵技術(shù)，包括物種選擇、胚質(zhì)生產(chǎn)、幼苗種植、苗木生產(chǎn)、土壤和基底重構(gòu)、群落構(gòu)建以及植被維護等［5］。土壤修復(fù)往往是針對退化土壤的某種性狀缺陷而開展的。例如，在加拿大闊葉林生態(tài)修復(fù)過程中，研究人員發(fā)現(xiàn)人工擾動后土壤酸性太強，因而采用添加石灰來中和土壤酸性。然而石灰的添加會影響到土壤微生物功能，尤其是影響到異養(yǎng)的和無機化能營養(yǎng)的硝化細菌的活性和潛在硝化活動，因此研究人員認為石灰添加量和修復(fù)時機十分重要［6］。再例如，加拿大的礦山生態(tài)修復(fù)研究人員為了減少鋅的污染，提出了專門的土壤修復(fù)方法，包括施加魚粉生物炭、鈣基膨潤土和覆蓋木纖維等［7］。另外，加拿大研究人員還開發(fā)了一種加速泥炭轉(zhuǎn)化為土壤有機質(zhì)的方法［8］； 澳大利亞采礦場地土壤修復(fù)中特別強調(diào)土壤種子庫的保護和建設(shè)，研究人員認為土壤種子庫是重建生態(tài)系統(tǒng)抵抗干旱擾動的關(guān)鍵［9］。土壤的微生物修復(fù)技術(shù)也是研究的重點。例如，在英國重金屬污染土壤的修復(fù)過程中，采用了生物炭和蚯蚓培育技術(shù)［10］；在南澳大利亞州干旱砂礦的土壤修復(fù)中，提出了構(gòu)建微生物生態(tài)銀行技術(shù)，這種技術(shù)能以最大限度恢復(fù)表土質(zhì)量促進采礦場地重建，通過培育藍菌( Cyanobacteria) 以促進生態(tài)結(jié)皮生長、表土穩(wěn)定化［11］。

2 酸性廢水底泥成分檢測與分析

現(xiàn)行工藝所產(chǎn)生的底流泥（HDS）其主要成分是硫酸鈣、氫氧化鐵等，銅、鉛、鋅等金屬含量均低于一級標(biāo)準(zhǔn)（GB8978-1996），危害成份項目經(jīng)過檢測均低于國家一級標(biāo)準(zhǔn)（GB8978-1996），屬于Ⅰ類工業(yè)固體廢物，根據(jù)有關(guān)法律、法規(guī)、政策文件以及技術(shù)規(guī)范等，可以運用于礦山復(fù)墾，不會產(chǎn)生二次污染。通過科學(xué)取樣全面檢測分析底泥中微生物指標(biāo)、常規(guī)指標(biāo)、常量養(yǎng)分、有機物指標(biāo)，重點分析底泥結(jié)晶水分、pH值、有機質(zhì)、重金屬元素及其它硫化物。為后期底泥營養(yǎng)修復(fù)提供理論依據(jù)，提高底泥的利用率。根據(jù)底泥成分檢測報告見（表1），底泥為弱酸性，底泥含有的各種植物生長所需的微生物指標(biāo)、常量養(yǎng)分、有機物指標(biāo)極低，且結(jié)晶水分含量高，底泥板結(jié)嚴(yán)重，根本無法滿足植物生長需要，必須通過實施人工增肥修復(fù)與正向人工干擾技術(shù)才能實現(xiàn)以廢治廢，生態(tài)復(fù)墾的目標(biāo)。

表1 底泥成分檢測報告

3 循環(huán)再利用研究及研究成果

根據(jù)底泥成分檢測結(jié)果報告分析，結(jié)合植物生長所需基本養(yǎng)分要求，以及當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境特點，通過實驗研究，提供一種硫化銅礦酸性廢水底泥增肥修復(fù)治理用調(diào)理劑。施用在底泥中，通過與水的相互作用，迅速形成轉(zhuǎn)化機能，調(diào)節(jié)底泥的pH值至中性范圍，補充不足的微量元素，產(chǎn)生大量有益的生物菌群，改善底泥理化結(jié)構(gòu)，恢復(fù)生態(tài)平衡。增肥后適合生物生長，從而實現(xiàn)替代土壤作為植生基質(zhì)應(yīng)用于礦山復(fù)墾，達到廢物循環(huán)利用，避免二次污染，節(jié)約大量礦山生態(tài)復(fù)墾資金的最終目的。

根據(jù)底泥成分檢測與分析結(jié)果，以人工增肥為目標(biāo)輔以目前世界上應(yīng)用范圍最廣的生物工程技術(shù)EM技術(shù)開展底泥增肥修復(fù)調(diào)理劑試驗研究。以底泥為培養(yǎng)EM生物菌劑基質(zhì)材料，利用各種EM生物菌劑試驗篩選適合底泥情況下繁殖衍生的生物菌種。主要是三類菌群：（1）光合菌群(好氧型和厭氧型)，如光合細菌和藍藻類；（2）乳酸菌群(厭氧型)。以嗜酸乳桿菌為主導(dǎo)；（3）酵母菌群(兼性厭氧型)。觀察、分析在底泥環(huán)境下各種生物菌類的活性，篩選出適應(yīng)底泥環(huán)境的EM菌劑?？紤]改善底泥理化性質(zhì)、提高生物活性、增強肥力等因素，試驗得出調(diào)理劑組分及配比，通過“一種硫化銅礦酸性廢水底泥修復(fù)治理用調(diào)理劑”增加底泥K、Na、Ca、Mg、Cu、Mo等微量元素和稀土元素含量；增加和更新底泥有機質(zhì)，一定程度上凈化底泥，提高通氣性，持水性，有利于微生物活動，促進微生物繁殖，改善底泥理化性質(zhì)，提高生物活性；能給植物補鈣，強健植物體質(zhì)，為植物生長提供全面營養(yǎng)，提高作物品質(zhì)，滿足植物惡劣環(huán)境生長需要，而且肥效長；還可以刺激作物根系生長和發(fā)育，使根的長度增加、條數(shù)增多，在干旱條件下保持較好長勢。

開展底泥堆土種植多種植物成活率先期小型實驗，篩選優(yōu)生植物。利用底泥，堆成土方塊或小土堆，根據(jù)植物種類需要，配以10%、20%不等的黃土，分別以扦插和移栽的方式，種植多種植物，觀察成活率。栽種的掃把草、石蒜、皇竹草、蘆竹、黃花、玉米草等植物長勢良好，成活率達到90%以上，見表2。

表2 底泥堆土種植植物成活率

先鋒植物栽種試驗：在試驗場地分期種植玉米草、黑麥草先鋒植物以改善底泥理化性質(zhì)，2017年7月下旬播撒玉米草種子，開展栽種玉米草試驗。2017年8月中旬種植在無調(diào)理劑和有調(diào)理劑試驗區(qū)玉米草生長情況比對，2017年11月播撒黑麥草種子，開展栽種黑麥草試驗，生長情況見圖1，圖2及表3。

底泥理化結(jié)構(gòu)改變對比見圖4，圖5。

表3 黑麥草和玉米草生長參數(shù)

圖2 有調(diào)理劑區(qū)域玉米草生長情況圖

圖3 黑麥草生長情況圖

圖4 原始底泥板結(jié)

圖5 改善后底泥

4 結(jié)論

硫化銅礦酸性廢水底泥通過運用底泥增肥修復(fù)調(diào)理劑有效改善底泥理化性質(zhì)、提高生物活性、增強肥力，從而實現(xiàn)底泥增肥修復(fù)并達到固體廢棄物循環(huán)再利用的目的，同時篩選出的草、灌、喬植物也能適應(yīng)底泥生長環(huán)境。利用增肥修復(fù)的底泥替代土壤作為植生基質(zhì)進行生態(tài)復(fù)墾的實施，將促進硫化銅礦礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)利用，對保護土地資源、發(fā)展銅礦生產(chǎn)、山區(qū)水土保持和改善礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境具有重要意義和作用。