CN107363083A - 一种五层覆盖强还原原位成矿修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种五层覆盖强还原原位成矿修复方法，属于矿山环境生态修复技术领域。该方法涉及自上至下的五层结构具体为：无污染客土层、粘土密封层、生物质还原密封层、主反应层和原始尾矿层；该方法在主反应层以生物质中的有机物为还原剂，依靠厌氧菌的作用将高氧化态的砷还原成低氧化态或还原态的砷，将高氧化态的硫还原成还原态的硫，重新形成雄黄、雌黄等矿物，同时较多的铁被还原形成黄铁矿、砷黄铁矿、磁黄铁矿等低溶解度的矿物，而Pb2+、Zn2+、Cu2+、Hg2+、Cd2+和Sb3+等重金属，则形成方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、辰砂、硫镉矿、辉锑矿等溶解度极低的硫化物矿物；从而实现矿山重金属污染原位成矿修复。
Description
技术领域
本发明涉及矿山环境生态修复技术领域，特别是指一种五层覆盖强还原原位成矿修复方法。
背景技术
目前的工业体系实际上是一个开采资源和排放废物的过程。采矿活动是向环境排放废弃物的主要来源，其固废排放量占工业废物排放量的80％～85％。我国共有大中型矿山9000多座，26万小型矿山，因采矿侵占土地面积已接近40,000km2，由此而废弃土地面积达330km2/a。矿山开采过程中，露天采矿场、排土场、尾矿场、塌陷区以及受重金属污染而失去经济利用价值的土地称为矿山废弃地。煤矿的矸石山、电厂粉煤灰、金属矿山尾矿等矿山固体废弃物是矿区的一大公害，侵占了大量土地并造成环境污染。
以尾矿库为例，由于尾矿砂的松散特性，遇降水极易产生水土流失，易溶于水的重金属随着水流污染附近土壤、河流和地下水；在风蚀严重区域，易产生尾矿砂扬尘，甚至“尾矿沙尘暴”发生频度也很高。不但影响自然景观、造成环境污染，而且还会诱发山体滑坡，造成水土流失等地质灾害。因此，如何恢复和重建已退化的矿山生态系统已成为世界各国普遍关注的课题。矿山生态恢复是以生态环境恢复为核心，研究如何根据实际情况，因地制宜、因矿施治，落实矿山生态环境恢复工作，从而取得生态、经济、社会的最佳综合效益。通过生态恢复可促使废弃矿山的生态和经济价值再生。
目前，尾矿库的修复方法有：(1)植物修复；(2)充填法；(3)物理-化学-生物法。(1)植物修复法：植物残体所富集的重金属的后续处理是仍旧需要解决的问题，根本意义上并没有从根源上解决重金属的污染问题，只降低了矿山粉尘污染的风险和减少了重金属污染地下水和河流的概率；(2)充填法：需要将尾矿库中的尾砂返回到矿井进行充填，用量有限，成本较高；(3)物理-化学-生物法：主要包括：固化-稳定化、淋洗、化学氧化-还原、土壤电动力学修复，目标是污染场地土壤的原位修复技术。现如今成熟的技术报道仍较少。
发明内容
本发明提供一种五层覆盖强还原原位成矿修复方法，以解决尾矿库水土流失和扬尘带来的环境污染、现有尾矿库修复技术中存在的二次环境污染以及现有尾矿库修复技术中不能持续深度修复尾矿库重金属污染等问题。
五层覆盖强还原原位成矿技术属于物理-化学-生物-植物联合修复技术，从根本上解决了矿山的扬尘所造成的大气和土壤污染及水土流失和高重金属含量的下渗水对河流和地下水的污染问题，并且随着修复时间的推移，主反应层不断下移，持续深度修复尾矿库重金属污染。
该方法涉及五层结构，五层结构自上至下具体为：无污染客土层、粘土密封层、生物质还原密封层、主反应层和原始尾矿层，其中，主反应层以重量百分比计，包括工业碱性粉末0.1％～5％、工业副产石膏0.1％～5％、植物残渣0.1％～1％、禽畜粪便0.1％～5％、尾矿85％～99％，且主反应层厚度为20～60cm；
该方法包括如下步骤：
S1：将主反应层除尾矿外原料混合均匀后均匀覆盖于待修复尾矿库表层，翻耕直至与尾矿混合均匀，形成主反应层，主反应层下即为原始尾矿层；
S2：将生物质还原密封层原料混合均匀后均匀覆盖于主反应层之上，形成生物质还原密封层；
S3：将粘土类矿物均匀覆盖于生物质还原密封层之上，形成粘土密封层；
S4：将无污染客土均匀覆盖于粘土密封层之上，形成无污染客土层；
S5：在无污染客土层中种植植被。
其中，无污染客土达到《中华人民共和国国家标准土壤环境质量标准(GB15618-1995)》中所规定的三类标准，无污染客土层厚度为20～60cm。
S3中粘土类矿物为高岭土、石脂、蒙脱石、蛭石、伊来石、水铝英石中的一种或多种，粘土密封层厚度为1～15cm。
生物质还原密封层以重量百分比计成分为：植物残渣5％～50％、禽畜粪便50％～95％，生物质还原密封层厚度为1～15cm。
主反应层中的工业碱性粉末，包括钢渣、石灰粉、水泥、电石渣、赤泥、白泥、碱渣、盐泥、镁渣、粉煤灰、高炉渣中的一种或多种。
主反应层中的工业副产石膏，包括脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、柠檬石膏、废陶模石膏中的一种或多种。
主反应层中的植物残渣，包括秸秆、蔗渣、木质素中的一种或多种。
该方法的技术原理如下：
最下面一层为原始尾矿层。这一层与主反应层无明显边界，其上界面随着生态恢复后时间的延长，会不断下移。
主反应层是低溶解度含砷硫化物矿物及重金属硫化物矿物生成反应的主层位，其下界面随着生态修复时间的延长会不断下移，主反应层不断变厚。这一层中将采用大量的生物质如农作物秸秆碎屑或牲畜粪便等有机物及少量碱性粉末如钢渣粉或石灰粉等与大量尾矿库表层尾矿混合，并加入少量工业副产石膏粉作为提供硫酸根的物质来源。在基本没有外来氧气补给的条件下，厌氧微生物将不断将有机质分解并促进该层内的残留氧气与有机质反应：
所生产的CO2或缓慢溢出地表，或与层内的Ca(OH)2结合：
CO2+Ca(OH)2→CaCO3↓+H2O
随着该层内孔隙中气态氧以及孔隙水中溶解氧含量的不断下降，硫酸盐还原菌将促进如下反应不断进行：
砷酸盐还原菌将促进如下反应发生：
As3+还可以被进一步还原成各种更低价态，并与还原态硫和还原态铁形成砷黄铁矿(FeAsS)、毒砂(FeAsS)、雌黄(As2S3)、雄黄(As2S2)等极溶解度的硫砷化合物。而Pb2+、Zn2+、Cu2+、Cd2+、Hg2+、Sb3+等重金属污染物则形成方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、硫镉矿、辰砂、辉锑矿等溶解度极低的硫化物矿物。
生物质还原密封层是由生物质如农作物秸秆碎屑和牲畜粪便铺成的纯有机质层，在厌氧菌的作用下能够消耗由大气降水带入的大部分溶解氧，并对大气中的气态氧起到密封隔离的作用，以保证主反应层的还原作用有效进行，并防止已经形成的砷黄铁矿、毒砂、雌黄、雄黄、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、硫镉矿、辰砂等矿物再次被氧化。
粘土密封层主要防止大气中的气态氧及含饱和溶解氧的水大量渗入生物质还原密封层，减少有机质的消耗。同时也能防止下部残留在溶液中的少量砷和重金属等污染物向上迁移至未污染的覆盖土层。
无污染客土层是覆盖的未污染的新土层或土壤层又称客土。其设计厚度为20-60cm，保证一般草本植物的根系下伸所需厚度。特殊情况下，如果植物的根系穿透粘土密封层、生物质还原密封层到达主反应层，由于主反应层中的砷已被转化为溶解度极低的硫砷化合物，Pb2+，Zn2+，Cu2+，Hg2+等重金属，以及Cd2+，Sb3+等稀散金属等污染物则形成方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、硫镉矿、辰砂、辉锑矿等溶解度极低的硫化物矿物，而铟以类质同相赋存在闪锌矿、黄铁矿、黄铜矿及其他金属硫化物中，因此也可以保证基本不被植物的根系所吸收。随着生态恢复年代的延长，大量死亡的植物根系将残留在无污染客土层、粘土密封层、生物质还原密封层、主反应层和原始尾矿层内，在厌氧菌促进其分解的同时，主反应层的厚度逐渐加大，保证多年生草本植物和较长根系的木本植物的根系均处在砷及重金属已被固定在硫砷化合物和重金属硫化物的主反应层内，从而避免砷及重金属对生态链和食物链的污染。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1.有效防止尾矿砂扬尘造成的大气、土壤和水环境污染；可大量减少雨水渗透，从源头降低尾矿中砷和重金属等污染物对于地下水污染的可能性；
2.通过物理-化学-生物反应，使尾矿中易于淋溶的砷和重金属原位形成溶解度极低的矿物，从根本上解决了尾矿中砷和重金属等污染物对于环境的污染；
3.随着生态修复时间的延长主反应层不断变厚，可持续的对尾矿库中砷和重金属等污染物造成的环境污染进行修复；
4.应用五层覆盖强还原原位成矿修复方法治理矿山重金属污染的步骤简单易操作，能耗低，所用设备非常常见，因而成本较低，不会造成二次污染，十分环保，修复后的尾矿库适宜植物生长，具有生态修复的效果。
附图说明
图1为本发明的五层覆盖强还原原位成矿修复方法中五层结构结构示意图。
其中：1-无污染客土层；2-粘土密封层；3-生物质还原密封层；4-主反应层；5-原始尾矿层。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种五层覆盖强还原原位成矿修复方法，如图1所示，为该方法涉及的五层结构的结构示意图。
实施例1
五层覆盖强还原原位成矿修复方法中五层结构自上而下具体为：
无污染客土层1，由无污染客土组成，厚度为20cm；
粘土密封层2，由粘性土壤组成，厚度为5cm；
生物质还原密封层3，以重量百分比计，包括秸秆20％、鸡粪80％，其厚度为5cm；
主反应层4，以重量百分比计，包括钢渣粉末1％、脱硫石膏1％、秸秆2％、鸡粪4％、尾矿92％，其厚度为30cm；
原始尾矿层5。
五层覆盖强还原原位成矿修复方法治理矿山重金属污染的步骤如下：
(1)将按主反应层4以重量百分比计的钢渣粉末1％、脱硫石膏1％、秸秆2％、鸡粪4％混合均匀后均匀地覆盖于待修复尾矿库表层，翻耕直至与尾矿混合均匀，形成主反应层4，其厚度为30cm，主反应层4下即为原始尾矿层5；
(2)将按生物质还原密封层3以重量百分比计秸秆20％、鸡粪80％混合均匀后均匀覆盖于主反应层4之上，形成生物质还原密封层3，其厚度为5cm；
(3)将粘土性土壤均匀覆盖于生物质还原密封层3之上，形成粘土密封层2，其厚度5cm；
(4)将无污染客土均匀覆盖于粘土密封层2之上，形成无污染客土层1，其厚度20cm。
(5)在无污染客土层1中种植适宜生长的植被，包括巴芒草和油松。
实施例1应用五层覆盖强还原原位成矿技术后尾矿库雨水淋溶液中砷和重金属浓度对比试验。
1.实验方法
将长约10m、直径300mm、上下封口、管身均匀分布渗水孔的渗液取样装置至于尾矿库中，检测修复前后渗液中砷和重金属等污染物的浓度，进行对比。
2.实验结果
pH无量纲，其余数据单位：mg/L
实施例2
五层覆盖强还原原位成矿修复方法中五层结构自上而下具体为：
无污染客土层1，由无污染客土组成，厚度为25cm；
粘土密封层2，由膨润土组成，厚度为2cm；
生物质还原密封层3，以重量百分比计，包括蔗渣30％、猪粪70％，其厚度为3cm；
主反应层4，以重量百分比计，包括石灰粉0.5％、磷石膏1％、蔗渣1％、猪粪2.5％、尾矿95％，其厚度为25cm；
原始尾矿层5。
五层覆盖强还原原位成矿修复方法治理矿山重金属污染的步骤如下：
(1)将按主反应层4以重量百分比计的石灰粉0.5％、磷石膏1％、蔗渣1％、猪粪2.5％混合均匀后均匀地覆盖于待修复尾矿库表层，翻耕直至与尾矿混合均匀，形成主反应层4，其厚度为25cm，主反应层4下即为原始尾矿层5；
(2)将按生物质还原密封层3以重量百分比计蔗渣30％、猪粪70％混合均匀后均匀覆盖于主反应层4之上，形成生物质还原密封层3，其厚度为3cm；
(3)将膨润土均匀覆盖于生物质还原密封层3之上，形成粘土密封层2，其厚度2cm；
(4)将无污染客土均匀覆盖于粘土密封层2之上，形成无污染客土层1，其厚度25cm。
(5)在无污染客土层1中种植适宜生长的植被，包括马齿苋等。
实施例2应用五层覆盖强还原原位成矿技术后尾矿库雨水淋溶液中砷和重金属浓度对比试验。
1.实验方法
将长约10m、直径300mm、上下封口、管身均匀分布渗水孔的渗液取样装置至于尾矿库中，检测修复前后渗液中砷和重金属等污染物的浓度，进行对比。
2.实验结果
pH无量纲，其余数据单位：mg/L
实施例3
五层覆盖强还原原位成矿修复方法中五层结构自上而下具体为：
无污染客土层1，由无污染客土组成，厚度为30cm；
粘土密封层2，由高岭土组成，厚度为1cm；
生物质还原密封层3，以重量百分比计，包括锯末10％、牛粪90％，其厚度为5cm；
主反应层4，以重量百分比计，包括粉煤灰粉2％、柠檬石膏4％、锯末0.5％、牛粪3.5％、尾矿90％，其厚度为40cm；
原始尾矿层5。
五层覆盖强还原原位成矿修复方法治理矿山重金属污染的步骤如下：
(1)将按主反应层4以重量百分比计的粉煤灰粉2％、柠檬石膏4％、锯末0.5％、牛粪3.5％混合均匀后均匀地覆盖于待修复尾矿库表层，翻耕直至与尾矿混合均匀，形成主反应层4，其厚度为40cm，主反应层4下即为原始尾矿层5；
(2)将按生物质还原密封层3以重量百分比计锯末10％、牛粪90％混合均匀后均匀覆盖于主反应层4之上，形成生物质还原密封层3，其厚度为5cm；
(3)将高岭土均匀覆盖于生物质还原密封层3之上，形成粘土密封层2，其厚度1cm；
(4)将无污染客土均匀覆盖于粘土密封层2之上，形成无污染客土层1，其厚度30cm。
(5)在无污染客土层1中种植适宜生长的植被，包括天鹅绒草等。
实施例3应用五层覆盖强还原原位成矿技术后尾矿库雨水淋溶液中砷和重金属浓度对比试验。
1.实验方法
将长约10m、直径300mm、上下封口、管身均匀分布渗水孔的渗液取样装置至于尾矿库中，检测修复前后渗液中砷和重金属等污染物的浓度，进行对比。
2.实验结果
pH无量纲，其余数据单位：mg/L
从实施例1～3可以看出，在应用五层覆盖强还原原位成矿修复技术后，随着修复时间的延长，不同尾矿库渗液中pH均接近于中性，砷和重金属及铁的浓度均达到检测技术检出限以下；表层植被均长势良好。总之，该技术对于尾矿库重金属污染具有良好的修复效果，操作简便，易于恢复生态，具有良好的生态和环境效益。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种五层覆盖强还原原位成矿修复方法，其特征在于：该方法涉及五层结构，五层结构自上至下具体为：无污染客土层(1)、粘土密封层(2)、生物质还原密封层(3)、主反应层(4)和原始尾矿层(5)，其中，主反应层(4)以重量百分比计，包括工业碱性粉末0.1％～5％、工业副产石膏0.1％～5％、植物残渣0.1％～1％、禽畜粪便0.1％～5％、尾矿85％～99％，且主反应层(4)厚度为20～60cm；
该方法包括如下步骤：
S1：将主反应层(4)除尾矿外原料混合均匀后均匀覆盖于待修复尾矿库表层，翻耕直至与尾矿混合均匀，形成主反应层(4)，主反应层(4)下即为原始尾矿层(5)；
S2：将生物质还原密封层(3)原料混合均匀后均匀覆盖于主反应层(4)之上，形成生物质还原密封层(3)；
S3：将粘土类矿物均匀覆盖于生物质还原密封层(3)之上，形成粘土密封层(2)；
S4：将无污染客土均匀覆盖于粘土密封层(2)之上，形成无污染客土层(1)；
S5：在无污染客土层(1)中种植植被。
2.根据权利要求1所述的五层覆盖强还原原位成矿修复方法，其特征在于：所述无污染客土层(1)厚度为20～60cm。
3.根据权利要求1所述的五层覆盖强还原原位成矿修复方法，其特征在于：所述S3中粘土类矿物为高岭土、石脂、蒙脱石、蛭石、伊来石、水铝英石中的一种或多种，粘土密封层(2)厚度为1～15cm。
4.根据权利要求1所述的五层覆盖强还原原位成矿修复方法，其特征在于：所述生物质还原密封层(3)以重量百分比计成分为：植物残渣5％～50％、禽畜粪便50％～95％，生物质还原密封层(3)厚度为1～15cm。
5.根据权利要求1所述的五层覆盖强还原原位成矿修复方法，其特征在于：所述主反应层(4)中的工业碱性粉末，包括钢渣、石灰粉、水泥、电石渣、赤泥、白泥、碱渣、盐泥、镁渣、粉煤灰、高炉渣中的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的五层覆盖强还原原位成矿修复方法，其特征在于：所述主反应层(4)中的工业副产石膏，包括脱硫石膏、磷石膏、氟石膏、柠檬石膏、废陶模石膏中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的五层覆盖强还原原位成矿修复方法，其特征在于：所述主反应层(4)中的植物残渣，包括秸秆、蔗渣、木质素中的一种或多种。
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