CN111592186A - 一种矿渣重金属污染源头控制屏障及其应用 - Google Patents

一种矿渣重金属污染源头控制屏障及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及矿山污染修复技术领域，尤其涉及一种矿渣重金属污染源头控制屏障。本发明提供了一种矿渣重金属污染源头控制屏障，包括依次设置的中和层、过滤缓冲层、污泥还原屏障层和污泥控制层；所述中和层包括粉煤灰；所述过滤缓冲层包括石英砂；所述污泥还原屏障层包括活性污泥；所述污泥控制层包括膨润土和粉煤灰。所述矿渣重金属污染源头控制屏障设置中和层、过滤缓冲层、污泥还原屏障层和污泥控制层，即通过四种不同的衬垫材料的共同作用来调节pH并且更加长期有效地包封和限制金属污染物的扩散迁移。

Description

一种矿渣重金属污染源头控制屏障及其应用
技术领域
本发明涉及矿山污染修复技术领域，尤其涉及一种矿渣重金属污染源头控制屏障及其应用。
背景技术
污染源头控制是环境保护的关键一环，对于污染物源头长期存在的污染场地，需要开发源头控制技术。矿渣堆体难以消除，是污染源长期存在的典型代表。矿渣堆体成分复杂通常含有硫化矿，空气、水与硫化矿共同作用会产生大量含硫酸根和重金属离子的酸性废水。因此，需要采取合理的源头控制技术来实现矿渣表面长效封装阻滞，从而阻滞酸性矿山废水扩散迁移是十分必要的。矿渣废弃物包封技术实质上是固体废弃物的最终处置手段，也是最为廉价而有效的手段之一。固体废弃物处置场包封设施，最初主要用于城市固体废弃物的卫生填埋，现已成为世界各国广泛采用的固体废弃物污染控制手段。采用包封技术，对矿渣废弃物进行处理，是矿山污染控制的重要方向。与城市固体废弃物处置场相似，矿山废弃物的沉淀系统主要有压实压实粘土衬垫(CCL)、土工合成粘土衬垫(GCL)、土工膜(GM)，这些系统都是传统的水力屏障。然而，由于处理场附近常缺乏合适的粘土材料，土工合成衬里的材料成本又比较高。因此，寻找各种替代材料或改性材料成为现在研究的重点。
在现有技术中，还原屏障是针对采矿废弃物处理场开发的一种新型屏障系统。它不仅具备传统水力屏障所具有的利用极低渗透吸水阻滞酸性矿山废水的渗透，而且还具备利用自身内部微生物呼吸作用所导致的强烈还原环境实现对重金属污染物的固定。污水处理场的脱水污泥具有强烈的生物活性和微生物代谢所需要的丰富营养物质，天然条件下厌氧消化污泥处于强烈还原状态，可以实现对重金属污染物的固定，更为有效地包封和限制金属污染物的扩散迁移，因此，活性污泥是还原屏障的理想材料。但是污泥还原屏障具有不耐酸、不均匀沉降、长期稳定性问题和污泥自身污染控制问题。这就限制了污泥还原屏障对矿渣表面长效封装阻滞技术的实际应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种矿渣重金属污染源头控制屏障，所述矿渣重金属污染源头控制屏障设置中和层、过滤缓冲层、污泥还原屏障层和污泥控制层，即通过四种不同的衬垫材料的共同作用来更加长期有效地包封和限制金属污染物的扩散迁移。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种矿渣重金属污染源头控制屏障，包括依次层叠设置的中和层、过滤缓冲层、污泥还原屏障层和污泥控制层；
所述中和层的材料包括粉煤灰；所述过滤缓冲层的材料包括石英砂；所述污泥还原屏障层的材料包括活性污泥；所述污泥控制层的材料包括膨润土和粉煤灰。
优选的，所述中和层的压实厚度为20～30cm，渗透系数＜10-7cm3/s。
优选的，所述中和层中的粉煤灰和所述污泥控制层中的粉煤灰的粒径独立地为0.002～0.075mm。
优选的，所述过滤缓冲层的压实厚度为20～30cm，渗透系数＜10-7cm3/s。
优选的，所述石英砂的粒径为0.1～0.25mm。
优选的，所述污泥还原屏障层的压实系数为0.8MPa-1，压实厚度为2～8m，渗透系数＜10-7cm3/s。
优选的，所述活性污泥的含水率为60～80％。
优选的，所述污泥控制层的压实厚度为0.8～1m，渗透系数＜10-7cm3/s。
优选的，所述污泥控制层中的膨润土和粉煤灰的质量比为1∶(8～12)；
所述膨润土的液限为500％，塑性指数为400％；
所述粉煤灰的粒径为0.002～0.075mm。
本发明还提供了上述技术方案所述的矿渣金属污染源头控制屏障在处理酸性矿山废水中的应用。
本发明提供了一种矿渣重金属污染源头控制屏障，包括依次层叠设置的中和层、过滤缓冲层、污泥还原屏障层和污泥控制层；所述中和层的材料包括粉煤灰；所述过滤缓冲层的材料包括石英砂；所述污泥还原屏障层的材料包括活性污泥；所述污泥控制层的材料包括膨润土和粉煤灰。本发明基于还原屏障的矿渣表面长效封装阻滞技术，通过中和层、过滤缓冲层、污泥还原屏障层和污泥控制层的共同作用能够更有效的包封和限制金属污染物的扩散迁移，达到保护地下水环境的目的。同时，本发明所述矿渣重金属污染源头控制屏障可以调解矿山酸性废水的酸性以及解决污泥还原屏障的不均匀沉降、长期稳定性差和污泥自身污染控制的问题。同时，将传统的渗透性极低的水力屏障与微生物导致的氧化还原反应合二为一，试图通过粘土颗粒对渗流的阻滞作用以及重金属离子在还原条件下的沉淀吸附反应，更为长期有效地包封和限制金属污染物的扩散迁移，达到保护地下水环境的原位控制技术的目的。进一步的，本发明选取的材料(粉煤灰、和活性污泥)本身就是一种废弃物，利用其组织酸性矿山废水的产生有助于实现以废治废，具有成本费用低、可操控性好的特点。
附图说明
图1为本发明所述矿渣重金属污染源头控制屏障在处理矿山废弃物过程中的结构示意图；
其中，1-矿山废弃物，2-中和层，3-过滤缓冲层，4-污泥还原屏障层，5-污染控制层，6-地层。
具体实施方式
本发明提供了一种矿渣重金属污染源头控制屏障，包括依次层叠设置的中和层、过滤缓冲层、污泥还原屏障层和污泥控制层；
所述中和层包括粉煤灰；所述过滤缓冲层包括石英砂；所述污泥还原屏障层包括活性污泥；所述污泥控制层包括膨润土和粉煤灰。
在本发明中，所述中和层的压实厚度优选为20～30cm，渗透系数优选＜10-7cm3/s；所述中和层的压实度优选为90％～95％。
在本发明中，所述中和层中的粉煤灰和所述污泥控制层中的粉煤灰的粒径独立地优选为0.002～0.075mm。
在本发明中，所述中和层的材料包括粉煤灰，其中粉煤灰中含有大量的碱性物质，会调节矿渣废物形成的酸性废水的pH，使其呈中性。同时这些碱性物质可以与酸性矿山废水中的硫酸根反应生成石膏类物质，然后所述石膏类物质可以不断填堵粉煤灰之间的孔隙，使其渗透系数降低。
在本发明中，所述过滤缓冲层的压实厚度优选为20～30cm，渗透系数优选＜10- 7cm3/s。所述过滤缓冲层的压实度优选为90％～95％。
在本发明中，所述石英砂的粒径优选为0.1～0.25mm。
在本发明中，所述过滤缓冲层的材料包括石英砂，所述石英砂可以起到缓冲作用，使污泥还原屏障层受力均匀，防止污泥还原屏障层发生不均匀沉降造成的结构破坏，同时石英砂可以进一步阻滞酸性废水的迁移。
在本发明中，所述污泥还原屏障层的压实系数优选为0.8MPa-1，压实厚度为2～8m，渗透系数优选＜10-7cm3/s。所述污泥还原屏障的压实度优选为90％～95％。
在本发明中，所述活性污泥的含水率优选为60～80％。
在本发明中，所述污泥还原屏障层的材料包括活性污泥，所述活性污泥的来源优选为污水处理厂；在本发明中，所述活性污泥在厌氧情况下会处于深度还原状态，其中存在的大量的厌氧微生物会产生强烈的硫酸盐还原反应，更为有效地包封和限制金属污染物。
在本发明中，所述污泥控制层的压实厚度优选为0.8～1m，渗透系数优选＜10- 7cm3/s。所述污泥控制层的压实度优选为90％～95％。
在本发明中，所述污泥控制层中的膨润土和粉煤灰的质量比优选为1∶(8～12)，更优选为1∶10。
在本发明中，所述膨润土的液限优选为500％，塑性指数优选为400％；所述粉煤灰的粒径优选为0.002～0.075mm。
在本发明中，所述污泥控制层可以防止从污泥还原屏障层中带出的大量的重金属进入土壤和地下水中。
在本发明中，所述矿渣重金属污染源头控制屏障的施工过程优选为：选取露天矿坑；依次将粉煤灰与膨润土的混合物、污水处理厂的脱水污泥、石英砂和粉煤灰平铺于所述露天矿坑的底部，并压实，进而在矿坑底部依次形成中和层、过滤缓冲层、污泥还原屏障层和污泥控制层；最后将矿山废弃物回填入所述露天矿坑中。在本发明中，上述施工过程优选按照《生活垃圾卫生填埋场防渗系统工程技术规范》(CJJ113-2007)执行。
本发明还提供了上述技术方案所述的矿渣金属污染源头控制屏障在处理酸性矿山废水中的应用。
在本发明中，当酸性矿山废水产生后，会在自身重力的作用下依次经过中和层、过滤缓冲层和污泥还原屏障层。在酸性矿山废水经过中和层时，粉煤灰中含有大量的碱性物质，这些碱性物质可以与酸性矿山废水中的硫酸根反应生成石膏类物质，它们可以不断填堵粉煤灰之间的孔隙使其渗透系数降低，阻滞酸性矿山废水的渗透；经过过滤缓冲层会进一步的阻滞酸性矿山废水的渗透，同时让污泥受力均匀，减少污泥的不均匀沉降，提高污泥还原屏障层的抗剪抗压性能。在经过上述中和层和过滤缓冲层的共同作用下，会有微量、中性的矿山废水进入到渗透性极低的污泥还原屏障层中，这种状态下的污泥还原屏障会处于深度还原状态，其中会存在大量的厌氧微生物并产生强烈的硫酸盐还原反应，可以更有效的包封和限制金属污染物的扩散迁移；同时设置污泥控制层的设置还避免了污泥对土壤和地下水的污染。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
选取露天矿坑；
按照《生活垃圾卫生填埋场防渗透系统工程技术规范》(CJJ113-2007)的要求，依次将粉煤灰(0.002～0.075mm)与膨润土(液限为500％，塑性指数为400％)的混合物(质量比为1∶10)、污水处理厂的脱水污泥(含水率为65％)、石英砂(粒径为0.15mm)和粉煤灰(粒径为0.05mm)平铺于所述露天矿坑的底部，并压实，进而在所述矿坑底部依次形成中和层(压实厚度为30cm，渗透系数为2×10-9cm3/s，压实度为95％)、过滤缓冲层(压实厚度为30cm，渗透系数为7×10-8cm3/s，压实度为95％)、污泥还原屏障层(压实系数为0.8MPa-1，压实厚度为4m，渗透系数为10-11cm3/s，压实度为90％)和污泥控制层(压实厚度为1m，渗透系数为10-9cm3/s，压实度为95％)；
最后将矿山废弃物回填入露天矿坑中(结构如图1所示)。
以上所述仅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 (10)

1.一种矿渣重金属污染源头控制屏障，其特征在于，包括依次层叠设置的中和层、过滤缓冲层、污泥还原屏障层和污泥控制层；
所述中和层的材料包括粉煤灰；所述过滤缓冲层的材料包括石英砂；所述污泥还原屏障层的材料包括活性污泥；所述污泥控制层的材料包括膨润土和粉煤灰。
2.如权利要求1所述的矿渣金属污染源头控制屏障，其特征在于，所述中和层的压实厚度为20～30cm，渗透系数＜10-7cm3/s。
3.如权利要求1或2所述的矿渣金属污染源头控制屏障，其特征在于，所述中和层中的粉煤灰和所述污泥控制层中的粉煤灰的粒径独立地为0.002～0.075mm。
4.如权利要求1所述的矿渣金属污染源头控制屏障，其特征在于，所述过滤缓冲层的压实厚度为20～30cm，渗透系数＜10-7cm3/s。
5.如权利要求1或4所述的矿渣金属污染源头控制屏障，其特征在于，所述石英砂的粒径为0.1～0.25mm。
6.如权利要求1所述的矿渣金属污染源头控制屏障，其特征在于，所述污泥还原屏障层的压实系数为0.8MPa-1，压实厚度为2～8m，渗透系数＜10-7cm3/s。
7.如权利要求1或6所述的矿渣金属污染源头控制屏障，其特征在于，所述活性污泥的含水率为60～80％。
8.如权利要求1所述的矿渣金属污染源头控制屏障，其特征在于，所述污泥控制层的压实厚度为0.8～1m，渗透系数＜10-7cm3/s。
9.如权利要求1或8所述的矿渣金属污染源头控制屏障，其特征在于，所述污泥控制层中的膨润土和粉煤灰的质量比为1∶(8～12)；
所述膨润土的液限为500％，塑性指数为400％；
所述粉煤灰的粒径为0.002～0.075mm。
10.权利要求1～9任一项所述的矿渣金属污染源头控制屏障在处理酸性矿山废水中的应用。
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