CN114951245A - 一种防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法及其在治理重金属矿业废弃地中的应用 - Google Patents

一种防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法及其在治理重金属矿业废弃地中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于矿山生态修复技术领域，本发明公开了一种防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法及其在治理重金属矿业废弃地中的应用。本发明通过在重金属废弃矿山分批次向整形后的场地通过机械喷播石灰、相关菌剂、基质等来实现微生物矿化防渗，减轻重金属矿业废弃地的地表水下渗量。该方法操作便捷、实施成本低、防渗效率高，能较好降低废弃矿山造成的重金属污染问题，具有显著的经济、社会、环境效益。

Description

一种防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法及其在治理重 金属矿业废弃地中的应用
技术领域
本发明涉及矿山生态修复技术领域，尤其涉及一种防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法及其在治理重金属矿业废弃地中的应用。
背景技术
矿业废弃地是指在采矿过程中被破坏的、未经一定处理而无法使用的土地，在矿山开采的过程中形成的露天采矿场、塌陷区、排土场以及尾矿库等无经济价值的土地均统称为矿业废弃地。随着矿业废弃地的逐渐增加，矿业废弃地带来的地下水环境污染问题也日益突出。
矿业废弃地地下水污染物机理主要为大气降水冲刷、浸泡地表固废弃物形成了淋溶水(液)，参与地表产汇流过程造成地表水污染，成为土壤中重金属离子迁移的载体，形成重金属酸性废水下渗进入地下水含水层造成土壤、地下水污染。地表水下渗是土壤降水、地面水、土壤水和地下水相互转化过程中的一个重要环节。另外地表水的下渗活动不仅会造成地下水污染，还会增加酸性废水的产生量，给后续酸性废水处理造成较大负担。为减轻地下水污染，减少酸性废水产生量从而减轻后续酸性废水处理成本，需重点控制重金属矿业废弃地地表径流雨水下渗进入土壤。
针对重金属矿业废弃地地表水下渗的问题，目前，常用的防渗技术均是通过硬性防渗方法，包括：铺设防渗膜法、混凝土硬化法等，这些方法局限性较高，存在工程实施成本高、实施周期长、治理效率低、效果短暂以及受环境因素影响等问题。因此，低成本、高效率、长效进行重金属矿业废弃地地表水防渗，成为亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法及其在治理重金属矿业废弃地中的应用，解决了现有的防渗技术存在的工程实施成本高、实施周期长、治理效率低、效果短暂以及受环境因素影响等问题。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法，包括如下步骤：
对待修复场地顺次喷播石灰浆，第一微生物基质溶液，隔绝基材溶液，第二微生物基质溶液，营养改善基材溶液，经养护得修复完成的场地。
作为优选，所述石灰浆为熟石灰粉和水的混合物，石灰浆的质量浓度为 20～40％；所述熟石灰粉的用量为5～15kg/m2。
作为优选，所述第一微生物基质溶液为第一微生物基质和水的混合液；所述第一微生物基质包括如下质量百分比的组分：嗜酸硫酸盐还原菌 0.1～0.2％、糖蜜10～15％、鸡粪20～40％、酒糟5～20％、膨润土10～30％和草纤维10～30％；所述第一微生物基质的用量为0.5～1kg/m2。
作为优选，所述隔绝基材溶液为隔绝基材和水的混合液；所述隔绝基材包括如下质量百分比的组分：黏土40～60％、粘合剂1～2％和膨润土40～60％；所述隔绝基材的用量为1～3kg/m2。
作为优选，所述第二微生物基质溶液为第二微生物基质和水的混合液；所述第二微生物基质包括如下质量百分比的组分：芽孢八叠球菌0.1～0.2％、尿素5～20％、糖蜜10～15％、鸡粪20～40％、膨润土10～30％和草纤维10～30％；所述第二微生物基质的用量为0.5～1kg/m2。
作为优选，所述营养改善基材溶液为营养改善基材和水的混合液；所述营养改善基材包括如下质量百分比的组分：黄土50～70％、有机肥10～20％、保水剂1～2％和草纤维20～40％；所述营养改善基材的用量为1～3kg/m2。
作为优选，所述第一微生物基质溶液、隔绝基材溶液、第二微生物基质溶液和营养改善基材溶液的质量浓度独立地为40～60％。
本发明还提供了所述防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法在治理重金属矿业废弃地中的应用。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
(1)本发明作为一种原位柔性微生物防渗技术，相比于传统硬性防渗技术(如铺防渗膜、混凝土防渗等技术)，具有自维持、持续改善、效果稳定的特点，是一种低耗费的有效修复途径。
(2)本发明从源头大幅降低地表径流下渗产生的重金属矿业废弃地酸性废水，达到从源头控制污染的目标，减轻后续酸性废水处理压力。
(3)本发明方法简单，易于操作，实施周期短，实施成本低，适合多种类型的重金属矿业废弃地污染治理，实施效果好，适合大面积推广应用于重金属矿业废弃地污染治理。
(4)本发明在重金属矿业废弃地地表水防渗应用的添加物属于低碳环保的废弃物，且利用效率高，防渗效果稳定，不存在环境污染风险。
(5)本发明对重金属矿业废弃地地表水的防渗不仅仅局限于土壤表层，还可以实现深层防渗，防渗效果可得到充分的保障。
(6)本发明利用微生物新陈代谢的作用，在减少矿业废弃地酸性废水产生的同时，也丰富了矿业废弃地微生物体系，有利于提高土壤酶活性，促进土壤熟化，有利于后续矿业废弃地生态恢复的实施。
具体实施方式
本发明提供了一种防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法，包括如下步骤：
对待修复场地顺次喷播石灰浆，第一微生物基质溶液，隔绝基材溶液，第二微生物基质溶液，营养改善基材溶液，经养护得修复完成的场地。
在本发明中，所述待修复场地包括但不限于：排土场、尾矿库、采坑边坡等。
在本发明中，对待修复场地进行修复前，需进行整形；
所述整形是以原位整地、原貌整形的方式进行修整形成5°～10°的缓坡，以表面无遗留的杂物和大块浮石、坡脚稳固为标准。
在本发明中，所述石灰浆为熟石灰粉和水的混合物，石灰浆的质量浓度优选为20～40％，进一步优选为25～35％；所述熟石灰粉的用量优选为 5～15kg/m2，进一步优选为8～12kg/m2；所述熟石灰粉的粒度优选为100～300 目，进一步优选为150～250目。
在本发明中，所述第一微生物基质溶液为第一微生物基质和水的混合液；所述第一微生物基质包括如下质量百分比的组分：嗜酸硫酸盐还原菌 0.1～0.2％、糖蜜10～15％、鸡粪20～40％、酒糟5～20％、膨润土10～30％和草纤维10～30％；所述第一微生物基质的用量优选为0.5～1kg/m2，进一步优选为1.5～3.5kg/m2；
所述第一微生物基质由第一微生物菌剂(嗜酸硫酸盐还原菌)和第一有机质(糖蜜、鸡粪、酒糟、膨润土、草纤维)组成；
所述第一微生物基质中嗜酸硫酸盐还原菌的用量优选为0.11～0.19％，进一步优选为0.15～0.18％；糖蜜的用量优选为11～14％，进一步优选为12～13％；鸡粪的用量优选为22～35％，进一步优选为25～30％；酒糟的用量优选为 8～17％，进一步优选为10～15％；膨润土的用量优选为12～25％，进一步优选为15～20％；草纤维的用量优选为12～28％，进一步优选为15～25％。
在本发明中，所述嗜酸硫酸盐还原菌有四大主要作用，一是在厌氧环境下通过利用有机质和硫酸盐，产生硫化氢和碱度，并在此基础上沉淀重金属以及中和酸，嗜酸硫酸盐还原菌作为先锋菌种能适应重金属矿业废弃地的酸性环境，并通过生化反应，改善酸性环境及重金属毒性，为后续添加的芽孢八叠球菌创造适宜生长的环境；二是通过自身的新陈代谢作用在聚集共生的行动机制下分泌较多的粘性代谢产物如多聚糖等，多聚糖具有较强的粘性，并具有很强的络合能力，通过粘性代谢产物和络合能力吸附/联结土壤中的颗粒物，填充土壤和岩石孔隙，从而降低土壤的渗透性；三是嗜酸硫酸盐还原菌在中和酸的过程中产生的硫化物与重金属离子结合生成金属硫化物沉淀，该金属硫化物沉淀颗粒可填充土壤和岩石孔隙；四是通过嗜酸硫酸盐还原菌在土壤中的活动抑制土壤酸化，改善土壤板结情况，改变土壤团粒结构，细化土壤颗粒度，填充土壤和岩石孔隙，降低土壤的渗透性；
嗜酸硫酸盐还原菌利用硫酸盐和有机质的化学反应为：
2CH2O+SO4 2-→H2S+2HCO3 - (1-1)
H2S+M2+→MS(s)+2H+ (1-2)
HCO3 -+H+→CO2(g)+H2O (1-3)；
所述糖蜜、鸡粪用于提供微生物所需的碳源，同时增加土壤肥力；
所述膨润土用于增加改良材料的粘结性，方便喷播操作。
在本发明中，所述隔绝基材溶液为隔绝基材和水的混合液；所述隔绝基材包括如下质量百分比的组分：黏土40～60％、粘合剂1～2％和膨润土40～60％；所述隔绝基材的用量优选为1～3kg/m2，进一步优选为1.5～2.5kg/m2；
所述隔绝基材中黏土的用量优选为45～58％，进一步优选为50～55％；粘合剂的用量优选为1.1～1.8％，进一步优选为1.4～1.6％；膨润土的用量优选为 45～55％，进一步优选为18～52％。
在本发明中，所述黏土作为优质土壤添加，覆盖微生物菌剂，给菌种提供厌氧环境；
所述粘合剂用于增加材料粘性，便于喷播操作；
所述膨润土用于增加改良材料的粘结性，方便喷播操作。
在本发明中，所述粘合剂由任丘市绿润吸水材料厂购买得到，粘合剂的水分为3.06％，分子量为1650万。
在本发明中，所述第二微生物基质溶液为第二微生物基质和水的混合液；所述第二微生物基质包括如下质量百分比的组分：芽孢八叠球菌0.1～0.2％、尿素5～20％、糖蜜10～15％、鸡粪20～40％、膨润土10～30％和草纤维10～30％；所述第二微生物基质的用量优选为0.5～1kg/m2，进一步优选为1.8～3.2kg/m2；
所述第二微生物基质由第二微生物菌剂(芽孢八叠球菌)和第二有机质 (尿素、糖蜜、鸡粪、膨润土、草纤维)组成；
在本发明中，所述第二微生物基质中芽孢八叠球菌的用量优选为 0.11～0.18％，进一步优选为0.13～0.15％；尿素的用量优选为8～15％，进一步优选为10～14％；糖蜜的用量优选为11～14％，进一步优选为12～13％；鸡粪的用量优选为25～35％，进一步优选为28～32％；膨润土的用量优选为12～28％，进一步优选为15～25％；草纤维的用量优选为15～25％，进一步优选为18～22％。
在本发明中，所述芽孢八叠球菌的作用是利用反应环境中的尿素等有机物以及钙离子源，通过新陈代谢或降解作用析出具有良好胶凝性质的碳酸钙结晶(又称为生物水泥)，生成的碳酸钙结晶可以与金属硫化物、土壤颗粒发生交联，填充土壤和岩石孔隙，从而降低土壤的渗透性，一方面达到防渗的效果，减少酸性废水的产生；另一方面阻隔空气和水与产酸微生物接触，杜绝进一步产酸；同时形成密闭环境有利于嗜酸性硫酸盐还原菌的繁殖生长，促进重金属的固定和酸度的中和；
芽孢八叠球菌引起的碳酸钙沉积中发生的复杂的化学反应为：
CO(NH2)2+2H2O→H2CO3+2NH3(微生物降解) (2-1)
Figure BDA0003665998260000091
Figure BDA0003665998260000092
Figure BDA0003665998260000093
Ca2++Cell→Cell-Ca2+ (2-5)
Cell-Ca2++CO3 2-→Cell-CaCO3↓(微生物成因水泥) (2-6)；
所述糖蜜、鸡粪用于提供微生物所需的碳源，同时增加土壤肥力；
所述膨润土用于增加改良材料的粘结性，方便喷播操作。
在本发明中，所述营养改善基材溶液为营养改善基材和水的混合液；所述营养改善基材包括如下质量百分比的组分：黄土50～70％、有机肥10～20％、保水剂1～2％和草纤维20～40％；所述营养改善基材的用量优选为1～3kg/m2，进一步优选为2～2.5kg/m2；
所述营养改善基材中黄土的用量优选为55～65％，进一步优选为58～60％；有机肥的用量优选为11～18％，进一步优选为13～15％；保水剂的用量优选为1.2～1.8％，进一步优选为1.5～1.7％；草纤维的用量优选为25～35％，进一步优选为28～30％；
在本发明中，所述有机肥包括如下质量百分比的组分：鸡粪60％、谷壳 10％、蘑菇肥30％。
在本发明中，所述黄土作为种植土添加，作为后续植物生长的土壤载体；
所述有机肥用于改善土壤，增加土壤肥力；
所述保水剂用于增加水肥利用率，保水剂在土壤中形成“小水库”，当再次干旱时，吸足水的保水剂使周围的土壤保持潮湿；
所述草纤维含有丰富的有机质，有利于改良土壤结构、土壤微生物的生长，促进土壤熟化与涵养水分，防止风雨对场地表面的冲刷。
在本发明中，所述保水剂由任丘市绿润吸水材料厂购买得到，保水剂的水分为1.89％，吸水倍率为400g/g，有效成分为98.20％。
在本发明中，所述第一微生物基质溶液、隔绝基材溶液、第二微生物基质溶液和营养改善基材溶液的质量浓度独立地优选为40～60％，进一步优选为45～55％。
在本发明中，所述草纤维独立地为由小麦、水稻、玉米、薯类、油菜、棉花、甘蔗等秸秆粉粹制成。
本发明先加入嗜酸硫酸盐还原菌后加入芽孢八叠球菌，因嗜酸硫酸盐还原菌是厌氧微生物，芽孢八叠球菌是好氧微生物，故先喷播含嗜酸硫酸盐还原菌的溶液，并喷播完嗜酸硫酸盐还原菌后，立即喷播一层隔绝基材，形成密闭环境，为嗜酸硫酸盐还原菌创造厌氧环境。喷播完隔绝基材后继续喷播含芽孢八叠球菌的溶液。通过两种菌剂在土壤中逐层演替的作用改善土壤，达到防渗效果。
本发明还提供了所述防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法在治理重金属矿业废弃地中的应用。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
实施地点位于上饶德兴某矿山，选取10万m2区域作为治理区域，该区域修复前存在水土污染问题，土壤、矿区水质均呈酸性，经检测土壤平均pH 低至2.61，矿区水质平均pH低至2.73。因为排土场土壤土石混堆，造成地表水大量下渗，严重影响该区域地下水质量，长期难以改善。采用如下方法步骤对项目区域进行地表水防渗处理：
(1)对治理区域进行场地整形，结合场地内道路、排水沟布置进行地形整理，就近挖方填方平整地形，回填区域内低洼地段进行夯实，防止下沉及积水。平台修整充分满足排水疏水需求，依现状地势修整成安息角度，在洒水自然沉降后形成7°的缓坡，采用机械刮除边坡表面松动的土石方，对坡面较为凸出的位置进行削平，保持坡面坡度的整体性；
(2)场地整形完成后，通过净产酸量(NAG)试验，快速预测酸化及土壤酸化的NAG-pH阈值，预测酸化趋势计算该区域熟石灰粉用量为500t，将200目的熟石灰粉用水调配成40％浓度的石灰浆，通过喷播机进行喷播；
(3)石灰浆喷播完成，待反应0.5d后，计算该区域第一微生物基质用量为50t，将嗜酸硫酸盐还原菌、糖蜜、鸡粪、酒糟、膨润土及草纤维(由小麦、水稻、玉米的秸秆粉碎得到)按质量配比为：嗜酸硫酸盐还原菌菌剂 0.15％，糖蜜15％，鸡粪25％，酒糟15％，膨润土29.85％，草纤维15％，与水调配成50％浓度的溶液，通过喷播机向治理区域进行喷播；
(4)步骤(3)完成后，计算该区域隔绝基材用量为100t，将黏土、粘合剂及膨润土按质量配比为：黏土55％，粘合剂1％，膨润土44％，与水调配成50％浓度的溶液，通过喷播机进行喷播；
(5)步骤(4)完成后，计算该区域第二微生物基质用量为50t，将芽孢八叠球菌、尿素、糖蜜、鸡粪、膨润土及草纤维按质量配比为：芽孢八叠球菌菌剂0.15％，尿素15％，糖蜜15％，鸡粪30％，膨润土24.85％，草纤维(由小麦、水稻、玉米的秸秆粉碎得到)15％，与水调配成50％浓度的溶液，通过喷播机向治理区域进行喷播。
(6)步骤(5)完成后，计算该区域营养改善基材用量为100t，将黄土、有机肥、保水剂及草纤维(由小麦、水稻、玉米的秸秆粉碎得到)按质量配比为：黄土51％，有机肥18％，保水剂1％，草纤维30％，与水调配成50％浓度的溶液，通过喷播机进行喷播。
该方法实施9个月后，对治理区域进行试坑渗水试验，采取试坑法，通过试坑试验测得实施后治理区域5个点位(分别为A、B、C、D、E)30cm 深度的渗透系数较实施前下降幅度均超过95％，即防渗能力提升95％以上；且深层土壤(50cm深度)的渗透系数也保持较低水平，表明本发明所述方法也具有较好的深层防渗效果。对实施后的地表水进行采样分析，经检测矿区水质平均pH达6.73，水体质量得到显著改善。
表1实施例1所述治理区域实施前后渗透系数
Figure BDA0003665998260000131
实施例2
实施地点位于广东韶关某金属废弃矿，选取4万m2排土场区域作为试验治理区。该区域露天采场剥离时有大量岩土裸露堆存，地表径流汇集冲蚀，修复前存在水土污染问题，土壤、矿区水质均呈强酸性，经检测土壤平均pH 低至2.53。特别是，治理区域土壤疏松孔隙大，造成大量的重金属废水渗漏，造成地下水重金属超标，对下游生活饮水造成威胁。采用如下方法步骤对项目区域进行地表水防渗处理：
(1)对治理区域进行场地整形，结合场地内道路、排水沟布置进行地形整理，就近挖方填方平整地形，机械修建“之”字形平台，用最少的扰动确保边坡地形地貌自然态。平台修整充分满足排水疏水需求，依现状地势修整成安息角度，在洒水自然沉降后形成5°的缓坡，采用机械刮除边坡表面松动的土石方，对坡面较为凸出的位置进行削平，保持坡面坡度的整体性；
(2)场地整形完成后，通过净产酸量(NAG)试验，快速预测酸化及土壤酸化的NAG-pH阈值，预测酸化趋势计算该区域熟石灰粉用量为320t，将100目的熟石灰粉用水调配成30％浓度的石灰浆，通过喷播机进行喷播；
(3)石灰浆喷播完成0.5d后，计算该区域第一微生物基质用量为32t，将嗜酸硫酸盐还原菌、糖蜜、鸡粪、酒糟、膨润土及草纤维(由小麦和水稻的秸秆粉碎得到)按质量配比为：嗜酸硫酸盐还原菌菌剂0.2％，糖蜜12％，鸡粪28％，酒糟18％，膨润土27％，草纤维14.8％，与水调配成50％浓度的溶液，通过喷播机向治理区域进行喷播；
(4)步骤(3)完成后，计算该区域隔绝基材用量为64t，将黏土、粘合剂及膨润土按质量配比为：黏土50％，粘合剂1％，膨润土49％，与水调配成50％浓度的溶液，通过喷播机进行喷播；
(5)步骤(4)完成后，计算该区域第二微生物基质用量为32t，将芽孢八叠球菌、尿素、糖蜜、鸡粪、膨润土及草纤维(由小麦和水稻的秸秆粉碎得到)按质量配比为：芽孢八叠球菌菌剂0.2％，尿素18％，糖蜜12％，鸡粪28％，膨润土27％，草纤维14.8％，与水调配成50％浓度的溶液，通过喷播机向治理区域进行喷播；
(6)步骤(5)完成后，计算该区域营养改善基材用量为64t，将黄土、有机肥、保水剂及草纤维(由小麦和水稻的秸秆粉碎得到)按质量配比为：黄土60％，有机肥15％，保水剂1％，草纤维24％，与水调配成50％浓度的溶液，通过喷播机进行喷播。
该方法实施12个月后，对治理区域进行试坑渗水试验，采取试坑法，通过试坑试验测得实施后治理区域3个点位(分别为A、B、C)30cm深度的渗透系数较实施前下降幅度均超过99％，即防渗能力提升99％左右；且深层土壤(50cm深度)的渗透系数也保持较低水平，表明本发明所述方法也具有较好的深层防渗效果。
表2实施例2所述治理区域实施前后渗透系数
Figure BDA0003665998260000161
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 (8)

1.一种防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法，其特征在于，包括如下步骤：
对待修复场地顺次喷播石灰浆，第一微生物基质溶液，隔绝基材溶液，第二微生物基质溶液，营养改善基材溶液，经养护得修复完成的场地。
2.根据权利要求1所述防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法，其特征在于，所述石灰浆为熟石灰粉和水的混合物，石灰浆的质量浓度为20～40％；所述熟石灰粉的用量为5～15kg/m2。
3.根据权利要求2所述防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法，其特征在于，所述第一微生物基质溶液为第一微生物基质和水的混合液；所述第一微生物基质包括如下质量百分比的组分：嗜酸硫酸盐还原菌0.1～0.2％、糖蜜10～15％、鸡粪20～40％、酒糟5～20％、膨润土10～30％和草纤维10～30％；所述第一微生物基质的用量为0.5～1kg/m2。
4.根据权利要求3所述防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法，其特征在于，所述隔绝基材溶液为隔绝基材和水的混合液；所述隔绝基材包括如下质量百分比的组分：黏土40～60％、粘合剂1～2％和膨润土40～60％；所述隔绝基材的用量为1～3kg/m2。
5.根据权利要求1～4任一项所述防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法，其特征在于，所述第二微生物基质溶液为第二微生物基质和水的混合液；所述第二微生物基质包括如下质量百分比的组分：芽孢八叠球菌0.1～0.2％、尿素5～20％、糖蜜10～15％、鸡粪20～40％、膨润土10～30％和草纤维10～30％；所述第二微生物基质的用量为0.5～1kg/m2。
6.根据权利要求5所述防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法，其特征在于，所述营养改善基材溶液为营养改善基材和水的混合液；所述营养改善基材包括如下质量百分比的组分：黄土50～70％、有机肥10～20％、保水剂1～2％和草纤维20～40％；所述营养改善基材的用量为1～3kg/m2。
7.根据权利要求6所述防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法，其特征在于，所述第一微生物基质溶液、隔绝基材溶液、第二微生物基质溶液和营养改善基材溶液的质量浓度独立地为40～60％。
8.权利要求1～8任一项所述防止重金属矿业废弃地地表水下渗的方法在治理重金属矿业废弃地中的应用。
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