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第 50 卷 第 3 期有色金属设计Vol.50 No.32023 年 9 月Nonferrous Metals DesignSept.2023收稿日期:2023-06-20作者简介:施灿海(1988),男,云南洱源人,高级工程师。主要研究方向:固废(尾矿)处理处置及生态修复。矿业废弃地污染防控技术及工程实践施灿海,蓝蓉,傅灿,黄乔云,孙高月,刘明生(昆明有色冶金设计研究院股份公司,云南 昆明 650051)摘要:矿业废弃地治理因解决“人地矛盾”而兴起,目前研究的重点和热点已经转变为解决“人污矛盾”,主要集中在重金属污染、矿山酸性废水、土壤化、综合利用及工程实践四个方面。文章以赤水河流域某历史遗留硫磺冶炼废渣综合治理及生态恢复项目为实施案例,通过环境风险调查和评估、岩土工程勘察、风险管控+生态修复、实施效果评估的技术路线,历史遗留矿业废弃地中的酸性废渣和酸性废水得到了有效防控,已成为区域(流域)污染防控的典型案例和示范工程。关键词:矿业废弃地;污染防控;冶炼废渣;工程实践中图分类号:TD167文献标识码:B文章编号:1004-2660(2023)03-0001-06Pollution Prevention and Control Technology and Engineering Practice of Mining WastelandSHI Canhai,LAN Rong,FU Can,HUANG Qiaoyun,SUN Gaoyue,LIU Mingsheng(Kunming Engineering&Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.,Ltd.,Kunming Yunnan 650051,China)Abstract:The treatment of mining wasteland rises because of solving the contradiction between man and land.At present,the focus and hot spot of research have changed to solving the contradiction between man and pollu-tion,mainly focusing on heavy metal pollution,acidic wastewater from mines,soilization,comprehensive utili-zation and engineering practice.Taking a historical sulfur smelting waste residue comprehensive treatment and ecological restoration project in Chishui River Basin as an implementation case,through the technical route of environmental risk investigation and assessment,geotechnical engineering investigation,risk control+ecologi-cal restoration and implementation effect evaluation,acidic waste residue and acid wastewater in historical min-ing wasteland have been effectively prevented and controlled,which has become a typical case and demonstra-tion project for regional(basin)pollution prevention and control.Keywords:Mining wasteland;Pollution prevention and control;Smelting residue;Engineering practice0 引 言矿业废弃地,国内外学术界尚无统一界定,与其相近的概念有“棕地”“工业废弃地”“采矿迹地”等1。随着社会经济的发展与工业化进程的推进,矿山开采带来巨大经济效益的同时,遗留了众多难以利用的矿业废弃地,如何对其进行生态修复与再利用成为学者们的研究热点2。矿业废弃地深度研究主要集中在解决“人地矛盾”的土地复垦,涵盖植被恢复、景观改善中的基质土层、物种优选及地表空间开发等问题3。植被恢复技术4,工程措施和生物措施相结合的方式5,综合治理了区域典型的矿产开发历史遗留“人地矛盾”问题。“人地矛盾”是直观的,更容易引起政府、企业、研究机构和矿区周边居民的关注。与之相比,“人污矛盾”是复杂、长期、隐蔽的,曾长期未能引起足够的重视。有色金属设计第 50 卷1 矿业废弃地污染研究进展近 10 年来,矿业废弃地污染防控的研究主要集中在以下几个方面。1.1 土壤重金属污染重金属污染土壤修复的重要性、修复原理、使用条件及风险评估已经形成较为系统的研究6,7。植物对重金属的耐受和富集在矿山废弃地治理中发挥了作用8,高羊茅、早熟禾、黑麦草以及沙棘可以作为先锋植物品种应用于治理区的植物修复工程中9。1.2 矿山酸性废水矿山酸性废水的研究也得到了关注10。酸性水渗入对重金属释放迁移能力的影响,化学-微生物法协同的煤矸石山酸化污染原位控制技术,掺加生灰石处理含硫废水等均取得了研究成果和工程治理效果11-13。1.3 土壤化对矿业废弃地在人为条件下的快速风化成土也成为了研究热点。早期研究普遍认为人工改良是赤泥土壤化的前提14,但近期有研究发现,在没有采取任何人工修复的前提下,赤泥堆场的表层赤泥发生了自然成土现象15。昆士兰大学Haynes 团队对人造土壤的配置和使用也进行了综述性的研究,主要研究内容为有机和无机废物的主要用途16。1.4 综合利用和工程实践对于历史遗留废渣综合利用、废弃场地修复和复垦,有关学者和工程师开展了大量的研究工作17,18。基于风险管控思路的废弃污染场地修复成为了新的解决途径,亦积累了部分工程经验19,20。目前,在无法对点源污染彻底消除的条件下,可采用风险管控措施,控制面源污染,削减矿业废弃地对生态环境和人居环境的不利影响。2 工程案例2.1 项目背景项目位于赤水河源头某县境内,水系见图 1。治理范围占地 300 余亩,历史遗留硫磺冶炼废渣约 200 万 m3。项目采用“风险管控+生态恢复”的方式进行综合处置。图 1 项目水系图Fig.1 Water system of the project2.2 存在问题历史遗留废渣制约区域生态环境保护,影响长江上游生态屏障建设。工程实施所需防控的污染问题主要有:土法冶炼过程中的固废直排,区域发展历史遗留废渣导致生态破坏;废渣流失 40 多年,直接进入下游河道和周边居民生产生活区;废渣大面积裸露,导致滑坡、崩塌、水土流失;区域水环境不同程度被污染;处置范围内植被破坏,景观损毁。2.3 处置工艺该项目结合污染调查分析、岩土工程地质条件和项目治理配套资金,采用“原位风险管控+生态恢复”模式对历史遗留硫磺冶炼废渣(酸性废渣)进行综合处置。风险管控为废渣防流失、阻隔控制、适生植物配比、污水收集处理、运行监测管理的集成技术,工艺流程详见图 2。3 处置工程措施3.1 废渣防流失措施3.1.1 废渣场平对无序堆积的废渣进行场地平整,消除历史遗留废渣流失过程中形成的高陡边坡。采用Civil 3D 软件进行废渣整平和回填设计,可实现废渣裸露面清除并兼顾项目总体表面阻隔设施布设。在地形沟口位置设置 7 m 高度拦渣坝,两侧设置 2.5 5 m 高度挡土墙对废渣堆积面进行拦挡,满足堆积边坡稳定和废渣防流失的技术要求。2施灿海,蓝蓉,傅灿,等:矿业废弃地污染防控技术及工程实践图 2 工艺流程图Fig.2 Process flow chart3.1.2 矿洞封堵处置范围内分布有 4 个矿硐和采空区,其中1 号矿硐推断地质断面见图 3。经分析采空区顶板满足场地稳定安全要求,为防止矿硐长期风化导致局部垮塌后的废渣流失、废渣堆积体失稳及表面防渗层破坏,需对矿硐进行处置。矿硐倾斜向下约 30,封堵方法采用圬工封盖法,处理的步骤:清理洞口浮石、草木、并冲洗;M10 砂浆灌基岩裂隙;C25 砼灌注/C25 毛石砼封堵(A、B、C 3 区),见图 4。图 4 矿硐封堵图Fig.4 Blocking of ore loading chamber3.2 阻隔控制措施工程阻隔措施主要包括周边雨水截流,拦挡设施地基竖向阻隔,场平扰动废渣中和处理及场平完成后的废渣堆积范围表面阻隔。3.2.1 周边雨水截流根据地形地质条件,设置周边雨水导流设施。导流设施断面按水文、水力计算结果分段设置,过水断面 b(宽)h(高)=0.61.50.81.6 m,满足截流要求的同时节省工程投资。图 3 场地矿硐(1 号)推断地质图Fig.3 Inferred geological map of ore loading chamber(No.1)3有色金属设计第 50 卷3.2.2 废渣中和处理投加剂选用生石灰(CaO),投加量 0.35%0.65%(质量比,平均投加量0.5%)。在废渣综合处置整平过程中清挖的废渣和零星堆存点清理的废渣,均和生石灰进行拌和。3.2.3 表面阻隔对废渣进行场平和扰动废渣中和处理后,实施表 面 阻 隔。阻 隔 结 构 为:废 渣+土 工 格 栅(TSGS50-50)+400 g/m3长丝土工布+1.0 mm 厚单糙面 HDPE 土工膜+6.3 mm 复合土工排水格网。3.2.4 竖向阻隔在废渣拦挡设置轴线位置设置竖向阻隔设施。该项 目 采 用 帷 幕 灌 浆,一 排 三 序,孔 距2.0 m。灌浆边界向左岸和右岸各延伸 2.0 m,底界进入相对不透水层 3.0 m,幕体渗透系数达到10-6 cm/s。3.3 适生植物配比项目实施过程中选择了灌草结合的方式实现植物生态恢复。根据废渣表面阻隔需要,筛选了浅根系、耐酸、耐寒的灌木刺梨。草籽采用播撒黑麦草单一草籽和紫花苜蓿、黑麦草、狗牙根、高羊茅草、白三叶、宽叶草混播两种方式进行对比,最终优选出黑麦草、紫花苜蓿、百花三叶、高羊茅草混播的草籽配比。植被恢复效果见图 5。3.4 污水收集处理3.4.1 最大处理量采用云南省气象台 30 年(19712000 年)地面气象资料整编计算场地的水平衡。a黑麦草b黑麦草、紫花苜蓿等混播图 5 适生植物配比Fig.5 Proportion of suitable plants(Ww+Wj)-(Wy+Ws+Wk+Wh)=W式中:Ww 废渣带入水量;Wj 降雨量;Wy 蒸发量;Ws 渗漏量;Wk 废渣残留水量;Wh 回水量;W 盈余量。经计算,处置工程为盈水系统,最大盈余水量为 8 月,水量为 1.13 万 m3,按 30 d/月计算,最大污水处理量为 377.5 m3/d。处置工程设置了完善的雨水截排设施,加之 1.0 mm 厚 HDPE 土工膜作为场内雨水阻隔层,渗滤液将逐渐减少。3.4.2 调节池结构调节池采用 C25 毛石砼结构,设计尺寸:l(长)b(宽)h(高)=1572 m,容积为378 m3。收集池内设置防渗层,防 渗 结 构 为400 g/m3土工布+1.0 mm 单糙面 HDPE 土工膜+400 g/m3土工布(黑色),四周设 H=1.8 m 高的金属栏杆。3.4.3 收集导排及处置废渣场平完成后底部设置排渗盲沟,控制坡度0.02,导排主盲沟断面为倒梯形上底宽4施灿海,蓝蓉,傅灿,等:矿业废弃地污染防控技术及工程实践3.9 m,下底宽 1.5 m,高 1.2 m。盲沟由土工布(400 g/m3)包裹碎石组成,内铺 HDPE 透水花管管径为 200 mm。废渣渗滤液由盲沟沿沟底穿过拦渣坝有序进入调节池。导排管出口设置岔管,端头设置DN200 阀门,配合调节池交替使用。对收集池内收集的渗滤液投加生石灰,水质监测达到地表水类水体要求后直接外排。3.5 运行监测管理为监测治理后硫磺冶炼废渣渗滤液对地下水的污染,共设地下水监测井 5 口。另需开展地表水、工程设计安全观测、日常环境管理等。4 实施效果通过技术路线的具体实施和关键技术的应用,对历史遗留无序堆存 40 多年的矿业废弃地进行综合处置和生态恢复。项目实施 10 个月后,主要防控因子 pH 值达到 地下水质量标准GB/T 148482017 中 II 类标准,见图 6。图 6 项目实施前后监测数据Fig.6 Monitoring data before and after project implementation项目实施前废弃窑炉和废渣无序堆积见图 7。项目实施后生态环境及实施效果见图 8。a废弃窑炉b废渣无序堆积图 7 项目实施前生态环境情况Fig.7 Ecological environment before project implementation图 8 项目实施效果Fig.8 Project implementation effect5有色金属设计第 50 卷 该项目的实施可改善流域水质、促进区域生态文明建设、保障项目区人居环境,社会和生态效益显著。5 结 语(1)采取废渣防流失、阻隔管控、适生植物选别、污水收集处理和运行监测管理集成技术后,实现了风险管控和生态修复。(2)在项目运营阶段,加强项目实施完成后的长期生态环境监测,并对监测结果专项分析,进一步量化项目实施效果。待各项生态环境监测指标稳定达标后,风险管控范围将和周边的生态环境融为一体。(3)技术成果已成功应用于区域 7 个历史遗留硫磺冶炼废渣综合治理项目,已初步完成技术推广。(4)今后,需加强固废处理处置工程无基质土壤积累、先锋植物筛选等方面的技术研发和工程应用。参考文献:1周小燕.我国矿业废弃地土地复垦政策研究D.江苏:中国矿业大学,2014.2关钊,谢红彬,罗琳,等.近 30 年中国矿业废弃地生态修复及再利用研究热点及趋势分析J.中国矿业,2022,31(5):18-26.3宋梅.矿业废弃地地表空间生态开发及关键技术M.北京:社会科学文献出版社,2019:187-226.4张素娟,黄智凯,李亚敏.郴州地区矿业废弃地及矿山边坡植被恢复技术J.甘肃农业科技,2015,(6):93-94.5李明辉,贾平,袁莉.川西北龙门山中段石灰岩矿区矿业废弃地生态恢复治理研究J.水土保持研究,2007,14(1):187-189.6Liu L W,Li W,Song W P,et al.Remediation techniques for heavy metal-contaminated soils:principles and applica-bilityJ.Science of the Total Environment,2018,633:206-219.7刘洋,刘明庆,王磊,等.云南某废弃硅厂周边农田土壤重金属污染评价J.农业环境科学学报,2022,41(4):785-793.8Meerts P,Van Isacker N.Heavy metal tolerance and accu-mulation in metallicolous and non-metallicolous popula-tions of Thlaspi caerulescens from continental EuropeJ.Plant 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