酸性废水污泥在重金属矿业废弃地生态修复中的应用

文_杨涛涛 朱冉冉

1.广东桃林生态环境有限公司 ； 2.中山大学生命科学学院

1 重金属矿业废弃地的性质及基质改良研究进展

1.1 重金属矿业废弃地的性质

重金属矿业废弃地是一类极端的生境，主要体现以下方面：①不良的土壤结构和组成，矿业废弃地的土壤通常表现为结构不稳定和砂石过多，土质成分少，从而影响植物种植。②营养极度匮乏，有机质及N、P、K等营养元素含量严重不足，不利于植物生长。③重金属等有害离子含量过高，对植物的生长产生严重抑制作用。④极端的pH，给几乎所有植物的生长带来了严峻考验。⑤持水保肥能力差，导致干旱问题。⑥盐分过高，引起生理干旱。这些极端的理化条件对植物的生长造成了严重的阻碍。因此，在实施植被恢复工作之前，必须对矿业废弃地进行基质改良，控制产酸、降低重金属毒性、改良物理结构和改善营养状况，从而有利于后续植物的定居和生长。

1.2 重金属矿业废弃地基质改良研究进展

目前对于重金属矿业废弃地基质改良有两种思路。第一种思路是直接对矿业废弃地的本底土壤添加改良材料进行改良，使得其满足植物生长的条件。常用的改良材料主要包括石灰、生物炭、作物秸秆、蘑菇渣、各类粪肥，以及氮肥、磷肥等无机肥料。其中，石灰在重金属矿业废弃地的改良中应用广泛。添加石灰除了具有中和酸性的作用以外，还能够显著降低土壤的重金属毒性，但施加过多的石灰可能会影响植物对营养元素的吸收。有机改良材料相比于无机化学改良材料，其具有效果持久的优点，并且往往还具有多重效果。第二种思路是直接在原有土壤上覆盖一层适合植物生长的基质，例如其他区域采集的表土等。但由于大多数矿区表土资源匮乏，且采集表土势必会对取土点环境造成严重破坏。因此，有学者提出将一些工业、矿业废弃物与其他材料合理配比，综合利用，制成适合植物生长的人工土壤用于矿业废弃地修复，以减少对表土的需求。例如，李冰美等（2017）的研究发现，将活性污泥、炉渣、粉煤灰、保水剂、少量土壤和秸秆按照合适的配比混合制成人工土壤，高羊茅具有良好的出苗率，可以用作矿山边坡修复的基质材料。

2 酸性废水污泥应用于重金属矿业废弃地生态修复的可行性分析

酸性废水污泥是酸性矿山废水处理过程中产生的固体废弃物。酸性矿山废水通常pH较低，甚至可以达到2.0以下，重金属离子含量高，是最主要的矿山污染源之一。目前最常用的处理技术是中和法，该方法是向酸性废水中投加石灰、石灰石等碱性物质，提高废水的pH值，使得金属离子与氢氧根离子发生反应生成难溶的氢氧化物沉淀，从而达到去除污染物的目的。中和法是目前比较成熟的一种方法，其优点是费用低、适用范围广、操作简单、管理方便，但缺点是结垢严重、污泥产量大。

事实上，由于在废水处理过程中加入了大量石灰等碱性物质，酸性废水污泥通常呈碱性，可用于中和矿业废弃地土壤酸性。例如，采集了10个大宝山矿的酸性废水污泥，经检测其pH均值达到了8.1（表1）。而且，污泥颗粒细小，具有较好的保水性，可用于改善矿业废弃地土壤物理结构，增加废弃地的持水能力。酸性废水污泥的重金属含量虽然较高，但用于同样重金属严重超标的重金属矿业废弃地，对废弃地重金属的含量并不会有太大影响，不会带来新的环境污染问题。酸性废水污泥在一定程度上具备了用作矿业废弃地基质改良材料的特征，其不足是N、P等营养元素含量低。经检测，大宝山矿酸性废水污泥的全氮含量仅有0.13g/kg，全磷含量低于检出限0.07g/kg（表1）。可以考虑将其与有机肥料或其他改良物如微生物菌剂等按适当比例混合，制成合适的矿业废弃地基质改良材料。掺混后的酸性废水污泥也有两种利用途径，一种用作改良材料施用于矿山原土壤；另一种是直接覆盖成为新的人工植物生长基质。通过以上途径，可以满足矿业废弃地植物生长的需求，实现酸性废水污泥的综合利用，一方面，以废治废，避免污泥的高昂处理费用；另一方面，减少了石灰等其他改良材料的使用，可以一定程度上降低修复成本，达到双赢的效果。

表1 酸性废水污泥及修复样品的理化性质检测结果（平均值）

3 酸性废水污泥在大宝山矿废弃地的应用实践

为了实际验证酸性废水污泥在重金属矿业废弃地的应用效果，2019年初在广东省大宝山矿进行了野外试验。

大宝山矿是一座以铁铜为主的大型多金属矿山，目前采用中和法处理酸性矿山废水，大量污泥的处置已经成为困扰大宝山矿的难题。选取的试验区域位于大宝山矿铁龙区域，总面积为3000m2，该区域土壤酸化严重，pH低至2.9。

考虑到施工的便利性，采用直接覆盖的思路，具体操作为：将酸性废水污泥与鸡粪按照10∶1的质量比混合后制成人工土壤，并按8g/kg的用量添加微生物菌剂，然后直接覆盖于原土壤上用作植物生长的基质，覆盖厚度约30cm。选择种植的植物主要考虑耐性植物和乡土植物品种，同时兼具乔灌草结合，包括：宽叶草、狗牙根、百喜草、黑麦草、斑茅、胡枝子、苎麻、盐肤木、小叶女贞、刺槐、马尾松等。半年后，对试验区进行取样，采集了20个修复后的样品，同时进行了植被调查。结果表明，酸性废水污泥与鸡粪混合制成人工土壤并添加微生物菌剂，能够满足植物的生长需求，半年后植被的覆盖度达到了95%，植物整体平均高度约50cm，且植物品种具有多样性。

与酸性废水污泥相比，修复后样品的重金属有效态重金属含量显著降低，其中有效铜含量从修复前的111mg/kg下降至42mg/kg，下降了62%；有效镉含量从修复前的3.2mg/kg下降至1.8mg/kg，下降了44%。由于添加了鸡粪等有机改良物，修复样品的营养元素含量相比酸性废水污泥显著提升，总碳、全氮、全磷分别达到了41g/kg、3.5g/kg、1.0g/kg，为植物生长提供了良好的营养条件。

从经济效益上分析，每修复1m2的矿业废弃地可消耗约0.27m3的酸性废水污泥，按重金属固废上千元每吨的处置价格，可产生数百元的间接经济效益，同时可节约4%～8%的改良材料直接成本。

4 结语

酸性废水污泥的处置是矿企面临的重大难题之一。本文从酸性废水污泥的理化性质分析出发，提出了酸性废水污泥综合用于重金属矿业废弃地的处置模式，并通过在大宝山矿进行的野外试验，初步验证了该模式能够取得良好的应用效果和较为显著的直接、间接经济效益，应用前景广阔。当然，不同地区、不同类型矿山的酸性废水污泥具有一定的差异，未来仍需对该利用模式进行更深入的研究和改进工作，并就合理性、经济性、潜在的环境风险等进一步分析评估，以期能够早日实现大规模的工程化应用，为建设资源节约型社会、绿色矿山提供技术支撑。