生态浮床技术处理有色矿山尾矿库废水的可行性分析

高文谦，王 俊，张懿达

(1.矿冶科技集团有限公司，北京 100160；2.凡口铅锌矿，广东 韶关 512325)

有色金属矿产资源在保障我国社会经济发展和国防现代化等方面发挥了重要作用。然而，在矿山开采过程中，因废水排放、废石场和尾矿库压占破坏土地等原因将不可避免地对周边环境造成一定的不利影响[1-3]。其中，尾矿库废水的超标排放是造成环境污染的影响因素之一。除厂前回用外，其他选矿废水以尾矿浆的形式通过输尾管道输送至尾矿库，从而形成尾矿库废水。该废水不同于矿山开采产生的酸性废水，其水质更为复杂，包括pH、悬浮物、COD和重金属等污染因子[4]。长期以来，国内外学者对尾矿库废水处理技术进行了深入的研究。各矿山企业也针对自身水质特点分别采用物理法、化学法、生物法或组合技术建设了废水处理工程，但实际运行过程中均在一定程度上存在一些问题，例如：药剂等耗材消耗量大、管道等设备易结垢堵塞、产渣量大、能耗高、占地面积大、存在二次污染风险等。目前国内所采用的尾矿库废水处理技术均为“异位处理“(即尾矿库外)，投资成本高，因此开发尾矿库废水”原位处理“技术，降低投资运行成本，建立免/低维护的处理系统，同时兼具景观改善提升作用将是今后的研究方向之一。例如：借鉴地表水体(河流、水库、湖泊)原位治理的成熟工艺，在进行工艺优化调整、施工方法改进等研究后运用于尾矿库的废水处理。

本文介绍了生态浮床技术在地表水体治理领域的研究应用现状，对生态浮床技术用于尾矿库废水处理进行了可行性分析，就未来实际应用提出了系列建议。

1 生态浮床技术的研究应用现状

1.1 生态浮床技术的概念

生态浮床技术的概念，最早于1988年由SVEN Hoeger提出。作为一种水体生态修复技术，在20世纪70年代开始应用于德国的富营养湖泊治理[5]。生态浮床也称生态浮岛、生物浮床或人工浮床，针对地表水体富营养化问题，利用生态学原理除氮、除磷、降解水中的COD等。生态浮床以水生植物为主体，运用无土栽培技术原理，以高分子材料或沸石、活性炭等为载体，以海绵、椰子纤维、生活污泥等为基质，利用生态物种间的共生关系，通过植物根系的吸收、吸附和根际微生物的降解等作用削减水体中的污染负荷，最终实现水质净化，同时营造水体景观。

生态浮床的类型很多，根据浮床构造的不同，分为干式浮床、湿式有框浮床和湿式无框浮床。在国内外实际工程中，湿式有框浮床因抗水力冲击能力强、易固定、耐用等优点被广泛使用，占到了70%[6-7]。湿式有框浮床一般包括浮床框架、浮床床体、水下固定装置和水生植物4个部分。

1.2 生态浮床技术的净化机理

生态浮床技术对水体的净化主要通过以下几个途径实现：

1)植物生长过程通过须根系的扩展不断吸收水体中的无机氮、磷等营养物质以及重金属，然后由根部向地上部转移，再经植物光合作用形成生物量。植物收割后，实现水体中氮、磷、重金属等污染物的削减。

2)植物浓密的网络状须根具有天然的过滤吸附和阻滞作用，阻滞能够延长水力停留时间，水体中的悬浮物通过须根的过滤吸附形成污泥团后沉淀。

3)植物通过光合作用在根系附近释氧从而形成好氧-厌氧-缺氧的环境体系，根系的生物膜通过微生物的硝化、反硝化等作用促进氮的转换、有机物的分解、重金属的吸附和吸收降解。

4)相比藻类而言，浮床植物对氮、磷营养物质的竞争吸收能力更强，形成的生物量明显大于藻类，浮床的遮光作用以及浮床植物根系的分泌物质也抑制了藻类大量繁殖，从而防止“水华”、“赤潮”现象的发生。

1.3 生态浮床技术的研究应用现状

1.3.1 浮床结构优化设计与组合研究

传统生态浮床技术已较为成熟，近年来研究人员对浮床结构不断进行优化设计，也开发了一系列的强化生态浮床技术。李艳枫等[8]设计了一种新型复合生态浮床，由顶部植物吸收利用和鸟类生存区、基质吸附处理和鱼类生存区、微生物挂膜强化处理和小型水生动物生存区和沉水植物吸收区四部分组成。该复合浮床对氮、磷的去除率高于普通浮床，且更有助于增加浮游植物的多样性，提高水生态系统的稳定性。曾冠军等[9]在生态浮床中增加曝气装置，与普通生态浮床进行对比研究，采用鼓风间歇曝气后对总氮、总磷的去除率分别达到93.17%、53.28%，均提高了10%左右。李京鸿等[10]提出一种简化生态浮床设计方法，进行了浮床结构复核，验证了选材的合理性，并通过软件工况模拟提出浮床安装和运行过程需加固处理的位置。

1.3.2 浮床床体材料和基质研究

生态浮床床体材料和基质的选择非常关键，其性能好坏关系到整个浮床系统对污染物的去除效果。开发新型床体材料和基质对于提高污染物的处理效率、降低投资成本、降低环境风险等具有十分重要的意义。汪银梅等[11]研究了以竹丝、稻草和轻质陶粒作为生态浮床基质对浮床植物和废水脱氮效果的影响，结果表明稻草和竹丝基质的浮床脱氮效果最佳，水生植物代谢酶和生长速度最快。常雅军等[12]以天然矿物海泡石、膨胀蛭石、工业炉渣、粉煤灰以及微生物固定化载体海藻酸钙(包埋反硝化聚磷菌-DPAOs)制成浮床复合基质，并在基质中接种微生物，在浮床上种植黑麦草，对城市生活污水和池塘富营养化水体进行净化效果研究，总磷的去除率高达96%以上，总氮去除率达到80%以上，可解决植物浮床磷去除效果较差的问题。针对目前绝大多数浮床床体材料难降解的现状，吴平凡等[13]提出利用稻草秸秆为主要原材料制备可降解的浮床床体材料，稻草秸秆在高温浸泡后进行热压、冷却，再采用疏水剂浸渍，所制作的秸秆床体材料无论防水性能还是物理机械性都能够满足要求。

1.3.3 水生植物筛选研究

水生植物筛选是生态浮床技术的核心。植物对污染物的去除具有选择性，吸收能力也不尽相同，且单一的植物物种因生长周期等原因也无法形成稳定的生物群落。因此，水生植物的筛选和优化配置就显得尤为重要。李文芬等[14]选取美人蕉、芦苇、水葱、凤眼莲、水芹菜5种珠海当地常见植物为研究对象，以构建珠海珠武涌水体治理的浮床植物体系。试验结果表明，对水体中总氮、总磷、氨氮、COD的吸收能力较好的为美人蕉、凤眼莲和芦苇。但凤眼莲繁殖太快，会影响生态浮床乃至区域水体的植物群落。虽然水葱株高增长最大，水葱和水芹菜根系发育最好，但易生虫害且老枝易枯黄。试验最终确定以美人蕉为主，芦苇为辅，水葱和水芹菜作为衬托来构建河涌治理的生态浮床植物体系。美人蕉在北方地区难以越冬，吴黎明等[15]引种了冬季半绿植物黄菖蒲和四季常绿植物西伯利亚鸢尾，同时组合新型的人工水草，与美人蕉进行水质改善比较研究。其中黄菖蒲的氮、磷去除效果最好，其次为美人蕉、西伯利亚鸢尾和人工水草。因黄菖蒲和西伯利亚鸢尾耐寒能力强，可以越冬，可选择作为城市水体生物浮床水质改善的主要植物。蒋跃等[16]选取美人蕉、再力花和千屈菜3种当地常见植物作为研究对象，以构建上海淀山湖生态浮床工程。3种植物的生长特性及氮、磷吸收的优化配置研究结果表明，美人蕉和再力花的成活率高于千屈菜，且千屈菜出现了明显的病虫害。对氮、磷吸收能力最强的分别是再力花和美人蕉。不同面积混栽时，比单独种植吸收的氮或磷要高，因此应结合富营养化水质特征来优化配置混栽比例。

1.3.4 生态浮床技术应用现状

生态浮床技术因具有占地小、投资少、免/低维护、治理效果好、无生态风险和二次污染风险、改善区域景观环境等优势[17-19]，越来越多应用于河流、湖泊、水库的水质改善工程。

生态浮床的雏形出现在公元3世纪我国南方地区，最早只是用于水稻种植，浮床的载体材料由植物根系和茎的聚集体或秸秆编织物构成，中美洲(如墨西哥)和南亚(如缅甸)也有类似使用历史。20世纪50年代，有研究人员将浮床作为鸟类栖息地和鱼类产卵场，这也为之后研究动植物生长与水质净化的相互作用机理提供了思路。20世纪70年代，德国ESTMAN公司开发了生态浮床的新用途，首次将该技术应用于湖泊富营养化治理，对水质净化起到了一定的效果。1995年第六届世界湖泊大会在日本召开后，该技术迅速得到推广和应用。日本在霞浦湖、土浦港、琵琶湖、八郎泻、手贺沼、印幡沼等地构建生态浮床总面积7万m2以上，应用效果良好。在霞浦湖的隔离水域开展的生态浮床示范工程结果表明，生态浮床水面覆盖率为25%时，能够削减94%的植物性浮游生物，总氮、总磷和COD去除效果明显，同时也能通过植物根系富集吸收一定的重金属物质。此外，浮床的覆盖对于藻类的生长繁殖具有显著的抑制作用。浮床覆盖水面外的藻类生物量是覆盖范围内藻类的10倍。

近年来，我国人工浮床技术的研究和应用处于快速发展期，实施了无锡五里湖、杭州南应加河及古心河、上海徐汇区金家塘、北京什刹海、南京太湖梅梁湾等多项湖泊、河道治理工程，均取得了不错的效果。

国内外生态浮床技术应用工程实例，见表1。

表1 国内外生态浮床技术应用工程实例

2 生态浮床技术用于尾矿库废水处理的可行性分析

2.1 尾矿库废水的来源、特点

尾矿库废水是选矿废水以尾矿浆的形式进入尾矿库后自然沉淀而产生的废水，主要污染物包括pH、悬浮物、重金属和COD。选矿废水在厂前处理回用水量较少，大部分排至尾矿库，因此尾矿库废水水量很大。选矿过程残留的选矿药剂如黄药、起泡剂等是废水中COD的主要贡献来源[23-24]，在尾矿库干滩和水面经长时间的水解、氧化和光解等作用一部分能够转化为其他物质，一部分仍残留于尾矿库废水中，具体表现为一定浓度的COD。此外，六偏磷酸钠作为浮选工艺常用的抑制剂或分散剂，也会在废水中以磷酸盐形式残留。选矿过程未完全利用的水玻璃、碳酸钠等，在废水中起到了分散剂的作用，使得尾矿细小颗粒与药剂形成胶体粒子悬浮在水中难以沉降，表现为悬浮物浓度较高，但一般经尾矿库长期自然沉淀后，浓度有所下降。原矿中的重金属元素在选矿过程部分进入精矿和残留于尾矿，其余则以离子形式存在于尾矿库废水中。

2.2 可行性分析

为节约水资源，提高水循环利用率，绝大多数矿山企业将尾矿库废水(库内澄清水)泵回选厂循环使用，尾矿库的溢流水则通过废水处理站处理达标后排放(未设排污口的企业除外)。库内澄清水仍含有选矿药剂、悬浮物和重金属，不经处理直接回用于选矿工艺流程，易造成污染物累积且影响选矿指标。对于执行废水特别排放限值的地区，还需对尾矿库废水中的悬浮物、COD和重金属等污染物进行深度处理。目前，将生态浮床技术用于尾矿库废水处理的研究工作和实际工程案例尚未见报道。因此，若能采用生态浮床技术对尾矿库废水进行原位处理，既可以满足废水回用于选矿的指标要求，又能实现尾矿库溢流水的达标排放。

应用生态浮床技术对去除重金属离子也具有明显的效果。张晓斌等[25]以生态浮床技术处理电镀行业重金属废水，通过植物优势种筛选发现，凤眼莲和水芹对电镀废水中的锌、铜、铬的去除率均在80%以上。林海等[26]以负载挺水植物(芦苇、菖蒲、空心莲子草)、浮水植物(凤眼莲、菱)和沉水植物(狐尾藻、伊乐藻、黑藻、田字草)的立体式复合生态浮床对南方某河道的重金属污染进行治理，在5千米河道共布置200组生态浮床单元，根据水流特点按“S”型布置，经工程验证处理效果良好，河道下游钒、镉、铬、铅4种重金属均达到地表水Ⅱ类标准。因此，借鉴已有研究成果和工程案例，根据尾矿库废水水质特征，通过水生植物筛选和配置组合，在理论上可以达到同时去除重金属、COD、悬浮物等污染物的目的。

尾矿库废水呈弱酸或弱碱性，而聚氯乙烯、聚苯乙烯等高分子材料作为生态浮床的载体，海绵、椰子纤维等作为浮床的基质，均不会受到腐蚀影响。如采用活性炭或沸石等作为浮床载体，除耐酸碱外，还能吸附废水中的重金属和有机物，有利于生物挂膜和微生物附着，对微生物降解污染物起到促进作用。因此，生态浮床的载体和基质材料可选范围广，适用于尾矿库废水的酸碱水质特征。

尾矿库废水积存于库内，所形成的水面受尾矿排放造成的冲击影响较小，呈静流或缓流状态。生态浮床技术既适用于河流类的持续流动水体[22]，也适用于湖泊类的静态水体[27]。因此，尾矿库的水流特征不是采用生态浮床技术的限制性因素。

尾矿库废水所形成的水面面积大，若采用生态浮床技术，浮床单元用量多，在安装和运行过程中需防止应力断裂现象的发生。在施工工艺方面，可借鉴生态浮床在水库治理领域的成熟经验。

3 结论与建议

生态浮床作为一种水体生态修复的“原位处理”技术，已成熟应用于河流、湖泊、水库等多项地表水体水质改善工程，对氮、磷、悬浮物、COD、重金属等污染物的去除效果显著。生态浮床的结构优化设计与组合、床体材料和基质选择、水生植物筛选等随着研究的不断深入，也成果颇丰。从有色矿山尾矿库废水特点、水生植物筛选、床体和基质材料耐腐蚀性、废水流态、施工工艺等方面进行分析，将生态浮床技术应用于尾矿库废水处理，原则上是可行的。同时，就未来实际应用提出以下建议：

1)加强水生植物筛选和配置模式研究。筛选的水生植物要对尾矿库废水具有较强的适用性，既可以耐酸/碱，适应当地气候条件，又能通过混栽配置同时去除悬浮物、COD、重金属等多种污染物，形成长期稳定的生物群落，有效改善区域景观环境。

2)加强生态浮床结构的优化设计与组合研究。尾矿库废水形成的水面大且深，生态浮床的水生植物根系对深层水域的污染物净化能力有限，因此，应在生态浮床的结构设计上加强创新，确保其高效运行。

3)考虑水生植物的收割问题和安全性。由于水生植物通过根系、茎、叶富集了水体中的重金属，生物群落演替或季节变化导致植物枯死后应及时收割进行安全处置，以避免造成二次污染，同时防止对尾矿库废水溢流口的堵塞。另外，从食品安全角度考虑，不建议选择进入食物链的植物品种。

4)考虑尾矿库废水对水生植物的养分供应问题。尾矿库废水中氮、磷等可供植物吸收的营养组分含量较低，应采取保证水生植物成活率以及后期养护抚育等人工干预措施。