有色矿山废弃物堆场土地复垦与生态修复

有色矿山废弃物堆场土地复垦与生态修复北京矿冶研究总院周连碧Tel:6329950113910306175Email:[e-mail]主要内容•一、矿山废弃物堆场的生态影响•二、尾矿库无土复垦与农作物种植技术•三、酸性废石堆场边坡复垦技术•四、强碱性赤泥堆场边坡复垦技术•五、与发达国家矿区生态恢复的差距与对策一、矿山废弃物堆场的生态影响金属是国民经济发展重要的基础原材料，近年来，中国已成为有色金属生产、消费均居世界第一的大国，产业整体实力显著增强，在国际同业中的地位明显提高。中国有色金属工业协会统计显示，１０种有色金属产量连续13年居世界第一。矿石特点•我国资源本身就具有中低品位资源多、复杂共生矿多、矿床规模小的特点。随着矿产资源的开拓强度越来越高，我国能利用的矿产资源呈现出品位越来越低、位置越来越边远、埋藏越来越深的大趋势，并且相当一部分资源储备都在青藏高原的生态环境脆弱区。矿区SPOT卫星影像图露天采矿场德兴铜矿采矿场是我国最大的露天采矿场，铜厂采区面积达5.52平方公里，采区设计境界上口尺寸为2300米×2400米，最高台阶标高为+506米，最低为-220米，年采剥总量6600万吨。地形坡度：陡坡一般60~70°、岩质坡表层物质：表面为岩石，未风化；无表土覆盖；土壤肥力：有机质、N、P、K、土壤微生物极低潜在污染物：在雨水淋溶作用下有的产生污染物（酸性岩）。北京矿冶研究总院BeijingGeneralResearchInstituteofMining&Metallurgy尾矿库我国各类金属矿尾矿的堆存总量约60-80亿吨，且每年以3亿吨的数量增加。德兴铜矿4号尾矿库是亚洲最大的尾矿库总设计库容为8.35亿立方米太原钢铁尖山铁矿尾矿库•地形坡度:坡度一般1:2-1:4、沙质土坡•表层物质:表面为尾砂，颗粒细、未风化；•土壤肥力:有机质、N、P、K、土壤微生物极低;•潜在污染物：在雨水淋溶作用下有的产生污染物（酸、碱、重金属）;•持水保水能力:极弱;抗风势水蚀能力弱;尾矿库废石堆场•有色金属矿山废石年产生量达1.06亿吨，平均1t有色金属产品要排出几百吨、上千吨的废石，历年堆存量已达数十亿吨，占地约500km2。一个生产矿山产生的排土场达6座排土场•地形坡度：岩土的自然堆积角:35-40°、•表层物质：一般为土、砂、砾、石混合物，未风化；颗粒大小极不均匀；•土壤肥力：有机质、N、P、K、土壤微生物极低•潜在污染物：在雨水淋溶作用下有的产生污染物（酸、重金属）。•持水保水能力:极弱每生产1t氧化铝要排出0.9-1.3t赤泥。我国存放的赤泥量已经达到6000多万吨，占地100多万hm2。赤泥堆场赤泥堆场边坡RedmudStack酸性水污染•地形坡度：地形起伏不规整、盆地形、U形、V形；岩土的自然塌落角:45°、垂直•表层物质：一般为土，局部土砂岩混合物•土壤肥力：有机质、N、P、K、土壤微生物较低•潜在污染物：在雨水淋溶作用下有的产生污染物（酸、重金属）。•持水保水能力:视塌陷地情况。塌陷地山西襄汾新塔矿业公司“9·8”特别重大尾矿库溃坝事故。尾矿库溃坝泄容量为26．8万立方米，过泥面积30．2公顷，死270多人。BGRIMM针对有色金属矿山开发中产生的废弃物堆场环境与生态问题,开发了有色金属矿山尾矿库无土复垦技术和有土农业种植技术；酸性废石堆场和赤泥堆场两类污染型堆场的复垦技术。建设了三类废弃物堆场的生态修复和重建技术示范场.冬瓜山铜矿水木冲尾矿库边坡无土复垦工程德兴铜矿酸性废石堆场修复工程平果铝土矿赤泥堆场生态修复工程BGRIMM2尾矿库无土复垦与农作物种植技术我国不少矿山尾矿库建在山区，土源缺少，特别是南方不少矿山已无土可取，不少矿山需要购置耕地解决尾矿库覆土土源问题。因此，针对国内矿山生产中遇到的实际问题，开发无土复垦技术，是亟待解决的新型课题。为根本解决这一问题，重点研究开发基质改善、防治污染的综合治理技术，包括建立人工复合基质，改善尾矿种植基质，使之不用覆盖土壤，实现重建植被、植被正常生长的尾矿库无覆盖土壤的复垦系列技术，解决土源和降低复垦费用。构建、改良基质体系恢复和重建技术集成砂生植被固砂体系构建砂生植被恢复与重建技术砂生植物抗贫瘠技术集成群落生物多样性技术研究砂生植被恢复的保障技术尾矿库生态恢复技术ReviewecologicalrestorationmeasurefortailingsdamBGRIMM实验室研究尾矿基质调研植被重建研究基质改良与优化配置01020304050607080901000.0080.020.060.10.280.60分布％粒度分布％累积分布％粒度mmBGRIMM中试研究植被重建研究基质改良与优化配置植被品种筛选与配置结果表明：香根草、三叶草、苜蓿、沙打旺适宜性强；高羊茅发芽率极高，抗热性表现不佳，可作为前期先锋植物品种种植。植配合试验中，品种香根草+三叶草＋狗牙根适生性极强，抗旱能力好的优势，覆盖度高，达到90％以上，是最佳的植物配置模式。铜尾矿废弃地无土复垦应用研究BGRIMM筛选出了耐旱、抗贫瘠、根系发达的植被品种紫花苜蓿香根草狗牙根高羊茅沙打旺高羊茅不同生长期的植株根系发育（自左至右依次为2、3、4个生长季根系）红三叶、杂三叶根系3季生长植株及根系VR生长期4个月根系发育发达的白三叶根系沙打旺根系长达2m针对尾矿库及边坡特征筛选出有强大根系的护坡固砂植物样地选择铜陵有色金属集团股份有限公司狮子山铜矿的杨山冲尾矿库。基质改良（1）基质熟化和增肥试验；（2）菌剂试验；（3）保水剂试验铜尾矿废弃地无土复垦应用研究备注：I不施加肥料II施加一种本试验设计的微量元素组分的复合肥料（BB）III同时施加BB和人工有机粒肥（OG）两元肥料研究结果表明，试验筛选出最佳熟化增肥条件是BB和OG肥同时施用；品种直接接种微生物菌剂可促生长；TC保水剂有保水效果，但需综合各因素考虑采用。尾矿库复垦后昆虫等动物回迁调查结果0204060801001234对照组1999－61999－122000年植被时间粒级（层深0－50mm）％0.002mm0.05-0.02mm0.05-2.0mm0204060801001234原地尾砂1999－61999－122000复垦时间年粒径变化％0.002mm%0.02-0.05mm%0.05-2.0mm%植被促使地表尾砂转化成土壤的变化BGRIMMYSC尾矿库植被恢复前后YSC尾矿库无土复垦BGRIMMWGL尾矿库复垦WGL尾矿库植被恢复前后水木冲尾矿库边坡无土复垦边坡小区试验AstragalusadsurgenPullBGRIMM尾矿库边坡无土复垦尾矿库无土复垦实施效益分析铜尾矿废弃地无土复垦应用研究毛家湾尾矿库农业种植研究绿肥改良不良生长基质尾砂尾矿库复垦前地表尾砂、土壤物理化学性状分析结果与分析尾砂具有沙质土壤结构，持水力较差缺乏粘土和有机质，阳离子代换量低缺乏有效氮和磷，营养力低尾砂颗粒凝聚力差，对作物苗期生长不利尾砂含有200~500mg/kg的铜和50~150mg/kg的钴，这些是食物链中重金属的潜在来源，其它重金属含量都较低。结果与分析铜尾砂中重金属元素赋存形态尾矿库中尾砂的重金属赋存形态以有机物结合态和残渣态为主。Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As、Hg、Mn的有机物结合态和残渣态含量分别占到各元素全量的86.38%、83.13%、74.60%、59.52%、55.35%、64.44%、62.50%、69.00%，且有机物结合态的比重较大，原因极有可能是由于在选矿过程中加入了有机药剂，另外排放入库的废水中含有大量的有机物质，结果与分析铜尾砂中重金属元素赋存形态对于可交换态，Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As、Hg、Mn分别占到各元素全量的7.79%、1.04%、5.29%、12.5%、10.23%、10.2%、10%和10.21%，可见新鲜尾砂对环境的危害不明显。.在分析尾砂和土壤性状的基础上，确定了中条山毛家湾尾矿库初期小区试验的主要内容包括：覆土厚度试验，作物品种筛选试验，施肥水平试验，重金属影响分析，绿肥试验，防风沙缓冲带试验等。在毛家湾尾矿库研究设计了四种土壤覆盖方法：小区田间试验复垦实验区花生、玉米等作物长势0100200300400500600花生高粱玉米大豆T1T2T3T4各处理条件下作物产量图(kg/亩)1结果与分析不同覆土方式对农作物产量影响A2区和A3区的作物产量明显高于A1区和A4区。且A2区的花生、高粱分别达到3309kg•hm-2和8083.5kg•hm-2，高于当地的平均产量，玉米为4269kg•hm-2，与当地亩产量持平。大豆由于在结荚期遇到大旱，产量受到严重影响，基本无收成。不同覆盖方法小区的平均产量方差分析结果表明，花生小区的平均产量A2与A1的差异显著性达到=0.05水平，A2与A4达到=0.01水平。A2与A1、A4的差异显著性达到=0.01水平，A3与A1、A4达到=0.05水平。各处理方法之间玉米产量无差异显著性。毛家湾尾矿库的尾沙、土壤中的重金属浓度(mg/Kg)AsCdCoCuCrNiPbZnT1190.69143029333020T2140.68029036393037T3180.66423035353039T4150.6143240303055产品中重金属分析－高粱AsCdCoCuCrNiPbZnT10.20.020.2550.80.70.218T20.20.020.3250.70.20.217T30.20.020.2150.60.20.217T40.20.020.4450.60.20.216食品中污染物限量（GB2762-2005）0.20.1--1.0-0.2-重金属分析结论毛家湾尾矿库作物产品中的重金属浓度与原有种子的含量相当或略高，远远低于尾沙土壤中的含量，并且符合食品卫生标准。由于尾沙中的碳酸盐含量高，大大降低了重金属在土壤水中的溶解度，使作物对重金属的吸收量明显降低。BGRIMM3酸性废石堆场边坡复垦技术针对有色金属矿山废弃物中残存相当高的硫化物，氧化产生强烈的酸性水，并挟带大量的重金属离子，开发酸性废弃物堆场生态恢复技术。通过覆盖不同隔离层、施加改良剂、等技术集成，大大提高植被成活率和生态修复效果。建立典型有色金属酸性矿山废弃地生态恢复示范场，为进一步推广提供科学依据。典型示范工程查明酸性堆场污染控制的最佳时机富家坞废石场废石动态NAG试验结果（第一步）富家坞废石场废石动态NAG试验结果（第二步）类芦白喜草胡枝子盐肤木波斯菊筛选出耐酸性强、适生的植被品种；马棘坡面隔离层设计坑栽隔离层设计德兴铜矿水龙山废石场边坡生态修复（等高线法）施工坡面分区图坡面施工处理图◆隔离层设置防止酸性废石堆场污染的控制技术1）隔离层设置2）堆场污染的改良剂推荐了尾矿膏体、稻壳、石灰、蛭石等作为种植基层的改良剂；3）坡面设置生态棒为防止陡坡基层下滑，确保植被层厚度并均匀分布，坡面设计生态棒；修复工程技术和施工工艺BGRIMM水龙山酸性排土场生态修复示范工程水龙山酸性排土场生态修复前后BGRIMM酸性排土场平台覆土改良生态修复示范工程酸性废石堆场生态恢复技术通过技术攻关，从全过程控制的角度出发，开发的酸性废石堆场生态恢复技术达到国内领先水平，研究成果获得了部级科技进步二等奖，并获得国家专利2项，其中发明专利1项。实践表明，该技术成果具有广阔的推广前景。该技术的最大特点首先是通过酸性固废堆场防止产酸研究，提出从源头上阻隔、抑制堆场酸性发生的根本技术，在此基础上，进行酸性固废堆场生态修复研究，形成了金属矿山酸性废水处理及源头控制技术。其次筛选出适合酸性固废堆场生态修复的植物品种及配置模式，解决目前酸性固废堆场植被恢复的一大关键问题。BGRIMM4强碱性赤泥堆场边坡复垦技术针对赤泥堆场中含有高浓度的碱、盐和坝体的安全稳定性问题，开发强碱性赤泥堆场生态修复技术。优化废弃物堆场边坡稳定性分析及工程技术，掌握赤泥基质改良及其植