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冶金矿山生态修复技术的进程

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摘要:冶金矿山废弃地是对矿产资源进行开发利用时在地球表面留下的“疤痕”。近年来,冶金矿山废弃地的生态修复工作受到越来越多的重视。阐述了冶金矿山废弃地生态修复的必要性及国内外现状;详细介绍了国内外铁矿废弃地常用的土壤改良技术、植被恢复技术、边坡治理技术,以及再利用模式;同时指出了加紧开展废弃矿山的生态修复工作,应当成为今后我国环境治理的重点。

关键词:冶金矿山;废弃地;生态修复;土壤改良;边坡治理

冶金矿山行业涉及面广、产业关联度大,是国家经济建设的重要基础。但在矿山的开采过程中,会不可避免地挖掘和破坏山体、毁坏林地和耕地、挤压动植物的生存空间,造成严重的水土流失和生态系统退化,形成大片的裸露山体和废弃矿场;在资源的加工过程中,会副产大量的固体废弃物,如废石、尾渣等,它们堆弃占用土地,破坏耕地,释放有毒物质,并向周围环境迁移扩散,通过食物链在动植物体内和人体中富集,威胁矿区生物的多样性和矿区居民的正常生产生活,制约区域经济的可持续发展[1-6]。随着矿产资源的日益贫化,这些问题日趋严重,因此,对矿山废弃地进行生态修复,恢复其原有功能,已经刻不容缓。

1冶金矿山废弃地的生态现状

冶金矿山废弃地指在矿山开采过程中因被污染、占用或破坏,以致暂时失去利用价值的土地[7]。根据其成因,矿山废弃地可分为五类:(1)排岩场。由被剥离的表土、被剥采的废石以及缺乏深加工价值的低品位矿岩堆弃而成,堆积体结构松散、不稳定,自然条件下很难风化粉碎,表层植被生长困难;(2)尾矿库。由矿石经洗选加工后产生的尾渣泵送堆积而成[8]。尾渣粒径小、质地松散、表层干燥、保水能力差,尾渣会持续向外界释放有毒物质,尾渣毒性很强,植被难以存活[1-2];(3)露天采坑。露天开采埋层较浅的矿床所形成的凹坑,通常直径较大、挖掘较深,表层岩石风化严重,植被立地条件差,难以形成植被覆盖[9];(4)塌陷区。矿区地下大量开采后,地质条件不稳定,地面塌陷所形成的块状、带状凹陷区域,塌陷区地表破碎、难以复垦,塌陷坑四周封闭,坑内常年积水[10-11];(5)压占地。为开发矿山所修建的辅助设施,如建筑物、公路等,它们会占用大量土地,在矿山停采后,这些区域被水泥、砌石、砖瓦等覆盖,难以复垦。我国在20世纪50年代就开始了矿山废弃地的生态修复工作,但受限于当时的观念和技术水平,这项工作一直处于零星、小规模状态,并未完全发展起来。针对矿区严重破坏的情况,国家相继出台了多项举措,一方面规范和引导矿区土地复垦工作[12],同时明确矿企在矿山修复工作中的责任,增强了企业的责任意识,政企联合,加快了我国矿山废弃地生态修复的工作进展[13],截止2016年底,我国已累计投入修复资金近千亿元,累计修复土地上百公顷,资助研发、推广了近200项先进治理技术,生态修复工作取得显著进步[14]。然而,我国矿区污染面积大,污染程度深,而多数矿企习惯了“先污染后治理”的生产模式,历史欠账多,使得环境治理资金需求量巨大。在当前持续低迷的矿业形势下,矿区土地的修复费用主要由政府财政拨款提供,资金缺口很大[15]。截止2016年底,我国矿山废弃地的修复率仍不足30%,与其他矿业发达国家50%~70%的平均修复率相距甚远,废弃土地修复工作不容乐观[13]。国外矿山的生态修复工作可追溯到19世纪末,到20世纪中期已经开始了系统化、规模化的治理工作,并在法律法规、管理方式和修复技术等方面获得了大量的成功经验。澳大利亚实行矿产开发、土壤改良与生态恢复相结合的“三位一体”管理模式,促进了矿区土地复垦和生态修复工作的进展[12];美国的矿山土地复垦工作始于20世纪30年代,现已形成了健全的法律体系和完善的管理制度,废弃土地复垦率高达85%,其首创的复垦保证金制度已被许多国家学习采用[16]。德国在矿区土地复垦方面投入了大量的人力和财力,目前德国废弃土地的复垦率已经超过90%[13]。相比较而言,我国矿山废弃地的生态修复工作任重而道远。

2冶金矿山的生态修复技术

矿山废弃地地表大多坑洼不平、浮石凸起,铁矿等金属矿废弃地地表还散落有许多硬度大、难以破碎的低品位矿石。在进行土地复垦前,应首先利用推土机、压路机等大型设备对其地表进行平整处理,使区域附近地表性质尽量均一化,减小土壤改良和植被恢复的阻力,为后续复垦工作创造有利条件。矿山废弃地土壤重金属污染严重,氮、磷、钾等营养元素严重缺失,土壤结构性差,在不进行人工干涉的情况下,矿区植被很难恢复。因此,修复矿区污染土壤是矿区植被恢复和生态重建的前提。

2.1物理修复技术

土壤的物理修复技术包括表土转移和客土回填两种。表土转移指在矿山开采前将区域内表层土壤收集保存,待闭矿后再重新覆盖的方法[17],在这个过程中,虽然地表植被被完全破坏,但土壤中的营养元素和种子库得以很好保存,能够加快植被的恢复速度[18],表土转移法仅适用于新开矿山和新建尾渣场,在西欧国家的铁矿露采场应用较为广泛。客土回填指直接将区域内原有表土全部移除,回填适于植被生长的耕植土,在表面形成0.1~1.0m厚的覆盖层,以达到土壤改良的目的,Mago-ba等[19-20]在大量实验后发现,覆土厚度与植被覆盖率的增量成正相关关系,当覆土厚度为30cm时,区域内植被的覆盖率能提高近70%。该法效果明显,但需要外借耕值土,费用昂贵。湖北黄梅马尾山铁矿通过经济技术比较后采用了表层客土全覆盖、乔灌草间植的方式进行植被恢复,对防治水土流失和改善区域环境起到了很好的效果。

2.2化学修复技术

矿山废弃地普遍酸碱化过度,土壤pH值严重偏离正常范围,不适于植被生长,必须添加酸碱调节剂进行基质改良。对于酸化土地,可以施用石灰、碳酸氢盐等进行基质改良[22],刘珊珊等[23]探究了用石灰调节南京紫金山铜矿堆浸场pH值的可行性,发现在浸场表层持续喷撒石灰一段时间后,能够显著提高基质表层的pH值,但由于渣堆厚度较深、下层尾渣酸化严重,因此对渣堆深处的pH值没有明显调节效果,这对于铁尾矿库表层基质的改良可起到一定的借鉴作用。对于碱化土地,可以投入石膏、碳酸氢盐、硫酸亚铁等来中和基质的碱性[24]。Na+含量过高容易导致土壤板结,石膏中的Ca2+能够有效地替换Na+,降低土壤碱性,疏松土壤,改善水分、空气和有机质的流通条件。当土壤酸碱度过高或失调时间过长时,宜采用“少量多次”的方法施加调节剂,这样既能保证药剂的持续效力,增强调节效果,又能节省药剂。重金属处理是土壤修复的关键,利用化学物质(包括钙酸盐、含磷材料、铁氧化物、铁盐、ED-TA、α-淀粉酶、腐殖酸等)的吸附沉淀、氧化还原、催化还原、络合等作用,可以在一定程度上达到重金属离子固定的目的,显著减弱重金属离子的迁移能力[25-31]。铁矿废弃地中存在的重金属主要有铜、镉、铅、锌等,Ca2+对这些重金属离子有明显的拮抗作用,可以有效缓解其毒性,向废弃土地中喷撒药剂可阻碍农作物对它们的吸收,保证农产品安全[32]。EDTA通过螯合作用可以固定多种重金属离子,且对土壤中的微生物群落几乎不产生影响,是目前广泛应用的铁矿废弃地重金属淋洗剂[33]。黄凯[34]将有机肥和泥炭的混合试剂经过特殊工艺处理后,用于修复铅锌矿尾矿库污染土壤。Wu等[35]利用黏土、生物炭成功研制出一种具有网状结构的新型纳米复合材料,能促使有毒的Cr6+转化成无毒的Cr3+,大大简化了土壤的修复步骤,提高了修复效率。另外,利用城市污泥较强的黏性、持水性和保水性,将其用于土壤改良,既能够提高土壤肥力,改善土壤的团粒结构,又能以废治废,促进城市固体废弃物的资源化再利用[36-37]。另外,从城市污泥中提取出的一些菌株还能对Cr6+起到还原作用,可有效去除其中90%的Cr6+,实现铬渣堆六价铬的高效治理[38-39]。

2.3生物修复技术

生物修复技术指利用酶、菌类及土壤动物等的新陈代谢作用来降低土壤中有毒、有害物质的浓度,从而达到土壤修复目的的一种技术。赵永红等[40]认为,植物与降解菌的协同作用,可显著增加土壤中降解菌的数量,提高降解菌的活性,改善植被的根际微环境,促进植被对养分和水分的吸收,促进植被的立地生长,加快土壤环境的改善速度。Denny等[41]研究发现,在土壤中接种菌根,菌根分泌物能够增强土壤中重金属离子的迁移能力,增强植被的抗性,促进植物对重金属离子的吸收,加快土壤的净化速度。Boyer等[42]研究了土壤动物蚯蚓对土壤中重金属的净化作用,发现蚯蚓既能够吞食土壤中的重金属,又能够疏松板结土壤,增加土壤孔隙度,改善土壤的物理结构。徐池[43]对用不同驯化浓度/时间筛选出的赤子爱胜蚯的生理指标进行了系统比较,通过急性毒性试验和彗星试验确定了该种类蚯蚓的耐性最佳驯化条件,用该最佳条件筛选出的赤子爱胜蚯对重金属有强提取作用,利用蚯蚓的吞食作用来改善重金属污染土壤具有广阔的应用前景。

2.4植被恢复技术

铁矿废弃地土地贫瘠、盐碱化严重、重金属毒害作用强,经过一系列的修复措施,如表土转移、化学试剂投放等,在一定程度上修复被破坏的土壤,通过人工种植能较快实现矿区的植被覆盖,最终建立起新的生态平衡[44]。禾草植物和豆科植物经常都被用作矿山废弃地生态修复过程中的先锋植物,它们生长迅速,抗旱性强,耐贫瘠能力强,且豆科植物具有固氮能力,能够产生易于植被吸收、且缓释性能良好的有机氮,这对于贫瘠土壤的修复改良至关重要[45]。杨卓等[46]对禾草植物高羊茅和黑麦草的重金属耐受性进行了研究,发现这两种植物抗逆性很强,可在重金属污染土壤中迅速生长,能够起到防止土壤侵蚀的作用。Chen等[47]发现,香根草具有对Cd2+的强富集作用,即使在Cd2+含量极低的土壤中,叶片中所吸收的Cd2+浓度也可达218gC/hm,是铁矿废弃地中Cd的理想治理植物。此外,高山甘薯、海州香薷、酸模等对Cu有较强的富集作用,高山漆菇草、东南景天羽叶鬼针草等对Pb也有富集作用[48-52]。多季收割重金属富集植物,土壤中重金属离子浓度降低,这时可种植一些生物量更大的植物(如灌木、乔木等)来完善区域的生物群落,增强矿区的保水、保肥能力和抗逆性[53]。对于收割获得的重金属富集植物体,可采取焚烧法、高温分解法、生物解吸法、植物冶金法、液相萃取法等进行处理[54-55],其中焚烧法和高温分解法能够显著减少植物残体的体积和重量,是目前最为行之有效的重金属富集植物体处置技术[56-57]。

3冶金矿山的边坡治理技术

铁矿废弃地环境恶劣,露天采坑等区域表土几乎被完全剥离,土地结构破坏严重,水分和养分流失严重,滑坡时有发生;排岩场、尾矿库的堆积结构松散,颗粒易流动,且堆场往往势能较高,是潜在的人造泥石流发生源[11]。鉴于这些特征,除对矿区采取必要的生态修复手段外,还必须辅以边坡治理等措施,以疏通地表径流,减少基质流失,增强边坡稳定性,降低滑坡和溃坝风险。

3.1客土喷播技术

客土喷播技术是一项新型的岩质边坡绿化技术,主要利用机械搅拌设备将客土、种子、缓释肥、粘结剂、保水剂、稳定剂等充分混匀,在待修复坡面上锚杆挂网,然后利用泵和压缩空气机将基材垂直喷附到坡壁上,形成具有一定厚度的喷附层[58]。喷附层结构良好,含有植物生长所需的各种营养物质,其中的保水剂为高分子树脂材料,具有很强的储水保水能力,可吸收超过自身重量数百倍的水分,且高压下水分不脱除[59]。在种子的出苗和生长过程中,喷附层能够持续供水供肥,确保植物的正常生长,实现边坡的快速绿化。为丰富边坡生物群落,客土喷播技术通常采取草罐混植的搭配方式进行植被培育,同时选用根系发达、抗逆性强的植物种子,充分利用植物根系对土壤的加筋和锚固作用,力求达到最佳护坡效果[60]。

3.2植被混凝土技术

植被混凝土技术综合了土壤学、环境生态学、岩土力学、园艺学等多学科知识,系统考虑了边坡角度、裸岩性质、气候特征、绿化要求等条件,采用特定的混凝土配方和种子配方,将植生土、胶结剂、绿化剂、有机质、腐殖质、肥料、保水剂、草种等基础材料混匀,然后浇灌于坡壁以起到边坡防护与绿化的作用[61]。植被混凝土所用的胶结剂为普通硅酸盐水泥,将其与特制的绿化剂配合使用,能够在岩坡表面形成具有大量细密孔隙的植被生长基质,该生长基质既能像普通混凝土那样稳固边坡,又因为它独特的多孔结构,可以加快水分和养分的运输速率,营养物质供应顺畅,植被生长迅速,对裸岩边坡的治理效果良好[62]。

3.3生态灌浆技术

像排岩场这种类型的矿山废弃区域,它们的地表特征明显,堆渣呈块状、块间空隙大,几乎不存在植被生长土壤,可借鉴工程灌浆技术来对它们的边坡进行治理。将基质材料、黏土和水等按照特定的配比搅拌制浆,然后由上而下对渣堆边坡灌浆,浆体填充表面空隙,并逐渐在渣堆表层形成一层富含养分的植被生长基质,该基质层具有一定硬度和抗侵蚀能力,既防渗护坡,又适于植被生长,能够为后续的植被恢复工作奠定良好基础[11]。

3.4生态植被毯和袋技术

生态植被毯是以稻草、麦秸、玉米杆等为骨架,负载壤土、保水剂、有机质、植物种子等制备出的一种裸露边坡高效水土保持材料[63]。植被毯适用于坡度较缓的裸露边坡,能够有效减少地表径流和降水对坡面的冲刷,减少水土流失,其中含有的壤土和营养物质可以有效促进区域植被的立地生长,植被毯生产成本低、修复效果好,目前应用十分广泛[64]。生态植被袋技术是一项新型的柔性护坡技术,袋体为无纺布袋,以聚丙乙烯为原料制备而成,通常会在制作过程中添加抗老化剂,以延长植被袋的使用寿命。在进行植被袋的护坡施工时,将耐性较强的草木种子通过木浆纸附着在袋体内侧,然后向袋内装入干燥、疏松的细粒壤土,为促进植被生长,还会适量掺入缓释肥和保水剂,当袋内壤土达到密度要求后,停止装土,用专用缝纫机封口,然后堆垒护坡[65]。在工程实践中,由钢材、水泥等筑造的护坡挡墙属于硬质结构,常因局部沉降或受力不均匀而破裂;由植被袋构筑的护坡系统属于柔性结构,可在一定范围内维持结构体的稳定。生态植被袋既能够稳固边坡,减少水土流失,又能为植被的生长提供载体,增强边坡的观赏性,是一种有效的生态护坡技术。

4冶金矿山的功能化再开发

在矿山生态功能基本恢复后,可根据矿区自身属性的不同,选择恰当的发展模式进行资源的再开发利用。常见的矿山废弃地生态开发模式有三种:单一复绿模式、农业复垦模式、景观再造模式。再利用模式的选择,依废弃地的规模、环境、交通等因素的不同而不同,不同的再利用模式能够产生不同的综合效益[66]。

4.1单一复绿模式

主要适用于地理位置不佳、复垦后可获得的耕地资源有限,基本无景观开发价值的矿山废弃地,可引入水生植物,如芦苇、金鱼藻等,将其培育成人工湿地,增加塌陷区的生态稳定性;而对于一些采深较大、面积较广的露天采坑,可对其边坡和底部进行加固防渗处理,以开发成小型湖泊;特别是对于一些破坏十分严重的矿区,经人工辅助手段后即使能够在它的地表形成植被覆盖,它的生态功能也仍有可能十分脆弱,稍加干扰就会引起植被的大片枯萎、死亡,使矿区再次朝废弃土地的方向逆转,这时可通过法规条例,将其设定为自然保护区,加强监管措施,杜绝人为扰动,为矿区生态正常恢复创造有利条件。

4.2农业复垦模式

主要针对经适当修复后可被重新赋予生产力的废弃土地,如马钢姑山矿的多层次立体土地复垦模式是国内铁矿废弃地农业复垦的典型,该矿排岩场是依托矿区原有露天采坑形成的多平台堆积场,根据生态系统的多物种配置和多层次配置原则,设计出了可进行农、林、牧、渔综合开发的立体复垦结构[67],将中心积水采坑设计成鱼塘,进行水产养殖;对水塘浅水区底层土壤施以必要改良措施,进行水稻种植,同时在水稻中放养鸭、鹅等家禽;对排岩场堆积平台,则种植上防风林、生态林、经济林等,同时林间修建小道,供市民休闲之用;排岩场斜坡坡度大、渣粒多、水土流失严重,可乔、灌、草间植,增加斜坡植被覆盖率,减少降水对斜坡的侵蚀,增加排岩场的生物多样性,提高生态位的利用率。

4.3景观再造模式

对于一些具有旅游开发潜力的矿山废弃地,可以将其作为景观资源加以二次开发,为城市的可持续性发展,特别是老工业城市的产业转型提供新的着力点。德国政府综合鲁尔区当时所面临的社会、环境、资源等各方面的问题,制定出了符合自身情况的长远规划方案,确保了区域环境治理方法与区域经济发展政策的连续性,设计人员对鲁尔区的铁矿采坑、桥梁隧道以及其它矿区建筑物进行了构思精妙的景观改造,将旧矿区成功开发成了新的旅游资源[68]。辽宁抚顺是我国重要的煤炭和铁矿基地,大规模的矿床开采作业使得当地地质灾害频发,矿区百姓深受其害,抚顺市在对矿区环境进行全面调查后,以国家“振兴东北老工业基地”政策为契机,将原有废弃矿坑、采坑塌陷地成功打造成了特色旅游景区,既缓解工矿企业与当地居民的矛盾,也促进了区域经济的转型升级[69]。湖北黄石国家矿山公园是我国第一家国家矿山公园,是铁矿遗址开发的典型代表,这种开发模式既有助于保留采址的原有风貌,展现矿区曾经的辉煌成绩,又能够启迪和教育后人,增强游客的环保意识,对其它矿山废弃地的开发利用具有重要借鉴作用[66]。

5结语

矿山废弃地是区域内空气污染、水污染、水土流失的主要发生源,严重影响当地的自然环境和地貌景观,严重威胁矿区居民的生命财产安全。在耕地资源日益紧缺的今天,矿山废弃地的修复工作对于生态环境保护、经济可持续性发展、人地和谐共处和粮食供应安全具有重要意义。在我国,抓紧学习国外矿山先进治理理念,借鉴国外先进技术,加大我国矿山治理技术的研发力度,加大治理资金的投入力度,明确政府、企业和个人的责任,加快我国矿山废弃地的生态修复速度,应当成为今后环境治理工作的重中之重。

作者:杨华明;李建文 单位:中南大学资源生物学院矿物材料及其应用湖南省重点实验室

冶金矿山生态修复技术的进程责任编辑:张雨    阅读:人次