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污泥屏障控制酸性矿山废水污染的可行性研究

杨博  
【摘要】:矿山废弃物中以黄铁矿为代表的硫化矿物,在周围环境水和氧气的作用下,会氧化形成强酸性且富含重金属和硫酸盐的酸性矿山废水(Acid Mine Drainage)。酸性矿山废水对矿区环境的污染是全世界采矿业亟待解决的重要问题。采用工程手段,建造屏障,包封处置矿山废弃物,减少乃至隔绝硫化矿物与水和氧气的接触,从源头上减少酸性矿山废水的体量,是酸性矿山废水污染控制的重要手段之一。本文针对酸性矿山废水对环境的严重污染,依托还原屏障基本原理,选择生活污泥为基材,从其基本性质入手,围绕污泥屏障防渗性能、重金属固定效果及工程性质开展室内试验。以试验结果为基础,选取一铜矿进行案例分析,提出污泥屏障用于包封处置矿山废弃物的具体构想,评价污泥屏障控制酸性矿山废水污染的可行性。本文的主要研究内容和研究结果包括:(1)污泥基本性质试验研究通过室内试验测定污泥的天然含水率、风干含水率、界限含水率、有机质含量、比重、总重金属浓度、最优含水率、最大干密度等参数。试验结果表明,有机质的强亲水性及低比重是影响污泥基本性质的重要原因。(2)污泥屏障防渗性能研究以蒸馏水、稀硫酸、模拟酸性矿山废水为渗透液体,利用柔性壁渗透仪,实测压实污泥试样的渗透系数。结果显示,三种渗透液体渗流75d后,污泥试样的渗透系数降低约一个数量级,达10-11cm·s-1数量级,远低于1×10-7cm·s-1。压实污泥与酸性矿山废水呈现出良好的相容性,单就渗透性而言,完全可以满足矿山废弃物处置场的防渗要求。(3)污泥屏障重金属固定效果评价采用Tessier连续提取法,分析渗透试验前后污泥试样中重金属形态,并引入潜在迁移指数(Potential Mobility Index, PMI)的概念评价重金属的稳定性。结果表明,渗透液体及渗透时间对污泥中重金属形态分布影响并不显著。各污泥试样中,铁的主要形态是残留态,稳定性最强;锌、铜、镍的主要形态为有机质结合态,稳定性较强;镉在各污泥试样中的形态分布没有一致性的规律,但均表现出较高的可交换态与碳酸盐结合态,稳定性较差。模拟酸性矿山废水渗流作用下,污泥试样中各重金属迁移性未见明显提升。污泥屏障对除镉外的大多数重金属污染物具有良好的固定效果。(4)污泥屏障岩土工程性质试验研究分别以蒸馏水和模拟酸性矿山废水为孔隙溶液,测定污泥试样的界限含水率、压缩系数、抗剪强度。研究显示,孔隙溶液从蒸馏水置换为模拟酸性矿山废水后,污泥的液限和塑限分别从207%、57%降低至195%、53%,压实污泥的压缩系数a1-2从0.85 MPa-1上升至0.90 MPa-1,粘聚力从9.1 kPa增大至9.75kPa,内膜擦角从1.85°降低至1.64°。两种孔隙溶液的污泥均为高液限有机质土,压实后均属高压缩性土,抗剪强度也很低。(5)污泥屏障应用构想选取某铜矿为案例,构想污泥屏障的三种具体模型,分析污泥屏障的可行性。研究表明,矿山废弃物回填处置过程中,合理利用污泥的低渗透性、高压缩性和强流动性,将污泥置于矿山废弃物底部,或与矿山废弃物混合填埋,在矿山废弃物重力作用下压实后,能够形成防渗性能与重金属固定效果兼备的屏障系统,污泥屏障在酸性矿山废水污染控制中具有良好的可行性。综上所述,本文通过室内试验,解决了压实污泥渗透系数精确测定以及污泥中重金属稳定性评价的关键问题,证实了还原屏障的基本原理。此外,综合考虑污泥屏障防渗性能、重金属固定效果及工程性质,选取一铜矿为案例,提出污泥屏障应用的三种具体模型,并对其可行性展开分析,研究结果期待为污泥屏障在酸性矿山废水污染控制领域的实际应用提供科学依据。


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