一种含硫矿山固体废弃物的原位污染控制方法与流程

1.本发明属于矿山固体废弃物污染控制领域，具体涉及一种含硫矿山固体废弃物的原位污染控制方法。


背景技术：

2.随着我国工业社会的飞速发展，矿产需求量越来越大，在矿产资源的开发利用过程中产生了大量的固体废弃物。这些固体废弃物的地表堆存不仅会占用大量的土地，还会对周围的生态环境构成严重的威胁。尤其是含有硫或金属硫化矿物的固体废弃物，例如含铁硫化物废渣，在土壤和地质体的氧化和水解作用以及氧化铁硫杆菌、氧化硫硫杆菌等微生物的催化作用下，导致包括硫酸、硫酸盐、亚硫酸盐在内的产物的释放，产生强酸性矿山废水。同时，酸性废水促进了废弃物中的重金属离子由固态不溶物转变为可溶的游离态，随着时间的推移及环境条件的改变，通过废弃物孔隙下渗进入底垫土壤或通过地表径流进入下游水文系统和地下水中，造成整个矿区甚至大区域上的土壤和水体污染，进而影响到了动植物和人体的健康与安全。此外，部分自然风干的固体废弃物的粒径小且质量轻，在风的吹动下可扩散到大气中，造成更大范围的环境污染。
3.针对上述问题，采取有效的含硫矿山固体废弃物的污染控制措施具有重大的实际意义。其中一种方法是物理覆盖或阻隔，较常用的是以天然土壤、黏土、处理后的矿渣、石子为覆盖层，形成单一覆盖或多层覆盖的结构，从而避免了雨水的渗入。专利cn205914499u公开的“一种土壤重金属矿山废渣阻隔结构”，在矿山废渣上设置覆盖层，有效的用于隔离降雨与废渣的接触。专利cn105642642a公开了“一种含硫化物的矿山固体废弃物堆填场的复合封盖结构”，由下至上由三个具有不同渗透系数、基质吸力和厚度的子层形成的复合封盖层，能够使堆填场表层保持足够多的水分，从而减少或消除进入堆填场内部的空气，避免在堆填场内部形成可供硫化物氧化产酸的条件。然而此类结构往往对气候环境的耐受性差，在干旱地区无法对土层中的水分形成有效滞留，在多雨地区易产生水土流失，在干-湿或冻-融循环下发生开裂而丧失阻隔效果，因此在实际使用过程中会产生诸多问题。另一种水覆盖法是在固体废弃物表面覆盖一层不透水的膜，然后在膜上蓄水，从而阻隔氧气的扩散渗透。但这种结构工程造价相对较高，且对蓄水后场区的安全性要求较高。含硫矿山废弃物的环境ph较低，一些技术利用化学中和的原理，通过在含硫固体废弃物上施加石灰或其他可产生碱性的物质来中和硫化物氧化产生的酸。专利cn107552559a通过在酸性矿山废弃地表面设置以碱性物质和重金属稳定剂构成的生态隔离层，来实现对于酸性土壤的中和以及土壤中重金属的稳定。由于所使用的碱性材料会逐步被消耗，使得上述方法虽可在短期内起到一定的酸抑制作用，但并不具有长期持续性。此外，存在通过矿山废弃物中的微生物活动来对污染进行控制，一些方法利用污泥、堆肥等有机性固体废弃物为好氧微生物提供养料，通过有机物的分解作用消耗氧气，从而减少废弃物内部的氧气含量。与化学中和方法类似，此类方法对氧气的阻碍效果会随着有机物的消耗大幅降低，难以持续。另一种方法是在固体废弃物表面喷淋或内部注入抑菌液，通过抑制氧化金属硫化物的菌类的活动，从源头
上控制酸性矿山废水的产生。例如，cn106745562a以苯甲酸、山梨酸等食品用防腐剂配置抑菌液，cn110860554a以植物促生菌、溶磷菌或硫酸盐还原菌配置微生物菌剂，将其分别注入到硫化尾矿、废石堆和酸化矿山土壤内部，改变微生物的群落结构，尤其是降低铁硫氧化产酸微生物的相对丰度，达到原位控制酸性矿山废水产生的目的。
4.然而，目前开发的技术和方法多为从氧气渗透阻隔、内部氧消耗、酸中和或硫化菌活动抑制的单一角度来达到含硫矿山固体废弃物的污染控制目的，通常面临着实施工艺复杂、实施条件严格、控制成本高等限制。研究表明，利用多种方法联合作用可突破单一方法中存在的诸多限制，从而提高效率。因此对于简单、高效的一体化含硫矿山固体废弃物的原位污染控制技术的开发意义重大。


技术实现要素：

5.为了达到含硫矿山固体废弃物的原位污染控制的目的，本发明提供了一种物理-化学多效耦合的方法，利用多种协同作用达到对矿山固体废弃物的原位污染控制的目的：1）在矿山固体废弃物表面覆盖润湿的活性炭毡进行物理阻隔，控制矿山固体废弃物扬尘的产生；2）在炭毡与阳极间施加电场，利用电解水反应在阴极表面对h

的消耗以及制造的还原环境抑制矿山固体废弃物的氧化和重金属的浸出，同时利用碳材料的吸附性和导电性对溶出的重金属进行吸附和电沉积固定；3）矿山固体废弃物周边的阳极对重金属离子产生电排斥作用，使重金属向矿山固体废弃物内部和阴极方向迁移，抑制其向环境中的扩散，实现在同一体系中含硫矿山废弃物污染的多效控制。本方法工艺流程简单，所需材料廉价易得，适用范围广，不产生二次污染，在单一体系中即可完成多种方法的协同作用，对矿山固体废弃物的原位污染控制效率高。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种含硫矿山固体废弃物的原位污染控制的方法，包括如下步骤：1）将活性炭毡覆盖于废弃物表面，向炭毡表面施加水使得炭毡被润湿；2）围绕活性炭毡边界在固体废弃物堆体等距离插入电极，以活性炭毡为阴极，堆体中电极为阳极，施加直流电场；3）维护与持续控制，定期对步骤1）所述的活性炭毡进行润湿，在完成一个周期后对活性炭毡进行更换，富集在炭毡上的重金属通过解析或溶解后回收，活性炭毡经处理后循环利用。
7.优选地，所述步骤1）中的活性炭毡为纤维棉状、蜂窝状或海绵状的一种，厚度为1-100 mm，碘吸附量为1000-5000 mg/g。
8.优选地，所述步骤1）中的水的施加方式为喷洒式，通过喷洒水将炭毡的含水率控制在20-70%。
9.优选地，所述步骤2）中的电极为导电性强的惰性电极，电极形状为板状或柱状，设置电极数量为2-20，电极表面积为0.1-10 m2。
10.优选地，所述步骤2）中施加的电场强度为0.5-6 v/cm。
11.本发明原理：阻隔原理：在含硫矿山固体废弃物表面覆盖活性炭毡可有效的阻碍粉尘在风的作用下扩散到空气中造成的扬尘等污染。
12.含硫矿山固体废弃物表面ph提升原理：在酸性环境中阴极发生电解水反应消耗h

，如下式（1）：（1）重金属的吸附和固定原理：具有高比表面积的活性炭毡可有效的吸附含硫矿山固体废弃物中溶出的重金属离子，同时在电沉积的作用下通过式（2）反应沉积在炭毡上，实现重金属的固定：（2）重金属电迁移原理：在直流电场的作用下，阳极对重金属离子产生电排斥现象，抑制重金属离子向环境中的扩散。
13.本发明具有以下有益效果：1）以活性炭毡作为含硫矿山固体废弃物表面覆盖层，有效的抑制了扬尘的产生，同时由于湿润的炭毡可形成阻隔层，防止外界空气中的氧气对于含硫矿山固体废弃物的氧化。
14.2）以炭毡为阴极，利用电化学反应可在含硫矿山固体废弃物表面构建还原环境，抑制了重金属的浸出和酸性废水的产生，此外炭毡对于重金属的吸附和电沉积可对已溶出的重金属进行富集、固定，通过定期更换活性炭毡达到重金属的回收和炭毡的重复利用。
15.3）含硫矿山固体废弃物堆体周围分布的阳极在直流电场的作用下对重金属离子产生电排斥作用，抑制重金属离子向环境中的扩散。
16.4）本方法工艺流程简单，所需材料廉价易得，适用范围广，不产生二次污染，在单一体系中即可完成多种方法的协同作用，对含硫矿山固体废弃物污染的控制效率高。
具体实施方式
17.以下结合具体实施实例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
18.实施例1对某含硫铅锌矿山固体废弃物进行污染控制，待处理废弃物堆体尺寸约为10 m
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12 m
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2 m，具体处理包括以下步骤：1）将厚度为10 mm纤维棉状活性炭毡覆盖于铅锌矿山废弃物表面，向炭毡表面喷洒水使得炭毡被润湿，含水率为30%；2）围绕活性炭毡边界等距离插入10根柱状石墨电极，每根电极的表面积为0.314 m2，以活性炭毡为阴极，堆体中石墨电极为阳极，施加2 v/cm直流电场；3）维护与持续控制，每天对步骤1）所述的活性炭毡进行润湿，以30天为一周期对活性炭毡进行更换，富集在炭毡上的重金属通过解析或溶解后回收，活性炭毡在处理后循环利用。
19.通过对固体废弃物堆积区周边及下游地表水、地下水水质和土壤进行长期监测，未发现严重影响。
20.实施例2对某黄铁矿废渣堆进行污染控制，待处理废渣堆体尺寸约为25 m
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18 m
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1 m，具
体处理包括以下步骤：1）将厚度为50 mm海绵状活性炭毡覆盖于黄铁矿废渣堆体表面，向炭毡表面喷洒水使得炭毡被润湿，含水率为70%；2）围绕活性炭毡边界等距离插入8块板状钛电极，每块电极的表面积为0.77 m2，以活性炭毡为阴极，堆体中钛电极为阳极，施加6 v/cm直流电场；3）维护与持续控制，每5天对步骤1）所述的活性炭毡进行润湿，以45天为一周期对活性炭毡进行更换，富集在炭毡上的重金属通过解析或溶解后回收，活性炭毡在处理后循环利用。
21.通过对黄铁矿废渣堆周边及下游地表水、地下水水质和土壤进行长期监测，未发现严重影响。
22.实施例3对某硫化铜矿废石堆进行污染控制，待处理废石堆体尺寸约为21 m
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10 m
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1.5 m，具体处理包括以下步骤：1）将厚度为100 mm蜂窝状活性炭毡覆盖于硫化铜矿废石堆表面，向炭毡表面喷洒水使得炭毡被润湿，含水率为50%；2）围绕活性炭毡边界等距离插入18块板状钌电极，每块电极的表面积为0.48 m2，以活性炭毡为阴极，堆体中钌电极为阳极，施加1.2 v/cm直流电场；3）维护与持续控制，每3天对步骤1）所述的活性炭毡进行润湿，以30天为一周期对活性炭毡进行更换，富集在炭毡上的重金属通过解析或溶解后回收，活性炭毡在处理后循环利用。
23.通过对硫化铜矿废石堆周边及下游地表水、地下水水质和土壤进行长期监测，未发现严重影响。
24.实施例4对某矸石堆固体废弃物进行污染控制，待处理废弃物堆体尺寸约为15 m
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18 m
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1.4 m，具体处理包括以下步骤：1）将厚度为30 mm纤维棉状活性炭毡覆盖于铅锌矿山废弃物表面，向炭毡表面喷洒水使得炭毡被润湿，含水率为45%；2）围绕活性炭毡边界等距离插入12根柱状不锈钢电极，每根电极的表面积为0.565 m2，以活性炭毡为阴极，堆体中不锈钢电极为阳极，施加4 v/cm直流电场；3）维护与持续控制，每天对步骤1）所述的活性炭毡进行润湿，以50天为一周期对活性炭毡进行更换，富集在炭毡上的重金属通过解析或溶解后回收，活性炭毡在处理后循环利用。
25.通过对固体废弃物堆积区周边及下游地表水、地下水水质和土壤进行长期监测，未发现严重影响。
26.以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。