香根草系统在尾矿库治理中的作用机理与效益(论文).pdf

香根草系统在尾矿库治理中的作用机理与效益香根草系统在尾矿库治理中的作用机理与效益 朱玉平1 冯子元2 1 广东省地质局 2 广州市香根草业科技有限公司 摘要 摘要 尾矿库的安全与生态环保问题是国家尾矿库 综合治理方案 中需要解决的 5 个问题之一 也是各 种病库 险库及危库首要落实的问题 由于历史的原因 许多尾矿库的治理经费不足 科研项目滞后 实 施的技术方案也不完整 使得尾矿库在生态治理方面始终进展缓慢 根据植物学方面的专家研究 并结合 国内外成功应用的经验认为 香根草是一种南方地区用于尾矿库治理的理想物种 香根草系统则是一种经 济实用 生态环保的生物技术方案 关键词 关键词 尾矿库治理 香根草系统 植被恢复 坝体加固 地下水调节 生物燃料 1 概述概述 根据国家安监局 2008 年统计资料 南方 11 个省区的尾矿库总数为 3337 个 其中的危 库 104 个 险库 364 个 病库 1109 个 而广东省则有尾矿库总数 226 个 危库 险库和病 库分别为 8 个 10 个和 76 个 1 由于采矿生产使矿山生态结构破坏 生态功能丧失或降 低 生态环境恶化 物理性的开采造成了地表塌陷崩落 地下水位下降 边坡失稳或滑坡 塌方 而化学选矿排出的 三废 则使地表植被破坏 耕地废弃 淤积河流 形成地下水污 染 土壤沙化 水土流失 采矿过程中排出的粉尘 有毒有害气体也导致附近农业用地减产 土壤被严重污染 更重要的是 矿山开采将导致数倍于开采面积的区域地表形态发生根本变 化 而大量有毒的重金属物质和化学排放物更使普通植物根本无法生长 更多尾矿库则由于 原始设计 上游法 的缺陷 导致堆积坝的稳定性成为一个 定时炸弹 尾矿库的组成有两种形式 一种是初选后的矿渣 形状较大 形成大小不等的石砾 其 中的含土量不到 10 土壤成分极为贫瘠 另一种则是浮选后的尾矿颗粒 颗粒小于 200 目 其透水性很差 非饱和条件下比较密实 而饱和条件下则形成流动性极强的泥浆 其中 的有毒重金属和化学物含量及重 对生物的伤害最大 如何解决矿山开采后的生态破坏问题 如何治理矿山尾矿库的边坡稳定和植被恢复问 题 一直是业内一个重要的技术难题 虽然早在上世界 80 年代初 我国著名的生态学家马 世骏先生就提出了生态工程的概念 但针对尾矿库大量的有毒重金属和化学排放物质 却始 终难于找到适合于生长发育的相关物种 根据中科院华南植物研究院 环境保护部南京环境科学研究所及国际香根草网络组织的 香根草专家多年共同的探索 试验与应用总结 提出了 香根草 是解决这一难题的关键 物种 香根草系统 则是这一物种应用的技术理论依据 1 2 香根草系统及其生物特性香根草系统及其生物特性 2 1 香根草系统概念香根草系统概念 香根草 Vetiveria zizanioides 是一种根系发达 生长迅速 适应性广 抗逆性强的多 年生禾本科C4植物 2 其生物量大 根系又具有优良的力学和生物学特性 因此 是生态 工程中植被恢复 边坡加固和生态调节的一个优良物种 香根草系统 Vetiver System 则是特指 实用的 价格低廉的 维护简单的水土保持 土地稳固和修复的香根草生物工程技术 3 也即是利用香根草的根 茎 叶所特有的各 种功能作用 搭配部分当地物种对需要治理的标的规范设计 并采用特殊的施工工艺与专用 营养供给进行综合治理的一种生态工程措施 国际上又或称为 香根草技术 方案 Vetiver Grass Technology 2 2 香根草的生物特性香根草的生物特性 2 2 1 香根草的适应性 香根草的适应性 香根草无种子 靠无性分蘖繁殖 虽从国外引进 但在国内培育与 应用已经有 20 多年 完全适应了南方地区的气候与环境 并成为了十足的本土植物 其可 在 16 55 之间和降雨量 200 6000mm的条件下正常生长发育 2 其根系庞大而超长 地 下冠幅可达 80cm 根系长达 6 3m 有效根系通常在 2 3m范围 2 2 2 香根草的力学特征 香根草的力学特征 香根草的根系直径主要集中为 0 6 2 2mm 占根总数的 91 4 其中 0 6 0 8mm的占 33 2 1 2 2 2mm的占 24 9 虽然根系直径小 但其平均抗拉强度 可达到 75 80Mpa 据国内外专家的直剪试验结果 推算出其平均抗剪强度为 25Mpa 1Mpa 10 2kg cm2 相当于热扎低碳钢极限强度的 1 6 倍 8 同时 根系中由于含有较 高的精油成分 根系不易腐烂和被蚂蚁啃食而形成 管涌 导致空隙水增加而影响边坡的 稳定 4 2 2 3 香根草的生物学特性 香根草的生物学特性 由于香根草是C4植物 因而其生物总量可达 3 5 105kg hm2 2 不仅根系可以吸收与调节地下饱和水状况 而且其坚硬的茎干 可形成一道厚厚的绿篱 分散和减少裸露表土 73 的地表径流 减低水流流速 有效拦截 98 的泥沙 3 香根草还 有有极高的抗水冲刷和耐水淹性能 能抵抗 3 5 米m s流速 4 和 120 天水淹的功能 4 而其 巨大的叶片又具有较高的 蒸腾 作用 能及时调节暴雨过后的地下水分 4 增强土体的 密实度和边坡的抗滑性能 同时 由于没有种子的自然繁殖 也就不会形成杂草而侵害周边 的农业用地 2 2 2 4 香根草的抗逆性能 香根草的抗逆性能 香根草的生命力极强 可以承受含量很高的重金属如A Cd Cr Ni Cu Pb Zn Mn Se Hg Fe及化学物质如SO s 2 P2O5 烧碱等强酸 pH3 5 强碱 pH11 的环境 也可在土壤盐渍度高于ECSC 20mS cm时存活 7 9 因此香根草常常被用 于重度污染的采矿废地和高度贫瘠的土壤改良方面 3 在尾矿库中应用的作用机理与功能在尾矿库中应用的作用机理与功能 将香根草应用于尾矿库的治理 主要就是利用香根草的各种特殊性能 通过合理规范的 设计配置 经济实用的技术工艺和丰富高效的营养供给 而综合发挥其功能作用的效果 从 而使 香根草系统 方案将尾矿库的生态环境进行人工修复 实现物质循环再生产的可持续 性发展模式 香根草系统 在尾矿库中的应用 具有生态植被恢复 堆积坝边坡加固 库区地下水 调节 降解有毒物质排放和生物能源材料 二氧化碳零排放 的生产基地等五大功能的作用 效果 不仅能够降低前期的治理费用 还可以为后期的业主 或地方政府 带来长期的生态 和经济效益 3 1 植被恢复植被恢复 由于尾矿的废料渣中往往含有大量的重金属有毒物质和选矿后的高强度化学物质 普通 植物 包括野生物种 根本不能在其中生长发育 因此大多数尾矿库都是 不毛之地 而 香根草的高抗逆性能则完全能够承受这类有毒物质的侵害 一方面是排斥和过滤有毒物质的 侵袭而继续生长发育 另一方面则是通过其特殊的细胞结构吸附有毒金属物质而生长 而先 锋作用的香根草通过 2 3 年的生长和对矿渣的改良后 可以增加矿渣的营养有效成分 为其 他野生物种提供着床条件 带来更多的植物种类 从而实现生态植被自我修复的功能 事实 上国外在上世纪 80 年代前就有研究证明香根草在尾矿库中的作用 而近 20 年来 国内 国 外的香根草专家都有更多研究和成功应用在尾矿库中的实际经验 3 2 矿坝加固矿坝加固 尾矿库中的尾矿坝主要是初级坝和多级堆积坝组成 堆积坝是选矿后排放尾矿渣所形 成 堆积越高 其稳定性越差 由于没有植被覆盖 导致水土流失相当严重 侵蚀形成的沟 堑分布广泛 即使有部分矿坝采用了填埋表土层种植一些普通植物 但由于边坡不易填土 或填埋土层不够 或植物品种不适合等情况而不能成功 致使解决矿坝的稳定性始终成为一 个技术性难题 香根草的加固功能作用 在我国的水利水电 道路交通等工程建设中的边坡治理方面都 3 发挥了及其重要的作用 其原理主要是利用香根草发达的根系 在平整后的斜坡上 根据边 坡固土保水 防止浅层滑坡的要求 在较短时间内使地下 2 3 米的土层形成一定宽幅 40 60cm 和抗剪强度的生物墙 桩 钉 体 防止因雨水的冲刷和浸泡后的边坡浅层滑 坡 而在香根草篱的裸露表土之间所配置的其他草类则在地下 30cm 50cm范围内与香根草的 根系交错连接 形成高密度的地下网状结构 层层拦截松动的土层 在地表部分则充分利用 草坪对雨水的缓冲和分流作用 减少地表的水土流失 并拦截相关的营养物质 以形成完整 的生态系统链 解决土石质边坡水土流失和塌方的生态环境破坏问题 4 根据香根草根系力学数据和工程力学数据进行综合专业的计算 一个 30 45 的斜坡 面 长度约 8 10 米的堆积坝 在应用种植 10 12 行的香根草篱后 其坡面每米宽的抗滑力 可以达到 F ARNM 26 60 31 92 吨 米 11 该抗滑力完全能够满足一般尾矿库堆积坝边坡 坡比 1 3 的抗滑护坡要求 3 3 地下水调节地下水调节 矿渣多是由部分直径较大的块状石砾与颗粒细小的尾矿粒 小于 200 目 组成 其透水 性能都很差 而细小的尾矿粒在非饱和条件下是密实的 但在饱和条件下则容易形成流动性 极强的泥浆 导致边坡滑动系数增大 形成滑坡塌方危险 香根草成型后的根系庞大而深达 2 3 米以上 地上浓密的茎叶生物量高达 12 25 吨 亩 2 左右 可以形成和产生巨大的 蒸腾 效能 当干旱而缺少水分时 香根草根系拼命往下穿 插吸收水分而赖以生存 当地下水分过多时 香根草则会形成一套自然而庞大的 抽水机 系统 根系吸收大量的饱和水后膨胀而增加土体密度 而巨大的叶片则启动虹吸的 蒸腾 作用将水分排出 同时 由于香根草根系中含有较高的精油成分 即使死亡后其腐烂时间较 长 而新分蘖的根系和库体的载重很快就填补了死亡根系留下的空隙 形成地下 管涌 的 可能性极低 通过这一特殊的调节功能 可以减少尾矿库库坝和库体浅表层 地下 2 3 米范围 的饱 和水 排出多余的渗流水和孔隙水 以降低尾矿库的库水位和近表层的浸润线 并配合库尾 的排水井系统而综合稳定构筑物的变形和坝体加固 3 4 降解有毒物质排放降解有毒物质排放 矿渣中的有毒物质除了矿场本身的有毒金属外 更多的是现代选矿技术中使用的化学有 毒物质 虽然许多矿场对其 三废 的处理具有一定的要求和规范 但更多的是物理或化学 方式 由于尾矿颗粒太细 尾矿库面积又较广 因此 风力形成的粉尘和雨水形成的渗透很 4 容易导致有毒物质的反复多次排放 对周边地区的人 畜及农作物造成极大影响 香根草由于在防治侵蚀和淤积方面的高抗逆性能力 以及能耐极端土壤条件 包括金属 离子方面的特性 9 同时 地表庞大的生物量也形成了天然的屏障和吸附作用 因此 香 根草系统一方面可以防止尾矿粉尘的随风飘扬与扩散 另一方面又通过其根系的吸收与杆茎 的层层过滤 以最大限度地减少和减缓有毒物质的排放 从而实现对人 畜及农作物的安全 保障 3 5 生物能源材料基地生物能源材料基地 尾矿库的面积往往比较大 有毒物质又太多 综合治理本身就是一个难题 如果花重金 改造成具有经济效益的 经果林 并不现实 单单在土层覆盖方面就会产生大量的费用 且 面临难于取土和重新恢复剥离植被的问题 但是 利用香根草在尾矿库中的治理和生长发育作用 则是一个全新而有效的经济效益 增长点 香根草是多年生的禾本科C4植物 其生物量大 平均达到 14 吨 亩 纤维含量高 燃烧后产生的热量比其他植物高 平均达到 4000kcal kg 与中质煤相当 可替代部分石化 燃料 有效降低温室气体排放 属于可再生性二氧化碳零排放的能源材料 10 而且由于是 多年生 可以一次种植 多次收割 多年收益 因此 可以作为生物能源材料的生产基地而 产生较高的经济效益 4 国内外的应用案例国内外的应用案例 香根草系统在尾矿库应用的研究和试验始于上世纪的八十年代中期 由澳大利亚籍的国 际香根草技术总监 Paul Truong 先生带领团队在澳大利亚和新西兰的昆士兰州与布里斯班等 地的采煤 采矿的尾矿库进行了大量的研究与试验应用 获得成功后开始通过国际香根草网 络向全球推广介绍 目前 在欧美及亚非等国家都已经有多个成功应用的报道 我国植物学界的专家从上世纪的九十年代后期也开始进行这方面的研究与试验 并于 2001 年在国内的权威性学术期刊 生态学报 上发表了成功研究与应用的论文 随后也有 一些小规模的试验性应用 但是 由于跨行业交叉学科的因素 也由于矿场业主的生态意识 不够 这一关键的生态技术并没有得到相关的重视与推广 4 1 国外应用国外应用 4 1 1 澳大利亚 澳大利亚 Paul Truong先生于 1987 年开始在昆士兰州中部选择了几个煤矿与金属尾 矿进行早期研究与试验 通过选择采用了 5 个生命力极强的植物品种 香根草 Vetiveria zizanioides 盐地鼠尾粟 Sporobolus uirginicus 南方芦苇 Phragmites australis 香蒲 Typha domingensis 和 Sarco cornia 试验 210 天后 除香根草与盐地鼠尾粟之外 所有植物都 5 死光 大量实验数据结果明确香根草是多种重金属元素的排斥者 或指标植物 又是重金 属的积累者 9 研究试验和应用获得极大成功 见图 1 图 2 图 3 图 4 图 1 尾矿坝的水土流失 图 2 香根草治理情况 图 4 香根草已经基本覆盖 图 3 治理前的尾矿库 4 1 2 南非 南非 Tony Tantum 先生于 1992 年在南非的 Premier 年雨量为 800mm 和 Koffiefonteine 年雨量为 300mm 二矿的 de Beers 金刚石尾矿库进行了研究 并证明黑色 表面温度在 55 以上的尾矿库严酷条件下 大多数植物不能生长而香根草却可以存活 同 时 在铂矿和金矿尾矿库的稳定中 也获得了成功 见图 5 图 6 图 5 应用在有Fe和SO2的污水中 图 6 7 个月后的覆盖率 4 1 3 委内瑞拉委内瑞拉 2005 年 12 月委内瑞拉的香根草技术人员在一个铝土尾矿库中进行了香 根草系统的应用 证明了香根草固土护坡和植被恢复的效果 见图 7 图 8 6 图 7 治理中的尾矿库 图 8 成型后的香根草 4 1 4 菲律宾 菲律宾 2007 年 5 月 菲律宾的香根草专业技术公司在其国家西南部的一个露天珊 瑚湾镍矿 CORAL BAY NICKEL MINE 尾矿库的边坡进行加固处理 获得了理想的成功 效果 见图 9 图 10 图 9 治理前技术人员在现场规划 图 10 治理初期的景观效果 4 1 5 其他国家 在其他国家 在法国 意大利 巴西 厄瓜多尔 肯尼亚 刚果 布 萨尔多瓦 哥 斯达黎加 新西兰及亚洲的泰国 越南 印尼和马来西亚等国家近年来相继都有成功应用香 根草的报道 4 2 国内应用国内应用 4 2 1 广东韶关铅锌尾矿库 广东韶关铅锌尾矿库 1999 年 5 月 中国科学院华南植物研究院夏汉平博士在中国 首次将香根草应用在韶关的铅锌尾矿库进行科研试验 通过香根草 Vetiveria zizanioides 和百喜草 Paspalum notatum Flugge 在尾矿库中的生长发育情况 观测香根草对尾矿库中 的Pb Zn Cu及Fe和SO2等有毒金属与化学物质的吸收与耐性作用 经过 130 天的生长后 测定出香根草的根系对尾矿库中的重金属具有较高的吸附作用 7 而且完全能够在含量很 高的SO2污水中正常生长发育 见图 11 图 12 7 图 11 只有香根草存活下来 图 9 科研人员在现场工作 4 2 2 广西贵港金矿库 广西贵港金矿库 2004 年 6 月 广州市香根草业科技有限公司在广西贵港市的龙头 山金矿进行尾矿坝的加固与植被恢复治理 由于该金矿处于生产状况 尾矿还处于排放之中 因此 选择了部分库坝进行香根草技术性试用 在排放的尾矿颗粒中含有 Hg As Cu Ni 等重金属及硫酸 盐酸等化学物质 通过 150 天后的追踪观测与管理 取得了非常理性的效 果 见图 13 图 14 图 13 专家和领导在现场考察 图 14 治理 60 天后的现场情况 4 2 3 江西定南县岿美山钨矿库 江西定南县岿美山钨矿库 2011 年 4 月 环境保护部南京环境科学研究所曹学章研 究员在江西定南县岿美山钨矿 选择排弃于山坡的废石场进行植被恢复的试验研究工作 该 钨矿的废渣和周边土壤中包含了 As Hg Pb Cd Cr Cu Zn Ni 等重金属物质 废渣 中石砾最多 有效成分少 土壤含量不足 10 属于土壤极度贫瘠的矿渣库 香根草作为 一种先锋植物被选定配合当地物种进行综合的植被恢复应用 经过 5 个月的自然生长发育后 进行观测 证明香根草在极为贫瘠 且含有重金属的石砾中生长良好 先锋作用明显 是尾 矿库植被恢复的优良品种 见图 15 图 16 4 2 4 国内其他省区 国内其他省区 在云南 贵州 四川及湖南等地方也有一些在煤矿干石山 金属尾 矿坝及泥石流破碎体结构中应用的报道 8 图 15 在石砾中生长的初期 图 16 治理 150 天后复查的效果 5 治理成本与效益分析治理成本与效益分析 过去 由于历史的原因 我国在尾矿库的治理方面几乎处于半停顿状况 即使有一些 治理 也是成本高昂 效果勉强 而且治标不治本 未能从生态环保与安全的角度进行综合 治理 这一方面是受科研与技术难题大的制约 另一方面又面临治理经费的落实 更重要的 是整体观念的落后 从而导致了大量尾矿库出现病矿 危矿和险矿的情况 现在 随着国家 安监 环保等政府部门对生态环境与安全的重视 也随着科研技术的进步 再加上专业企业 的工艺技术能力和经验 采用经济 实用而又生态环保的生物技术方案对尾矿库进行综合治 理已经不再是难题 关键是跨行业 多学科的技术沟通与协作配合实施 5 1 香根草系统方案费用香根草系统方案费用 香根草系统方案在实施治理的过程中 根据治理标的的不同 其具体的应用设计和施 工工艺有较大区别 但主要包含初期的土壤改良 植物材料搭配 施工工艺标准 营养供给 配制及专业养护管理等五个方面的内容 而费用则主要是由材料费与人工费组成 极少需要 机械施工作业 根据专业施工企业 2005 2010 年在水利水电系统与交通系统中应用 香根草技术 加 固工程的成本统计 其治理成本在 1 2 1 3 万元 亩之间 但是 由于尾矿库的治理是特殊的 综合治理 加上近年来的人工与物价成本上涨指数 因此推测 采用香根草系统方案的综合 治理费用应该在 1 5 万元 亩左右 5 2 生态社会效益生态社会效益 采用香根草系统方案治理尾矿库 不仅在技术性方面可以稳定库区安全 减少 三废 污染 恢复矿区原始生态 还可以在生态社会方面通过香根草巨大的生物量而吸收大气层中 的二氧化碳 同时也实现经济收益 为库区农民创造就业机会 维持社会的稳定 既符合国 家相关的环保政策 又符合国际组织对我国节能减排的要求 是一个可持续性发展的 具有 9 良好的社会效益的方案 5 3 经济效益经济效益 香根草的叶片在许多国家 包括中国 被用来做工艺编织品的材料 也有用作造纸的 纸浆原料 但近年来 随着石油能源的短缺和生物能源的开发利用 香根草茎叶用作生物能 源材料是一个非常好的原料 其高热能的C4植物特性 认为具有广泛的开发前景 经相关专家测算和市场调研 香根草每亩的干物质产量 水分在 20 以下 高达 4 吨 以上 广东省的生物能源原料收购价为 650 元 吨 成品市场价格为 950 1100 元 吨 因此 香根草每亩的产值可以达到 2600 4000 元 年之间 更重要的是香根草是靠分蘖繁殖 每年 的收割不仅不会导致它死亡 反而能促进它的生长发育 而每年的维护与收割仅仅是肥料和 人工费用 大约在 300 350 元 亩之间 生物燃料的生产成本在 80 100 元 吨 因而 在尾 矿库应用香根草系统方案后 每年可以实现 2300 3300 元 亩的净利润 一个 100 亩地面积 的中小型尾矿库则平均可实现约 30 万元 年的纯利润 尾矿库治理的费用经过 5 6 年就可以 通过香根草的茎叶以生物能源材料的方式收回 事实上 作为二氧化碳零排放的能源材料产业 还可以获得国家相关政策扶持与国际 能源组织碳交易的资金支持 6 小结小结 通过本文上述的阐述 介绍与分析 香根草 的确是一种适合于尾矿库治理的独特 而神奇的植物品种 香根草系统 则是尾矿库综合治理的简单实用 经济环保的生态技术 方案措施 这既符合国家