2020年08月07日 星期五
中国矿业报订阅

矿山废弃物在环境生态工程中大有可为

2020-1-6 8:54:56 来源:中国矿业报 作者:陈希廉

笔者与同事们于上世纪80年代就开始进行废石(包括煤矸石)及尾矿利用的研究,并有技术成果转让成功投产;但却总是感到已有的利用领域,难以消耗掉这些废弃物的巨大堆存量。

本世纪初,由于笔者正在进行利用膨润土废石及钒钛铁矿尾矿配制多功能复混肥的研究,恰好这些废石及尾矿中都富含天然纳米矿物,而这类矿物刚在上世纪末发现属于天然形成的纳米物质,并已证明它们具有许多环保功能,因而笔者进一步对是否可将这些废弃物用于环境生态工程进行了探索。初步研究证明,不仅有此可能,而且消耗量巨大、社会效益及经济效益显著。如果将其用于这方面,不仅可解决其本身堆放可能造成的环境问题(如泥石流、尾矿坝溃坝等),又可防治其它许多环境生态问题,获得双赢的效果。特别是在治理耕地土壤污染、防治荒漠化以及防治湖泊蓝藻爆发、浅海赤潮等方面,更是大有可为。

用陶粒等材料作为基质建造的绿化屋顶及墙体

1.某些矿山废弃物可防治我国耕地污染

民以食为天 ,而食品大多数又离不开耕地,即使是禽畜食品也离不开耕地产的饲料。耕地污染包括农药及除草剂污染、重金属污染等,这是直接影响人民健康的污染。对这些污染的防治,不外乎物理法、化学法与生物法,或同时采用两种或三种办法。但是至今尚未找到既成本不高,时间不长,而且可同时治理不同污染物的广谱防治办法。为此,我们开展了新研究——用某些矿山废弃物配制兼具环保功能的复混肥。

笔者受到我国传统医学——“医食同源”思路的启发,用某地膨润土矿的废石(因其脉石矿物沸石含量太高而达不到膨润土指标要求)及富含蒙脱石的钒钛铁矿尾矿配制了“缓释型多功能复混肥”。经三地五种作物田间种植试验,发现虽然大幅度减少了氮肥,却增产了。特别是在衡水某非转基因大豆种植地上,意外地发现其增产较常规施肥增产幅度高25%。这说明所配制的这种肥料,的确可大大减少氮肥中氨的挥发。同时,在查阅大量国内外文献后发现,我们用的这些废石及尾矿,所富含的蒙脱石及沸石都是天然纳米矿物,具有广谱的环保功能,既有钝化(或名固化,即成为不被农作物吸收状态)重金属及农药的功能,本身还具有肥效。

2.某些矿山废弃物可生产高吸水保水材料以防治荒漠化

众所周知,我国西北和内蒙古等地荒漠广布。已有防治荒漠化的措施,如植树造林、退牧还草等措施虽然已见成效,但是由于缺水而草木成活率低。从世界上看,自上世纪末开始,有些国家和地区开始另辟途径来解决水的问题。如比利时、以色列、南非和非洲北部等地,开始使用高吸水保水材料于造林治沙并已取得显著效果。近年来,某些发达国家,基于采用高吸水保水材料的 “绿色地球计划”或“治理沙漠计划”相继出台,实际效果十分显著。所谓高吸水保水材料,婴儿“尿不湿”中所包含的材料就是其中之一;但它是单纯有机树脂类保水剂,吸水率可高达4000g/g,每吨价格在1.5万元以上,用于防治沙漠化成本太高;而且吸水能力过大,反而会吸收植物根系的水,有不利影响。

近年来,我国许多研究院所和高校纷纷研究矿物/聚合物复合高吸水材料,并已取得可喜的实验室研究成果。例如,华侨大学在利用粘土、有机树脂制备复合超强吸水材料方面做了大量的工作。其中,高岭土/淀粉接枝共聚丙烯酸胺高吸水复合材料吸蒸馏水最高可达到4000g/g。表1是我国部分单位的研究已达到的水平。必须纠正的是,表1中将膨润土与几种矿物并列是不科学的。膨润土并非矿物,而是多种矿物的集合体,其中所含主要矿物是蒙脱石。

由表1来看,每种矿物都可富含于某些废石或尾矿中。例如,高岭石是内蒙古、山西等地煤矸石中富含的矿物,有些煤矸石所含高岭石已接近甚至达到高岭石矿床的工业要求。内蒙古呼伦贝尔有些煤矸石中蒙脱石含量高达42%。表1 中的绢云母,多数斑岩型铜矿尾矿中都富含有该矿物。例如,山西铜矿峪铜矿的尾矿、江西德兴铜矿的尾矿就富含绢云母;内蒙古也有该类矿床。某些风化强烈的矿床,可富含蛭石。笔者在承德滦平县与丰宁县交界就见过富含蛭石的铁矿,其尾矿主要矿物组成是蛭石。

以上可用作矿物/聚合物复合高吸水材料的矿山废弃物,都分布于接近我国荒漠化地区或其附近,如加以利用,运输成本不高。

表 2为中国铝业郑州研究院所试验的用尾矿配制矿物/聚合物复合高吸水材料的尾矿矿物组成:该尾矿是利用“选矿-拜耳法”新氧化铝生产工艺的多种矿物的组合,已成功地配制成矿物/聚合物复合高吸水材料,其吸水倍率达到农业部颁发的《NY886 2010农林保水剂》的要求。这说明尾矿配制复合高吸水材料可不必再选矿。如果使用选矿提纯后的纳米矿物来生产,可能吸水倍率太高而吸掉农作物根部水分,反而对农作物不利。

3.某些矿山废弃物可用于防治水体富营养化,防治赤潮或蓝藻爆发

我国氨和磷的面源污染较严重,主要来自超施肥料和污水灌溉。氨在碱性土壤中易于挥发,可成为霾的污染源之一;前述我们配制的“缓释型多功能复混肥”,使其具有缓释功能,其初衷就是为了防治霾。

但是,在土壤不是碱性的地区,氨却易于被水溶解,进入地下水或地表水,最终泄入江、河、湖、海;如果还含磷,就可在湖水中形成蓝藻爆发;如果流入浅海,就有可能形成赤潮。

(一)赤潮及其防治

赤潮是海水中某些浮游植物、原生动物或细菌在一定环境条件下爆发性增殖或高度聚集而引起水体变色的一种有害生态现象。赤潮灾害已成为沿海地区主要灾害之一。赤潮的危害造成了天然和人工养殖的鱼、虾、贝类、海参、海带等的大量死亡,乃至绝收。

关于用深加工黏土来杀灭藻类的报道很多;粘土可大量出现于某些尾矿中,所以这就为利用这些尾矿提供了很好的用途。

我国用黏土治理赤潮还处于研究阶段,而韩国、日本和美国已在海上实施。,

关于为什么膨润土可治理赤潮,多数学者认为这不仅与其对富营养化物质的强吸附能力有关,而且更由于其具有絮凝作用,可使藻类死亡。

至于沸石对赤潮的治理,笔者未见到国外相关文献,但是国内已开始用于海水网箱养殖地区的赤潮治理,文献中提到:“要防治赤潮发生的危害,仅靠在赤潮发生时使用化学药剂来杀灭赤潮生物的效果是微乎其微的,而且也十分被动,往往在杀灭赤潮生物的同时也污染了水质,对养殖生物造成严重的影响,有时甚至得不偿失”,“我们将天然沸石粉和杀灭赤潮的药物配合使用,同时起到控制赤潮生物和改善水质的双重作用”;福建某地海洋与渔业局在关于《切实做好赤潮防范工作的通知》中,已将抛洒沸石粉作为防治赤潮的主要措施之一。

我国还出现了“防治赤潮的去除剂”,其组成成分为:每100个单位质量的高岭土,配以40~60个单位质量的绢云母,3~20个单位质量的萤石和3~20个单位质量的无土栽培材料。这说明高岭土、绢云母及萤石也有用武之地。去除剂在海水中的散布浓度一般为每平方米2~8g左右。值得关注的是,利用纯的这些矿物用量很少,这就为利用膨润土或沸石的废石提供了可能。同时,在山东莱州的几个萤石矿的尾矿中就有像这样组合的环境矿物材料。山东海域是赤潮高发区,可试验用这些尾矿来治理刚发生的赤潮。此外,浙江和福建海域也是赤潮高发区。据笔者在福建和浙江一些民营萤石矿山的考察,由于选矿技术落后,其尾矿中萤石的品位可高达约10%,如果配加露采高岭土矿的废矿(含铁太高的高岭土)以及江西德兴铜矿富含绢云母的尾矿,也是一种治理赤潮的组合环境矿物材料。

(二)湖泊蓝藻爆发及其防治

与赤潮产生的原因相似,湖泊蓝藻爆发也是由于水体的富营养化导致藻类等生物疯长造成的;它同样可影响天然和人工养殖的鱼、虾、蟹等的生长。2007年太湖蓝藻大规模爆发。随后,有许多大小湖泊频繁产生了这种灾害。许多研究单位进行了多途径治理蓝藻的探索研究,其中许多研究成果说明沸石或膨润土是治理蓝藻爆发有效办法之一。其原理基本与治理赤潮一样,即吸附及絮凝。

4.某些尾矿可直接用于污水处理

其原理是:用某些特殊尾矿泥加入城市污水,矿泥能将重金属离子吸附于尾矿的表面,形成沉淀物从水中分离,而且比一般的氢氧化物吸附分离要充分。研究表明,如果吸附是纯表面的结合,那么每吨尾矿可吸附几磅金属;如果能兼起化学反应,例如像磁黄铁矿对于汞离子起化学作用那样,那么每吨尾矿可吸收数十磅金属。据我国互联网2004年10月13日的报道:“已有的研究表明,天然磁黄铁矿具有极好的处理含六价铬废水的能力。”这又是一个例证,而且说明磁黄铁矿不仅可以用于处理含汞废水,还可以处理含铬废水;而磁黄铁矿也可出现于某些尾矿中。

5.利用某些石灰石矿开采的碎屑可生产碳化砖或碳化板以消耗CO2污染

笔者曾在北京大灰厂石灰石矿进行现场教学。该矿原来生产石灰及冶炼熔剂石灰石,而其岩屑因粒径太小,不能用于烧石灰或用作冶炼熔剂。该矿将这种岩屑拌上10%石灰及适量水,压成砖块,并在引入窑气的隧道窑里薰成碳化砖。这不仅减少了烧石灰产生的窑气对空气的污染,而且不需燃料,同时烧成的碳化砖强度高,呈漂亮的米黄色。北京建国门外的许多使馆建筑就是利用这种砖盖的。如果加上钢筋,也可制成碳化板。

6.某些尾矿与 “白色污染”或“黑色污染”物结合可生产再生复合材料

用废塑料或废橡胶生产有机和无机复合材料,是发展十分迅速的产业。由于我国塑料制品用量激增,且废弃后难以降解,“白色污染”已成为急需解决的环境问题;与其相似,废弃的车胎等橡胶却成为“黑色污染”。笔者曾参观过原昆明工学院的一项创新科研成果,即用废塑料薄膜与粉煤灰或炉渣等相结合生产出强度高而又具有韧性的复合材料,用于制造道路上的各种井盖,并在昆明市得到推广。

随着科技的发展,现在已有一些单位将废塑料的利用扩大到废橡胶的利用,将其填料来源扩大到细尾矿。看来对于尾矿在这方面的应用研究还处于方兴未艾状况,发展空间还很大;不仅应用原料的种类、比例、加工方法、温度控制等有待深入研究,而且用途方面有更广大领域。比如不仅可将这类材料用做井盖,还可扩大应用作建筑时的脚手架或种植蔬菜大棚的骨架等等。

7.用含天然纳米矿物的废石或尾矿生产曝气生物滤池滤料

我国于上世纪90年代在大连引进法国工艺技术,建成了第一个曝气生物滤池(BAF),日处理污水12万立方米。该工艺投资及运行成本省,占地面积少,而处理后水质优良,但是,开始时滤料还需靠进口解决。为此,许多单位开始研究自产滤料。笔者从国外文献中发现,该文献所对比的6种滤料中,最好的滤料相当于建筑陶粒。笔者过去对建筑陶粒有一定研究基础,知道可用某些煤矸石或金属矿废石生产,因此,采集了8个矿山的煤矸石或金属矿废石样品,进行了化验及试烧。对比结果发现,最适用于烧制陶粒者,是含伊利石、沸石或蒙脱石者,因此就和北京门头沟煤矸石发电厂合作,进行了800千克样品的试烧,获得中试成功;但由于融资困难未投产。现在BAF已遍地开花,许多滤料厂已用煤矸石生产。

8.某些废石及尾矿可用于海绵城市的建设

海绵城市是指城市能够像海绵一样,在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的“弹性”,下雨时吸水、蓄水、渗水、净水,需要时将蓄存的水释放并加以利用。废石及尾矿对海绵城市建设的贡献体现在以下几方面——

(一)为屋顶绿化提供无土栽培材料

含沸石、伊利石、蒙皂石等的废石及尾矿,都极易被焙烧成超轻的无土栽培陶粒,可用于海绵城市中屋顶绿化。

屋顶绿化最早在德国兴起,其低建造成本和低维护费用模式使之在德国屋顶绿化的大面积推广中发挥了关键性的作用。由于老房子建造年代久远,屋顶承重能力较低,以及一些斜面屋顶的存在,让设计师在进行老房子的屋顶改造工程时倾向于选择轻型屋顶绿化;如今德国80%的屋顶绿化都是轻型屋顶绿化。所谓“轻型屋顶绿化”不是在屋顶上用土壤作为种植的基质,而是采用陶粒(如配加锯末或泥炭效果更好)等轻质材料作为种植的基质,并配加营养液。屋顶绿化还可进一步发展为房子外墙的垂直绿化,即在每层房子晒台上进行种植。这样,当下雨时,屋顶及晒台就成为承接雨水的场所,既可缓解雨水淹没道路的压力,又可生产果蔬,还有利于调节室温。

(二)为加强地表渗透雨水提供透水砖和垫层

在城市的某些广场和人行道铺设透水砖,是海绵城市预防内涝的重要设施之一。我国已有一些矿山利用尾矿成功生产透水砖的先例。有的还可以在透水砖下面用破碎废石或陶粒铺设多孔的垫层,以加速雨水的渗漏并作为蓄水层。在这方面,超强岩屑陶粒不仅可用做透水砖的骨料,也可用作垫层。以此建设海绵城市不仅可以预防内涝,而且如果配加一些蓄水设施,还可以将所蓄雨水用于洗车或灌溉,由此增加城市的供水量。􀴁

(作者单位:北京科技大学 )

网站编辑:宫莉

返回新闻