一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土及制备方法

1.本发明涉及一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土及制备方法，属于金属矿区生态修复技术领域。


背景技术：

2.金属矿产资源是人类生产和生活的基本源泉之一，它为人类社会经济活动提供了丰富的物质原料，推动了社会经济的发展，带动了相关科技与学术研究的进步。但随着金属产品需求的增加，金属矿山开采数量不断增加，生产经营方式的相对滞后，使得其对环境的负面影响越来越大，特别是地下采矿向露天采矿转变，产生大量废弃物，引发众多生态环境问题。其污染治理、生态恢复已成为生态学、环境科学和土壤学等学科的热点问题之一。金属矿山的开采和破坏与煤矿比起来有其特殊性，目前对于非金属矿区土地复垦研究已比较成熟，但是由于金属矿区的开采常伴随重金属和酸污染等，金属矿区相对煤矿等非金属矿区土地复垦率较低。
3.近几十年来，矿区土地复垦与生态修复成为各矿业大国研究的热点。其中土壤重构是矿区土地复垦与生态重建的核心，而重构土壤的质量直接决定了植被恢复状况及其可持续性，尤其是在历史遗留金属矿采选冶废弃地等土壤基质缺乏的场地。表土是土壤重构过程中的首要选择，但矿区采矿活动等人为因素导致许多矿区表土稀缺问题严重。由于土壤的自然发育极其缓慢，大规模的客土改良方法因其成本高、生态破坏大，已逐渐被摒弃；常规的土壤改良以原生土壤为基础通过添加各种固体、液体等改良土壤性状，则无法解决矿区表土稀缺问题。因此在表土稀缺矿区，表土再造材料的选择是土壤重构过程的关键。目前在表土再造研究中主要使用的材料是土石混合的剥离物，或修复矿区中的成土母质，且研究区多集中于煤矿等非金属矿区，对于金属矿山生态修复中的表土再造研究较少。
4.其中一项现有技术为：申请号为202110162855.4、发明名称为《一种土壤重构材料及其制备方法和土壤快速熟化的方法》的发明专利申请，该发明提供一种土壤重构材料，包括岩土剥离物和煤顶板，所述岩土剥离物和煤顶板的重量比为2～2.6:3。其制备方法包括以下步骤：(1)将原始重构材料经冻融，冻结最高气温为-3℃以下，时长≥50d；融化最低气温为0℃以上，时长≥20d，得到重构材料；(2)土壤重构材料的厚度为40～60cm；翻耕的深度为40～60cm；(3)将固氮植物的种子播种在重构土壤中进行生物熟化。该方案的覆土需要40-60cm，修复成本高，而且所得的土壤重构材料仍基于生态修复矿区的岩土剥离物，而金属矿区岩土剥离物多伴随严重的重金属和酸污染，抑制了植物生长和植被重建，该技术无法为金属矿区生态修复提供指导。
5.另一项现有技术为：申请号为202011266016.9、发明名称为《一种铅铜尾矿与农作物秸秆混合热解制备人工土壤的方法》的发明专利申请，该发明将农作物秸秆、正磷酸盐以及铅铜尾矿按比例混合均匀后进行热解，热解过程可降低铅铜尾矿中硫元素的含量，热解产物为磷改性生物炭，具有重金属吸附量高的优点；再向热解产物添加底泥或污泥制成具有粘性的人工土壤，底泥或污泥起到凝聚土壤粒子、构成抗冲刷载体的作用。其制备方法包
括以下步骤：(1)将农作物秸秆粉与正磷酸盐混合均匀，然后加入铅铜尾矿粉并混合均匀，得混合物，正磷酸盐、农作物秸秆粉以及铅铜尾矿粉的质量比为1：20-50：500-1000；(2)将得到的混合物进行热解，热解前以200ml/mi n的流量通入氮气，呈现出无氧状态，热解升温速率为10-20℃/mi n，温度达到300-500℃时恒温1-3h，然后冷却至室温；(3)取出热解产物，向热解产物中加入底泥或污泥并混合均匀，得人工土壤，热解产物与底泥或污泥得质量比为80-120：1。该方法虽然采用了铅铜尾矿，但是其在制备过程中，需要进行热解，充氮过程操作复杂，且易产生二次污染，且成本过高，难以实际应用并推广。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土及制备方法，可以有效地解决了土壤重构过程中表土不足的问题，同时为大宗固体废弃物的资源化利用提供一种新的方向。
7.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰15-50％，高炉渣10-40％，脱硫石膏10-20％，污泥5-15％，秸秆15-25％。
8.本发明的有益效果是：本发明通过充分利用固体废弃物的废弃性、资源价值可利用性，根据原生土壤的理化性质，研究不同固体废物的搭配组合在ph值、有机质含量、孔隙度、容重、最大持水量等理化性质以及先锋植物的生物量等生物指标上与原生土壤的拟合度，使其成为适合植物生长的新型再造表土，为如何将安全高效处理处置固体废弃物和低成本环境友好型解决表土稀缺问题连接起来，提供更多新的选择。
9.在诸多环境问题中，固体废弃物的处理处置问题不仅涉及资源的再利用，若处置不当还会对生态环境产生威胁。由于许多固体废弃物具有与土壤类似的组成和性质，将其转化为土壤资源不仅能够减少固废对环境的胁迫还能解决矿山修复过程中表土稀缺问题，是未来固体废弃物资源化利用的重要方向。
10.本发明针对金属矿山生态修复过程中表土再造，多选取对重金属有钝化作用的材料；表土再造材料完全基于大宗固体废弃物，一方面安全高效处置固体废弃物，另一方面对于表土稀缺矿山表土再造提供一种新的思路，相比无土复垦，可实现快速、高效植被恢复的目的。
11.此外，本发明还有成本低、材料易得的优点，便于大范围推广。
12.在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
13.进一步，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰30-40％，高炉渣20-30％，脱硫石膏10％，污泥10％，秸秆20％。
14.进一步，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰40％，高炉渣20％，脱硫石膏10％，污泥10％，秸秆20％。
15.进一步，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰30％，高炉渣30％，脱硫石膏10％，污泥10％，秸秆20％。
16.进一步，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰50％，高炉渣10％，脱硫石膏10％，污泥10％，秸秆20％。
17.进一步，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰20％，高炉渣40％，脱硫石膏
10％，污泥10％，秸秆20％。
18.进一步，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰15％，高炉渣35％，脱硫石膏20％，污泥10％，秸秆20％。
19.进一步，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰25％，高炉渣25％，脱硫石膏20％，污泥10％，秸秆20％。
20.进一步，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰35％，高炉渣15％，脱硫石膏20％，污泥10％，秸秆20％。
21.在上述进一步的方案中，以粉煤灰40％、高炉渣20％和粉煤灰30％、高炉渣30％的方案效果最佳。具体效果比对，可以在室内条件下，对老化后的再造表土进行以黑麦草、狗牙根为主的草本植物植被重建，通过可见光谱的植被覆盖度估算方法，各方案的植被覆盖率均大于50％，其中以上述两组效果最佳，植被覆盖率可达80％以上。
22.本发明解决上述技术问题的另一技术方案如下：一种所述基于全固废的金属矿山生态修复再造表土的制备方法，包括以下步骤：将各个组分材料称量混匀后装入容器中，定期浇水保证容器内混合土壤的持水率维持在25％，进行为期1-3个月的老化，老化完成后即得到基于全固废的金属矿山生态修复再造表土。
23.采用上述技术方案的有益效果是：该制备方法中，如果不进行老化步骤，各重构材料无法充分反应，难以形成土壤团聚以及有机质的释放，无法为植物提供生长环境，所以必须要进行老化步骤，而老化步骤需要执行1-3个月，才能够形成土壤团聚体，老化所需要的条件在室温(25℃)下即可完成，高于自然室温有助于重构土壤的快速形成，低于室温条件下重构土壤形成缓慢。在老化过程中，重构土壤持水率保持在25％，一方面25％的持水率符合自然土壤的理化特征，另一方面能够促进重构土壤团聚体的形成，并且保持25％的持水率能够使秸秆等快速腐化释放养分。
附图说明
24.图1为本发明基于全固废的金属矿山生态修复再造表土的制备方法流程示意图。
具体实施方式
25.以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
26.本发明以土壤中主要化学组成以及有机质含量(10％左右)为标准，如常见土壤中s io2含量大致在50-80％之间、al2o3含量大致在10％以及fe2o3含量在≤10％左右，然后再从相关文献以及检测结果中获取各构成材料的化学组成，经过粗略计算后再进行实验验证各再造表土方案符合土壤的主要化学组成和有机质含量。
27.再造表土的材料筛选从固废、硅基、碳基等综合考虑。
28.粉煤灰是燃煤企业在生产过程中排放出的固体废渣，其具有良好的吸水和固定养分的能力，有助于增加覆土层的通透性，通常显碱性，可中和原基质中的酸性，对重金属也有一定的钝化作用，还可以杀死覆土层中对农作物生长有害的病原菌。粉煤灰中所含有的农作物所需要的微量元素和有机质含量较低，但其粒细质轻、多孔松散、比表面积大、活性基团较多且吸附能力较强，能够促进土壤颗粒的团聚作用，在土壤改良等方面具有重要研
究价值。
29.高炉渣是冶炼生铁时的一种副产品，通常由氧化钙、氧化镁、二氧化硅、氧化铝等组成,它的化学组成与硅酸盐水泥相似。目前，高炉渣在建筑行业、玻璃制品行业有着广泛研究，用于制作水泥混合材料，空心砖以及微晶玻璃产品等。但在土壤基质改良方面，对重金属具有良好钝化做的高炉渣应用较少。
30.脱硫石膏作为燃煤电厂烟气脱硫技术的副产品，随着煤电转化的需求量不断增加，产出量也在不断增加。脱硫石膏成分主要是二水硫酸钙，理化性质与天然石膏相近，富含植物必需的矿质营养，且其具有颗粒细小、成分稳定、纯度高等特点。
31.污泥中有机质含量远远高于牛羊粪，且风干污泥中氮、磷、钾的含量大，经矿化后易被植物吸收，同时污泥的加入也有助于改善聚集体的稳定性和土壤微生物群落的多样性。以下实施例的污泥为城镇生活污泥，来自北京某排水集团，其产品品质均符合国家标准《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用地泥质》(gb/t23486-2009)，重金属含量均低于农用地土壤污染风险管制值(gb/15618-2018)。
32.秸秆还田是提高中低产田地力的主要措施之，一方面可以有效增加养分和有机碳的输入，另一方面可以改善土壤的结构，调节微生物种群，激发微生物活性。如何在不造成环境污染的前提下，高效利用秸秆资源成为实现农业可持续发展的研究热点。
33.本技术获得再造表土的原理是：基于自然表土的理化性质，将表土再造的各项材料分为有机类和无机类，并对各材料的重金属、有机质、无机含量做了量化分析。其中有机材料(污泥，秸秆)主要扮演再造表土中有机质含量，而无机材料以则拟合自然土壤无机含量为主，如二氧化硅、三氧化二铁等。金属矿山废弃地多伴随重金属污染，选取的无机材料，在相关研究中已被证实具有重金属钝化作用，但是如何与其他有机材料结合，如何能使再造表土性能更佳，还需要进一步研究。
34.以下针对本发明基于全固废的金属矿山生态修复再造表土的各成分物质及其他相关可选材料进行比对实验：
35.实施例1
36.本发明提供一种所述基于全固废的金属矿山生态修复再造表土的制备方法，包括以下步骤：参照表1中a1-a7的成分配比，将粉煤灰、高炉渣、脱硫石膏、污泥以及秸秆等固体废弃物按照不同配比进行盆栽实验，每个花盆共计装1kg材料，百分比按照质量计算。将各个材料称量混匀后装入花盆，定期浇水保证再造土壤的持水率维持在25％，进行为期1-3个月的老化，老化完成后即可以得到基于大宗固废的再造表土。
37.表1本发明再造表土材料配比
[0038][0039]
对老化后的a组再造表土先进行前期的龙葵盆栽实验，通过盆栽实验的结果，选取
的几组龙葵长势较好的配方比例，开展的室内花箱试验，花箱试验做的是以黑麦草，狗牙根为主的草本植物植被重建，通过可见光谱的植被覆盖度估算方法，其植被覆盖率均大于50％，其中以a2和a3组效果最佳，植被覆盖率可达80％以上，其余组的植被覆盖率也可达到40％-60％。
[0040]
对比例1
[0041]
采用与实施例1相同的制备方法以及效果验证实验，但是采用表2中的成分配比。
[0042]
表2对比例1再造表土材料配比
[0043][0044]
对老化后的b组再造表土先进行前期的龙葵盆栽实验，通过盆栽实验的结果，选取的几组龙葵长势较好的配方比例，开展的室内花箱试验，花箱试验做的是以黑麦草，狗牙根为主的草本植物植被重建，通过可见光谱的植被覆盖度估算方法，其植被覆盖率为20-40％。其中b组中以前期盆栽实验龙葵的生长效果来看b4、b9效果较好。
[0045]
比对分析：贝壳粉是贝壳经过粉碎研磨制成的粉末，其95％的成分是碳酸钙，其作为原材料用于金属矿山生态修复再造表土，效果不如高炉渣。例如，可以比较a组和b组实验，b5和a2比较，将20％的高炉渣替换成20％的贝壳粉，保持其他条件不变，则效果不佳。再例如，b7与a1比较，也是将10％的高炉渣替换成10％的贝壳粉，保持其他条件不变，则效果也不佳。由此可见，根据本发明的技术构思，在各材料框架差不多的情况下，采用高炉渣的效果优于贝壳粉。
[0046]
对比例2
[0047]
采用与实施例1相同的制备方法以及效果验证实验，但是采用表3中的成分配比。
[0048]
表3对比例2再造表土材料配比
[0049][0050]
对老化后的c组再造表土先进行前期的龙葵盆栽实验，通过盆栽实验的结果，选取的几组龙葵长势较好的配方比例，开展的室内花箱试验，花箱试验做的是以黑麦草，狗牙根为主的草本植物植被重建，通过可见光谱的植被覆盖度估算方法，计算植被覆盖率并互相比较。
[0051]
比对分析：在c组实验中，采用脱硫石膏的实验例比采用贝壳粉的实验例效果要好，此结果与a组、b组实验结果可以互相印证，而且按材料配比的污泥20％、锯末10％效果相比不如秸秆20％、污泥10％，可见，采用秸秆的效果优于锯末。
[0052]
a组、b组、c组在进行物质混合时，具体加入混合过程如图1所示，图中钙基为贝壳粉，硅基1、硅基2和硅基3分别为高炉渣、粉煤灰和脱硫石膏，碳基1、碳基2和碳基3分别为污泥、据抹和秸秆，具体各组实施例在混合时碰到没有的物质时直接跳过即可，比如以a组实验为例，其没有用到贝壳粉和据抹，其过程为将硅基1-高炉渣先与硅基2-粉煤灰和硅基3-脱硫石膏混合，再与碳基1-污泥和碳基3-秸秆混合并搅拌得到再造表土，再装盆，最终得到在盆栽之前的花盆覆土。根据不同比例的配方，花盆覆土可能会得到多种形态，如图1中最右侧上方图片所示或下方图片所示，或者得到图中未示出的其他形态。
[0053]
本发明在设计技术方案时，粉煤灰还有污泥，是一直没变的，原因是：因为粉煤灰中二氧化硅含量较高(53％左右)，其他如高炉渣，脱硫石膏中二氧化硅较少，主要是为了拟合自然土壤中二氧化硅含量，而污泥是因为具有较高的有机质，且短时间内就可以被植物利用，所以这两个材料被直接选定无可替代。
[0054]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土，其特征在于，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰15-50％，高炉渣10-40％，脱硫石膏10-20％，污泥5-15％，秸秆15-25％。2.根据权利要求1所述一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土，其特征在于，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰30-40％，高炉渣20-30％，脱硫石膏10％，污泥10％，秸秆20％。3.根据权利要求2所述一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土，其特征在于，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰40％，高炉渣20％，脱硫石膏10％，污泥10％，秸秆20％。4.根据权利要求2所述一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土，其特征在于，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰30％，高炉渣30％，脱硫石膏10％，污泥10％，秸秆20％。5.根据权利要求1所述一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土，其特征在于，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰50％，高炉渣10％，脱硫石膏10％，污泥10％，秸秆20％。6.根据权利要求1所述一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土，其特征在于，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰20％，高炉渣40％，脱硫石膏10％，污泥10％，秸秆20％。7.根据权利要求1所述一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土，其特征在于，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰15％，高炉渣35％，脱硫石膏20％，污泥10％，秸秆20％。8.根据权利要求1所述一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土，其特征在于，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰25％，高炉渣25％，脱硫石膏20％，污泥10％，秸秆20％。9.根据权利要求1所述一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土，其特征在于，以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰35％，高炉渣15％，脱硫石膏20％，污泥10％，秸秆20％。10.一种如权利要求1-9任一项所述基于全固废的金属矿山生态修复再造表土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将各个组分材料称量混匀后装入容器中，定期浇水保证容器内混合土壤的持水率维持在25％，进行为期1-3个月的老化，老化完成后即得到基于全固废的金属矿山生态修复再造表土。

技术总结
本发明涉及一种基于全固废的金属矿山生态修复再造表土及制备方法,所述再造表土以质量百分数计，包括以下组分：粉煤灰15-50％，高炉渣10-40％，脱硫石膏10-20％，污泥5-15％，秸秆15-25％。本发明通过充分利用固体废弃物的废弃性、资源价值可利用性，根据原生土壤的理化性质，研究不同固体废物的搭配组合在各个生物指标上与原生土壤的拟合度，使其成为适合植物生长的新型再造表土，可以有效地解决了土壤重构过程中表土不足的问题，同时为大宗固体废弃物的资源化利用提供一种新的方向。弃物的资源化利用提供一种新的方向。弃物的资源化利用提供一种新的方向。


技术研发人员：梅振然 赵中秋 史孟超 于灏 柏航 高林 郑嘉鑫 田锐
受保护的技术使用者：中国地质大学（北京）
技术研发日：2023.07.17
技术公布日：2023/10/7