CN104177150B

CN104177150B - 铁尾矿残渣复垦土壤及制备方法

Info

Publication number: CN104177150B
Application number: CN201410373372.9A
Authority: CN
Inventors: 陈述明; 王杨
Original assignee: Hunan Xinsheng Mining And Metallurgy Waste Comprehensive Utilization Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Hunan Xinsheng Mining And Metallurgy Waste Comprehensive Utilization Science & Technology Co Ltd
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-07-31
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-07-31
Also published as: CN104177150A

Abstract

本发明提供了一种铁尾矿残渣复垦土壤及其制备方法，复垦土壤由复垦混合物熟化获得，复垦混合物包括铁尾矿残渣的风干颗粒和质量为铁尾矿残渣风干颗粒20～30％的自来水厂污泥风干颗粒。本发明提供的复垦土壤包括铁尾矿残渣和自来水厂污泥，自来水厂污泥中所含的各类细菌能提高铁尾矿残渣中的含菌量，同时自来水厂污泥中的细菌还能起到分解残渣中有害物质的作用，所得复垦土壤的耕种性能与普通土壤相同或接近。此方法既能提高残渣的利用率，又能减轻残渣堆存的环境问题。该土壤组成简单，可有效降低现有残渣的堆存量。

Description

铁尾矿残渣复垦土壤及制备方法

技术领域

本发明涉及铁尾矿综合利用领域，特别地，涉及一种铁尾矿残渣复垦土壤及其制备方法。

背景技术

保护耕地是我国一项重要国策，采矿塌陷及采矿后残留的土壤作为土壤能实现复垦则可实现耕地的再造。随着工业化的发展和新开矿山数量的增加，尾矿的排放、堆积量也越来越大，尾矿库亦越来越大。

目前对铁尾矿中的各类有用元素提取后，残留的铁尾矿残渣大部分只是用来做土壤改良剂，来补充土壤中的铁等元素。同时为提高该土壤改良剂的效果，还需加入大量氮、磷、钾及其他材料，应用成本高，使用量较少。残留的铁尾矿残渣仍然存留大量无法得到消化、再利用。铁尾矿综合利用率低。目前我国土地污染严重，能安全种植植物的土地日益减少。

发明内容

本发明目的在于提供一种铁尾矿残渣复垦土壤及其制备方法，以解决现有技术中铁尾矿残渣排放量过大，而无法及时得到有效再利用的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种铁尾矿残渣复垦土壤，复垦土壤由复垦混合物熟化获得，复垦混合物包括铁尾矿残渣的风干颗粒和质量为铁尾矿残渣的风干颗粒质量20～30％的自来水厂污泥风干颗粒。

进一步地，铁尾矿残渣中全铁品位为1～2％。

进一步地，自来水厂污泥为经脱水，去病菌处理，风干，得到有机质为34～37％的自来水厂污泥。

进一步地，复垦土壤还包括在复垦混合物熟化后，所加入的需要量的钾肥。

进一步地，复垦土壤中有机质含量为7～8％，饱和含水率≥70％，氮含量为240～250mg/kg，磷含量为690～700mg/kg，钾含量为540～550mg/kg

根据本发明的另一方面还提供了一种复垦土壤的制备方法，包括以下步骤：1)将自来水厂污泥风干颗粒和铁尾矿残渣风干颗粒按权利要求1～3中任一项复垦土壤比例进行混合，得到复垦混合物；将复垦混合物铺匀后经过熟化得到复垦土壤。

进一步地，自来水厂污泥风干颗粒通过对自来水厂污泥依序进行脱水，去病菌，风干，得到的饱和含水率＞92％的自来水厂污泥；优选在风干后对自来水厂污泥过2mm筛。

进一步地，去病菌处理包括在脱水后的自来水厂污泥中加入其质量15～30％的石灰，并调节自来水厂污泥的pH至中性。

进一步地，铺匀后复垦混合物的厚度为8～10cm。

进一步地，熟化条件为：复垦混合物的含水量始终保持13～17％，环境温度为20～25℃，熟化8～10天。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的本发明提供的复垦土壤包括铁尾矿残渣和自来水厂污泥，由自来水厂污泥中所含的各类细菌提高铁尾矿残渣中的含菌量，同时自来水厂污泥中的细菌还能起到分解残渣中有害物质的作用，所得复垦土壤的耕种性能与普通土壤相同或接近。提高残渣的利用量，减轻残渣堆存的环境问题。该土壤组成简单，可有效降低现有残渣的堆存量。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本文中所指自来水厂污泥是指：来自自来水处理过程中，需经过沉淀池沉淀处理，沉淀后产生的沉淀物。或自来水经滤池过滤产生的滤渣。本文中铁尾矿残渣是指，对铁尾矿中有用矿物如石英、铁矿、铷、绢云母等物质提取后所得铁尾矿残渣。当然也可以不限于提取上述物质后的铁尾矿。仅需使得铁尾矿中硫含量低于25ppm，Pb的含量低于153.554ppm。全铁品位低于3％。本文中需要量是指促进植物生长，土壤中所需施加钾肥的量。本文中有机质是指土壤中来源于生物的物质。包括土壤微生物、土壤动物及其分泌物以及土体中植物的残体和植物分泌物。

铁尾矿残渣复垦土壤，包括铁尾矿残渣的风干颗粒和铁尾矿残渣风干颗粒质量20～30％的自来水厂污泥风干颗粒。该复垦土壤可以对其进行常规的熟化处理，类似肥料的发酵处理，按本领域常规方法进行即可。优选铁尾矿残渣中全铁品位为1～2％。按此铁含量进行熟化后，可通后续熟化作用将其中的大部分铁转换为植物可吸收利用的形式。同时又避免铁含量过高对植物的毒害作用和在植物中的过度富集。污泥加入量如果过低会导致复垦土壤中有机质含量太低。而且还会影响所得复垦土壤中微量元素含量，无法有效降低重金属含量。而如果污泥加入量过高则会导致所得土壤透气性较差，从而影响土壤的保水性能，影响植物生长。优选混合比例为铁尾矿残渣风干颗粒和铁尾矿残渣风干颗粒质量25％的自来水厂污泥风干颗粒。此时所得复垦土壤的各项性能达到最优。按此比例混合后所得土壤的保水性能、重金属含量、钙镁离子的含量均能通过常规熟化处理后达到最优。二者协同使得复垦土壤达到最接近正常土壤的性能。

尾矿须提取有价矿物，如铁、石英等，进行综合利用后，再进行土壤的制作，减轻有价矿物对作物生产的影响，并尽可能提高尾矿附加值。

土壤有机质是土壤的重要组成部分，也是土壤养分的主要来源。土壤有机质是土壤具有结构和生物学性质的基本物质，它既是生命生长所必须的条件，同时也是生命活动的产物。有机质的多少反映了土壤潜在养分的多少，直接影响土壤的团粒结构、物理性质、保水、保肥和缓冲作用。

自来水厂污泥是一种质地较细的沉淀物，含大量有机质，经分析发现自来水厂污泥中含有机质34～37％，而铁尾矿中有机质含量为2.3～3％。经混合后有机质含量为9～10％。经过熟化后，污泥中的有机质可以提供污泥中各类微生物生长所需养分，同时有机质经过污泥中的微生物的分解作用与铁尾矿残渣中的其它物质发生吸附、络合等作用，复垦土壤的有机质含量开始降低，最后稳定在7～8％。同时使得铁尾矿残渣的土壤结构发生改变，变得适于耕种。同时按此比例混合后所得复垦土壤能使得自来水厂污泥中的有机质充分的渗入铁尾矿残渣的空隙中，提高所得土壤的耕种性能。

铁尾矿的持水性能较差，饱和含水率只有50％。污泥中有机质含量高，有效孔隙数量少，饱和含水率达到92％以上，饱和含水率过高，而饱和导水率较低。污泥的加入改善了铁尾矿的孔隙率和结构组合，形成性能较佳的土壤孔隙结构，提高了土壤的饱和含水量和饱和导水率，饱和含水率达到了70％以上。使其适于植物的生长。

按此比例混合污泥和铁尾矿，所得混合物中氮磷钾含量分别为240～250mg/kg、690～700mg/kg和540～550mg/kg，其中速效钾含量仅为20～30mg/kg，速效磷的含量为530～550mg/kg，有效态氮的含量为380～400mg/kg。优选熟化条件为：含水量始终保持13～17％，环境温度为20～25℃，熟化8～10天。熟化过程中，在恒温恒湿的条件下，由于污泥中含有大量的有机物，随着培养时间的增长，有机物降解产生了大量的有机酸，释放氮素，同时在恒温恒湿和污泥中有机质降解的推动下，铁尾矿中的一些无机磷酸岩类物质，也在自来水厂污泥中所含微生物的分解作用下，逐渐分解形成速效磷，而速效钾因易溶于水，熟化过程中会导致其中的钾流失，使得钾含量略有下降。熟化后速效钾的含量为15～20mg/kg，速效磷的含量为580～600mg/kg，有效态氮的含量为410～430mg/kg。为提高复垦土壤中钾的含量，可以在其中添加需要量的钾肥。

按此配比将污泥和铁尾矿残渣混合后，所得混合物中Ca含量在14003～14110mg/kg，Mg含量为6400～6600mg/kg，其中游离态钙离子为2700～2900mg/L，游离态镁离子为300～400mg/L，熟化后游离态钙离子为3800～4900mg/L，游离态镁离子为450～500mg/L。钙镁游离态离子增加的原因可能是与污泥中有机质分解发生的硝化过程有关。通过熟化处理后所得复垦土壤的游离钙镁离子量得到增加，说明按此比例混合自来水厂污泥和铁尾矿残渣能有效提高所得复垦土壤中的钙镁离子含量，使其能满足植物生长所需钙镁离子量的需求。

按此配比将污泥和铁尾矿混合，硫含量为30～35mg/kg，硫酸根离子含量为70～80mg/L。熟化后硫含量为8～10mg/kg，硫酸根离子含量为20～25mg/L，这可能是由于熟化初期产生了大量的钙镁离子，部分钙镁离子与硫酸根离子生成了难溶性的盐离子，导致硫酸根离子的减少。从而避免了所得复垦土壤酸度过高，而需要再次加入其他物质调整土壤的pH值的情况。降低了生产成本。使得所得土壤能直接用于复垦。

按此比例混合得到的自来水厂污泥与铁尾矿的混合物，熟化前各重金属含量列于表1中。

表1熟化前混合物中重金属含量表

由表1可见，按此比例混合后，所得混合物中各重金属的含量均能满足农业部颁发的土壤标准范围内。说明按此比例混合的物质并不会造成复垦土壤中重金属含量超标问题。而且无需对自来水厂污泥或铁尾矿残渣进行任何特殊处理即可达标。

在熟化前，可溶性Ni的含量为35.27μg/L，熟化后含量为10.81μg/L，按此比例混合污泥和铁尾矿，使得二者相互作用抑制了有效态的Ni的含量，从而使得复垦土壤中可溶性Ni的含量降低。避免Ni在复垦土壤中含量过高导致，在植物中的富集，进而影响人体健康。

在熟化前，混合物中可溶性Cu的含量为33.52μg/L，熟化后Cu的含量为8.27μg/L。这可能是由于熟化初期混合物中的可溶性Cu与有机质结合，之后随着污泥中微生物对有机质的分解作用，使得已经与有机质结合的可溶性Cu被分解，进而降低了所得复垦土壤中可溶性Cu的含量。

在熟化前，混合物中可溶性Cr的含量为12.44μg/L，熟化后Cr的含量为3.94μg/L。这可能是由于随着熟化的进行，污泥中的有机质被其中的微生物分解后，产生大量的有机酸。土壤pH值下降，使得其中的可溶性Cr与酸发生反应，生产不具有可吸收性的物质，从而降低其含量。避免其在土壤中含量过高，影响土壤的复垦。

在熟化前，混合物中可溶性Cd的含量为3.95μg/L，熟化后Cd的含量0.029μg/L。这可能是由于随着污泥中有机质的分解，其中的微生物具有分解可溶性Cd的作用。从而使污泥中的可溶性Cd含量下降。通过微生物的降解作用和有机质的分解作用，二者协同作用，也能使铁尾矿中的可溶性Cd的含量加速下降，并稳定在较低的范围内。还能防止已经以稳定态存在的Cd再次转化为可溶性的Cd。

在熟化前，混合物中可溶性Pb的含量为7.75μg/L，熟化后含量为3.87μg/L。这可能是由于随着熟化的进行，污泥中的有机质分解，有机质对其中的Pb的吸附作用加强，从而减少了其中的Pb含量。同时还能防止后续耕种过程中Pb再次转化为可溶性的Pb。

从以上数据看出，铁尾矿中配入适当的污泥，经适当条件的熟化，即可制成适合作物生长的土壤。

一种上述混合物的熟化方法，包括以下步骤：

1)自来水厂污泥经脱水后，经去病菌处理，风干，得到污泥风干颗粒；

2)对铁尾矿残渣进行脱水风干后与污泥风干颗粒混合，得到复垦混合物；

3)将复垦混合物铺匀后经过熟化得到复垦土壤。

优选按上述步骤对混合物进行熟化，以提高对自来水厂污泥和铁尾矿残渣中重金属污染物的降解作用。

优选去病菌处理包括在自来水厂污泥中加入其质量15～30％的石灰调节pH至中性。通过调节自来水厂污泥的pH值，能将其中不具有有效分解重金属物质和钙镁离子作用的微生物菌种杀灭。还能降低所得复垦土壤中对植物具有治病作用的菌种的含量。之后进行风干处理后得到污泥风干颗粒。污泥风干颗粒风干后有利于其混合均匀，降低搅拌阻力。

铁尾矿残渣中由于所含微生物数量较少，因而直接对其进行脱水后风干处理。并与污泥风干颗粒混合均匀，得到复垦混合物。此处的铁尾矿可根据其中所含全铁品位选择性的进行磁选，以使其中的全铁品位达到2％以上，以利于后续熟化过程中微生物分解效果的发挥。优选磁场强度为15000～18000Gs。

为了提高复垦混合物中铁尾矿残渣与污泥风干颗粒之间的混合均匀程度和实现二者接触面积最大化，优选对风干后的铁尾矿残渣和污泥风干颗粒进行破碎2mm筛。混合均匀后，将复垦混合物铺匀后进行熟化。优选铺匀后复垦混合物的厚度为8～10cm。按此厚度进行熟化能使得各类分解反应在其中充分进行，防止熟化过程中水分过度蒸发导致局部熟化不彻底的问题。

优选熟化条件为复垦混合物的含水量始终保持13～17％，环境温度为20～25℃，熟化8～10天。按此条件进行熟化，能使得其中的微生物发挥最大的活性，将各类重金属的活性含量降低至最低，从而提高所得复垦土壤的安全性。熟化时间过短反应不充分，最多不超过20天，时间太长维护成本过高，结果提高不明显。

按此方法进行熟化后所得复垦土壤中有机质含量为7～8％，饱和含水率≥70％，氮含量为240～250mg/kg，磷含量为690～700mg/kg，钾含量为540～550mg/kg。

所得复垦土壤的使用方法可以为：在正常土壤表面平铺一层厚度为8～10cm的复垦土壤。平铺的复垦土壤中预先混入需要量的钾肥。喷水保证13～17％含水率，保持3天后可进行耕种。按此方法使用复垦土壤，能使得复垦土壤在耕种之前再次进行熟化，通过正常土壤中的微生物，使得复垦土壤中的各类元素配比更加趋于正常土壤，更加有利于植物的生长。

实施例

以下实施例中所用物质均为市售。

所用铁尾矿残渣的成分列于表2中。

表2铁尾矿残渣各成分表

成分	含量	成分	含量
				SiO₂	60.224％	Cr₂O₃	53ppm
Al₂O₃	16.588％	MnO	50ppm
				Fe₂O₃	10.880％	CuO	10ppm
MgO	4.932％	ZnO	15ppm
				CaO	5.463％	Rb₂O	288ppm
Na₂O	0.426％	SrO	271ppm
				P₂O₅	0.193％	Y₂O₃	119ppm
SO₃	0.153％	ZrO₂	172ppm
				Cl	0.032％	BaO	239ppm
K₂O	0.859％	PbO	20ppm
				TiO₂	0.137％

实施例1

1)自来水厂污泥经脱水后，在自来水厂污泥中加入其质量30％的石灰调节pH至中性，风干，过2mm筛，得到筛下物为污泥风干颗粒，所得污泥风干颗粒的饱和含水率为93％，有机质含量为35％；

2)对铁尾矿残渣(进行强磁选后，磁选强度为18000Gs，全铁品位为2％)进行风干后，过2mm筛，在筛下物中加入铁尾矿残渣质量30％的污泥风干颗粒混合，得到复垦混合物，在其中加入2kg/亩的钾肥；

3)将复垦混合物铺匀，厚度为10cm，经过熟化。熟化过程中，含水量始终保持17％，环境温度为25℃，熟化10天。得到复垦土壤(加入钾肥后钾含量为550mg/kg)。

所得复垦土壤中有机质含量为8％，饱和含水率≥70％，氮含量为250mg/kg，磷含量为700mg/kg，钾含量为550mg/kg。

实施例2

1)自来水厂污泥经脱水后，在自来水厂污泥中加入其质量15％的石灰调节pH至中性，风干，过2mm筛，得到筛下物污泥风干颗粒，所得污泥风干颗粒的饱和含水率为93％，有机质含量为35％；

2)对铁尾矿残渣(进行强磁选后，磁选强度为15000Gs，全铁品位为1％)进行风干后，过2mm筛，在筛下物中加入铁尾矿残渣质量20％的污泥风干颗粒混合，得到复垦混合物，在其中加入4kg/亩钾肥；

3)将复垦混合物铺匀，厚度为8cm，经过熟化。熟化过程中，含水量始终保持13％，环境温度为20。℃，熟化8天。得到复垦土壤(加入钾肥后钾含量为540mg/kg)。

所得复垦土壤中有机质含量为7％，饱和含水率≥70％，氮含量为240mg/kg，磷含量为690mg/kg，钾含量为540mg/kg。

实施例3

1)自来水厂污泥经脱水后，在自来水厂污泥中加入其质量20％的石灰调节pH至中性，风干，过2mm筛，得到筛下物污泥风干颗粒，所得污泥风干颗粒的饱和含水率为93％，有机质含量为35％；

2)对铁尾矿残渣(进行强磁选后，磁选强度为17000Gs，全铁品位为1.5％)进行风干后，过2mm筛，在筛下物中加入铁尾矿残渣质量25％的污泥风干颗粒混合，得到复垦混合物，在其中加入3kg/亩钾肥；

3)将复垦混合物铺匀，厚度为8～10cm，经过熟化。熟化过程中，含水量始终保持15％，环境温度为25℃，熟化9天。得到复垦土壤。

所得复垦土壤中有机质含量为7.5％，饱和含水率≥70％，氮含量为245mg/kg，磷含量为690mg/kg，钾含量为545mg/kg。

对实施例3中所得复垦土壤进行耕种：

复垦土壤耕种方案：

取1亩土壤作为实验土壤，将熟化后的污泥尾矿混合物配入3kg钾肥，混合均匀后铺平于正常土壤上，厚度约8～10cm，喷水保证13～17％含水率，保持3天后种植玉米。

以实验土壤旁随机选取的1亩土壤作为对比。二者均按201010188934.4中公开的方法进行玉米种植。

进行玉米种植试验对比发现，复垦的试验土壤亩产960斤，正常土壤亩产1020斤，玉米产量接近，说明尾矿与污泥制成土壤复垦，从而解决尾矿的堆存和环境问题是可行的。在复垦土壤上生长的玉米整个生长过程中未出现异状生长状态。经过检测所产玉米中各类元素含量均与正常土壤中生长所得玉米的各类元素含量相同。未出现某种元素的富集现象。

种植植物后，可溶性Ni的含量为7.81μg/L。可溶性Cu的含量6.27μg/L。可溶性Cr的含量为2.94μg/L。可溶性Cd的含量0.019μg/L。可溶性Pb的含量1.87μg/L。说明经过植物的生长后，其中的活化的重金属含量并不会显著增加，其中所含重金属物质得到有效固定。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铁尾矿残渣复垦土壤，其特征在于，所述复垦土壤由复垦混合物熟化获得，所述复垦混合物包括铁尾矿残渣的风干颗粒和质量为所述铁尾矿残渣的风干颗粒质量20～30％的自来水厂污泥风干颗粒；所述自来水厂污泥为经脱水，去病菌处理，风干，得到有机质为34～37％的自来水厂污泥。

2.根据权利要求1所述的复垦土壤，其特征在于，所述铁尾矿残渣中全铁品位为1～2％。

3.根据权利要求1或2所述的复垦土壤，其特征在于，所述复垦土壤还包括在复垦混合物熟化后，所加入的需要量的钾肥。

4.根据权利要求1或2所述的复垦土壤，其特征在于，所述复垦土壤中有机质含量为7～8％，饱和含水率≥70％，氮含量为240～250mg/kg，磷含量为690～700mg/kg，钾含量为540～550mg/kg。

5.一种复垦土壤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将自来水厂污泥风干颗粒和铁尾矿残渣风干颗粒按权利要求1～4中任一项所述复垦土壤比例进行混合，得到复垦混合物；

2)将复垦混合物铺匀后经过熟化得到复垦土壤。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述自来水厂污泥风干颗粒通过对所述自来水厂污泥依序进行脱水，去病菌，风干，得到的饱和含水率>92％的自来水厂污泥；优选在所述风干后对所述自来水厂污泥过2mm筛。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述去病菌处理包括在脱水后的所述自来水厂污泥中加入其质量15～30％的石灰，并调节所述自来水厂污泥的pH至中性。

8.根据权利要求5～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述铺匀后所述复垦混合物的厚度为8～10cm。

9.根据权利要求5～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述熟化条件为：所述复垦混合物的含水量始终保持13～17％，环境温度为20～25℃，熟化8～10天。