CN104529668A - 一种金属矿山土壤改良剂及利用改良剂的矿山生态修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物领域，涉及一种土壤改良剂，尤其是一种金属矿山尾矿改良剂，同时涉及一种矿山生态修复方法。本发明的土壤改良剂包括以下成分：禽畜类粪便、蘑菇渣、作物秸秆、酒糟、中药渣。将改良剂与表层土壤混合均匀，平衡1～3个月可用以改良矿山土壤，进一步种植植被，可恢复生态。
Description
技术领域
本发明属于生物领域，涉及一种土壤改良剂，尤其是一种金属矿山尾矿改良剂，同时涉及一种矿山生态修复方法。
背景技术
矿山开采和金属冶炼活动在给人类带来巨大经济利益的同时，也带来了严重的土壤重金属污染问题。重金属污染具有污染范围广、持续时间长、污染隐蔽性、无法被生物降解等特点。进入土壤中的重金属不仅能抑制植物生长发育，并能通过食物链传递与富集，最终危害人体健康。
矿山开采导致重金属污染的土地主要包括露天采矿场、排土场、尾矿场、塌陷区以及周边受重金属污染而失去经济利用价值的土地。这类被重金属污染的土地一般具有如下特征：物理结构不良，持水保肥能力差；极端贫瘠，有机质及N、P、K营养元素缺乏；高浓度的残留重金属；极端pH值(强酸或强碱性)；表层不稳定和表层温差变化大。重金属污染矿山土地因重金属浓度(如Pb、Zn、Cu、Cd、As、Ni等)极高，易通过水土流失和风播等途径给周边土地和农田带来严重的重金属污染，且其环境影响具有普遍性、严重性、持久性和区域性等特点。如何有效地治理矿区土壤重金属污染，恢复其正常的生态学功能是当前矿山生态环境保护尤其是土壤污染防治所面临的紧迫任务。
目前，国内外对重金属污染土壤的修复方法主要有原位修复和异位修复。
异位修复是将受污染的土壤从受污染区域转移到邻近地点或反应器内，采用电化学法，淋洗法，化学氧化法等将受污染的土壤进行治理。这种修复技术涉及大规模挖土和运土、处理成本高、破坏土壤结构，不适合大面积污染土壤的治理。
原位修复是在污染现场就地处理污染物。原位修复方法一般包括客土法、沉淀法、淋洗法、电化法、磁化法等。这些方法各有其优点，但也存在费用昂贵、工程庞大、易造成二次污染等问题。原位基质改良技术是向污染土壤添加一种或多种活性物质，通过改变土壤理化性质提高重金属在土壤中吸附容量，或者直接与重金属作用形成溶解度小的络合物或沉淀，从而降低重金属元素在土壤中移动性和生物有效性，以利于植物生长和定居，达到生态修复污染土壤的目的。该技术成本低、见效快、不破坏土壤结构、易于实施、适合大面积推广，尤其适合用于矿山重金属污染土壤的治理。
各种各样的无机或有机材料如石灰石、磷矿石、铁锰氧化物、红泥、污泥、动物粪便、堆肥等被用于改良修复重金属污染的土壤。金属矿山尾矿具有重金属浓度高，营养成分严重不足、微生物群落结构简单、土壤团聚体尚未形成等特点，尤其需要改良剂具备持续改良土壤的能力。最近许多研究表明，尾矿中添加一些工农业有机废弃物或副产品是修复尾矿基质有效且可行的方法。有机质富含多种有机官能团，能够与重金属形成具有一定稳定程度的金属有机络合物，从而降低重金属污染物的生物可利用性，减少植物对重金属的吸收。特别是腐熟度较高的有机质可以通过形成粘土-金属-有机质三元复合物增加重金属在土壤中的吸附量。我们的前期研究也表明，以蘑菇渣作为铅锌尾矿的土壤改良剂(张晓君,等.蘑菇渣作为改良剂对铅锌尾矿改良效果研究,农业环境科学学报2014,33(3):526-531)，在铅锌尾矿中分别加入0.1％、5％、10％和20％的蘑菇渣，可以使尾矿重金属DTPA-Cd、DTPA-Pb、DTPA-Zn分别下降52.6％～81.6％、25.5％～35.4％、25.4％～60.2％，并且能促进植物的生长。
尽管蘑菇渣作为金属尾矿土壤改良剂的作用是值得肯定的。在实际应用中，不同改良剂对于不同种类和性质的重金属其钝化效果存在一定差异，对于复合污染土壤来说，单一的改良剂很难达到修复的标准。同时大量施用同一种改良剂，也可能会带入其他有害元素，土壤物理性质不能得以协调改良，某些常量营养元素短缺或供应比例失调等。再者，作为单一来源的土壤改良剂，在量的供应上也受到一定的限制。除了蘑菇渣之外，中药渣、酒糟、甘蔗渣、甜菜渣、锯木屑、果蔬加工废料、作物秸秆、树木剪枝、禽畜类粪便、餐厨垃圾等都是工农业生产衍生的大量固体废弃物。这类废弃物均富含有机质，氮、磷、钾等营养元素，是多用途、可再生的生物资源。
鉴于土壤面临的重金属复合污染风险大，联合使用多种改良材料、找出一个合适的比例复合使用这些改良材料以提高改良修复效果，并互相取长补短发挥复合改良剂的最佳效益，是未来土壤重金属污染修复研究的方向和必然的选择。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能有效改良土壤重金属的改良剂。
本发明的目的尤其在于提供一种金属矿山土壤改良剂。
本发明的另一目的在于提供一种金属矿山土壤的修复方法。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
发明提供了一种土壤改良剂，该改良剂含有以下成分：禽畜类粪便、蘑菇渣、作物秸秆、酒糟、中药渣。
改良剂中禽畜类粪便、蘑菇渣、作物秸秆、酒糟、中药渣的重量比为20～50:20～50:10～30:10～30:10～30。
上述的改良剂尤其适用于金属矿山尾矿库的土壤修复。金属矿山尾矿库指铅、锌、铜、铬、锰矿尾矿库。
金属矿山尾矿土壤重金属含量高、极端贫瘠、物理结构不良，需要改良剂具备持续螯合重金属、缓慢释放营养元素，长期改良协调理化性质的能力。
本发明选用的是多种有机固体废弃物的联合，在恢复尾矿植被时表现出加和作用，超过每种废弃物的单独作用，达到协同和互补的效果。这些有机固体废弃物在改良修复重金属污染土壤时主要发挥以下几方面的作用：一是改善污染土壤的理化性质，提高其持水保肥的能力，促进土壤团粒的形成；二是缓慢提供营养物质，有利于植被定居和生长；三是表面含量大量的羧基、磷酰基、酚基等官能团，对重金属离子有很好的吸附作用，降低其移动性和生物有效性，减少重金属离子向地下渗透性和植物学毒性，恢复污染土壤的生态学功能。此外，禽畜类粪便腐败速度快，可加快植物种子萌发和定居；蘑菇渣含有大量菌丝体、多种酶和生物活性物质，有效促进土壤微生物的活动；酒糟肥力释放慢，可持久、均衡地向污染土壤提供营养成分；作物秸秆可有效增加尾矿基质的孔隙度，降低尾矿容重，防止尾矿板结；中药渣含有大量的抗菌素，能有效抑制植物病虫害及尾矿病原菌和致病菌，保障植物健康生长。
发明人在摸索出上述最优的复合改良剂的过程中，尝试了多种改良剂组合方式，例如：锯木屑+作物秸秆，锯木屑+树木剪枝+秸秆，中药渣+甘蔗渣+作物秸秆，蘑菇渣+中药渣，蘑菇渣+酒糟+中药渣，中药渣+蘑菇渣+锯木屑+作物秸秆等组合，但这些组合植物种子萌发、生长状况均较差，其原因可能是因为这些组合C/N较高，土壤微生物活性受到抑制，进而影响到有机物质分解、矿化，重金属离子不能被有效钝化，营养元素比例失调，植物不能正常生长。最终这些组合因改良效果较差而被淘汰(具体效果图见对比例1)。
在中药渣的选择方面，发明人尝试过多种来源的中药渣，比如，妇炎康片、肠康片、玉清抗宫炎片、金刚藤糖浆、脑得生片等。这些中药渣与上述其他组分复配均能具有较好的改良效果。
在本发明的一个优选的实施例中，所采用的中药渣为妇炎康和肠康片的中药渣。两者的比例可以在5:1～1:5范围内调节。作为示例性的实施例，本发明采用1:1(w/w)的妇炎康和肠康片中药渣。
本发明同时提供了一种改良金属矿山土壤的方法，将土壤改良剂与表层土壤混合均匀，平衡1～3个月。平衡后即可开始种植植物。参与混合的表层土壤的深度优选25～35cm，即，可以将土壤改良剂与0～25cm、或0～30cm、或0～35cm等的表层土壤混合均匀，平衡。
优选地，土壤改良剂的添加量为10～60t/ha。
在改良修复金属尾矿的过程中，改良剂添加时间的适当选择有利于改良效果，一般要安排在雨季之前，每年1～3月份为最佳时间。2～4月份一般有充分的降雨，使改良剂与尾矿基质充分混合，通过吸附、螯合、络合等过程降低重金属毒性，改善尾矿物理化学性质，提高其持水保肥的能力，满足植物生长的基本需要。
种植的植物可选草本、灌木和乔木。优选耐性植物。
选用的植物一般要具有以下特征：一、抗旱、抗寒、抗贫瘠、抗病虫害能力强；二、根系发达、生长、繁殖能力强，能够有效固结土壤，防治水土流失；三、播种、栽植容易，成活率高；四、具有越冬能力、抚育管理方便。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明选用工农业废弃物作为金属尾矿改良剂，取材方便，成本低，操作简单，适合于大面积推广应用。
(2)本发明选用的是多种有机固体废弃物的联合，在恢复尾矿植被时表现出加和作用，超过每种废弃物的单独作用，达到协同和互补的效果。
(3)本改良剂为有机固体废弃物，对环境友好，不会造成二次污染，且实现固体废弃物的资源化利用，可有效降低工农业废弃物的处理成本，达到“以废治废”的目的，节约修复资金，经济效益、生态效益、社会效益显着。
附图说明
图1为不同改良剂对应的植被盖度状况统计结果，其中：T，尾矿；C，鸡粪；M，蘑菇渣；D，作物秸秆；V，酒糟；H，中药渣，M1-17，复合改良剂；
图2不同工农业废弃物组合对尾矿改良效果实地照片；
图3工农业废弃物复合改良铅锌尾矿田间效果实地照片；
图4工农业废弃物复合改良锰渣库田间效果实地照片。
图5对比例1：A，鸡粪+蘑菇渣+作物秸秆+酒糟+中药渣；B，锯木屑+作物秸秆；C，锯木屑+树木剪枝+秸秆；D，中药渣+蘑菇渣+锯木屑+作物秸秆。
具体实施方式
以下结合实施例来进一步解释本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。
本发明技术对重金属尾矿库的修复效果均采用野外田间试验的方式来验证。
实施例中所采用的中药渣为妇炎康片和肠康片的中药渣，比例为1:1的重量比。
实施例1不同工农业废弃物组合对尾矿改良修复效果
实验地点在湘西州浩宇化工有限公司铅锌尾矿库，建立2m×2m试验小区，验证5种不同工农业废弃物组合对铅锌尾矿的改良修复效果。将鸡粪、酒糟、中药渣、蘑菇渣、作物秸秆按照10～50的重量比随机配制成17种组合(表1)，设立鸡粪、酒糟、中药渣、蘑菇渣、作物秸秆单独使用的实验小区和尾矿(不添加任何改良剂)实验小区。改良剂添加剂量设置三个梯度，分别为低10t/ha、中30t/ha、高60t/ha。每个梯度设23个实验小区，三个梯度共设69个实验小区。选取矿区附近重金属耐性高的植物芒、加拿大飞蓬、苍耳、苎麻、狼尾草作为修复物种，秋季采集上述植物的种子，脱粒、晒干，装袋备用。改良剂的添加和播种在春季4月份完成，之后植物种子自然萌发、生长。三个月后对不同改良组合实验小区的植被盖度进行调查(图1)。从植被盖度来看，三个添加量梯度均表现为，5种改良剂联合使用效果明显优于单独使用，在不同的组合配比中M3-M11效果较好，即采用鸡粪、蘑菇渣、作物秸秆、酒糟、中药渣联合改良尾矿恢复植被时，组合配比鸡粪20～50、蘑菇渣20～50、作物秸秆10～30、酒糟10～30、中药渣10～30为宜。
实施例2 5种工农业有机废弃物组合改良铅锌尾矿田间效果
2014年1月在湘西州太丰矿业集团铅锌尾矿库建立50m×40m的田间试验地，整平，设置围栏，采样检测本底值。该尾矿库废弃3年，尾矿中重金属总量分别为：Pb 813mg/kg、Zn 2342mg/kg、Cd 36mg/kg、Mn 1160mg/kg，地表裸露，无任何植物生长。将鸡粪、蘑菇渣、作物秸秆、酒糟、中药渣按20:20:20:20:20的重量比混合均匀，平铺在尾矿表面，总添加量为6t(相当于30t/ha)。采用犁耕法与0～30cm尾矿混匀，平衡约两个月。采集矿区附近耐性强的主要优势植物作为修复物种，分别为芒、狼尾草、加拿大飞蓬、苍耳、黄花蒿、土荆芥、苎麻、鸡矢藤、火棘、豪猪刺。4月初播种，之后植物种子自然萌发、生长。三个月后对铅锌尾矿试验地进行调查，采样、检测。尾矿库改良前后植被盖度、尾矿营养元素及重金属有效态含量见表2，总体来看，植被生长状况良好，植被盖度达到80％以上。与改良前比较，改良后尾矿有机质、总氮、总磷含量显着提高，重金属有效态Cd、Mn、Pb、Zn含量显着降低。采集生物量大、盖度高的植物地上部分进行重金属含量测定，从检测结果来看(表3)，采集的6种优势植物地上部分重金属Cd、Cu、Cr、Mn、Pb、Zn含量均在正常植物含量范围内。
表2太丰铅锌尾矿库改良前后植被盖度、尾矿营养元素及重金属有效态含量
表3修复植物地上部分重金属含量(mg/kg)
实施例3工农业废弃物联合改良锰渣库田间效果
2013年1月在湘西州锰锌高科锰渣库建立了面积约10亩的田间试验地，整平，设置围栏，采样检测本底值。该锰渣库废弃5年，锰渣中重金属总量分别为：Pb 208mg/kg、Zn 859mg/kg、Cd 25mg/kg、Mn 6589mg/kg，地表裸露，无任何植物生长。将鸡粪、蘑菇渣、作物秸秆、酒糟、中药渣按照50:20:10:10:10的重量比混合均匀，覆盖在锰渣表面，总添加量为13.3t(相当于20t/ha)。采用犁耕法与0～30cm锰渣混匀，平衡约两个月。采集锰渣库区附近耐性强的主要优势植物作为修复物种，分别为芒、白茅、加拿大飞蓬、苍耳、魁蒿、灰白毛莓、箬竹、狼尾草。4月初播种，植物种子自然萌发、生长。锰渣库改良前后植被盖度、锰渣基质营养元素及重金属有效态含量见表4，总体来看，改良后的锰渣库植物生长状况良好，植被盖度达到85％以上，尾矿有机质、总氮、总磷含量显着提高，重金属有效态Cd、Mn、Pb、Zn含量较改良前显着降低。采集生物量大、盖度高的植物地上部分进行重金属含量测定，从检测结果来看(表5)，采集的5种优势植物地上部分重金属Cd、Cu、Cr、Mn、Pb、Zn含量均在正常植物含量范围内。
表4锰锌高科锰渣库改良前后植被盖度、尾矿营养元素及重金属有效态含量
表5修复植物地上部分重金属含量(mg/kg)
对比例1
2012年1月在湘西州太丰矿业集团铅锌尾矿库建立2m×2m试验小区，每个试验小区分割成4个1m×1m的小样方，每个小样方添加不同的改良剂组合，分别为A，鸡粪+蘑菇渣+作物秸秆+酒糟+中药渣；B，锯木屑+作物秸秆；C，锯木屑+树木剪枝+秸秆；D，中药渣+蘑菇渣+锯木屑+作物秸秆。每个实验小区组合改良剂的添加量为12kgt(相当于30t/ha)，组合比例为重量比，A 1:1:1:1:1，B 1:1，C 1:1:1，D 1:1:1:1。平衡两个月，种植耐性植物黑麦草。从黑麦草生长状况来看，A组合盖度为80％，B组合盖度为10％，C组合盖度为20％，D组合盖度为30％。总体开看，A组合改良修复效果最好，植物种子基本正常萌发、幼苗健壮，生长状况良好，后期开花、结籽、完成整个生命周期；B、C、D组合大部分种子未能正常萌发，幼苗生长状况较差，茎叶比较纤细，泛黄，表现出明显的养分不足和中毒症状，植被盖度均未达到50％。
Claims (8)
1.一种土壤改良剂，其特征在于，含有以下成分：禽畜类粪便、蘑菇渣、作物秸秆、酒糟、中药渣。
2.如权利要求1所述的改良剂，其特征在于，改良剂中禽畜类粪便、蘑菇渣、作物秸秆、酒糟、中药渣的重量比为20～50:20～50:10～30:10～30:10～30。
3.如权利要求1所述的改良剂在改良金属矿山尾矿方面的应用。
4.如权利要求3所述的应用，其特征在于所述的金属矿山为铅、锌、铜、铬、锰矿中的一种或多种。
5.一种改良金属矿山土壤的方法，其特征在于：将如权利要求1所述改良剂与表层土壤混合均匀，平衡1～3个月。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的改良剂的添加量为10～60t/ha。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的改良剂与深度至25～35cm的表层土壤进行混合。
8.一种矿山生态修复方法，其特征在于，将如权利要求1所述改良剂与表层土壤混合均匀，平衡1～3个月后，种植植物。
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Effective date of registration: 20210318 Address after: 512000 room 1406, 14th floor, main building, Qifu building, 18 Qianjin Road, Zhenjiang District, Shaoguan City, Guangdong Province Patentee after: Guangdong Taolin ecological environment Co.,Ltd. Address before: 416000 No. 120 Renmin South Road, Jishou City, Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture, Hunan Patentee before: JISHOU University |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 512000 room 1406, 14th floor, main building, Qifu building, 18 Qianjin Road, Zhenjiang District, Shaoguan City, Guangdong Province Patentee after: Guangdong Jiangtong Taolin Ecological Environment Co.,Ltd. Address before: 512000 room 1406, 14th floor, main building, Qifu building, 18 Qianjin Road, Zhenjiang District, Shaoguan City, Guangdong Province Patentee before: Guangdong Taolin ecological environment Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |