CN104719116A - 一种人工土壤基质及其配制方法以及应用 - Google Patents
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Abstract
一种人工土壤基质及其配置方法以及应用，属于矿区生态恢复领域。该基质利用铁尾矿及其它固体废弃物为基础材料，经适宜的处理与配比，配制为人工土壤基质，用以替代当前矿区植被恢复中大量使用客土的现状，降低矿区植被恢复成本，同时亦可实现固体废弃物的再利用。该土壤基质用于矿区植被恢复，不仅可以解决矿区植被重建用土问题，改善矿区生态环境，同时解决了铁尾矿等废弃物所造成的环境污染问题，具有一定的社会、生态和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工土壤基质，尤其是涉及一种以铁尾矿以及固体废弃物为主要原料的人工土壤基质及其配制方法以及应用，属于矿区生态恢复领域。
背景技术
随着公路、铁路、水利和矿山开采等工程建设需要开挖大量的边坡，形成数量巨大的裸露岩质边坡。大量边坡的形成和破坏严重的影响着生态环境。目前我国边坡生态修复技术研究已有一定的进展，针对边坡的生态修复问题，常用的生态修复方法有：植被混凝土生态护坡技术 (CBS)、厚层基材喷射植被护坡技术、岩石边坡植生基质生态防护技术等。
目前应用比较广泛的植被混凝土边坡绿化技术对岩质边坡的植被恢复十分有效。植被混凝土边坡绿化技术是指通过把水泥、土壤、有机质、添加剂、混合植绿种子按特定比例，加一定量的水充分搅拌后形成的混合物，然后喷播到岩质边坡上，对边坡进行绿化修复。由于露天采矿的开挖导致矿山表土的匮乏，若采用常用的边坡修复技术将导致大量土壤的使用和开挖，这将会带来新的环境破坏，同时大量土壤的使用在无形中增加了边坡绿化的成本，高成本的绿化技术很难在矿山上试用推广，因此如何降低矿山岩质边坡生态恢复成本是目前亟需解决的一个问题。
目前国内选矿过程中产生了大量的铁尾矿，大量的铁尾矿需要大量的尾矿库来堆存，占用大量的土地，铁尾矿对环境产生的污染包括粉尘污染和对地下水的污染，严重的影响了人类的正常生活，同时铁尾矿经改良后可具备种植草本、灌木的条件。如何科学合理的处置尾矿成为一个亟需解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术矿区土地破坏现状，为了解决铁尾矿堆存占用大量的土地，污染环境的问题，本发明的发明目的提供一种用铁尾矿替代土壤作为基础材料，采用水泥作为粘结剂，与秸秆、蘑菇渣和保水剂等进行配比，得到一种低成本的适合矿区生态重建的人工土壤基质。
实现上述目的采用以下技术方案：
一种人工土壤基质，所述的人工土壤基质是基于铁尾矿的人工土壤基质，其原料组成包括：铁尾矿1份，以铁尾矿为基数，按照重量百分比添加：按照重量百分比添加：水泥 6.0-8.0%，秸秆1.5-2.5%，蘑菇渣1.5-2.5%，糠醛渣6.0-8.0%，粘合剂 0.5-0.7%，有机肥1.5-2.5%，保水剂0.1%，水30.0-40.0%。
作为优选，所述的浮选铁尾矿为铁矿采用浮选法选矿后排出的固体废弃物；磁选铁尾矿为磁铁矿经磁选后排出的固体废弃物，所述的磁选铁尾矿与浮选铁尾矿分别是晒干后的尾矿，其干重质量比为1:1。
作为优选，所述的水泥选用高标号P.C 42.5R低碱度硫铝酸盐水泥。
作为优选，所述的秸秆选用晒干的小麦秸秆，小麦秸秆的长度为1-2cm。
作为优选，所述的蘑菇渣选自用棉籽壳生产蘑菇产生的蘑菇渣，是将蘑菇渣破碎过2mm筛的筛下物。
作为优选，所述糠醛渣是利用玉米芯生产糖醛所产生的固体废弃物，是经晒干后粉碎过2mm筛的筛下物，其pH值为3.0-3.5。
作为优选，所述粘合剂，采用质量配比为1:1的聚醋酸乙烯乳液与聚丙烯酰胺的混合物。
作为优选，所述的人工土壤基质，其pH为9.0-9.5。
本发明的另一个发明目的是提供一种易操作、配制流程简单的人工土壤基质的配制方法，实现这一目的采用的技术方案是：
一种人工土壤基质的配制方法，按照上述的原料组成及比例，其配制方法步骤如下：
a.首先配制铁尾矿：将优选的磁选铁尾矿与浮选铁尾矿以质量比1:1的比例混合均匀，得到的混合物为铁尾矿备用；
b.将6.0-8.0%的水泥与铁尾矿混合均匀，得到水泥与铁尾矿的混合物备用；
c.将过筛后的1.5-2.5%的蘑菇渣与6.0-8.0%的糖醛渣、1.5-2.5%秸秆混合均匀，得到蘑菇渣、糖醛渣与秸秆的混合物备用；
d.将1.5-2.5%的有机肥与0.1%的保水剂混合均匀，得到有机肥与保水剂混合物备用；
e.将蘑菇渣、糖醛渣和秸秆混合物与有机肥与保水剂混合物混合均匀，得到渣肥混合物备用；
f.将0.5-0.7%的粘合剂溶于30.0-40.0%的水中，搅拌均匀，备用；
g.将水泥与铁尾矿混合物与渣肥混合物混合均匀，加入水溶液，搅拌均匀即为成品人工土壤基质。
本发明又一个发明目的是提供一种人工土壤基质在矿区植被恢复中的应用。
采用上述技术方案，本发明的有益效果是：用铁尾矿及其它固体废弃物为基础材料，经适宜的处理与配比，配制为人工土壤基质，用以替代当前矿区植被恢复中大量使用客土的现状，在人工土壤基质上种植植物，降低了矿区植被恢复成本，同时亦可实现固体废弃物的再利用。本发明不仅可以解决矿区植被重建用土问题，降低矿山生态重建成本，还解决了铁尾矿等废弃物所造成的环境污染问题，满足社会对改善矿山生态环境条件的需求，具有一定的社会、生态和经济效益，而且以铁尾矿及其它固体废弃物为基础材料配制而成的土壤基质适宜植被生长。
具体实施方式
下面根据具体实施例对本发明做进一步的描述。
以下所述的实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
具体实施例
实施例1 人工土壤基质
本实施例的人工土壤基质是基于铁尾矿的人工土壤基质，其原料组成为：铁尾矿、水泥、秸秆、蘑菇渣、糠醛渣、粘合剂、有机肥、保水剂和水。
铁尾矿是磁选铁尾矿与浮选铁尾矿分别晒干后，按照干重质量比为1:1混合的混合物。其中浮选铁尾矿为铁矿采用浮选法选矿后排出的固体废弃物；磁选铁尾矿为磁铁矿经磁选后排出的固体废弃物。
磁选铁尾矿、浮选铁尾矿两种铁尾矿的颗粒组成如表1。
表1铁尾矿粒度分级
| 大于0.15mm | 0.074-0.149 mm | 小于0.074 mm | |
| 浮选铁尾矿 | 15.60% | 26.58% | 57.82% |
| 磁选铁尾矿 | 43.94% | 38.88% | 17.18% |
秸秆选用晒干的小麦秸秆，将小麦秸秆用剪切机剪切成长度为1-2cm的小麦秸秆段。
蘑菇渣选自用棉籽壳生产蘑菇产生的蘑菇渣，是将蘑菇渣破碎后过2mm筛的筛下物，其粒径为2mm，应避免蘑菇渣粉碎太细。
糠醛渣是利用玉米芯生产糖醛所产生的固体废弃物，是经晒干后粉碎过2mm筛的筛下物，粉碎后糖醛渣pH为3.0。
粘合剂，采用质量配比为1:1的聚醋酸乙烯乳液与聚丙烯酰胺的混合物。
有机肥，为普通市售颗粒有机无机复合肥，有机质含量>30%，氮磷钾含量25%。
保水剂，选用普通市售颗粒聚丙烯酸盐高吸水树脂作保水剂。
水，选用普通市政自来水。
人工土壤基质的物料组成：铁尾矿1份，以铁尾矿为基数，1份铁尾矿按照重量为100公斤计，按照重量百分比添加：水泥 7.0%，秸秆2.0%，蘑菇渣2.0%，糠醛渣7.0%，粘合剂 0.6%，有机肥2.0%，保水剂0.1%，水35.0%。
水泥的用量为7.0%，水泥的主要作用是参与基质的粘结成型及使其在后期具有一定的强度，加大边坡的稳定性。在设计强度不变的情况下，为了减少水泥碱性对基质的影响，采用高标号P.C 42.5R低碱度硫铝酸盐水泥，以减少水泥用量。
上述实施例配制的土壤基质的pH为9.35。
实施例2 人工土壤基质的配置方法
按照人工土壤基质的物料组成：铁尾矿1份，以铁尾矿为基数，1份铁尾矿按照重量为100公斤计，按照重量百分比添加：水泥 7.0%，秸秆2.0%，蘑菇渣2.0%，糠醛渣7.0%，粘合剂 0.6%，有机肥2.0%，保水剂0.1%，水35.0%。配制人工土壤基质，方法步骤如下：
a.首先配制铁尾矿：将优选的磁选铁尾矿与浮选铁尾矿以质量比1:1的比例混合均匀，得到的混合物为铁尾矿备用；
b.将7.0%的水泥与铁尾矿混合均匀，得到水泥与铁尾矿的混合物备用；
c. 将2.0%的秸秆、筛好的2.0%的蘑菇渣、7.0%的糖醛渣混合均匀，得到秸秆、蘑菇渣与糖醛渣的混合物备用；
d.将2.0%的有机肥与0.1%的保水剂混合均匀，得到有机肥与保水剂混合物备用；
e.将秸秆、蘑菇渣与糖醛渣混合物与有机肥与保水剂的混合物混合均匀，得到渣肥混合物备用；
f.将0.6%的粘合剂溶于35.0%的水中，搅拌均匀，备用；
g.将水泥与铁尾矿混合物与渣肥混合物混合均匀，加入水溶液，搅拌均匀即为成品人工土壤基质。
本发明提供的人工土壤基质用于矿区植被恢复。可在人工土壤基质上种植植物，如高羊茅、紫花苜蓿、沙棘、紫穗槐等植物，形成矿区植被。
实施例3 人工土壤基质的物理性质和植物的生长状况测定。
本实施例中针对本发明基质进行了深入研究，分别研究了基质物理性质和植物的生长状况。
1、物理力学特性研究：测定基质的容重、基质的吸水率与水分蒸发率、基质的水稳定性、基质的无侧限抗压强度及抗剪强度等指标。由于关于生态基质性质的测试目前还没有一个统一规范，因此本次实验参照土工实验规程设计的试验方法。通过下列指标的测定，可知本人工土壤基质能够满足物理力学特性的要求，符合人工土壤物理结构的基本条件。
基质容重：在1.7-2.0g/cm3之间.
基质的吸水率：48h吸水率在6.0%以上。
基质的水稳定性：在3d、14d、28d静水中稳定性，出现部分崩解情况，24h崩解比例小于1/8。
基质的无侧限抗压强度：分别测定2d、7d、14d、28d龄期的无侧限抗压强度，2d无侧限抗压强度已达到0.3MPa，7d无侧限抗压强度达0.6MPa，14d无侧限抗压强度达0.8MPa，28d无侧限抗压强度达1.0MPa以上；无侧限抗压强度均随着龄期的增加而增大，但初期强度增长的速率比较快，后期增长的速率比较慢。
基质的抗剪强度：分别测定2d、7d、14d、28d龄期的抗剪强度，得到2d黏聚力已达到9.0kPa，内摩擦角达15°；7d黏聚力达11.0kPa，内摩擦角达17°；14d黏聚力达17.0kPa，内摩擦角达16°；28d黏聚力已达到16.0kPa，内摩擦角达17°；黏聚力出现先增大后减小的现象，内摩擦角基本稳定在16°左右，但均满足抗剪强度需求。
2、植物生长试验：通过测定人工土壤基质的基本特性，得知其容重、孔隙度和养分含量等指标均能满足植物生长的需要；种植高羊茅和紫花苜蓿两种草本植物的试验证明，两种植物可以正常生长。
测定了人工土壤基质容重1.27 g/cm3、总孔隙度48.89%、毛管孔隙度45.13%、非毛管孔隙度3.76%。
初期pH值9.22、有机质6.70g/kg、碱解氮133.50mg/kg、速效磷95.63mg/kg、速效钾368.12mg/kg、水溶性盐浓度3.51g/kg。
出苗率测定：高羊茅出苗率82%、紫花苜蓿出苗率84%；高羊茅净光合速率(Pn) 2.15μmol·m2·s-1、紫花苜蓿净光合速率(Pn) 2.26μmol·m2·s-1。
本发明所公开的人工土壤基质配制方法中所应用到的基质材料和配比，是申请人经过反复试验得到的，申请人为了降低成本，均采用当地（唐山）常见的固体废弃物进行研究，凡是采用本发明所要求的配制方法进行人工土壤基质配制的，都应落在本发明的范围之内。
Claims (10)
1.一种人工土壤基质，其特征在于，所述的人工土壤基质是基于铁尾矿的人工土壤基质，其原料组成包括：按重量份铁尾矿1份，以铁尾矿为基数，按照重量百分比添加：水泥 6.0-8.0%，秸秆1.5-2.5%，蘑菇渣1.5-2.5%，糠醛渣6.0-8.0%，粘合剂 0.5-0.7%，有机肥1.5-2.5%，保水剂0.1%，水30.0-40.0%。
2.根据权利要求1所述的一种人工土壤基质，其特征在于，所述的浮选铁尾矿为铁矿采用浮选法选矿后排出的固体废弃物；磁选铁尾矿为磁铁矿经磁选后排出的固体废弃物，所述的磁选铁尾矿与浮选铁尾矿分别是晒干后的尾矿，其干重质量比为1:1。
3.根据权利要求1所述的一种人工土壤基质，其特征在于，所述的水泥选用高标号P.C 42.5R低碱度硫铝酸盐水泥。
4.根据权利要求1所述的一种人工土壤基质，其特征在于，所述的秸秆选用晒干的小麦秸秆，小麦秸秆的长度为1-2cm。
5.根据权利要求1所述的一种人工土壤基质，其特征在于，所述的蘑菇渣选自用棉籽壳生产蘑菇产生的蘑菇渣，是将蘑菇渣破碎过2mm筛的筛下物。
6.根据权利要求1所述的一种人工土壤基质，其特征在于，所述糠醛渣是利用玉米芯生产糖醛所产生的固体废弃物，是经晒干后粉碎过2mm筛的筛下物，其pH值为3.0-3.5。
7.根据权利要求1所述的一种人工土壤基质，其特征在于，所述粘合剂，采用质量配比为1:1的聚醋酸乙烯乳液与聚丙烯酰胺的混合物。
8.根据权利要求1所述的人工土壤基质的配制方法，其特征在于，所述的人工土壤基质，其pH为9.0-9.5。
9.一种如权利要求1所述的一种人工土壤基质的配制方法，其特征在于，按照权利要求1的原料组成及比例，其配制方法步骤如下：
a.首先配制铁尾矿：将优选的磁选铁尾矿与浮选铁尾矿以质量比1:1的比例混合均匀，得到的混合物为铁尾矿备用；
b.将6.0-8.0%的水泥与铁尾矿混合均匀，得到水泥与铁尾矿的混合物备用；
c.将过筛后的1.5-2.5%的蘑菇渣、6.0-8.0%的糖醛渣与1.5-2.5%秸秆混合均匀，得到蘑菇渣、糖醛渣与秸秆的混合物备用；
d.将1.5-2.5%的有机肥与0.1%的保水剂混合均匀，得到有机肥与保水剂混合物备用；
e.将蘑菇渣、糖醛渣和秸秆混合物与有机肥与保水剂混合物混合均匀，得到渣肥混合物备用；
f.将0.5-0.7%的粘合剂溶于30.0-40.0%的水中，搅拌均匀，备用；
g.将水泥与铁尾矿混合物与渣肥混合物混合均匀，加入水溶液，搅拌均匀即为成品人工土壤基质。
10.一种如权利要求1所述的一种人工土壤基质的应用，其特征在于，该人工土壤基质用于矿区植被恢复。
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