CN108326023A

CN108326023A - 翅荚决明和生物炭联合修复尾矿库的方法

Info

Publication number: CN108326023A
Application number: CN201810167307.9A
Authority: CN
Inventors: 王诗忠; 黄礼格; 李元媛; 丁铿博; 赵曼; 杨璐; 仇荣亮; 晁元卿; 汤叶涛
Original assignee: Sun Yat Sen University
Current assignee: Sun Yat Sen University
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2018-02-28
Publication date: 2018-07-27

Abstract

本发明提供一种翅荚决明和生物炭联合修复尾矿库的方法，属于矿山废弃地生态修复技术领域。该方法包括如下步骤：1)在尾矿库土壤中添加生物炭制成混合尾矿土壤，平衡；2)将翅荚决明植株种植在混合尾矿土壤中。本发明利用翅荚决明和生物炭联合复垦尾矿，综合利用生物炭改善尾矿基质、降低重金属对植物的毒害作用，以及翅荚决明的生物固氮作用，缓解尾矿酸、毒、瘠对植物复垦的不利影响，促进土壤理化性质的改良，降低尾矿修复的成本。

Description

翅荚决明和生物炭联合修复尾矿库的方法

技术领域

本发明属于矿山废弃地生态修复技术领域，具体涉及一种豆科植物与生物炭联合修复尾矿库的方法，尤其是翅荚决明和生物炭联合修复尾矿库的方法。

背景技术

尾矿是指矿石经过提取和选矿之后的残留物，含有丰富的原生矿物，严格意义上来讲不是土壤，而是一种母质。大部分的尾矿库水蚀风蚀现象严重，往往成为裸地，导致了污染物大量迁移扩散，给矿山周边地区居民的食品安全、生态安全甚至社会和谐带来严重隐患，严重影响生态安全和矿业的可持续发展。我国受矿业影响的土地复垦率只有13.3％，与发达国家75％的复垦率相差甚远。因此，我国矿山重金属污染的生态控制技术与环境管理研究迫在眉睫，矿山复垦和生态恢复任重道远。

对尾矿库进行植被恢复，首先需要解决的是“酸”、“毒”、“瘠”这三大限制因素，因此合适的改良剂和植物品种是植物复垦成功的关键。豆科植物作为尾矿废弃地的先锋物种。种植豆科植物对加速其他植物入侵与生长起到重要的作用。但在实地的调查中，豆科植物往往很难成为尾矿废弃地的优势种，这是由于尾矿废弃地严重缺P，导致豆科植物的固氮作用不佳，对矿业废弃地的N素积累所起的作用不大。因此往往需要往矿业废弃地添加改良剂，为植物的生长创造良好的生态环境，需要采用改良剂辅助植物修复尾矿废弃地。

碳基改良剂——生物炭通常具有非常大的比表面积、高孔隙度、呈碱性，具有优良的吸附性能。生物炭所具有的物理化学性质使它可以作为污染土壤的一种化学钝化剂。通过吸附、沉淀、络合、离子交换等一系列反应，降低污染物的可迁移性和生物可利用性。不同的制备条件及原材料得到的生物炭元素组成大不相同，比如由牛粪和动物废弃物制成的生物炭含磷较植物生物质来源的生物炭多，生物炭中的磷有助于与铅形成磷酸铅从而提高铅的移动效率。此外，生物炭可通过改善和提高土壤肥力降低重金属对植物的毒害作用，但施用过量的生物炭会抑制植物的生长，因此在土壤养分较低的尾矿废弃地中，仍需注意生物炭的使用量和改良效果。

翅荚决明(Cassia alata)，豆科决明属，多年生常绿灌木，原产热带美洲，我国分布于广东、海南和云南南部等地区，是一种具备优良观赏价值的园林植物和药用植物。该植物喜光耐半阴，耐贫瘠，对土壤要求不严，生长迅速，当年播种当年就能开花结果，野外的研究表明该植物更易形成灌木-草本立体群落，作为复垦植物具有较好的应用前景。但如何有效的使用翅荚决明进行复垦，提出了一个难题。

由此可见，如何有效使用翅荚决明和生物炭，二者结合寻找较优的修复尾矿库的修复方法，具有很重要的社会意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种翅荚决明和生物炭联合修复尾矿库的方法，通过二者的联合使用，突破目前尾矿库“酸”、“毒”、“瘠”这三大限制因素，成功实现复垦，防止尾矿污染周边环境。

为解决上述问题，一方面，本发明在于提供一种翅荚决明和生物炭联合修复尾矿库的方法，该方法包括如下步骤：

1)在尾矿库土壤中添加生物炭制成混合尾矿土壤，平衡；

2)将翅荚决明植株种植在混合尾矿土壤中。

进一步地，本发明中，生物炭在1kg尾矿库土壤中的添加量为0.4％～3％。优选地，所述生物炭在1kg尾矿库土壤中的添加量为0.4％～3％。更进一步地，所述生物炭在1kg尾矿库土壤中的添加量为0.4％～3％。优选地，所述生物炭在1kg尾矿库土壤中的添加量为0.4％、1％或3％。本发明的的添加量重量进行计算。

进一步地，本发明中，生物炭为麻秆炭、鸡粪炭或污泥炭。

进一步地，本发明中，生物炭的制备过程如下：将生物炭原材料在马沸炉500℃条件下厌氧加热3h，冷却后过20目筛即得。所述生物炭原材料为红麻麻杆、污泥或鸡粪。

进一步地，本发明中，所述步骤1)中，混合尾矿土壤平衡的时间为10天以上。优选地，所述步骤1)中，混合尾矿土壤平衡的时间为14天以上。

进一步地，本发明中，所述步骤1)中，混合尾矿土壤平衡时，隔天浇水，保持混合尾矿土壤湿润。

进一步地，本发明中，所述步骤2)中翅荚决明植株的育苗过程如下：

a)种子消毒处理；

b)种子催芽后进行育苗，等翅荚决明苗长至6片叶子后进行移植。

更进一步地，本发明中，所述种子消毒处理是先用1％的过氧化氢溶液消毒10分钟，再用纯水浸泡24小时。

进一步地，本发明中，所述步骤2)中，翅荚决明植株种植过程，保湿土壤湿润。优选地，所述保持土壤湿润是通过每1～2天进行一次浇水保持。

进一步地，所述翅荚决明植株每两株的种植半径为15～20cm，深度为10～15cm。优选地，所述翅荚决明植株每两株的种植半径为18cm，深度为11cm。

本发明以尾矿库的尾矿作为盆栽实验的供试土壤，其主要目的是对尾矿进行复垦，防止尾矿污染周边环境，不涉及周边土壤的修复。但从盆栽的实验数据可知，利用植物和生物炭复垦之后，土壤的重金属全量变化不大，但尾矿的重金属Pb、Zn、Cu、Cd有效态显著降低，而且植物生长状况良好。本发明以耐干旱、贫瘠且环境适应性强的观赏性豆科植物翅荚决明为修复植物，设置室内实验，通过优化生物碳的种类、用量，研究生物炭与翅荚决明根联合修复对尾矿库土壤肥力改善、酸度缓冲及重金属固定的潜力。

尾矿库存在严重的多金属复合污染，普通的植物难以作为复垦植物，能作为复垦植物的品种也可能存在植物生物量小、对尾矿库的复垦效果不明显的问题；而且尾矿库的营养物质匮乏，使得现有的复垦方法在植被恢复过程中需不断添加肥料以保持肥力，相应发生大量肥料购买施用费用等问题。本发明利用豆科植物翅荚决明和生物炭联合复垦尾矿，综合利用生物炭改善尾矿基质、降低重金属对植物的毒害作用，以及豆科植物翅荚决明的生物固氮作用，缓解尾矿酸、毒、瘠对植物复垦的不利影响，促进土壤理化性质的改良，降低尾矿修复的成本。而且翅荚决明具有生长迅速、生物量大、逆境胁迫耐受能力强等特点，能提高尾矿的持水保肥能力，减少尾矿的水土流失。通过对生物炭种类和使用量的筛选，提出切实可行的豆科植物翅荚决明+生物炭的联合复垦技术模式，为多金属尾矿污染土壤的复垦工作提供参考。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明提供一种翅荚决明和生物炭联合修复尾矿库的方法，针对尾矿库酸、毒、瘠的特性，利用生物炭改善尾矿基质、降低重金属对植物的毒害作用，结合翅荚决明的生物固氮作用，达到缓解尾矿库的酸、毒、瘠对植物复垦的不利影响，实现尾矿的植被恢复，增强尾矿土壤的持水保肥能力，降低尾矿修复的成本，防止尾矿污染周边环境。本发明的生物炭利用有机废物热解而成，实现“以废治废”的目的；本发明的翅荚决明用于尾矿复垦和实现对矿业废弃地的氮元素富集，为后续其他植物生长创造好的生态环境，具有良好的观赏性和推广价值。

附图说明

图1a不同生物炭处理对尾矿中重金属Pb化学形态的影响；

图1b不同生物炭处理对尾矿中重金属Zn化学形态的影响；

图1c不同生物炭处理对尾矿中重金属Cu化学形态的影响；

图1d不同生物炭处理对尾矿中重金属Cd化学形态的影响；

图1e不同生物炭处理对尾矿中重金属As化学形态的影响；

图2a～2d不同生物炭处理对翅荚决明生长的影响；其中图2a为翅荚决明的地上部干重的情况，图2b为翅荚决明的地下部干重的情况，图2c为翅荚决明的株高的情况，图2a为翅荚决明的根长的情况。

图3a不同生物炭处理对翅荚决明地上部和地下部中重金属Pb含量的影响；

图3b不同生物炭处理对翅荚决明地上部和地下部中重金属Zn含量的影响；

图3c不同生物炭处理对翅荚决明地上部和地下部中重金属Cu含量的影响；

图3d不同生物炭处理对翅荚决明地上部和地下部中重金属Cd含量的影响；

图3e不同生物炭处理对翅荚决明地上部和地下部中重金属As含量的影响。

采用单因素方差分析法分析不同处理间的差异，采用邓肯(Duncan)新复极差检验法进行显著性检验，差异显著水平为P<0.05。其中，图中，相同字母表示差异不显著，不同字母(a、b、d、c、ab、bc、abc、bcd、cd、e、de)表示处理间的差异显著(P<0.05)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

实施例1

(1)尾矿库异质性分析

通过野外调查，采集样品做理化性质分析，深入了解修复场地的重金属污染状况和污染特征。铅锌尾矿采自梅县丙村铅锌矿尾矿库(116°13′0″E，24°23′10″N)，年平均气温21.2℃，年平均降雨量1472.9mm，相对湿度78％，无霜期306d。该尾矿库为四等库，尾矿库总坝高为36m，矿内的堆积尾沙约38×10⁴m³。

(2)生物炭的制备

原材料准备：红麻麻杆采自广东韶关大宝山上坝村的重金属污染植被修复试验基地，鸡粪为市场购买，污泥采自广州大坦沙污水处理厂，原材料风干之后，粉碎，过20目筛，储存备用。

生物炭制备

生物炭制备使用厌氧高温热解法，原材料(红麻麻杆、污泥、鸡粪)在马弗炉500℃的条件下厌氧加热3h，冷却后过20目筛储存备用，本次实验3种原材料(红麻麻杆、污泥、鸡粪)的生物炭的产率分别为麻杆炭(Hibiscus cannabinus core biochar，简称HB)23.20％、鸡粪炭(chicken manure biochar，简称MB)72.42％、污泥炭(sewage sludgebioachar，简称SB)54.56％。铅锌尾矿呈弱酸性，麻杆炭和污泥炭呈弱碱性，鸡粪炭pH较高，达到9.1。制备的生物炭过20目筛，备用。

生物炭的基本理化性质见表1。

(3)尾矿的准备

本次尾矿土壤采自梅县丙村铅锌矿尾矿库。将采集的尾矿土壤进行风干，过20目筛，储存备用。尾矿存在着Pb、Zn、Cu、Cd和As的复合污染，除Cu外，其他4种重金属均超过了土壤环境质量三级标准，C、N的含量很低；生物炭总氮、总炭的含量较高，为尾矿的23～250倍、39～275倍，重金属含量较低，但污泥炭的Zn和Cd含量超过了土壤环境质量的三级标准，在实际应用的风险应特别关注。

尾矿的基本理化性质见表1。

表1尾矿土壤和生物炭的基本理化性质

(4)盆栽实验

盆栽的基质总量为1kg，将3种生物炭按照0.4％、1％和3％的比例分别与尾矿土壤(1kg)混合均匀装入塑料花盆，室内盆栽实验的栽植花盆大小，外口径18cm，底部直径10cm，高11cm，每种实验设置做3个重复。隔天浇水，保持混合尾矿土壤湿润，平衡2周以上。

翅荚决明种子(采自广东韶关大宝山上坝村的重金属污染植被修复试验基地)先经1％的过氧化氢溶液消毒10min，纯水浸泡24h，经过催芽之后，在石英砂花盆中进行育苗，等苗长到6片叶子之后再移植到尾矿混合土壤中，栽植过程中，每个花盆移植两棵翅荚决明。分别命名为HB0.4、HB1、HB3，SB0.4、SB1、SB3，MB0.4、MB1和MB3，以不施加改良剂即生物炭为对照组(CK)。每天浇水，保持湿润，温室培养100d。室内大温室，室温控制在20-25℃，1-2天浇一次蒸馏水，保持试验全程土壤湿润。

生物炭的添加量(以质量百分比计)以及编号如下：

表2翅荚决明室内盆栽实验的实验设计及编号说明

刚开始时，植物可能由于尾矿的影响，生长缓慢，但植物耐受性较强，逐渐成活，到第17天时，翅荚决明已明显有成活迹象，并开始了生长；第39天时，翅荚决明逐渐长高，叶子也由6片长到8-12片；第72天，部分植物的初始子叶褪去并且长出了更多的叶子，植株也明显变粗。

盆栽试验100天，100天之后尾矿土壤的基本理化性质如下:

表3不同生物炭处理对尾矿pH和重金属有效态含量的影响

采用单因素方差分析法分析不同处理间的差异，采用邓肯(Duncan)新复极差检验法进行显著性检验，差异显著水平为P<0.05。其中相同字母表示差异不显著，不同字母(a、b、d、c、ab、bc、abc、bcd、cd、e、de)表示处理间的差异显著(P<0.05)。

本发明使用的尾矿呈弱酸性，分别经麻杆炭、污泥炭和鸡粪炭改良处理后，土壤的pH值都得到了不同程度的增加。其中施加麻杆炭的处理效果最好，尾矿pH提高了0.5～0.6；污泥炭较差，仅提高了0.3～0.4。

本发明使用的尾矿经NH₄NO₃提取的重金属有效态含量较低。处理组对有效态Pb、Cu的影响差异不显著，对有效态Zn、Cd、As含量均有小幅度的升高。1％麻杆炭提高了35％有效态Zn、30％的有效态Cd；污泥炭有效态Zn、有效态Cd分别是处理组的1.2～1.3倍、1.2～1.4倍；有效态As的含量最高的是鸡粪炭，碱性的鸡粪炭显著增加了有效态As含量，这与前人对碱性改良剂的研究相一致。

从图1a～1e可以看出，Pb、Cu、Cd、As在尾矿中主要以残渣态的化学形态存在。各处理组Pb、As的弱酸提取态较低，表明其在尾矿中的迁移性很小。生物炭的施加显著降低了土壤Pb和Cu的活性，其中污泥炭降低了23.4％～34.5％的弱酸提取态Pb、27.8％～59.1％的弱酸提取态Cu，且随着添加量的增加，弱酸提取态Pb和Cu的比例变得越小。麻杆炭和鸡粪炭对Pb和Cu的固定效果要弱于污泥炭。施加生物炭，会不同程度的增加尾矿弱酸提取态Zn、Cd、As的含量。其中麻杆炭提高了21.3％～34.3％的弱酸提取态Zn含量、提高了10.7％～25.9％的弱酸提取态Cd含量。施加鸡粪炭对弱酸提取态As的影响最为显著，提高了16.4％～250％，且随着各种生物炭添加量的增加，弱酸提取态As的含量也显著性增加，HB3和SB3分别是对照组的2.6倍、3.0倍。

由图2a～2d可以看出，添加生物炭处理后翅荚决明的生长状况良好。从翅荚决明的地上部干重来看，各生物炭处理组的地上部干重是对照组的1.2～2.8倍，其中HB1和HB3处理组和对照组没有显著性差异，翅荚决明地上部干重随着污泥炭的添加剂量的增加翅荚决明的地上部逐渐增加，随着鸡粪炭的添加量的减少而逐渐减少。从翅荚决明的地下部干重来看，各生物炭处理组的地下部干重是对照组的1.7～3.2倍，其中各处理组除HB1均与对照组有显著性差异。

从翅荚决明的株高和根长来看，其中添加3％的污泥炭(SB3)对翅荚决明的株高和根长的改善最为显著，对照组的株高和根长分别为8.1cm、112.4cm，添加了3％的污泥炭(SB3)的翅荚决明株高和根长分别提高了1.5～3.3倍；不同生物炭处理组的株高的最适添加量分别为SB3(1.5倍)>HB0.4(1.3倍)>MB0.4(1.2倍)，而对于根长增长的生物炭最适添加量分为SB3(3.3倍)>HB3(2.9倍)>MB0.4(2.2倍)。

不同生物炭处理对翅荚决明地上部和地下部中重金属含量的影响见图3a～3e。

施加生物炭改良剂不同程度降低了翅荚决明地上部Pb、Zn、Cu、Cd和As的含量。与对照组相比，施加生物炭使翅荚决明地上部的Pb、Zn、Cu、Cd和As的含量分别下降了63.9％～89.5％、46.9％～66.0％、32.7％～62.4％、40.4％～76.4％、54.9％～77.5％。其中不同生物炭处理对Pb、Zn、Cu、Cd和As的含量降低最为显著的分别是HB3、SB0.4、MB1、SB0.4、MB0.4，但翅荚决明地上部的Pb、Zn、Cu、Cd和As的含量在同种生物炭添加量水平上没有显著性差异。

施加生物炭总体上增加了翅荚决明地下部的重金属的含量。从翅荚决明地下部的Pb含量来看，与对照组相比，SB3和HB0.4分别了下降了17.3％、15.5％，其他各组略有增加，但都没有显著性差异。不同生物炭处理组使翅荚决明地下部的Zn含量略有增加，为对照组的1.05～1.30倍，但没有显著性差异。从地下部Cu的含量来看，鸡粪炭的组间存在显著性差异，表现为MB0.4>MB1>MB3，MB0.4和MB1分别增加了37.2％、24.2％，而MB3则下降了18.1％。SB3、MB3和MB1降低了翅荚决明地下部Cd的含量，其他各组略有增加；HB0.4和SB3使地下部As的含量稍有下降，其他各组有所增加，但差异性不显著。

本实施例的多金属尾矿为以重金属Pb、Zn、Cu、Cd和As为主的重金属复合污染，含氮量不足、极端贫瘠。通过生物炭进行处理后，选用的观赏性植物翅荚决明能够在多金属尾矿基质上正常生长，且地上部重金属含量低于地下部，表现出重金属耐性植物的特征，表明其可作为多金属尾矿复垦的潜在修复植物。

三种生物炭都显著提高了尾矿的pH和降低Pb和Cu的弱酸提取态。污泥炭对Pb和Cu的固定效果要优于麻杆生物炭和鸡粪炭，但对As、Zn和Cd的固定效果不佳，当含量增加到3％时，甚至出现了As含量显著升高的现象，在对高As含量的尾矿应用生物炭时，需要注意As活化带来的风险。

三种生物炭均能作为改良剂不同程度地促进翅荚决明的生长和降低重金属在其地上部的累积作用。不同生物炭处理组中，长势最好的3％污泥炭的处理组，其中翅荚决明地上部生物量、地下部生物量、株高和根长分别是对照组的2.8、3.2、1.5和3.3倍。

综上所述，在对多金属尾矿进行复垦时，从建立植被方面考虑，在短期内种植翅荚决明时向土壤中加入3％污泥炭可以得到较良好的效果，翅荚决明生长茁壮，土壤植被覆盖度增加，植物地上部吸收的重金属含量下降。

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

1.一种翅荚决明和生物炭联合修复尾矿库的方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在尾矿库土壤中添加生物炭制成混合尾矿土壤，平衡；

2)将翅荚决明植株种植在混合尾矿土壤中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物炭在1kg尾矿库土壤中的添加量为0.4％～3％。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述生物炭在1kg尾矿库土壤中的添加量为0.4％、1％或3％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物炭为麻秆炭、鸡粪炭或污泥炭。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物炭的制备过程如下：将生物炭原材料在马沸炉500℃条件下厌氧加热3h，冷却后过20目筛即得；所述生物炭原材料为红麻麻杆、污泥或鸡粪。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，混合尾矿土壤平衡的时间为10天以上。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述步骤1)中，混合尾矿土壤平衡时，隔天浇水，保持混合尾矿土壤湿润。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中翅荚决明植株的育苗过程如下：

a)种子消毒处理；

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述种子消毒处理是先用1％的过氧化氢溶液消毒10分钟，再用纯水浸泡24小时。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述翅荚决明植株每两株的种植半径为15～20cm，深度为10～15cm。