CN108812184A

CN108812184A - 以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法

Info

Publication number: CN108812184A
Application number: CN201810360363.4A
Authority: CN
Inventors: 张春; 刘广明; 金吉中; 张思兰; 高昊辰; 何敏; 梅绪东; 李兵
Original assignee: Chongqing Fuling Shale Gas Environmental Protection R & D And Technology Service Center; Institute of Soil Science of CAS
Current assignee: Chongqing Fuling Shale Gas Environmental Protection R & D And Technology Service Center; Institute of Soil Science of CAS
Priority date: 2018-04-20
Filing date: 2018-04-20
Publication date: 2018-11-16
Anticipated expiration: 2038-04-20
Also published as: CN108812184B

Abstract

本发明属于弱碱性土壤技术领域，公开了一种以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法，由页岩气水基钻屑和污泥发酵产物组成：按照质量比水基钻屑：污泥发酵产物＝10:1。本发明实现了页岩气水基钻屑变废为宝，通过添加污泥发酵产物形成了一种具有良好保水透气能力、养分充足的弱碱性土壤，其作为绿化用土与一般土壤效果相似，用作土壤资源较为紧缺山区的绿化土壤，具有重要的意义和价值。本发明的水基钻屑属于页岩气钻井固体废物，本发明拓展了对页岩气钻井固体废物的资源化利用途径，减少环境风险，并可以产生经济效益和生态效益，为构建绿色家园做出贡献。

Description

以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法

技术领域

本发明属于弱碱性土壤技术领域，尤其涉及一种以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：水基钻屑是页岩气钻井过程中产生的一种混合地层岩屑和水基钻井液的固体废物，单井产生量约为800～1000m³；由于水基钻屑表面吸附少量的水基钻井液添加剂，其成分相对复杂，可能含有一定量的重金属、盐分、石油烃等污染物，因而水基钻屑的安全环保处置工作一直是页岩气行业关注的重点。目前水基钻屑的主要处置方法：一是固化填埋，但其占用大量土地面积、污染物未彻底分解，随着时间的延长，长期降雨对固化池的冲蚀和浸泡等，固化体渗滤液有可能渗出进而对周边土壤及水体造成一定的污染；二是建材利用，水基钻屑制备免烧砖、混凝土、道路垫层等，但其存在掺加量较小、消纳量有限，难以实现大规模应用的问题；三是土地利用，主要是采用化学法、微生物法、客土法和微生物-客土联合处理法对废弃水基泥浆进行土地利用，但页岩气开发区域多处于偏远山区、如涪陵页岩气田属于喀斯特地貌，土壤资源匮乏，在钻井现场对废弃泥浆进行土地利用时，缺乏大量熟土与废弃泥浆混合配制人工土壤，成为了页岩气田废弃泥浆未能大规模应用的瓶颈。

综上所述，现有技术存在的问题是：水基钻屑固化填埋存在占用土地、固化体渗滤液随长期降雨可能渗出进而污染周边土壤及水体的潜在环境风险；而水基钻屑建材利用存在消纳量有限，不能满足页岩气开发钻后治理进度；水基钻屑土地利用因缺乏大量熟土等因素不能实现大规模的推广应用。

解决上述技术问题的难度和意义：寻找一种替代熟土、当地资源储量大的适宜改良剂与水基钻屑混合配制人工土壤，为页岩气开发后期井场周围土地复垦及生态恢复提供大量土壤资源，真正实现水基钻屑安全环保有效资源化处置。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法。

本发明是这样实现的，一种以页岩气水基钻屑与污泥发酵产物混合配制人工土壤的方法，所述以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物混合配制的人工土壤由页岩气水基钻屑和污泥发酵产物组成：按照质量比水基钻屑：污泥发酵产物为10:1。

人工土壤配制过程：(1)对水基钻屑进行机械破碎处理，使其成为细小颗粒；(2)按照质量比水基钻屑：污泥发酵产物为10:1进行混合均匀形成人工土壤，并测定人工土壤的盐分含量；(3)若人工土壤的盐分含量大于2g/kg，则需对人工土壤进行淡水淋洗脱盐。人工土壤淋洗脱盐方法：将人工土壤淡水饱和后继续加至土表以上水深5cm，静置保持24小时后开始排水脱盐；待无水流出后，采样测定人工土壤盐分，如盐分含量已经降至2g/kg以下则淋洗脱盐结束；如盐分含量大于2g/kg，则继续进行上述淋洗脱盐流程，直至人工土壤的盐分含量降至2g/kg以下。(4)采集脱盐后的人工土壤，参照绿化种植土壤标准进行各项指标检测，各项指标均达标后，人工土壤作为绿化种植土壤。

进一步，所述页岩气水基钻屑的pH为8.0～10.0，盐分含量＜22.0g/kg，容重为1.1～1.5g/cm³；3.2～0.2mm粒径比例为10％～40％，0.2～0.02mm粒径比例为13％～33％，0.02～0.002mm粒径比例为25％～40％，＜0.002mm粒径比例为4％～21％；镉含量＜0.4mg/kg，汞含量＜0.4mg/kg，铅含量＜11mg/kg，铬含量＜90mg/kg，砷含量＜11mg/kg，镍含量＜27mg/kg，锌含量＜220mg/kg，铜含量＜23mg/kg，矿物油含量＜3000mg/kg，苯并(a)芘＜0.2mg/kg。

进一步，所述污泥发酵产物的pH为6.0～6.5，有机质含量为300～350g/kg，容重为0.20～0.40g/cm³，盐分含量＜21g/kg，全氮含量为20～45g/kg，全磷含量为12～18g/kg，全钾含量为5～10g/kg；镉含量＜0.4mg/kg，汞含量＜0.6mg/kg，铅含量＜53.0mg/kg，铬含量＜78mg/kg，砷含量＜10.0mg/kg，镍含量＜32mg/kg，锌含量＜234mg/kg，铜含量＜230mg/kg，矿物油含量＜1000mg/kg，苯并(a)芘＜0.2mg/kg，粪大肠菌群值＞0.01，可吸附有机卤化物＜500mg/kg。

进一步，所述以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物混合配制的人工土壤盐分含量＜2g/kg，土壤pH为7.5～8.5；土壤容重为1.0～1.3g/cm³，入渗速率为0.11～0.21mm/min；全氮≥1.95g/kg，全磷≥1.90g/kg，全钾≥17.0g/kg，有机质含量≥50g/kg。

本发明的另一目的在于提供一种所述以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法，所述以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法包括以下步骤：

步骤一，对水基钻屑进行机械破碎处理，使其成为细小颗粒；

步骤二，按照质量比水基钻屑：污泥发酵产物为10:1进行混合均匀形成人工土壤，并测定人工土壤的盐分含量；

步骤三，若人工土壤的盐分含量大于2g/kg，则需对人工土壤进行淡水淋洗脱盐。人工土壤淋洗脱盐方法：将人工土壤淡水饱和后继续加至土表以上水深5cm，静置保持24小时后开始排水脱盐；待无水流出后，采样测定人工土壤盐分，如盐分含量已经降至2g/kg以下则淋洗脱盐结束；如盐分含量大于2g/kg，则继续进行上述淋洗脱盐流程，直至人工土壤的盐分含量降至2g/kg以下。

步骤四，采集脱盐后的人工土壤，参照绿化种植土壤标准进行各项指标检测，各项指标均达标后，人工土壤作为绿化种植土壤。

本发明的另一目的在于提供一种以页岩气水基钻屑与污泥发酵产物混合配制的人工土壤用于页岩气开发后期井场周围土地复垦、生态恢复等。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明以水基钻屑为主、污泥发酵产物为辅，形成了一种具有良好保水透气能力、养分充足的弱碱性土壤，其作为绿化用土与一般土壤效果相似，具有良好的应用前景。

人工土壤的理化性质检测结果

注：除了苯并(a)芘标准限值参照HJ350-2007《展览会用地土壤环境质量评价标准》B级标准以外，其他检测指标的标准均参照CJ/T 340-2016《绿化种植土壤》，其中重金属参照绿化种植土壤Ⅲ级标准限值；“/”表示不作要求。

从上表可以看出，通过以上方法制得的人工土壤具有性质优良，各项指标均符合CJ/T 340-2016《绿化种植土壤》、HJ350-2007《展览会用地土壤环境质量评价标准》中的相关要求。各项重金属含量均未超出标准限值，通过Hakanson重金属环境影响评价进行判断，人工土壤的重金属潜在生态风险较小；通过两次淋洗脱盐处理后，人工土壤的全盐量大幅降低(全盐量降至1g/kg以下)，属于非盐渍化水平；人工土壤所包含的速效养分含量丰富，其中速效钾含量大于3000mg/kg、速效磷含量大于60mg/kg、碱解氮大于100mg/kg，能够满足植物正常生长的需求。

水基钻屑和污泥发酵产物作为人工土壤的组成部分，水基钻屑具有呈碱性、容重大、高钾、低氮、低磷的特点，污泥发酵产物具有呈弱酸性、容重小、养分高、保水性能强的特点，因此两者可以进行优势互补形成人工土壤。通过在水基钻屑中掺加适宜比例的污泥发酵产物，有利于降低人工土壤的容重和pH值、有效补充养分、提高人工土壤的保水保肥能力、显著改善人工土壤的理化性能。

总体来看，由于人工土壤的各组分原始全盐量高导致人工土壤初始全盐量达到盐土的盐渍化分级标准，因而对人工土壤进行淋洗脱盐是水基钻屑土地利用的必要环节。经过两次定量淋洗脱盐，可以有效降低人工土壤的全盐量以及部分重金属含量，使其成为物理性状适宜的人工土壤。

本发明的水基钻屑属于页岩气钻井固体废物，本发明拓展了对页岩气钻井固体废物的资源化利用途径，减少环境风险，并可以产生经济效益和生态效益，为构建绿色家园做出贡献。

附图说明

图1是本发明实施案例提供的以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法流程图。

图2是本发明实施案例提供的不同处理下平均单株金叶女贞的干重含量。

图3是本发明实施案例提供的不同处理下土壤的平均入渗速率，表征土壤的渗透特性，在一定程度上反映土壤的保水能力。

图4是本发明实施案例提供的不同处理下土壤的碱解氮平均含量，表征土壤中可被植物吸收利用的速效氮含量。

图5是本发明实施案例提供的不同处理下土壤的速效磷平均含量，表征土壤中可被植物吸收利用的速效磷含量。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，结合以下实施案例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施案例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

自然土壤是以无机矿物为主，有机质为辅所构成的具有一定物理结构和化学特性的可为植物提供生长所需养分的物质。在污染物含量控制适宜条件下，将页岩气水基钻屑与污泥发酵产物混合均匀配制形成一种新型人工土壤，可以优势互补，用作土壤资源较为紧缺山区的绿化土壤，具有重要的意义和实用价值。

本发明实施例提供的人工土壤由页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制形成：按照质量比页岩气水基钻屑：污泥发酵产物＝10:1。

页岩气水基钻屑的pH为8.0～10.0，盐分含量＜22.0g/kg，容重为1.1～1.5g/cm³；3.2～0.2mm粒径比例为10％～40％，0.2～0.02mm粒径比例为13％～33％，0.02～0.002mm粒径比例为25％～40％，＜0.002mm粒径比例为4％～21％；镉含量＜0.4mg/kg，汞含量＜0.4mg/kg，铅含量＜11mg/kg，铬含量＜90mg/kg，砷含量＜11mg/kg，镍含量＜27mg/kg，锌含量＜220mg/kg，铜含量＜23mg/kg，矿物油含量＜3000mg/kg，苯并(a)芘＜0.2mg/kg。

污泥发酵产物的pH为6.0～6.5，有机质含量为300～350g/kg，容重为0.20～0.40g/cm³，盐分含量＜21g/kg，全氮含量为20～45g/kg，全磷含量为12～18g/kg，全钾含量为5～10g/kg；镉含量＜0.4mg/kg，汞含量＜0.6mg/kg，铅含量＜53.0mg/kg，铬含量＜78mg/kg，砷含量＜10.0mg/kg，镍含量＜32mg/kg，锌含量＜234mg/kg，铜含量＜230mg/kg，矿物油含量＜1000mg/kg，苯并(a)芘＜0.2mg/kg，粪大肠菌群值＞0.01，可吸附有机卤化物＜500mg/kg。

本发明实施例提供的以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物混合配制的人工土壤土质疏松，无明显异味；土壤盐分含量≤1.5g/kg，土壤pH为7.5～8.5；土壤容重为1.0～1.3g/cm³，入渗速率为0.11～0.21mm/min；全氮≥1.95g/kg，全磷≥1.90g/kg，全钾≥17.0g/kg，有机质含量≥50g/kg。

如图1所示，本发明实施例提供的以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法包括以下步骤：

S101：对水基钻屑进行机械破碎处理，使其成为细小颗粒；

S102：按照质量比水基钻屑：污泥发酵产物为10:1进行混合均匀形成人工土壤，并测定人工土壤的盐分含量；

S103：若人工土壤的盐分含量大于2g/kg，则需对人工土壤进行淡水淋洗脱盐。人工土壤淋洗脱盐方法：将人工土壤淡水饱和后继续加至土表以上水深5cm，静置保持24小时后开始排水脱盐；待无水流出后，采样测定人工土壤盐分，如盐分含量已经降至2g/kg以下则淋洗脱盐结束；如盐分含量大于2g/kg，则继续进行上述淋洗脱盐流程，直至人工土壤的盐分含量降至2g/kg以下；

S104：采集脱盐后的人工土壤，参照绿化种植土壤标准进行各项指标检测，各项指标均达标后，人工土壤作为绿化土壤。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例1

本发明实施例的人工土壤主要理化性状：全盐量为0.92g/kg，pH为8.2，碱解氮、速效磷、速效钾含量分别为176mg/kg、79.6mg/kg、5252mg/kg，容重为1.1g/cm³，符合CJ/T340-2016《绿化种植土壤》中的技术要求，可以作为绿化种植土壤。

实施地点位于重庆市涪陵区某休闲广场绿化带，共30m²；布置了人工土壤、纯水基钻屑、紫色土各10m²(分3个区段)，其中纯水基钻屑和紫色土作为本发明的应用效果对照区。在绿化区上覆40cm厚的人工土壤、纯水基钻屑、紫色土，控制相应绿化区段的土壤容重分别为1.1g/cm³、1.27g/cm³和1.12g/cm³，以保证土壤适度压实。

栽植绿化植物为金叶女贞，株高为30±1.2cm，2017年8月16日移栽至本实施区；2017年9月18日调查成活率，并于同年11月20日在各小区随机选取40株金叶女贞，测定其平均单株干重。标准化采集土壤样品，用于测定土壤入渗速率和养分含量。

结果表明：本发明处理的金叶女贞成活率为100％，纯水基钻屑处理的金叶女贞成活率为75％，当地紫色土处理的金叶女贞成活率为100％。经过三个月的种植，本发明处理的金叶女贞干重比纯水基钻屑处理显著增加，接近当地紫色土壤处理(图2)。纯水基钻屑处理的土壤入渗速率是本发明的9倍，保水效果较差；本发明处理的入渗速率与当地土壤处理接近，具有良好保水能力(图3)。本发明的土壤碱解氮消耗量与紫色土相近，均高于纯水基钻屑处理；本发明的剩余碱解氮含量较高，能够满足金叶女贞后续生长的氮素需求(图4)。本发明处理下土壤速效磷的消耗量与紫色土接近，剩余量为54.49mg/kg(图5)，高于CJ/T340-2016《绿化种植土壤》标准，无需额外补充养分。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物混合配制的人工土壤，其特征在于，所述以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物混合配制的人工土壤由水基钻屑和污泥发酵产物组成：按照质量比水基钻屑：污泥发酵产物＝10:1。

2.如权利要求1所述的以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物混合配制的人工土壤，其特征在于，所述水基钻屑的pH为8.0～10.0，盐分含量＜22.0g/kg，容重为1.1～1.5g/cm³；3.2～0.2mm粒径比例为10％～40％，0.2～0.02mm粒径比例为13％～33％，0.02～0.002mm粒径比例为25％～40％，＜0.002mm粒径比例为4％～21％；镉含量＜0.4mg/kg，汞含量＜0.4mg/kg，铅含量＜11mg/kg，铬含量＜90mg/kg，砷含量＜11mg/kg，镍含量＜27mg/kg，锌含量＜220mg/kg，铜含量＜23mg/kg，矿物油含量＜3000mg/kg，苯并(a)芘＜0.2mg/kg。

3.如权利要求1所述的以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物混合配制的人工土壤，其特征在于，所述污泥发酵产物的pH为6.0～6.5，有机质含量为300～350g/kg，容重为0.20～0.40g/cm³，盐分含量＜21g/kg，全氮含量为20～45g/kg，全磷含量为12～18g/kg，全钾含量为5～10g/kg；镉含量＜0.4mg/kg，汞含量＜0.6mg/kg，铅含量＜53.0mg/kg，铬含量＜78mg/kg，砷含量＜10.0mg/kg，镍含量＜32mg/kg，锌含量＜234mg/kg，铜含量＜230mg/kg，矿物油含量＜1000mg/kg，苯并(a)芘＜0.2mg/kg，粪大肠菌群值＞0.01，可吸附有机卤化物＜500mg/kg。

4.如权利要求1所述的以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物混合配制的人工土壤，其特征在于，所述以水基钻屑和污泥发酵产物配制的人工土壤盐分含量<2g/kg，土壤pH为7.5～8.5，土壤容重为1.0～1.3g/cm³，入渗速率为0.11～0.21mm/min；全氮≥1.95g/kg，全磷≥1.90g/kg，全钾≥17.0g/kg，有机质含量≥50g/kg。

5.一种如权利要求1所述以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物混合配制的人工土壤方法，其特征在于，所述以水基钻屑与污泥发酵产物配制人工土壤的方法包括以下步骤：

步骤一，按照质量比页岩气水基钻屑：污泥发酵产物＝10:1进行均匀混合后，土壤盐分含量大于2g/kg，进行淡水淋洗脱盐；

步骤二，待无水流出后，采样测定人工土壤盐分。

6.如权利要求5所述的以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物配制人工土壤的方法，其特征在于，所述淋洗方法为：将人工土壤淡水饱和后继续加至土表以上水深5cm，静置保持24小时后开始排水脱盐；待无水流出后，采样测定人工土壤盐分，盐分含量已经降至2g/kg以下则淋洗脱盐结束；如盐分含量大于2g/kg，则继续进行上述淋洗脱盐流程1次。

7.一种由权利要求1～4任意一项所述以页岩气水基钻屑和污泥发酵产物混合配制的人工土壤作为绿化种植土壤。