CN109054854A - 一种用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料及其制备方法。本发明提供的材料中，凹凸棒土作为重金属吸附材料和微生物生长载体，硫酸钠作为微生物电子受体，腐殖质作为碳源和电子受体，保水剂为材料提供保水和持水，水泥和沸石作为稳定化粘结剂和微生物载体，可吸附多种游离态的重金属离子，避免降水对废矿石的淋洗而加剧重金属的迁移；在充足腐殖质存在的基础上，促进微生物作用将硫酸盐转化为负二价的硫离子，可与重金属离子生成沉淀，减少重金属离子的迁移转化。本发明提供的修复材料，成本低，存在的假单胞菌可加速矿石风化，同时结合已成熟的基质使用，可为生态恢复所需的植物提供基质环境和营养盐，提高植物成活率。
Description
技术领域
本发明属于矿山环境修复技术领域，尤其涉及一种用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料及其制备方法。
背景技术
目前，我国矿山开采导致大量的土地遭到破坏导致一系列环境问题，例如水土流失、重金属污染等，尤其是矿资源开采和矿石冶炼过程中常常向环境中排放大量的尾矿砂、废石等固体废弃物，其中尾矿砂对生态环境的危害十分严重。尾矿砂是指经矿石粉碎、定向化学浸提、浮选、磁选，提取有用成分后排放的固体废弃物，主要成分为粉粒和沙粒，重金属含量很高、营养成分贫瘠、持水性能很差，等同于原生裸地，治理难度极大，同时其包含的重金属可通过风化、氧化、淋滤等作用堆体向四周迁移，进入水体和土壤中，尤以土壤重金属污染危害最大。此外，尾矿等物质的堆存破坏了周边的植被，覆盖地表土壤，致使尾矿堆体及周边土壤无法提供植物生长所需的营养物质以及固持基质。
现阶段，矿山重金属修复方法主要包括三类：物理修复、化学修复和生物修复。物理修复主要是采用稳定剂进行固化稳定化，无法大面积应用。化学修复则包括化学还原、化学氧化、化学淋洗、电化学修复等技术，其中化学氧化剂、还原剂与重金属产生氧化、还原反应，降低重金属的毒性及在土壤中的移动性；化学淋洗主要采用表面活性剂加快重金属从土壤向水相中释放，并收集废水集中处理，一般是异位淋洗技术，但其存在的缺点是改变土壤结构、废水处置增加成本。生物修复是对土壤重金属污染实施治理、修复最为重要的技术之一，主要是借助植物、微生物等实现对重金属吸附、固定以及富集。
目前，矿区污染的生态修复以植物为基础的植物修复措施，其可以将通过植物对重金属富集到植株，在对植株进行收割处置，实现土壤的修复。然而由于废矿堆营养物质匮乏，无植物生长的基质，植物无法生长或成活率低等，导致生态恢复困难。另外，矿区制备的破坏，导致降雨易于下渗，淋溶重金属污染地下水环境。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料及其制备方法，其既能吸附截留污染物，又能提高矿石微生物生长，提高矿石的风化效率，同时结合相应基质，提高植物的成活率，并利用植物的富集作用，去除截留的重金属污染物。
本发明的技术方案如下：
一种用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料，其特征在于，成分及质量比为凹凸棒土：硫酸钠：含铁矿物：腐殖质：保水剂：水泥：沸石：碳酸氢铵＝1:0.2-0.8:0.3-0.5:1.2-2:0.3-0.7:0.8-1.4:0.3-0.6:0.1-0.35，余量为水、假单胞菌和硫酸盐还原菌。
进一步的，所述凹凸棒土：硫酸钠：含铁矿物：腐殖质：保水剂：水泥：沸石：碳酸氢铵的质量比为1:0.4:0.4:1.6:0.5:1.1:0.3:0.28。
进一步的，所述凹凸棒土为棒状、针状或纤维状中的任意一种，长0.5-5μm，宽0.05-0.15μm；所述含铁矿物为粉末状黄铁矿；所述腐殖质为腐殖酸肥料；所述保水剂为高吸水性树脂，其吸水倍率维持在100-120倍；所述沸石为粉末状，粒径为0.1-1.0mm。
进一步的，所述假单胞菌包括恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.1.8092。硫酸盐还原菌包括脱硫脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans)，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.1.5189，以上菌种菌可公开购置。
一种用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将凹凸棒土、硫酸钠、含铁矿物、腐殖质、保水剂、水泥、沸石、碳酸氢铵按照质量比1:0.2-0.8:0.3-0.5:1.2-2:0.3-0.7:0.8-1.4:0.3-0.6:0.1-0.35混合，加水搅拌均匀后通过造粒机进行造粒并且晾干，粒径范围为0.1mm-2mm；
(2)将上述造粒材料置于70℃热水中造孔成形30分钟后捞出晾干得到多孔微球颗粒；
(3)将上述多孔微球颗粒浸泡入假单胞菌和硫酸盐还原菌配置成浓度为10％-30％的菌剂溶液12h后，低温晾干即得到用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料。
进一步的，所述凹凸棒土：硫酸钠：含铁矿物：腐殖质：保水剂：水泥：沸石：碳酸氢铵的质量比为1:0.4:0.4:1.6:0.5:1.1:0.3:0.28。
进一步的，所述凹凸棒土为棒状、针状或纤维状中的任意一种，长0.5-5μm，宽0.05-0.15μm；所述含铁矿物为粉末状黄铁矿；所述腐殖质为腐殖酸肥料；所述保水剂为高吸水性树脂，其吸水倍率维持在100-120倍；所述沸石为粉末状，粒径为0.1-1.0mm。
进一步的，所述假单胞菌包括恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.1.8092，硫酸盐还原菌包括脱硫脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans),保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.1.5189，以上菌种菌可公开购置。
本发明取得的技术效果：
本发明提供的用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料中，有效成分凹凸棒土作为重金属吸附材料和微生物生长载体，硫酸钠作为微生物电子受体，腐殖质作为碳源和电子受体，保水剂为材料提供保水和持水，水泥和沸石作为稳定化粘结剂和微生物载体，可吸附多种游离态的重金属离子，避免降水对废矿石的淋洗而加剧重金属的迁移；在充足腐殖质存在的基础上，促进微生物作用将硫酸盐转化为负二价的硫离子，可与重金属离子生成沉淀，减少重金属离子的迁移转化。本发明提供的修复材料，成本低，存在的假单胞菌可加速矿石风化，同时结合已成熟的基质使用，可为生态恢复所需的植物提供基质环境和营养盐，提高植物成活率。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
实施例一
制备用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料，包括以下步骤：
(1)将凹凸棒土、硫酸钠、含铁矿物、腐殖质、保水剂、水泥、沸石、碳酸氢铵按照质量比1:0.2-0.8:0.3-0.5:1.2-2:0.3-0.7:0.8-1.4:0.3-0.6:0.1-0.35混合均匀后，喷水后通过造粒机进行造粒并且晾干，粒径范围为0.1mm-2mm；
(2)将上述造粒材料置于70℃热水中造孔成形30分钟后捞出晾干得到多孔微球颗粒；
(3)将上述多孔微球颗粒浸泡入假单胞菌和硫酸盐还原菌配置成浓度为10％-30％的菌剂溶液12h后，低温晾干即得到用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料。测定其材料的孔隙度是20％—24％，颗粒强度约为30N。
例如，上述凹凸棒土可以是棒状、针状或纤维状中的任意一种，长0.5-5μm，宽0.05-0.15μm。上述含铁矿物可以是粉末状黄铁矿；上述腐殖质为腐殖酸肥料。上述保水剂可以是吸水倍率维持在100-120倍的高吸水性树脂。上述沸石为粉末状，粒径为0.1-1.0mm。
此外，所述假单胞菌包括恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida)，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.1.8092，硫酸盐还原菌包括脱硫脱硫弧菌(Desulfovibrio desulfuricans)，保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.1.5189，以上菌种菌可公开购置。
实施例二
制备用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料，除凹凸棒土：硫酸钠：含铁矿物：腐殖质：保水剂：水泥：沸石：碳酸氢铵的质量比为1:0.4:0.4:1.6:0.5:1.1:0.3:0.28的实验组外，设置了两组不同的凹凸棒土：硫酸钠：含铁矿物：腐殖质：保水剂：水泥：沸石：碳酸氢铵的质量比对照，分别为对照组1(1:1.2:0.4:2.4:0.5:1.8:0.9:0.5)对照组2(1.4:1.0:0.2:1.0:0.15:0.6:0.1:0.25)，其它步骤与实施例一相同。
实施例三
采用盆栽模式，将实施例二制备的用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料直接铺设于采集矿山废石上，铺设厚度为3cm-20cm，种植苜蓿，至于室温20℃环境下，并定期模拟降雨进行浇水，实验组在种植3天后，其成活率达到85％，重金属淋溶出浓度降低了67％；对照组1在3天后成活率为60％，对照组2的成活率为45％，重金属淋溶出浓度降低了30％。同时，购置于市场的同类型药剂进行相同实验，发现植物的成活率为70％左右，重金属淋溶出浓度降低了18％。
本发明提出了利用高效吸附剂、微生物载体材料、营养物质、生物强化物质、微生物和保水剂的复合作用，实现修复矿山重金属及恢复矿山植被材料的高效、稳定及具有较好的野外适用性的功能，有助于增加废矿山微生物附着生长环境，同时通过粘合剂的作用，将吸附剂和微生物以及营养物质黏合，从而减少微生物、营养物质等随降雨不断流失，并提供充足的有机碳源为假单胞菌和硫酸盐还原菌提供良好电子供体。修复过程中形成的硫酸盐还原菌可将硫酸盐还原为负二价的硫离子，可与重金属离子生成沉淀，减少重金属离子的迁移转化，起到稳定的作用，同时由保水剂和土壤基质的生成可促进地表植物的生长，加快植物富集重金属，集中处置植物秸秆，实现矿山重金属的修复。另外，制备所需的材料成本较低，且不会形成二次污染，故本材料具有环保和成本低的特点。
本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化，也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料，其特征在于，成分及质量比为凹凸棒土：硫酸钠：含铁矿物：腐殖质：保水剂：水泥：沸石：碳酸氢铵＝1:0.2-0.8:0.3-0.5:1.2-2:0.3-0.7:0.8-1.4:0.3-0.6:0.1-0.35，余量为水、假单胞菌和硫酸盐还原菌。
2.根据权利要求1所述的用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料，其特征在于，所述凹凸棒土：硫酸钠：含铁矿物：腐殖质：保水剂：水泥：沸石：碳酸氢铵的质量比为1:0.4:0.4:1.6:0.5:1.1:0.3:0.28。
3.根据权利要求1或2所述的用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料，其特征在于，所述凹凸棒土为棒状、针状或纤维状中的任意一种，长0.5-5μm，宽0.05-0.15μm；所述含铁矿物为粉末状黄铁矿；所述腐殖质为腐殖酸肥料；所述保水剂为高吸水性树脂，其吸水倍率维持在100-120倍；所述沸石为粉末状，粒径为0.1-1.0mm。
4.一种用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将凹凸棒土、硫酸钠、含铁矿物、腐殖质、保水剂、水泥、沸石、碳酸氢铵按照质量比1:0.2-0.8:0.3-0.5:1.2-2:0.3-0.7:0.8-1.4:0.3-0.6:0.1-0.35混合，加水搅拌均匀后通过造粒机进行造粒并且晾干，粒径范围为0.1mm-2mm；
(2)将上述造粒材料置于70℃热水中造孔成形30分钟后捞出晾干得到多孔微球颗粒；
(3)将上述多孔微球颗粒浸泡入假单胞菌和硫酸盐还原菌配置成浓度为10％-30％的菌剂溶液12h后，低温晾干即得到用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料。
5.根据权利要求4所述的用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料的制备方法，其特征在于，所述凹凸棒土：硫酸钠：含铁矿物：腐殖质：保水剂：水泥：沸石：碳酸氢铵的质量比为1:0.4:0.4:1.6:0.5:1.1:0.3:0.28。
6.根据权利要求4或5所述的用于矿山重金属控制和植被恢复的高效材料的制备方法，其特征在于，所述凹凸棒土为棒状、针状或纤维状中的任意一种，长0.5-5μm，宽0.05-0.15μm；所述含铁矿物为粉末状黄铁矿；所述腐殖质为腐殖酸肥料；所述保水剂为高吸水性树脂，其吸水倍率维持在100-120倍；所述沸石为粉末状，粒径为0.1-1.0mm。
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