CN112292957A - 一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法 - Google Patents

一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，包括以下步骤：(1)构建新土堆；(2)底层基底构建；(3)底层营养构建；(4)中层基底构建；(5)中层营养构建；(6)上层基底构建；(7)上层营养构建；(8)构建植被。通过无机‑有机稳定化材料将堆场硝酸根、氨氮和硫酸根固定，减少其移动性和向外部环境的迁移性，再分三层堆置堆体，分层施入不同功能的修复菌剂及其配套辅助材料，有效控制离子型稀土尾砂堆场硝酸盐、氨氮与硫酸盐的释放，再在表层播种能够在堆场快速萌发生长的草种，使堆场土体整体趋于稳定，达到污染控制‑土体稳定‑生态功能恢复一体化修复。

Description

一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法
技术领域
本发明涉及环境治理技术领域，具体涉及到一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法。
背景技术
离子型稀土矿是我国重要的战略资源，主要分布在南方的江西、广东、福建等省，其中以江西赣南开采时间最早、开采量最多。赣南离子型稀土资源具有储量大、分布广、中重稀土含量高、配比好、采冶性能优和放射性活度低等特点；其资源开采始于上世纪70年代。近20年来，赣南稀土资源遭受大量非法开采，地表表土及含稀土资源的风化层被剥离，通过“搬山运动”，将含稀土的风化土逐层堆积浸提，进而形成高度可达4-8m、边坡长200-230m、坡角30°-60°的稀土“堆场”，堆浸地遗弃之后，形成巨量的稀土“尾砂山体”。堆场中采用原始的硫酸铵、碳酸铵池浸与堆浸工艺进行稀土元素提取，造成大量植被破坏、水土流失、土壤砂化与酸化；产生的氨氮废水不仅会通过渗滤作用进入地下水体，而且在雨水的冲刷和地表径流的作用下经沟渠汇入附近的河流，造成堆场附近的水体污染，形成流域高含量的氨氮“稀土尾水”，其含量可达150mg/L，远远超过国家地表水质劣V类标准。高浓度氨氮尾水进入地表，其pH值为3左右，水体中几乎所有生物都无法生存，给下游流域生态造成严重的威胁。
目前，国外针对工业污染场地重金属与有机污染修复已研究开发了众多修复材料及配套施用技术。近年来，我国很多高校和科研机构与一些环境修复公司借鉴欧美国家先进经验和技术，在工业场地与污染农田环境修复方面也取得了一定的成绩，特别是在农田重金属污染环境修复方面开展了大量的机理与试验示范研究，取得了显著的成绩。在重金属固化稳定化方面(钝化)开发了多种无机、有机、生物和复合材料。主要有1)无机材料，包括黏土矿物、磷灰石、铁锰氧化物等；2)生物材料，主要为通过各种农业废弃物制备的生物炭、微生物菌剂；3)复合材料，将矿物材料与生物材料，通过一定的工艺进行复合制备的材料。近年来，纳米材料以其极高的表面催化活化能力受到关注，也有一定的应用。但由于纳米材料的团聚性限制了其在土壤污染修复中的应用，必须将其复合到其他材料的表面才能发挥作用。
天然矿物，如沸石、凹凸棒石、蒙脱石、高岭土、海泡石、蛭石、伊利石、磷灰石等，以及生物质炭，通过热、酸、碱、盐等改性后，可大大增加材料的比表面积和孔隙率，增强材料颗粒的官能团与污染离子的结合能力。目前市场上已有比较成熟的以上各种改性材料。同时，一些硝化菌、反硝化菌剂和硫酸盐还原菌剂，也已相对成熟，并实现了商业化应用。
氨氮进入土壤后，一部分转化为硝酸根和亚硝酸根，导致土壤严重酸化。土壤酸化不仅破坏土壤性质，且不利于植物根系的生长，在极低的pH条件下，植物根系的生长受到阻碍。土壤酸化可抑制早稻、小麦、玉米、油菜种子萌发，降低种子活力，影响幼苗生长，最后导致农作物减产。氮素属于生物养分，但是超过一定的阈值后却对生物产生毒害作用。大量氨氮进入水体，可导致江河湖泊出现严重的富营养化，水生植物消失，鱼类无法生存，水生生态系统崩溃。
大量研究表明，基于物理与化学的过程很难完成氨的脱氮化，而必须依赖微生物的硝化－反硝化作用。硫酸盐还原，既可通过化学，也可通过微生物来实现。但化学还原需要投入大量的还原剂，成本高，需专门的搅拌反应装备，施工工程量大，且容易形成二次污染，并不适用于离子型稀土矿区广泛分布的巨量稀土尾砂的修复治理。通过硫酸盐还原菌，将硫酸盐转化为硫化物，赋存在相对缺氧的土体深部，其活性和移动性较低，可维持长期的稳定性。
迫于环境压力，目前赣南稀土资源开采利用处于停产状态。国家正整顿稀土资源开采管理，在稀土资源开采利用的同时保护生态并修复环境是今后的必然要求。因此亟待解决实现稀土资源开采利用与污染控制、生态恢复协同的技术方法。
有研究表明，通过建T型蓄水沟，增强土壤蓄水、保水能力，结合土壤改良，植物选种，实现了堆场土壤的快速复绿，可有效恢复生态。但赣南离子型堆场是通过“搬山运动”所形成的，通常厚度达4-8m，而植被恢复层通常不超过50cm。稀土堆场中残留的浸矿剂氨氮、硫酸根以及由此产生的硝酸根、亚硝酸根仍会持续不断地通过径流进入地表水体，形成流域“稀土尾水”。而且，由于堆场中浸矿剂没能有效清除，堆场土体颗粒表面电荷趋同，双电层消失，导致堆场土体不稳定，暴雨季节易形成冲沟，并伴随垮塌事件，地表恢复的植被也随之被破坏。因此，解决稀土中残留的氨氮、硫酸根等才是解决稀土堆场污染的重中之重。
发明内容
本发明的目的是提供一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，可以有效控制离子型堆场硝酸盐、氨氮与硫酸盐释放的问题，使堆场土体结构趋于稳定，地表生态得以恢复，达到污染控制-土体稳定-生态功能恢复一体化修复。
为达上述目的，本发明提供了一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，包括以下步骤：
(1)构建新土堆
将离子堆场的污染土运往平整地，破碎后堆积；
(2)底层基底构建
将破碎的污染土堆置并平整，施入石灰，直至土壤pH值为6.6-7.8；
(3)底层营养构建
向施过石灰的底层施入硫酸盐还原菌，同时施入经堆肥腐熟的畜禽粪便，并覆盖生物降解地膜；
(4)中层基底构建
在步骤(3)处理好的底层上方继续堆放破碎的污染土，并向其中拌入占污染土质量百分比0.5％-0.7％的沸石和0.3％-0.5％的凹凸棒土，添加石灰直至土壤pH值为6.6-7.8；
(5)中层营养构建
向步骤(4)处理好的中层施入反硝化菌和碳源；
(6)上层基底构建
在步骤(5)处理好的中层上方继续堆放破碎的污染土，并向其中拌入占污染土质量百分比0.4％-0.6％的生物炭，添加石灰直至土壤pH值为6.6-7.8；
(7)上层营养构建
向步骤(6)处理好的上层施入钙镁磷肥和生物有机肥，堆置后平整土地并施入硝化菌剂；
(8)构建植被
养护步骤(7)处理好的土堆，1月后播种草种，同时挖掘径流沟。
采用上述方案的有益效果是：通过无机-有机稳定化材料将堆场硝酸根、氨氮和硫酸根固定，减少其移动性和向外部环境的迁移性，再向堆场土壤中加入高效硝化菌、反硝化菌和硫酸盐还原菌，同时施入微生物呼吸所需的碳源，使氨氮、硝酸根通过硝化-反硝化作用转化为氮气、氧化亚氮逸散，硫酸根转化为硫化物在堆场土体深部固定；表层播种能够在堆场快速萌发生长的草种，使堆场土体整体趋于稳定；其中，畜禽粪便含大量有机质和养分可供微生物呼吸利用，被埋藏后发生有机质降解作用，可迅速耗竭氧气，形成还原环境，从而促使硫酸根充当电子受体，促进硫酸盐还原；工程实施后，可使离子型稀土尾砂堆场硝酸盐、氨氮与硫酸盐释放得到有效控制，堆场土体结构趋于稳定，地表生态得以恢复，达到污染控制-土体稳定-生态功能恢复一体化修复。
进一步的，土地的堆层厚为30cm，土壤容重为1.3-1.5g/cm3。
进一步的，硫酸盐还原菌剂的施入方法为喷施，剂量按每立方土施入16-20g粉剂，稀释500倍施用。
进一步的，生物地膜为80cm*80cm*0.1mm的方块，与相邻生物地膜间距3cm。
采用上述方案的有益效果是：底层与中层之间铺设可降解地膜，起到隔绝空气和保温的作用，制造厌氧的环境。
进一步的，反硝化菌剂的施入方法为喷施，剂量按每立方土16-20g粉剂，稀释500倍施用。
进一步的，碳源为红糖、淀粉、米糠及有机肥混合物按质量比为1-2:1-2:1-3:4-6混合的混合物，剂量按每立方土600-700g粉剂，稀释500倍施用。
采用上述方案的有益效果是：红糖、淀粉中的碳及其他养分含量高但价格高，因此再补充米糠和有机混合物，也含有较高的碳和养分且价格低廉，混合使用更为经济。
进一步的，硝化菌剂的施入方法为沟施，沟宽20cm，深度15cm，剂量为6-7g/m2，稀释500倍施用。
进一步的，草种为黑麦草、紫花苜蓿和雀稗草种子其中的至少一种。
采用上述方案的有益效果是：这三种是南方离子型稀土矿区易于种植、成活及管理的植物，常用于堆场快速复绿和生态恢复。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、堆体分三层堆置，不同功能的修复菌剂及其配套辅助材料分层施入，可有效转化氨氮和硫酸根离子；
2、通过无机-有机稳定化材料将堆场硝酸根、氨氮和硫酸根固定，可以减少其移动性和向外部环境的迁移性；
3、表层播种能够在堆场快速萌发生长的草种，使堆场土体整体趋于稳定。
附图说明
图1为本发明修复堆场堆置方式的示意图；
图2为生物地膜覆盖方式的示意图；
图3为径流沟及径流桶的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做详细的说明。
实施例1
本发明的实施例中提供了一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，
包括以下步骤：
(1)构建新土堆
将离子堆场的污染土运往平整地，破碎后按30cm一层堆积，保持土壤容重为1.3g/cm3；
(2)底层基底构建
将破碎的污染土堆置并平整，施入石灰，调节土壤pH值为6.6；
(3)底层营养构建
向施过石灰的底层施入经分离或驯化适应南方离子型稀土矿区的硫酸盐还原菌，施用标准为每立方土16g粉剂，稀释500倍，同时施入0.5％的经堆肥腐熟的畜禽粪便，并覆盖80cm*80cm*0.1mm的生物降解地膜；
(4)中层基底构建
在处理好的底层上方继续堆放厚30cm破碎的污染土，并向其中拌入占污染土质量百分比0.6％的沸石和0.4％的凹凸棒土，添加石灰直至土壤pH值为6.6；
(5)中层营养构建
向步骤(4)处理好的中层施入经驯化适应南方离子型稀土矿区的高效反硝化菌，再施入红糖、淀粉、米糠及部分有机肥混合物按质量比为1:1:3:5混合的混合物，施用标准分别为每立方土施入反硝化菌剂16g和混合物粉剂650g，均稀释500倍后施用；
(6)上层基底构建
在处理好的中层上方继续堆放厚30cm破碎的污染土，并向其中拌入占污染土质量百分比0.5％生物炭，添加石灰直至土壤pH值为6.6；
(7)上层营养构建
向步骤(6)处理好的上层施入0.2％钙镁磷肥和0.2％的秸秆堆肥，堆置后平整土地并沟施施入经驯化适应南方离子型稀土矿区的硝化菌剂，剂量按6g/m2，稀释500倍后施入；
(8)构建植被
养护土堆，1月后向表层喷播黑麦草、紫花苜蓿和雀稗草种子，混合播种，播种量为3g/m2，同时照6m*10m间距挖掘径流沟，径流沟宽20cm，深15cm，长边与水流同向，短边中间位置挖深放置10L径流收集桶，桶口用200目筛网封住防止泥土颗粒、枯枝落叶和小动物进入，夏季每次降雨后收集径流水，测定硝酸根、氨氮和硫酸根离子含量。
实施例2
一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，包括以下步骤：
(1)构建新土堆
将离子堆场的污染土运往平整地，破碎后按30cm一层堆积，保持土壤容重为1.5g/cm3；
(2)底层基底构建
将破碎的污染土堆置并平整，施入石灰，调节土壤pH值为7.0；
(3)底层营养构建
向施过石灰的底层施入经分离或驯化适应南方离子型稀土矿区的的硫酸盐还原菌，施用标准为每立方土18g粉剂，稀释500倍，同时施入0.2％的经堆肥腐熟的畜禽粪便，并覆盖80cm*80cm*0.2mm的生物降解地膜；
(4)中层基底构建
在步骤(3)处理好的底层上方继续堆放厚30cm破碎的污染土，并向其中拌入占污染土质量百分比0.5％的沸石和0.5％的凹凸棒土，添加石灰直至土壤pH值为7.0；
(5)中层营养构建
向步骤(4)处理好的中层施入经驯化适应南方离子型稀土矿区的高效反硝化菌，再施入红糖、淀粉、米糠及部分有机肥混合物按质量比为1:2:2:5混合的混合物，施用标准分别为每立方土施入反硝化菌剂18g和混合物粉剂700g，均稀释500倍后施用；
(6)上层基底构建
在步骤(5)处理好的中层上方继续堆放厚30cm破碎的污染土，并向其中拌入占污染土质量百分比0.5％生物炭，添加石灰直至土壤pH值为7.0；
(7)上层营养构建
向步骤(6)处理好的上层施入0.3％钙镁磷肥和0.3％的秸秆堆肥，堆置后平整土地并沟施施入市售的硝化菌剂，剂量按7g/m2，稀释500倍后施入；
(8)构建植被
养护步骤(7)处理好的土堆，1月后向表层喷播黑麦草种子，播种量为5g/m2，同时照6m*10m间距挖掘径流沟，径流沟宽20cm，深15cm，长边与水流同向，短边中间位置挖深放置10L径流收集桶，桶口用200目筛网封住防止泥土颗粒、枯枝落叶和小动物进入，夏季每次降雨后收集径流水，测定硝酸根、氨氮和硫酸根离子含量。
实施例3
一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，
包括以下步骤：
(1)构建新土堆
将离子堆场的污染土运往平整地，破碎后按30cm一层堆积，保持土壤容重为1.4g/cm3；
(2)底层基底构建
将破碎的污染土堆置并平整，施入石灰，调节土壤pH值为7.8；
(3)底层营养构建
向施过石灰的底层施入经分离适应南方离子型稀土矿区的高效硫酸盐还原菌，施用标准为每立方土20g粉剂，稀释500倍，同时施入0.15％的经堆肥腐熟的畜禽粪便，并覆盖100cm*100cm*0.1mm的生物降解地膜；
(4)中层基底构建
在步骤(3)处理好的底层上方继续堆放厚30cm破碎的污染土，并向其中拌入占污染土质量百分比0.5％的沸石和0.4％的凹凸棒土，添加石灰直至土壤pH值为7.8；
(5)中层营养构建
向步骤(4)处理好的中层施入经驯化适应南方离子型稀土矿区的高效反硝化菌，再施入红糖、淀粉、米糠及部分有机肥混合物按质量比为2:1:1:6混合的混合物，施用标准分别为每立方土施入反硝化菌剂20g和混合物粉剂600g，均稀释500倍后施用；
(6)上层基底构建
在步骤(5)处理好的中层上方继续堆放厚30cm破碎的污染土，并向其中拌入占污染土质量百分比0.5％生物炭，添加石灰直至土壤pH值为7.8；
(7)上层营养构建
向步骤(6)处理好的上层施入0.2％钙镁磷肥和0.2％的秸秆堆肥，堆置后平整土地并沟施施入普通市售的硝化菌剂，剂量按7g/m2，稀释500倍后施入；
(8)构建植被
养护步骤(7)处理好的土堆，1月后向表层喷播紫花苜蓿和雀稗草种子，混合播种，播种量为6g/m2，同时照6m*10m间距挖掘径流沟，径流沟宽20cm，深15cm，长边与水流同向，短边中间位置挖深放置10L径流收集桶，桶口用200目筛网封住防止泥土颗粒、枯枝落叶和小动物进入，夏季每次降雨后收集径流水，测定硝酸根、氨氮和硫酸根离子含量。
通过上述实施例堆积的土场，10天内草种萌发，1个月后，表层复绿，3个月后，表层形成稳定的黑麦草、紫花苜蓿和雀稗草混合植被，植被覆盖率达96％以上。
对堆置前和堆置后各层土壤剖面进行采样分析，得到的结果见表1、2。堆置5个月后，土壤硝酸根、氨氮与硫酸根含量显著下降，硫酸根去除率为24.09-67.32％，氨氮去除率41.18-57.13％，硫酸根去除率38.69-59.54％；而不采取堆置构建(无堆置)的情况下，土壤硝酸根、氨氮和硫酸根含量变化很小，仅个别层位硝酸根和硫酸根含量有所下降，但去除率远低于经堆置后的情况。
表1各采样点硝酸根、氨氮和硫酸根含量
Figure BDA0002751422080000111
对表1的数据进行分析，得到的含量变化结果见表2：
表2各采样点硝酸根、氨氮和硫酸根去除率
Figure BDA0002751422080000112
Figure BDA0002751422080000121
同时对雨后径流水进行分析，其中硝酸根、氨氮含量分别为0.92mg/L，1.23mg/L，其中氨氮、总氮含量低于国家地表水质量劣V类标准(2mg/L)。
由表1和表2可知，堆置后硝酸根、氨氮和硫酸根去除率远高于无堆置，通过本发明的堆置方法，再辅以不同功能的修复菌剂及其配套辅助材料(微生物呼吸碳源，氨氮稳定化材料)分层施入，可有效降解原堆场中的硝酸盐、氨氮与硫酸盐污染。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建新土堆
将离子堆场的污染土运往平整地，破碎后堆积；
(2)底层基底构建
将破碎的污染土堆置并平整，施入石灰，直至土壤pH值为6.6-7.8；
(3)底层营养构建
向施过石灰的底层施入硫酸盐还原菌，同时施入经堆肥腐熟的畜禽粪便，并覆盖生物降解地膜；
(4)中层基底构建
在步骤(3)处理好的底层上方继续堆放破碎的污染土，并向其中拌入占污染土质量百分比0.5％-0.7％的沸石和0.3％-0.5％的凹凸棒土，添加石灰直至土壤pH值为6.6-7.8；
(5)中层营养构建
向步骤(4)处理好的中层施入反硝化菌和碳源；
(6)上层基底构建
在步骤(5)处理好的中层上方继续堆放破碎的污染土，并向其中拌入占污染土质量百分比0.4％-0.6％的生物炭，添加石灰直至土壤pH值为6.6-7.8；
(7)上层营养构建
向步骤(6)处理好的上层施入钙镁磷肥和生物有机肥，堆置后平整土地并施入硝化菌剂；
(8)构建植被
养护步骤(7)处理好的土堆，1月后播种草种，同时挖掘径流沟。
2.如权利要求1所述的修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，其特征在于，所述步骤(1)土地的堆层厚为30cm，土壤容重为1.3-1.5g/cm3。
3.如权利要求1所述的修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，其特征在于，所述硫酸盐还原菌剂的施入方法为喷施，剂量按每立方土施入16-20g粉剂，稀释500倍施用。
4.如权利要求1所述的修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，其特征在于，所述生物地膜为80cm*80cm*0.1mm的方块，与相邻生物地膜间距3cm。
5.如权利要求1所述的修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，其特征在于，所述反硝化菌剂的施入方法为喷施，剂量按每立方土16-20g粉剂，稀释500倍施用。
6.如权利要求1所述的修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，其特征在于，所述碳源为红糖、淀粉、米糠及有机肥混合物按质量比为1-2:1-2:1-3:4-6混合的混合物，剂量按每立方土600-700g粉剂，稀释500倍施用。
7.如权利要求1所述的修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，其特征在于，所述硝化菌剂的施入方法为沟施，沟宽20cm，深度15cm，剂量为6-7g/m2，稀释500倍施用。
8.如权利要求1所述的修复离子型堆场氨氮、硫酸根污染的方法，其特征在于，所述草种为黑麦草、紫花苜蓿和雀稗草种子其中的至少一种。
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