CN114557260A - 一种基于磷尾矿的抑磷基质土及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于生态防护材料技术领域，提供了一种基于磷尾矿的抑磷基质土，包括质量比为(70～100)：(10～15)：(5～10)：(0.01～5)：(0.1～5)的磷尾矿、物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂。本发明以磷尾矿为主体材料，利用了废弃磷尾矿；物性调节填料可以使得基质土有更好的疏松结构和透气性；有机质填料能够提高基质土的有机质含量；团粒剂能够保水保肥，使基质土疏松多孔；固磷剂能够和磷尾矿中的水溶磷反应生成难溶磷或将水溶磷吸附到固磷剂结构中，抑制了磷的流失。实施例的结果显示，将本发明提供的基质土装填到试验小区一段时间后，渗滤水中未检测到磷酸盐。

Description

一种基于磷尾矿的抑磷基质土及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及生态防护材料技术领域，尤其涉及一种基于磷尾矿的抑磷基质土及其制备方法和应用。

背景技术

磷尾矿是在精选磷矿过程中产生的废渣，废弃磷尾矿的处理方式通常为堆存，这不仅占用土地，对周围环境造成严重的污染，还造成了尾矿中大量有用元素的流失。磷尾矿作为潜在的“二次矿产资源”，如何将大量的废弃物转化为二次资源，化害为利，变废为宝，合理利用和节约资源，提高资源的利用率，节省尾矿占地，减少对周边环境的影响，实现经济的循环发展，对中国磷资源产业的可持续发展具有重要意义。

同时，磷矿的开采还造成了矿山区域生态环境的破坏，开采后的磷矿山废弃地的土壤环境质量急剧下降，土壤保水能力不足，水土流失严重，还存在雨季面源径流污染负荷加剧以及影响地下水层等环境问题。开展必要的生态修复工作，有利于已开采矿山的水土保持，并为场地后续利用提供条件。利用磷尾矿制备基质土，可作为土壤的替代品用于矿山生态恢复中，弥补天然土壤的缺乏。然而，磷尾矿中含有水溶磷，用于基质土修复时，水溶磷会流入水体，引起水体富营养化及环保指标不合格。因此，如何利用磷尾矿制备能够抑制磷流失的基质土，同时实现矿山的生态恢复是本领域亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磷尾矿的抑磷基质土及其制备方法和应用，本发明提供的基于磷尾矿的抑磷基质土能够抑制磷的流失，并且实现了矿山的生态恢复。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种基于磷尾矿的抑磷基质土，包括主体材料和辅助材料；所述主体材料包括磷尾矿，所述辅助材料包括物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂；所述磷尾矿、物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂的质量比为(70～100)：(10～15)：(5～10)：(0.01～5)：(0.1～5)。

优选地，所述磷尾矿中P₂O₅的总含量为2～15％，含水率为＜20％。

优选地，所述磷尾矿的粒径为≤5mm。

优选地，所述物性调节填料包括石渣粉、钙粉、粗砂、粉煤灰和白云石粉中的一种或几种。

优选地，所述有机质填料包括污泥堆肥、有机肥、绿肥、生物碳、腐植酸和腐殖质中的一种或几种。

优选地，所述团粒剂包括聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺和含有纤维素的固体废弃物中的一种或几种。

优选地，所述固磷剂包括氯化钙、凹凸棒土、氧化钙、沸石粉和膨润土中的一种或几种。

本发明提供了上述技术方案所述基于磷尾矿的抑磷基质土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂混合，得到混合物A；

(2)将磷尾矿与所述步骤(1)得到的混合物A混合，得到混合物B；

(3)将所述步骤(2)得到的混合物B堆置后进行陈化，得到基于磷尾矿的抑磷基质土。

优选地，所述步骤(3)中陈化的时间为24～30h。

本发明还提供了上述技术方案所述基于磷尾矿的抑磷基质土或所述制备方法制备的基于磷尾矿的抑磷基质土在矿山生态脆弱保护区中的应用。

本发明提供了一种基于磷尾矿的抑磷基质土，包括主体材料和辅助材料；所述主体材料包括磷尾矿，所述辅助材料包括物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂；所述磷尾矿、物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂的质量比为(70～100)：(10～15)：(5～10)：(0.01～5)：(0.1～5)。本发明以磷尾矿为主体材料，实现了废弃磷尾矿的利用；通过添加物性调节填料来调节磷尾矿的粒径构成，使得基质土有更好的疏松结构和透气性；有机质填料的添加能够提高基质土的有机质含量；团粒剂的添加能够保水保肥，降低基质土的堆积密度，使基质土疏松多孔；固磷剂能够和磷尾矿中的水溶磷反应生成难溶磷或将水溶磷吸附到固磷剂结构中，抑制了磷的流失。实施例的结果显示，将本发明提供的基质土装填到试验小区一段时间后，渗滤水中未检测到磷酸盐；在该试验小区种植的植物覆盖度高，生长茂盛。

附图说明

图1为本发明实施例1中制备基于磷尾矿的抑磷基质土的工艺流程图；

图2为本发明实施例6中试验小区中每个小区的截面示意图；

图3为本发明实施例6其中一个小区的现场图；

图4为本发明实施例6中试验小区的总体情况图；

图5为本发明实施例6中的管道及土工布、防渗膜材料的铺设图；

图6为本发明实施例6中使用的收集液体管道的实物图；

图7为本发明实施例6中使用的土工布及防渗膜材料的实物图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于磷尾矿的抑磷基质土，包括主体材料和辅助材料；所述主体材料包括磷尾矿，所述辅助材料包括物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂；所述磷尾矿、物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂的质量比为(70～100)：(10～15)：(5～10)：(0.01～5)：(0.1～5)。

本发明以磷尾矿为主体材料，实现了废弃磷尾矿的利用；通过在磷尾矿中添加物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂，抑制了磷的流失，并且实现了矿山的生态恢复。

本发明提供的基于磷尾矿的抑磷基质土包括主体材料，所述主体材料包括磷尾矿。本发明对所述磷尾矿的来源没有特殊的限定，采用磷矿开采过程中产生的各种尾矿均可。在本发明中，所述磷尾矿的使用实现了废弃磷尾矿的有效利用。

在本发明中，所述磷尾矿中P₂O₅的总含量优选为2～15％，更优选为5～12％；所述磷尾矿的含水率优选为＜20％，更优选为＜15％。

在本发明中，所述磷尾矿的粒径优选为≤5mm。在本发明中，当所述磷尾矿的粒径不符合上述范围时，本发明优选将所述磷尾矿进行破碎。本发明对所述破碎的方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的破碎方法即可。

本发明提供的基于磷尾矿的抑磷基质土还包括辅助材料，所述辅助材料包括物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂。

在本发明中，所述物性调节填料优选包括石渣粉、钙粉、粗砂、粉煤灰和白云石粉中的一种或几种，更优选为石渣粉、钙粉和粗砂中的一种或几种。本发明通过添加物性调节填料来调节磷尾矿的粒径构成，使得基质土有更好的疏松结构和透气性。本发明对所述物性调节填料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述物性调节填料中粒径≤5mm的颗粒占比优选为90％以上，更优选为95％以上。在本发明中，当所述物性调节填料的粒径不符合上述范围时，本发明优选将所述物性调节填料进行破碎。本发明对所述破碎的方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的破碎方法即可。

在本发明中，所述有机质填料优选包括污泥堆肥、有机肥、绿肥、生物碳、腐植酸和腐殖质中的一种或几种，更优选为污泥堆肥、有机肥、腐植酸和腐殖质中的一种或几种。本发明中有机质填料的添加能够提高基质土的有机质含量。本发明对所述有机质填料的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述有机质填料中粒径≤10mm的颗粒占比优选为90％以上，更优选为95％以上。在本发明中，当所述有机质填料的粒径不符合上述范围时，本发明优选将所述有机质填料进行破碎。本发明对所述破碎的方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的破碎方法即可。

在本发明中，所述团粒剂优选包括聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺和含有纤维素的固体废弃物中的一种或几种，更优选为聚丙烯酰胺和含有纤维素的固体废弃物中的一种或几种。在本发明中，所述含有纤维素的固体废弃物优选包括玉米秆、豌豆秆、椰子壳、花生壳、菜籽壳和甘蔗渣中的一种或几种。本发明中团粒剂的添加能够保水保肥，降低基质土的堆积密度，使基质土疏松多孔，有利于矿山的生态恢复。本发明对所述有团粒剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述团粒剂中粒径≤1mm的颗粒占比优选为90％以上，更优选为95％以上。在本发明中，当所述团粒剂的粒径不符合上述范围时，本发明优选将所述团粒剂进行破碎。本发明对所述破碎的方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的破碎方法即可。

在本发明中，所述固磷剂优选包括氯化钙、凹凸棒土、氧化钙、沸石粉和膨润土中的一种或几种，更优选为凹凸棒土、沸石粉和膨润土中的一种或几种。本发明中的固磷剂能够和磷尾矿中的水溶磷反应生成难溶磷或将水溶磷吸附到固磷剂结构中，抑制了磷的流失。本发明对所述固磷剂的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。

在本发明中，所述固磷剂中粒径≤1mm的颗粒占比优选为90％以上，更优选为95％以上。在本发明中，当所述固磷剂的粒径不符合上述范围时，本发明优选将所述固磷剂进行破碎。本发明对所述破碎的方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的破碎方法即可。

在本发明中，所述磷尾矿、物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂的质量比为(70～100)：(10～15)：(5～10)：(0.01～5)：(0.1～5)，优选为(70～80)：(10～13)：(5～8)：(0.01～3)：(0.1～4)。本发明通过将磷尾矿、物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂的质量比控制在上述范围内，有利于抑制磷的流失，保持基质土的保水、保肥、透气等性能，从而实现矿山的生态恢复。

本发明以磷尾矿为主体材料，实现了废弃磷尾矿的利用；通过添加物性调节填料来调节磷尾矿的粒径构成，使得基质土有更好的疏松结构和透气性；有机质填料的添加能够提高基质土的有机质含量；团粒剂的添加能够保水保肥，降低基质土的堆积密度，使基质土疏松多孔；固磷剂能够和磷尾矿中的水溶磷反应生成难溶磷或将水溶磷吸附到固磷剂结构中，抑制了磷的流失。

本发明提供了上述技术方案所述基于磷尾矿的抑磷基质土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂混合，得到混合物A；

(2)将磷尾矿与所述步骤(1)得到的混合物A混合，得到混合物B；

(3)将所述步骤(2)得到的混合物B堆置后进行陈化，得到基于磷尾矿的抑磷基质土。

本发明将物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂混合，得到混合物A。

本发明对所述物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可。

得到混合物A后，本发明将磷尾矿与所述混合物A混合，得到混合物B。

本发明对所述磷尾矿和混合物A混合的操作没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方式即可。本发明通过先将占比较少的物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂混合，再与占比较高的磷尾矿混合，实现了物料的均匀混合。

得到混合物B后，本发明将所述混合物B堆置后进行陈化，得到基于磷尾矿的抑磷基质土。本发明通过陈化进一步使各组分混合均匀，充分发挥各组分的作用。

在本发明中，所述陈化的时间优选为24～30h，更优选为24～28h；所述陈化的温度优选为常温。

本发明提供的制备方法能够使各组分混合均匀，充分发挥各组分的作用。

本发明还提供了上述技术方案所述基于磷尾矿的抑磷基质土或所述制备方法制备的基于磷尾矿的抑磷基质土在矿山生态脆弱保护区中的应用。本发明对所述基于磷尾矿的抑磷基质土在矿山生态脆弱保护区中应用的方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的基质土在矿山保护区中的应用即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

组分：磷尾矿、石渣粉、污泥堆肥、聚丙烯酰胺和凹凸棒土的质量比为100：15：8：0.02：2；磷尾矿中P₂O₅的总含量为7.12％，含水率为12.24％，粒径≤5mm；石渣粉中粒径≤5mm的颗粒占比为95％以上，污泥堆肥中粒径≤10mm的颗粒占比为95％以上，聚丙烯酰胺中粒径≤1mm的颗粒占比为95％以上，凹凸棒土中粒径≤1mm的颗粒占比为95％以上；其中，磷尾矿的干基理化性质见表1，污泥堆肥的性能见表2；

表1磷尾矿的理化性质(干基)

项目	含量
		总磷(％)	7.12
有效磷(％)	1.97
		水溶磷(％)	0.276
钙有效含量(％)	26.90
		镁有效含量(％)	9.34
硅有效含量(％)	0
		砷(mg/kg)	6.73
镉(mg/kg)	0.34
		铬(mg/kg)	20.11
汞(mg/kg)	0.12
		铅(mg/kg)	27.64
镍(mg/kg)	3.13
		铜(mg/kg)	1.84
锌(mg/kg)	49.38
		氟化物(mg/kg)	14173.12
pH值	6.35
		含盐量(mS/cm)	0.389
入渗率(mm/h)	69.47
		容重(g/cm<sup>3</sup>)	1.31

表2污泥堆肥的性能

制备过程：

(1)将磷尾矿破碎至1～5mm，团粒剂聚丙烯酰胺破碎至1mm以下，有机质填料污泥堆肥破碎至1～10mm，固磷剂凹凸棒土破碎至1mm以下，物性调节填料石渣粉破碎至1～5mm；

(2)将步骤(1)中的石渣粉、污泥堆肥、聚丙烯酰胺和凹凸棒土混合，得到混合物A；

(3)将步骤(1)中的磷尾矿与上述步骤(2)得到的混合物A混合，得到混合物B；

(4)将上述步骤(3)得到的混合物B堆置后陈化24h，得到基于磷尾矿的抑磷基质土。

图1为本实施例制备基于磷尾矿的抑磷基质土的工艺流程图，先分别将磷尾矿、团粒剂、有机质填料、固磷剂和物性调节填料进行破碎，然后将团粒剂、有机质填料、固磷剂和物性调节填料混合，再与磷尾矿混合，最后堆置陈化24h，得到基于磷尾矿的抑磷基质土。

实施例2

与实施例1的不同之处在于磷尾矿、石渣粉、污泥堆肥、聚丙烯酰胺和凹凸棒土的质量比为80：10：10：0.01：5，其余同实施例1。

实施例3

与实施例1的不同之处在于磷尾矿、石渣粉、污泥堆肥、聚丙烯酰胺和氧化钙的质量比为100：10：5：0.05：0.2，氧化钙中粒径≤1mm的颗粒占比为95％以上，其余同实施例1。

实施例4

与实施例1的不同之处在于磷尾矿、石渣粉、污泥堆肥、聚丙烯酰胺和膨润土的质量比为100：15：10：0.01：5，膨润土中粒径≤1mm的颗粒占比为95％以上；其余同实施例1。

实施例5

组分：磷尾矿、粗砂、污泥堆肥、聚丙烯酰胺和膨润土的质量比为100：12：7：0.05：3；磷尾矿中P₂O₅的总含量为7.12％，含水率为12.24％，粒径≤5mm；粗砂中粒径≤5mm的颗粒占比为95％以上，污泥堆肥中粒径≤10mm的颗粒占比为95％以上，聚丙烯酰胺中粒径≤1mm的颗粒占比为95％以上，膨润土中粒径≤1mm的颗粒占比为95％以上；

采用与实施例1相同的制备方法。

实施例6

以4亩地作为试验小区，分为4个小区，分别标记为1#、2#、3#和4#，每个小区的长度均为50m，每个小区的截面设计成倒梯形，以便收集每个小区的渗滤液，倒梯形的上底为8m，下底为5m，高为1.2m，每个小区底部及侧面均用土工布及防渗膜材料铺设，底部放置收集液体的管道，然后在2021年6月1日将实施例1～4制备的基质土分别装填到上述4个小区的倒梯形槽中；之后将每个小区等分为7个小块，分别标记为小区1～7，并种植植物，种植情况见表3；其中，植物种类有：滇柏、三角槭、沙棘、青冈栎、香樟小苗、合欢、苦楝树、刺槐、旱柳、火棘、合欢小苗、球花石楠小苗、巨菌草、三叶草、紫花苜蓿、多花木蓝、狗牙根；

各植物的种植方式为：

滇柏、三角槭：实生小苗移栽，小苗地径1～1.5cm，小区种植数6×9，株距1.0m，间作；

沙棘、青冈栎、香樟小苗：实生小苗移栽，小苗地径0.5～0.8cm，小区种植数13×19，株距0.5m，间作；

合欢、苦楝树、刺槐、旱柳：实生小苗移栽，小苗地径≥3cm，小区种植数4×6，株距1.5m；

火棘：实生小苗移栽，小苗地径0.5～0.8cm，小区种植数21×31，株距0.3m；

合欢小苗、球花石楠小苗：实生小苗移栽，小苗地径0.8～1.5cm，小区种植数13×19，株距0.5m；

巨菌草：实生小苗移栽或移栽，小区种植数13×19，株距0.5m；

三叶草、紫花苜蓿、多花木蓝、狗牙根：种子撒播。

表3试验小区种植植物的种类和生长情况

图2为本实施例中试验小区中每个小区的截面示意图。由图2可以看出，试验小区的截面呈倒梯形，上底为8m，下底为5m，高为1.2m。

图3为本实施例其中一个小区的现场图；图4为本实施例中试验小区的总体情况图；图5为本实施例中的管道及土工布、防渗膜材料的铺设图；图6为本实施例中使用的收集液体管道的实物图；图7为本实施例中使用的土工布及防渗膜材料的实物图。

取1#地～4#地装填的基质土，测试其pH值和重金属元素含量，检测结果见表4。

表41#地～4#地装填基质土的pH值及重金属元素检测结果

由表4可以看出，1#～4#小区装填的基质土的pH为中性，重金属含量均低于农用地风险筛选值，无农用风险。

2021年7月12日取1#地和2#地中的渗滤水进行检测，测试结果见表5。

表51#地和2#地中渗滤水的检测结果

注：“ND”表示检测结果低于该项目分析方法检出限。

由表5可以看出，1#地和2#地中的渗滤水均未检测到磷酸盐。

由以上实施例可以看出，本发明提供的基于磷尾矿的抑磷基质土抑制了磷的流失，保持了基质土的保水、保肥、透气等性能，实现了矿山的生态恢复；将本发明提供的基质土装填到试验小区一段时间后，渗滤水中未检测到磷酸盐；在该试验小区种植的植物覆盖度高，生长茂盛。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于磷尾矿的抑磷基质土，包括主体材料和辅助材料；所述主体材料包括磷尾矿，所述辅助材料包括物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂；所述磷尾矿、物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂的质量比为(70～100)：(10～15)：(5～10)：(0.01～5)：(0.1～5)。

2.根据权利要求1所述的基于磷尾矿的抑磷基质土，其特征在于，所述磷尾矿中P₂O₅的总含量为2～15％，含水率为＜20％。

3.根据权利要求1或2所述的基于磷尾矿的抑磷基质土，其特征在于，所述磷尾矿的粒径≤5mm。

4.根据权利要求1所述的基于磷尾矿的抑磷基质土，其特征在于，所述物性调节填料包括石渣粉、钙粉、粗砂、粉煤灰和白云石粉中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的基于磷尾矿的抑磷基质土，其特征在于，所述有机质填料包括污泥堆肥、有机肥、绿肥、生物碳、腐植酸和腐殖质中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的基于磷尾矿的抑磷基质土，其特征在于，所述团粒剂包括聚丙烯酸钾、聚丙烯酰胺和含有纤维素的固体废弃物中的一种或几种。

7.根据权利要求1所述的基于磷尾矿的抑磷基质土，其特征在于，所述固磷剂包括氯化钙、凹凸棒土、氧化钙、沸石粉和膨润土中的一种或几种。

8.权利要求1～7任一项所述基于磷尾矿的抑磷基质土的制备方法，包括以下步骤：

(1)将物性调节填料、有机质填料、团粒剂和固磷剂混合，得到混合物A；

(2)将磷尾矿与所述步骤(1)得到的混合物A混合，得到混合物B；

(3)将所述步骤(2)得到的混合物B堆置后进行陈化，得到基于磷尾矿的抑磷基质土。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中陈化的时间为24～30h。

10.权利要求1～7任一项所述的基于磷尾矿的抑磷基质土或权利要求8～9任一项所述制备方法制备的基于磷尾矿的抑磷基质土在矿山生态脆弱保护区中的应用。

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