CN114669585B - 一种硅酸盐物料风化成土及资源化利用的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅酸盐物料风化成土及资源化利用的方法，属于固废处理技术领域。先将含硅酸盐的物料破碎后倒入硅酸盐风化反应器；再向硅酸盐风化反应器中加入菌液，进行周期性浸出、沥干处理；然后将硅酸盐风化反应器中沥出液引入硅藻反应器中培养硅藻，最后过滤分离硅藻反应器中的混合物，液体返回到硅酸盐风化反应器，硅藻与风化物料混合形成土壤。本发明可利用硅酸盐菌促进含硅酸盐的物料结构脆化，释放钾、磷元素同时加速游离硅的溶出，利于硅藻吸收利用；硅藻死后形成硅藻土，增加土壤肥力，实现含硅酸盐固废的快速土壤化，硅藻生长还能吸收空气中的CO2，增加碳汇。
Description
技术领域
本发明属于资源综合利用领域，具体涉及一种硅酸盐物料风化成土及资源化利用的方法。
背景技术
我国煤炭、化工、电力、钢铁、有色等行业迅猛发展的同时，每年产生超35亿吨的工业固废，累计堆存量超620亿吨，主要包括冶炼废渣、尾矿砂、建筑垃圾、废石及工业粉尘等，其成分以含硅酸盐为主。
含硅酸盐固废的主要处置方式有提取回收其中的有价金属、填充矿山采空区、生产新型建筑材料等。以上处置方式会产生以下问题：（1）回收有价金属仍会产生新的固废；（2）充填矿山采空区成本高；（3）生产建材运输成本高。土壤由岩石风化而来，若能够加速硅酸盐矿物风化，增加其中营养元素含量，使其具有土壤属性，则能够为后续的植物生长提供必要的基质环境，利于含硅酸盐固废的生态修复。
含硅酸盐矿物含有丰富的磷、钾元素，但它们多以稳定的铝硅酸盐和磷灰石状态存在，不能直接被作物吸收和利用。硅酸盐细菌是土壤中一类特殊的细菌，对营养条件要求不高，世界各地分布十分广泛。硅酸盐细菌能通过代谢产生有机酸、多糖而释放出可溶态的磷、钾、硅等元素，而且具有一定的固氮能力，有利于植物的吸收和利用。土壤硅酸盐细菌不仅可挖掘土壤潜在肥力，还能加速硅酸盐固废风化成土进程，是重要土壤改良微生物。
硅藻的光化学性能与其全球所有雨林光合作用的总和相当，是水生生态系统中重要的初级生产者，其生产量约占地球初级生产量的60%。硅藻能将环境中的无机物合成自身需要的有机物，释放氧气，深刻影响着全球范围内C、N、O和Si等重要元素的生物地球化学循环。许多硅藻可适应低浓度氮、铁和磷等高度贫营养的环境中，生长迅速，可用于贫营养环境的生态修复。硅藻死亡后其细胞壁中的矿物质在固废中沉积，经过成岩作用后可形成硅藻土。
发明内容
本发明利用硅酸盐菌将含硅酸盐的固废分解，释放出钾、磷及游离硅，再利用硅藻的光合作用，将环境中的无机物转化成有机物保存在尾矿砂中，实现含硅酸盐物料的快速风化，加速其向土壤转化的同时增加其肥力。
本发明通过以下技术方案实现：
（1）将含硅酸盐的物料破碎后倒入硅酸盐风化反应器；
（2）向硅酸盐风化反应器中注入菌液，进行周期性浸出、沥干处理；
（3）将硅酸盐风化反应器中沥出液引入硅藻反应器，与预先培养好的硅藻混匀，调节反应器中硅藻生长条件；
（4）过滤分离硅藻反应器中的混合物，液体返回到硅酸盐风化反应器，含硅藻的固废与沥出的风化物料混合，形成富含营养且颗粒团聚的土壤。
优选的，步骤（1）中所述含硅酸盐的物料为含硅酸盐固废和/或含硅酸盐矿石。
进一步的，所述含硅酸盐固废为冶炼废渣、尾矿砂、建筑垃圾、废石及工业粉尘中的任一种或多种。
进一步的，所述含硅酸盐矿石为长石、云母、橄榄石、绿帘石、辉石、角闪石、硅灰石、滑石、高岭石、绿泥石、蛇纹石中的任一种或多种。
优选的，步骤（1）中所述含硅酸盐的物料中K2O的含量 ≥1%，
进一步的，步骤（1）中所述含硅酸盐的物料中K2O的含量 ≥3%。
优选的，步骤（1）中所述含硅酸盐的物料破碎粒径为1mm～200mm。
优选的，步骤（1）中所述含硅酸盐的物料破碎粒径为5mm～100mm。
优选的，步骤（2）中所述含硅酸盐的物料与菌液混合后，料浆质量浓度为1～50%。
优选的，步骤（2）中所述含硅酸盐的物料与菌液混合后，料浆浓度为5～30%；
优选的，步骤（2）中所述的硅酸盐菌包括直接利用或间接利用硅酸盐矿物的代谢菌，或与其它微生物联合作用直接或间接利用硅酸盐矿物的代谢菌，或所述代谢菌的代谢产物或酶产物。
优选的，步骤（2）中所述的硅酸盐菌包括胶质芽孢杆菌、环状芽孢杆菌、假单胞菌、多粘类芽孢杆菌和氧化亚铁硫杆菌等中的一种或多种的混合菌；
优选的，步骤（2）中所述硅酸盐风化反应器的浸矿池中硅酸盐菌菌细胞浓度保持≥104cfu/ml。
进一步的，步骤（2）中所述硅酸盐菌菌液细胞浓度保持在106～109cfu/ml。
优选的，步骤（2）中所述周期性浸出的条件为pH为4～9，溶解氧在0.5～9mg/L，浸出时间在1h～480h。
进一步的，步骤（2）中所述周期性浸出的条件为pH为7.0～8.5，溶解氧在5～9mg/L，浸出时间在200h～480h。
优选的，步骤（3）中硅藻反应器中硅藻细胞细胞浓度 ≥104cells/L。
进一步的，步骤（3）中硅藻反应器中硅藻细胞细胞浓度≥2×106cells/L。
优选的，步骤（3）中加入氮、磷元素，控制其与溶液中硅的比例在1≤Si:P≤32，1≤N:P≤32之间。
进一步的，步骤（3）中加入氮、磷元素，控制其与溶液中硅的比例在10≤Si:P≤22和10≤N:P≤22之间。
优选的，步骤（3）中所述的硅藻生长条件为pH为6～9，反应时间在1h～480h。
进一步的，步骤（3）中所述的硅藻生长条件为pH为6.5～8.5，反应时间在160h～360h。
本发明的发明原理：
含硅酸盐的固废在硅酸盐菌与其代谢产物共同作用下，其表面形成一个胞外多糖、有机酸、菌体与含含硅酸盐的固废构成的复合体，这种复合体的形式促进细菌细胞与矿物颗粒进一步接触，在水分子的作用下，使矿物晶格层间域增大，硅酸盐、硅铝酸盐、部分碳酸盐从含硅酸盐的固废中逐步释放，改变了固废结构，释放出游离硅，与此同时硅酸盐晶格发生变形或崩解。硅藻能利用游离硅合成硅质细胞壁，为植物、微生物分泌的碳酸酐酶提供质子缓冲器，有助于碳酸酐酶有效的捕集环境中的无机碳，加速碳循环的同时将无机碳转化为有机碳固定下来。硅藻死后，坚固多孔的细胞壁外壳沉于矿物中，可吸附尾矿砂中的重金属元素，实现重金属污染物的原位固定化。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明可利用硅酸盐菌将含硅酸盐的物料进行快速生物风化。
2、硅酸盐菌促进含硅酸盐物料结构脆化的同时加速游离硅的溶出，溶出的游离硅被硅藻吸收利用，硅藻死后形成硅藻土，增加土壤肥力，实现含硅酸盐固废的快速土壤化，硅藻生长还能吸收空气中的CO2，增加碳汇。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
实施例1
（1）某钾矿场的斑状结构富钾采矿废石，矿石中K2O的含量为11%，主要矿物组成为钾长石、绢云母、碱性辉岩、绿泥石，破碎为1mm的砂石后倒入浸矿池；
（2）调节矿浆浓度为5%，调节pH为6～7，接入对数生长期的胶质芽胞杆菌和环状芽孢杆菌（有效活菌数 ≥104cfu/ml），维持溶解氧在5～9mg/L，浸出时间为240h，待浸出液中成分趋稳后沥出风化后的废石，该废石中水铝石成分增多，利于颗粒团聚度升高。
（3）将硅酸盐风化反应器中沥出液引入硅藻反应器，该沥出液中溶解性硅盐和钾含量升高，加入氮、磷元素调节反应器中元素比，维持10≤Si:P≤15，10≤N:P≤15之间，调节pH为6～7后加入预先培养好的硅藻，使硅藻反应器中硅藻细胞浓度为2×106cells/L，反应时间为240h，硅藻生长稳定后过滤反应器中的物质，液体返回到硅酸盐风化反应器，硅藻与沥出的风化废石混合，增加废石营养元素含量。
实施例2
（1）硅酸盐菌种子液制备：在250mL锥型瓶中加入100mL硅酸盐细菌发酵培养基，于28±2℃振荡培养168h备用；
（2）取250mL锥型瓶，分别加入100ml硅酸盐细菌发酵培养基和粒径为1mm的砂石，调节矿浆浓度为6%，调节pH为7.0，然后接入硅酸盐菌种子液（有效活菌数为1×107cfu/ml），维持溶解氧在5～9mg/L，浸出时间为240h，待浸出液中成分趋稳后沥出风化后的硅酸盐物料；
（3）向硅酸盐风化反应器沥出液中加入氮、磷元素，调节反应器中元素比，维持18≤Si:P≤22，18≤N:P≤22之间，调节沥出液pH为6～7后加入预先培养好的硅藻，使硅藻反应器中硅藻细胞浓度为1×106cells/L，反应时间为480h，硅藻生长稳定后过滤反应器中的物质，液体返回到硅酸盐风化反应器，硅藻与沥出的风化废石混合，增加废石营养元素含量。
实施例3
（1）某富钾页岩，矿石中K2O的含量为8.17%，主要矿物组成为钾长石、伊利石、石英、白云母，破碎为1～50mm的砂石后倒入浸矿池；
（2）调节矿浆浓度为5%，调节pH为7.0，接入钾细菌（有效活菌数 1×104cfu/ml），溶解氧在5～9mg/L，浸出144h后，浸出液中K2O的质量浓度为10.25～11.50mg/L，SiO2的浓度为33.25～36.25mg/L，Al2O3的质量浓度为9.00～10.50mg/L；浸出360h后，SiO2的浓度为33.25～40.50mg/L，Al2O3和K2O的质量则有轻微下降；
（3）将硅酸盐风化反应器中沥出液引入硅藻反应器，该沥出液中溶解性硅盐和钾含量升高，加入氮、磷元素调节反应器中元素比，维持15≤Si:P≤23，15≤N:P≤23之间，调节pH为6.5～7.5后加入预先培养好的硅藻，使硅藻反应器中硅藻细胞浓度为1×106cells/L，反应时间在480h，生成大量的硅藻，稳定后过滤反应器中的物质，液体返回到硅酸盐风化反应器，硅藻与沥出的风化废石混合，增加废石营养元素含量。
Claims (2)
1.一种硅酸盐物料风化成土及资源化利用的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将含硅酸盐的物料破碎后倒入硅酸盐风化反应器；所述含硅酸盐的物料为含硅酸盐固废和/或含硅酸盐矿石，所述含硅酸盐固废为冶炼废渣、尾矿砂、建筑垃圾、废石及工业粉尘中的任一种或多种，所述含硅酸盐矿石为长石、云母、橄榄石、绿帘石、辉石、角闪石、硅灰石、滑石、高岭石、绿泥石、蛇纹石中的任一种或多种；所述含硅酸盐的物料中K2O的含量≥1%，所述含硅酸盐的物料破碎粒径为1mm～200mm；
（2）向硅酸盐风化反应器中注入菌液，进行周期性浸出、沥干处理；所述含硅酸盐的物料与菌液混合后，料浆质量浓度为1～50%；所述硅酸盐风化反应器的浸矿池中硅酸盐菌菌细胞浓度保持 ≥104cfu/ml；所述周期性浸出的条件为pH为4～9，溶解氧在0.5～9mg/L，浸出时间在1h～480h；
（3）将硅酸盐风化反应器中沥出液引入硅藻反应器，与预先培养好的硅藻混匀，加入氮、磷元素，控制其与溶液中硅的比例在1≤Si:P≤32，1≤N:P≤32之间，调节反应器中硅藻生长条件，硅藻生长条件为pH为6～9，反应时间在1h～480h；硅藻反应器中硅藻细胞细胞浓度 ≥104cells/L；
（4）过滤分离硅藻反应器中的混合物，液体返回到硅酸盐风化反应器，含硅藻的固废与沥出的风化物料混合，形成土壤。
2.根据权利要求1所述的硅酸盐物料风化成土及资源化利用的方法，其特征在于步骤（2）中所述的硅酸盐菌包括直接利用或间接利用硅酸盐矿物的代谢菌，或与其它微生物联合作用直接或间接利用硅酸盐矿物的代谢菌，或所述代谢菌的代谢产物或酶产物。
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