CN114891514A - 一种页岩气开发平台土壤复垦强化剂以及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种页岩气开发平台土壤复垦强化剂，包含如下重量的各组分芽孢杆菌0.001％、防线菌0.001％、生物质碳粉14～15％、硅藻土85～86％。其制备方法包括从分离纯化芽孢杆菌与防线菌，进行培养放大；用硫酸溶液浸泡硅藻土进行预处理改性，然后烘干；将植物秸秆缺碳化后粉碎制成生物质碳粉；将制备的硅藻土与生物质碳粉按照质量比为1﹕5～1﹕7混合；加适量水，再用超声进行分散，之后干燥造粒，再置于管式炉中焙烧后取出形成载体；将制备的芽孢杆菌与防线菌等体积混合，再将载体采用浸渍法按固液体积比为1﹕4浸渍。本发明能够使页岩气开发平台复垦土壤能够达到农作物的种植要求，实现土壤的生态修复，具有良好的复垦效果。
Description
技术领域
本发明属于页岩气开发过程中开发平台土壤复垦技术领域，特别涉及一 种用于页岩气开发平台重金属及烃类物质污染风险土壤的复垦强化剂，使开 发平台土壤达到农作物耕种要求，实现对开发平台土壤的生态修复。
背景技术
土壤复垦，是指对被破坏或退化的土地再生利用及其生态系统恢复的综 合性技术过程。页岩气开发场地因气藏地理位置及井场钻井模式决定了钻井 平台及配套设备设施的场地大小及布局。因此页岩气开发场地的占用空间及 配套道路要求必须达到相关规定，但钻井平台在正常生产过程中保留输送管 道及地面油气树等基础设施外，井场外围可通过复垦减少对土地的占用率， 尽量降低对资源地生态的影响。在页岩气开采过程中因场地内在平整过程中 需添加砂石夯实达到对设备的承重要求，开钻井口、废水收集池等特殊位置 还需做防渗固化，因复垦土壤需要引入客土，往往客土层肥力低、团聚体结 构特征、功能弱，从而影响土壤微生物群落发育和功能重建，不利于农作物 的长期耕种。同时微生物作为土壤中最为活跃的组分，对重构土壤的发育和 功能重建具有不可替代的激发催化作用，因此本发明从生物炭固定微生物菌 群，从分子生态学视角对复垦土壤的固碳菌群进行调节，维持土壤生产力、 抵抗非生物胁迫和恢复(重金属及石油烃)，平衡复垦的环境效应及权衡土- 粮食-碳之间关系，提升土壤固碳潜力及其功能基因丰度，保障粮食安全和维护生态安全，具有重要的意义。
发明内容
为克服现有技术中的缺点和不足，本发明提供一种用于页岩气开发平台 土壤复垦强化剂，使页岩气开发平台复垦土壤能够达到农作物的种植要求， 实现土壤的生态修复。同时本发明还提供一种制备该复垦强化剂的方法。在 生物质碳粉中掺杂硅藻土的规整载体不仅强化了土壤复垦强化剂的机械强度， 同时为复合菌群的生物代谢提供场所，提高土壤固碳潜力及其功能基因的丰 度，保障粮食安全和维护生态安全。
本发明的目的是通过下述技术方案实现，一种页岩气开发平台土壤复垦 强化剂，包含如下重量的各组分：
芽孢杆菌0.001％、防线菌0.001％、生物质碳粉14～15％、硅藻土85～86％。
进一步的，所述的土壤复垦强化剂的制备方法，包含如下步骤：
S1：从土壤中分离纯化芽孢杆菌与防线菌，然后分别采用牛肉膏培养基 进行培养放大，浓缩，使得两种菌群的菌量分别在0.9～1.1亿/ml；
S2：用质量浓度为20-35％的硫酸溶液浸泡硅藻土3h进行预处理改性， 以去除孔道和表面的杂质，然后进行烘干；
S3：将植物秸秆缺氧400～450℃碳化后粉碎至100～150目，制成生物质 碳粉；
S4:将步骤S2中制备的硅藻土与步骤S3中制备生物质碳粉按照质量比为 1﹕5～1﹕7混合；然后将混合物按照固液体积比为1﹕55-65加适量水，再 用30-50kHZ，50W/L的超声对生物质碳粉与硅藻土进行分散，形成悬浊液， 之后置于40℃真空干燥箱中干燥2h后造粒成直径为5mm和长度为5mm的 圆柱形颗粒，再置于管式炉中于500～550℃焙烧2h，冷却后取出形成载体；
S5：将步骤S1中制备芽孢杆菌与防线菌等体积混合，再将步骤S4中制 备的载体采用浸渍法按固液体积比为1﹕4浸渍，反应时间为4h，之后取出 置于25～35℃环境中保存。
进一步的，步骤S1中经培养后的芽孢杆菌与防线菌菌群的菌量为1亿/ml。
进一步的，步骤S4中硅藻土与生物质碳粉按照质量比为1﹕6。
进一步的，步骤S3中植物秸秆为油菜秸秆。
本发明相对于现有的技术具有如下优势：
本发明获得的一种用于页岩开发平台土壤的复垦强化材料，可以使用油 菜秸秆、玉米秸秆等生物秸秆为原料通过缺氧碳化及掺杂到硅藻土制备载体。 硅藻土利用硫酸改性后可以去除硅藻土孔道及表面的部分杂质，如：Fe2O3、 Al2O3、MgO等，同时增大了比表面积。硫酸浓度需要合适，硫酸浓度过高会使 部分孔道溶解，甚至导致坍塌，浓度过低杂质去除不充分。通过掺杂不同比 例的生物碳成型后焙烧，在焙烧过程中温度不同形成的生物炭孔径及比表面 积不同，同时生物炭部分物质分解后形成了新的孔道，增加了复垦强化剂孔隙率。硅藻土掺杂生物碳质成型焙烧后形成规整载体与微生物固定后形成的 土壤复垦强化剂不仅为微生物的代谢提供场所，同时为微生物参与了碳固定、 甲烷代谢、碳降解等多个重要碳循环过程反应，有利于土壤中有机碳的降低 无机碳与生物量碳比例的提高，调整微生物群落结构和功能基因的分布，强 化了微生物群落的恢复。
附图说明
图1为本发明中碳化生物质的SEM图；
图2为本发明中改性硅藻土的SEM图；
图3为本发明中土壤强化剂的SEM图；
图4为本发明中土壤强化剂的氮吸附图。
具体实施方式
下面结合实施例对发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。
本发明的一种页岩气开发平台土壤复垦强化剂，包含如下重量的各组分： 芽孢杆菌0.001％、防线菌0.001％、生物质碳粉14～15％、硅藻土85～86％。
本发明的一种页岩气开发平台土壤复垦强化剂，其制备方法，包含如下 步骤：
S1：从土壤中分离纯化芽孢杆菌与防线菌，然后分别采用牛肉膏培养基 进行培养放大，浓缩，使得两种菌群的菌量分别在0.9～1.1亿/ml；
S2：用质量浓度为20-35％的硫酸溶液浸泡硅藻土3h进行预处理改性， 以去除孔道和表面的杂质，然后进行烘干；
S3：将植物秸秆缺氧400～450℃碳化后粉碎至100～150目，制成生物质 碳粉；
S4:将步骤S2中制备的硅藻土与步骤S3中制备生物质碳粉按照质量比为 1﹕5～1﹕7混合；然后将混合物按照固液体积比为1﹕55-65加适量水，再 用30-50kHZ，50W/L的超声对生物质碳粉与硅藻土进行分散，形成悬浊液， 之后置于40℃真空干燥箱中干燥2h后造粒成直径为5mm和长度为5mm的 圆柱形颗粒，再置于管式炉中于500～550℃焙烧2h，冷却后取出形成载体；
S5：将步骤S1中制备芽孢杆菌与防线菌等体积混合，再将步骤S4中制 备的载体采用浸渍法按固液体积比为1﹕4浸渍，反应时间为4h，之后取出 置于25～35℃环境中保存。
进一步的，步骤S1中经培养后的芽孢杆菌与防线菌菌群的菌量为1亿/ml。
进一步的，步骤S4中硅藻土与生物质碳粉按照质量比为1﹕6。
进一步的，步骤S3中植物秸秆为油菜秸秆。
上述步骤中，h表示小时，即3h表示3小时。
本发明一种页岩气开发平台土壤复垦强化剂，主要用于土壤的复垦修复， 如川南某页岩气开发平台土壤的复垦修复应用。其中开发平台土壤因开发作 业土壤中混杂砂石、土壤板结严重，在开发周期内土壤理化性质、微生物群 落及植物群落影响较为严重。复垦土壤客土采用某林地土壤，复垦客土土壤 厚度为30cm，通过对比两个页岩气开发平台复垦客土是否添加复垦土壤强化 剂后6个月测试分析，其物化性质如下表1、表2。其中土壤复垦强化剂的投 加量与客土的质量比为1％～1.5％。测试土壤采集采用随机采样法，15个表层土壤样本(即地面以下0～20cm)。
表1不添加强化剂复垦土壤组分含量
| 分析指标 | 含量 | 分析指标 | 含量 |
| As | 25.76mg·kg<sup>-1</sup> | K | 1.76mg·kg<sup>-1</sup> |
| Cd | 0.30mg·kg<sup>-1</sup> | N | 889mg·kg<sup>-1</sup> |
| Cu | 41.38mg·kg<sup>-1</sup> | 水溶性盐分 | 623mg·kg<sup>-1</sup> |
| P | 25.01mg·kg<sup>-1</sup> | 有机质 | 0.83％ |
| Hg | 0.12mg·kg<sup>-1</sup> | pH | 8.34 |
表2添加强化剂后复垦土壤组分含量
| 分析指标 | 含量 | 分析指标 | 含量 |
| As | 18.91mg·kg<sup>-1</sup> | K | 3.28mg·kg<sup>-1</sup> |
| Cd | 0.31mg·kg<sup>-1</sup> | N | 1 189mg·kg<sup>-1</sup> |
| Cu | 40.27mg·kg<sup>-1</sup> | 水溶性盐分 | 810mg·kg<sup>-1</sup> |
| P | 32.01mg·kg<sup>-1</sup> | 有机质 | 2.75％ |
| Hg | 0.11mg·kg<sup>-1</sup> | pH | 8.01 |
可以看出：是否投加土壤复垦强化剂对土壤中的重金属含量改变不大， 但投加了土壤复垦强化剂的土壤中的K、N、水溶性盐分、有机质的含量较未 投加的含量大幅度提升，充分说明投加土壤复垦强化剂对土壤中能有效提高 土壤营养成分及固碳、固氮能力，改善了农作物的生长环境。
采用随机采样方法，从添加土壤复垦强化剂(投加量约为客土的1％)与 未添加土壤复垦强化剂的两个复垦区各采集15个表层土壤样本(即地面以 下0～20cm)。此外，从复垦区域附近选取三块未受将页岩气开发活动破坏的 农田采集15个表层土壤样品用作对照(CK)，且其与复垦样地耕作和施肥管 理方式一致。土壤取回后，除去植物根系、砾石等杂质，并将土样充分混合 均匀后分为两份。一份在室温风干，均质化后过2mm筛，用来测定土壤基 本理化性质；另一份用于测量土壤部分活性酶。
分3批次采样分析，结果如表3。由表3可知，投加土壤复垦剂后随着时 间的增加，土壤的理化性质发生了一系列变化，土壤的有机碳、溶解性有机 碳都有所增加，增加了土壤的固碳能力；土壤的pH值呈弱碱性，在8左右， 适合大部分农作物的生长，同时减少了重金属的活性；土壤的过氧化氢酶与 多氢氧化酶都呈上升趋势增加了土壤酶的活性，利于农作物的生长。
表3复垦强化剂对土壤理化及功能酶的影响
为近一步了解土壤复垦强化剂作为页岩气开发平台土壤复垦修复时对农 产品种植时植株对土壤中重金属的富集情况，采用随机采样方法，从添加不 同土壤复垦强化剂与未添加土壤复垦强化剂1年以上的两个复垦区各采集15 个表层土壤样本(即地面以下0～20cm)，其中土壤复垦强化剂的投加量与客 土质量比为1％。在土壤复垦强化剂的制备过程中只改变硅藻土与生物质碳粉 混合质量比(其他步骤均相同)，其中当硅藻土与生物质碳粉混合质量比为1 ﹕5记为1#土壤复垦强化剂；当硅藻土与生物质碳粉混合质量比为1﹕6记为 2#土壤复垦强化剂；当硅藻土与生物质碳粉混合质量比为1﹕7记为3#土壤复 垦强化剂.
此外，从复垦区域附近选取三块未受将页岩气开发活动破坏的农田采集 15个表层土壤样品用作对照(CK)，且其与复垦样地耕作和施肥管理方式一 致。将三个区域采集的土壤缩分混合后在相同条件下种植紫皮蒜30d，考察紫 皮蒜对土壤中Cd的富集。由表4可知，土壤复垦强化剂投加后不仅能改善土 壤质量环境同时能抑制紫皮蒜对土壤中重金属Cd的富集，提高了其种植安全， 但当硅藻土与生物质碳粉混合质量比为1﹕6条件下制备的土壤复垦强化剂对 土壤中重金属Cd向农作物的运移钝化效果最佳。
表4紫皮蒜种植土壤及植株中Cd含量
本发明的实施例以及实验中的植株是用紫皮蒜，同样的，上述的实验结 果对于其它植株也具有相似的结论。能够看出，土壤中投加了本发明的复垦 强化剂，对土壤中重金属Cd向农作物的运移钝化效果明显。
Claims (5)
1.一种页岩气开发平台土壤复垦强化剂，其特征在于，包含如下重量的各组分：芽孢杆菌0.001％、防线菌0.001％、生物质碳粉14～15％、硅藻土85～86％。
2.根据权利要求1所述的土壤复垦强化剂的制备方法，其特征在于，包含如下步骤：
S1：从土壤中分离纯化芽孢杆菌与防线菌，然后分别采用牛肉膏培养基进行培养放大，浓缩，使得两种菌群的菌量分别在0.9～1.1亿/ml；
S2：用质量浓度为20-35％的硫酸溶液浸泡硅藻土3h进行预处理改性，以去除孔道和表面的杂质，然后进行烘干；
S3：将植物秸秆缺氧400～450℃碳化后粉碎至100～150目，制成生物质碳粉；
S4:将步骤S2中制备的硅藻土与步骤S3中制备生物质碳粉按照质量比为1﹕5～1﹕7混合；然后将混合物按照固液体积比为1﹕55-65加适量水，再用30-50kHZ，50W/L的超声对生物质碳粉与硅藻土进行分散，形成悬浊液，之后置于40℃真空干燥箱中干燥2h后造粒成直径为5mm和长度为5mm的圆柱形颗粒，再置于管式炉中于500～550℃焙烧2h，冷却后取出形成载体；
S5：将步骤S1中制备芽孢杆菌与防线菌等体积混合，再将步骤S4中制备的载体采用浸渍法按固液体积比为1﹕4浸渍，反应时间为4h，之后取出置于25～35℃环境中保存。
3.根据权利要求2所述的土壤复垦强化剂述的制备方法，其特征在于，步骤S1中经培养后的芽孢杆菌与防线菌菌群的菌量为1亿/ml。
4.根据权利要求2所述的土壤复垦强化剂述的制备方法，其特征在于，步骤S4中硅藻土与生物质碳粉按照质量比为1﹕6。
5.根据权利要求2所述的土壤复垦强化剂述的制备方法，其特征在于，步骤S3中植物秸秆为油菜秸秆。
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| GR01 | Patent grant | ||
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