CN114982590A - 一种喷播基质及其制备、应用和使用方法 - Google Patents

Abstract

一种喷播基质及其制备、应用和使用方法，属于矿山生态修复技术领域，克服现有技术中的喷播基质不适用于酸性矿山的缺陷。本发明喷播基质包括污泥发酵产物40~50质量份；酸性矿山表层土壤20~30质量份；生物炭3~5质量份；膨润土3~5质量份；碱性缓冲剂5~10质量份；水10~20质量份；所述污泥发酵产物进行超声波预处理。本发明喷播基质适用于酸性矿山的边坡治理。

Description

一种喷播基质及其制备、应用和使用方法

技术领域

本发明属于矿山生态修复技术领域，具体涉及一种喷播基质及其制备、应用和使用方法。

背景技术

矿产资源的大规模开发为区域经济发展做出了巨大贡献的同时，也遗留了大量能产生酸性废水的裸露矿山，这些矿山经过雨水的长期冲淋，导致了许多诸如重金属污染和酸性淋溶污染的生态环境问题，危害土壤和水体。这些酸性矿山的土壤往往具有肥力低、结构不良、保水性差、重金属超标、植被难以存活等特点，无法直接用来栽种植物，其生态恢复的最大难点在于对被破坏土壤的重构及重金属和酸性废水的污染防治。但出于成本和技术原因，目前的矿山生态修复多为短平快的景观修复工程，对于重金属和酸性淋溶水等污染物的生态防治缺乏科学的治理方式，存在持续阻断污染能力差、多地复绿效果不佳、污染削减不足等问题。

随着城镇化发展加快，市政污泥产量急剧增加，2021年市政污泥产生量约5800万吨（80%含水率），污泥填埋、焚烧、建材化等处理技术正逐渐遭遇消纳瓶颈，资源化利用成为污泥处置的关键性问题。污泥中富含有机质和氮、磷、钾等营养物，其稳定化产物用于矿山边坡的生态修复，一方面可以为污泥产物提供稳定可靠的资源化利用途径，最大限度实现物质循环利用；另一方面可以弥补矿山土壤肥力低的特点，加快矿山受污染土壤的理化性质改善和加速植被生长。

客土喷播技术是一种将植物生长基质喷洒于矿山坡面的技术，现有的技术多是直接使用外来土壤、保水剂、粘结剂、生物肥等材料作为喷播基质，但客土购买的成本很高且占用了大量的土壤资源。现有技术中虽然也有采用污泥作为喷播基质的技术，但仅适用于无污染问题的矿山，未能有效解决酸性矿山重金属污染和酸性废水冲淋污染的问题。对于酸性矿山的边坡治理，亟需一种既能够保证长期复绿效果，又能够控制重金属和酸性淋溶污染的低成本生态修复基质。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的喷播基质不适用于酸性矿山的缺陷，从而提供一种喷播基质及其制备、应用和使用方法。

为此，本发明提供了以下技术方案。

第一方面，本发明提供了一种喷播基质，包括

污泥发酵产物 40~50质量份；

酸性矿山表层土壤 20~30质量份；

生物炭 3~5质量份；

膨润土 3~5质量份；

碱性缓冲剂 5~10质量份；

水 10~20质量份；

所述污泥发酵产物进行超声波预处理。

进一步的，所述污泥发酵产物含水率为35-40%，散发臭气等级≤3，孔隙率为35-45%；和/或

所述酸性矿山表层土壤pH为2~4，所述酸性矿山表层土壤包括粒径0-0.25 mm的细粒和粒径0.25-3mm的粗粒，细粒和粗粒干重比（2~5）：（1~2）；和/或

所述生物炭粒径为0.1-1mm，比表面积为500-1000 m²/g；和/或

所述膨润土粒径为0.1-1mm，比表面积为10-15 m²/g；和/或

所述碱性缓冲剂为方解石、白云石、菱镁矿中的至少一种，粒径为0.1-0.25mm。

进一步的，所述污泥发酵产物为脱水污泥加入辅料后，进行高温好氧堆肥获得的产物；

所述脱水污泥含水率为60~80%；

所述辅料为稻壳或秸秆，辅料干重质量占比为脱水污泥的10-30%，混合后脱水污泥与辅料整体含水率为50%-65%。

第二方面，本发明还提供了一种喷播基质的制备方法，包括以下步骤：将污泥发酵产物经超声波预处理后，与酸性矿山表层土壤和水混合，静置，得到混合土；

将生物炭、膨润土和碱性缓冲剂与混合土混合，反应，获得喷播基质。

进一步的，所述超声波预处理的超声功率密度为0.2-0.5W/mL，每运行40~50s暂停10~20s，总运行时长180-300s。

进一步的，满足条件（1）-（5）中的至少一项：

（1）生物炭由污泥、餐厨垃圾或秸秆真空加热制成；

（2）所述膨润土在使用前在250-300℃条件下加热1-2小时；

（3）所述污泥发酵产物为脱水污泥加入辅料后，进行高温好氧堆肥获得的产物；所述高温好氧堆肥高度为1-2m，每2-4天翻堆一次，堆肥时长14-28天；

（4）所述静置温度为15~30℃，静置时间3-5天；

（5）所述反应温度为15~30℃，静置时间1-2天。

第三方面，本发明还提供了一种喷播基质或根据制备方法制得的喷播基质在酸性矿山中的应用。

第四方面，本发明还提供了一种喷播基质或根据制备方法制得的喷播基质的使用方法，喷播基质使用之前，加入占所述喷播基质质量5-15%的水，搅拌60-120min，至表面粘附力达到800-1200Pa。

进一步的，所述搅拌转速为20-60r/min，喷播基质搅拌扭矩达到0.6-1.5Nm。

进一步的，包括以下步骤：

步骤1、平整酸性矿山边坡，并清理表面岩石和杂物；

步骤2、将喷播基质喷洒于步骤1中已清理的坡面上，喷播厚度为10~15cm；

步骤3、将0.5-1份草籽加入到喷播基质中，继续喷播5-8cm；

所述草籽为狗尾草、白茅、牛筋草、黑麦草、马齿苋、紫苜蓿、高羊茅中的至少一种。

静置过程中，污泥发酵产物中的有机质与酸性矿山表层土壤中的矿物、重金属等充分接触、络合，得到混合土。

反应过程中，酸性矿山表层土壤中的酸性物质与碱性缓冲剂充分反应，得到pH为6-8的喷播基质。

酸性矿山表层土壤来源于酸性矿山表面或者渣土堆。

生物炭可以由污泥、餐厨垃圾、秸秆等城市有机质真空加热制成。粒径为0.1-1mm，比表面积为500-1000m²/g，能够增加土壤肥力、改善土壤结构和固定重金属。

喷播基质的使用方法，步骤1中，平整后的酸性矿山边坡坡面起伏高度在±10cm以内；步骤1还包括采矿山表层土壤样，评估酸化程度，确定酸性表层土壤和碱性缓冲剂添加量。

还包括步骤4、喷播完成后，对边坡进行养护管理，不定期进行喷灌，使喷播基质的田间持水量为40-50 %，养护期为2-4个月，至坡面绿化率超过80%。

具体的，可在坡面上以10m等间距安装喷灌装置。

所选用草籽为修复场地所在地的优势植物，适合在偏酸性环境中生存。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的喷播基质，包括污泥发酵产物40~50质量份；酸性矿山表层土壤20~30质量份；生物炭3~5质量份；膨润土3~5质量份；碱性缓冲剂5~10质量份；水10~20质量份；对所述污泥发酵产物进行超声波预处理。本发明能够有效针对酸性矿山边坡的重金属污染和酸性冲淋污染问题，使冲淋水中Cu、Cd、Pb、Zn等重金属含量降低50%以上，pH值控制在5-7之间，污染情况得到明显改善。

酸性矿山表层土壤是矿山上常见的固体废弃物，往往呈酸性并富含重金属，本身不适合植物的存活和生长。本发明中，通过将其与污泥发酵产物、膨润土、生物炭、碱性缓冲剂等物质按一定比例混合后，可以改良矿山酸性土壤的理化性质（如酸碱度、有机物含量、重金属浓度等），使其适合植物生长，做到了污泥和酸性矿山土壤的固废协同资源化利用，解决矿山表层受污染土壤堆置的问题，进一步增加了环境效益。另一方面，污泥发酵产物虽富含有机质，但本身并不是土壤，和酸性矿山表层土壤相互混合后，成份上也可以相互补充。

膨润土具有较大的比表面积，一方面可以改善土壤物理性状，增加持水保水能力，另一方面具有很强的金属吸附性，可以吸附矿山土壤中的重金属，具有多重环境效益且不污染土壤环境。

本发明对污泥发酵产物进行超声波预处理，使污泥发酵产物释放溶解性有机物、溶解性化学需氧量（SCOD）的含量达到总化学需氧量（TCOD）的20-30%，孔隙率为35-50%，增大孔隙，从而大大提高其吸附、络合重金属的能力。污泥发酵产物具有较高的吸附、络合重金属的能力，生物炭和膨润土，除了能改良土壤结构之外，均具有吸附重金属的能力；污泥发酵产物本身具有很强的酸碱缓冲性，可以使喷播基质保持在稳定的pH范围内，同时添加碱性缓冲剂，提高了混合基质的缓冲能力，可以长时间改良土壤的酸性冲淋问题。

2.本发明提供的喷播基质，使用的是方解石、白云石、菱镁矿等碱性缓冲剂用于调理酸性矿山的冲淋污染，而非直接添加生石灰等碱性药剂，提高了喷播基质的缓冲能力，可以长时间改良土壤的酸性冲淋问题。

3.本发明提供的喷播基质，污泥发酵产物为脱水污泥加入辅料后，进行高温好氧堆肥获得的产物；所述辅料为稻壳或秸秆，辅料干重质量占比为脱水污泥的10-30%。污泥在添加稻壳、秸秆等辅料经过充分发酵后，其有机质含量可达到40%以上，N+P₂O₅+K₂O总量超过5%，其与酸性矿山表层土混合后，肥力足以支持植物存活，无需额外添加复合肥。

4.本发明提供的喷播基质的使用方法，喷播基质使用之前，加入5-10份水，搅拌60-120min，至表面粘附力达到800-1200Pa。本发明中利用了污泥发酵产物越搅越粘的特性，通过机械搅拌使其达到一定粘性强度，提升喷播基质的内部粘结应力和在边坡上的粘附应力，进而无需添加粘结剂，即可在边坡上稳定附着，可用于大坡度的矿山坡面修复。

本发明通过搅拌增加了污泥发酵产物的毛细吸水效应，增强了其吸水性和保水性，与不添加污泥发酵产物的土壤相比，吸水率和保水率可分别提升50%和35%以上，此外，本发明添加的膨润土也能一定程度上增加保水性。因此无需额外添加保水剂，进一步节省了成本，并避免了次生污染，且不用考虑保水剂的时效性问题。

污泥本身往往粘性有限，无法在边坡附着。本发明中利用了污泥发酵产物越搅越粘的特性，通过机械搅拌使其达到一定粘性强度，进而无需添加粘结剂，即可在边坡上稳定附着，可用于大坡度的矿山坡面修复。

本发明无需额外添加保水剂和粘结剂，节省了原材料和成本，同时避免了可能造成的次生污染。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

本实施例提供了一种适用于酸性矿山边坡的喷播基质制备方法，同时将其应用于酸性硫铁矿山坡面修复，包括以下步骤：

（1）平整酸性矿山边坡，并清理表面岩石和杂物，测得坡面倾角约63°。雨天，测量坡脚淋溶积水中Cu、Cd含量较高，分别为227μg/L和14μg/L，pH值为3.2。

（2）制备喷播基质：

S1.取足量脱水后的市政污泥（含水率65%，有机质在干重中的占比34%），与粉碎后的稻壳按4：1的质量比充分混合，堆肥高度1.6m，每2天进行一次人工翻抛，总发酵时长20天，最终获得40%含水率、37%孔隙率的污泥发酵产物，松软、无臭。

S2.以质量份计，取50份上述污泥发酵产物，使用0.35W/mL超声波处理，每运行45s暂停15s，总运行时常240s，使其充分释放溶解性有机物，测得溶解性化学需氧量（SCOD）的含量达到总化学需氧量（TCOD）的27%，孔隙率为44%；加入20份筛分、配比后的酸性矿山表层土壤（包括粒径0-0.25 mm的细粒和粒径0.25-3mm的粗粒，细粒和粗粒干重比2：1）和10份清水，充分搅拌。

S3.加入5份生物炭、5份膨润土和10份方解石，在常温条件下反应1天，得到pH为6.8的喷播基质。

（3）将上述喷播基质装入喷播机，加入10份水，40r/min转速下搅拌60min，混拌均匀，喷播于坡面，厚度为15cm。

（4）在上述喷播基质中加入0.3份狗尾草和0.3份白茅的草籽，搅拌后继续喷播，厚度约6cm。

（5）在坡面上以10m等间距安装喷灌装置，晴天每两天喷灌一次。

4个月后，坡面植被绿化率约90%。1年后，坡面植被绿化率约95%，生长基质层厚度变化不明显，雨天测量坡脚淋溶积水中Cu、Cd含量为58μg/L和2.1μg/L，pH值为6.1，冲淋污染明显得到改善。

实施例2

本实施例提供了一种适用于酸性矿山边坡的喷播基质制备方法，同时将其应用于酸性铜矿山坡面修复，包括以下步骤：

（1）平整酸性矿山边坡，并清理表面岩石和杂物，测得坡面倾角约55°。雨天，测量坡脚淋溶积水中Cu、Pb、Zn含量较高，分别为532μg/L、124μg/L和159μg/L，pH值为4.1。

（2）制备喷播基质：

S1.取足量脱水后的市政污泥（含水率约64%，有机质在干重中的占比39%），与粉碎后的稻壳按5：1的质量比充分混合，堆肥高度1.5m，每2天进行一次人工翻抛，总发酵时长27天，最终获得38%含水率、42%孔隙率的污泥发酵产物，松软、无臭。

S2.取45份上述市政污泥发酵产物，使用0.35W/mL超声波处理240s（每运行45s暂停15s），使其充分释放溶解性有机物，测得溶解性化学需氧量（SCOD）的含量达到总化学需氧量（TCOD）的24%，孔隙率为41%；加入20份筛分、配比后的酸性矿山表层土壤（包括粒径0-0.25 mm的细粒和粒径0.25-3mm的粗粒，细粒和粗粒干重比2：1）和10份清水，充分搅拌。

S3.加入3份污泥生物炭、5份膨润土和8份白云石，在常温条件下反应1天，得到pH为7.2的喷播基质。

（3）将上述喷播基质装入喷播机，加入10份水，40r/min转速下搅拌70min，混拌均匀，喷播于坡面，厚度为13cm。

（4）在上述喷播基质中加入0.3份狗尾草、0.2份白茅和0.2份马齿苋的草籽，搅拌后继续喷播，厚度约6cm。

（5）在坡面上以10m等间距安装喷灌装置，晴天每两天喷灌一次。

4个月后，坡面植被绿化率约85%，1年后，坡面植被绿化率在90%以上，喷播基质厚度变化不明显，雨天测量坡脚淋溶积水中Cu、Pb、Zn含量为143μg/L、23μg/L和42μg/L，pH值为6.3，冲淋污染明显得到改善。

实施例3

本实施例提供了一种适用于酸性矿山边坡的喷播基质制备方法，同时将其应用于酸性铁矿山坡面修复，包括以下步骤：

（1）平整酸性矿山边坡，并清理表面岩石和杂物，测得坡面倾角约70°。测量坡脚淋溶积水中Cu、Pb、As含量较高，分别为322μg/L、205μg/L和86μg/L，pH值为3.4。

（2）制备喷播基质：

S1.取足量脱水后的市政污泥（含水率约68%，有机质在干重中的占比42%），与粉碎后的秸秆按5：1的质量比充分混合，堆肥高度1.6m，每2天进行一次人工翻抛，总发酵时长25天，最终获得39%含水率的污泥发酵产物，松软、无臭。

S2.取50份上述市政污泥发酵产物，使用0.45W/mL超声波处理300s（每运行45s暂停15s），使其充分释放溶解性有机物，测得溶解性化学需氧量（SCOD）的含量达到总化学需氧量（TCOD）的29%，孔隙率为37%；加入20份筛分、配比后的酸性矿山表层土壤（包括粒径0-0.25 mm的细粒和粒径0.25-3mm的粗粒，细粒和粗粒干重比3：1）和10份清水，充分搅拌。

S3.加入5份污泥生物炭、5份膨润土和10份方解石，在常温条件下反应1天，得到pH为6.7的喷播基质。

（3）将上述喷播基质装入喷播机，加入15份水，45r/min转速下搅拌70min，混拌均匀，喷播于坡面，厚度为14cm。

（4）在上述喷播基质中加入0.2份狗尾草、0.2份白茅和0.2份黑麦草的草籽，搅拌后继续喷播，厚度约6cm。

（5）在坡面上以10m等间距安装喷灌装置，晴天每两天喷灌一次。

4个月后，坡面植被绿化率接近95%，2年后，坡面植被绿化率仍在90%以上，喷播基质厚度变化不明显，雨天测量坡脚淋溶积水中Cu、Pb、As含量为87μg/L、64μg/L和19μg/L，pH值为5.8，冲淋污染明显得到改善。

对比例1

本对比例提供了一种适用于酸性矿山边坡的喷播基质制备方法，同时将其应用于酸性硫铁矿山坡面修复，与实施例1基本相同，不同之处在于，使用普通客土等量代替污泥发酵产物进行基质土的制备。

4个月后，坡面植被绿化率约85%。1年后，坡面植被绿化率约75%，生长基质层厚度有明显降低，降低幅度约6cm。雨天测量坡脚淋溶积水中Cu、Cd含量为148μg/L和8.6μg/L，pH值为5.2，冲淋污染的改善程度较实施例1有明显降低。

对比例2

本对比例提供了一种适用于酸性矿山边坡的喷播基质制备方法，同时将其应用于酸性硫铁矿山坡面修复，与实施例1基本相同，不同之处在于，污泥发酵产物未进行超声处理。

4个月后，坡面植被绿化率约90%。1年后，坡面植被绿化率约85%，生长基质层厚度变化不明显，雨天测量坡脚淋溶积水中Cu、Cd含量为104μg/L和5.4μg/L，pH值为5.5，冲淋污染的改善程度较实施例1有明显降低。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种喷播基质，其特征在于，包括

污泥发酵产物 40~50质量份；

酸性矿山表层土壤 20~30质量份；

生物炭 3~5质量份；

膨润土 3~5质量份；

碱性缓冲剂 5~10质量份；

水 10~20质量份；

所述污泥发酵产物进行超声波预处理。

2.根据权利要求1所述的喷播基质，其特征在于，所述污泥发酵产物含水率为35-40%，散发臭气等级≤3，孔隙率为35-45%；和/或

所述酸性矿山表层土壤pH为2~4，所述酸性矿山表层土壤包括粒径0-0.25 mm的细粒和粒径0.25-3mm的粗粒，细粒和粗粒干重比（2~5）：（1~2）；和/或

所述生物炭粒径为0.1-1mm，比表面积为500-1000 m²/g；和/或

所述膨润土粒径为0.1-1mm，比表面积为10-15 m²/g；和/或

所述碱性缓冲剂为方解石、白云石、菱镁矿中的至少一种，粒径为0.1-0.25mm。

3.根据权利要求1所述的喷播基质，其特征在于，所述污泥发酵产物为脱水污泥加入辅料后，进行高温好氧堆肥获得的产物；

所述脱水污泥含水率为60~80%；

所述辅料为稻壳或秸秆，辅料干重质量占比为脱水污泥的10-30%，混合后脱水污泥与辅料整体含水率为50%-65%。

4.一种权利要求1-3任一项所述的喷播基质的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将污泥发酵产物经超声波预处理后，与酸性矿山表层土壤和水混合，静置，得到混合土；

将生物炭、膨润土和碱性缓冲剂与混合土混合，反应，获得喷播基质。

5.根据权利要求4所述的喷播基质的制备方法，其特征在于，所述超声波预处理的超声功率密度为0.2-0.5W/mL，每运行40~50s暂停10~20s，总运行时长180-300s。

6.根据权利要求4或5所述的喷播基质的制备方法，其特征在于，满足条件（1）-（5）中的至少一项：

（1）生物炭由污泥、餐厨垃圾或秸秆真空加热制成；

（2）所述膨润土在使用前在250-300℃条件下加热1-2小时；

（3）所述污泥发酵产物为脱水污泥加入辅料后，进行高温好氧堆肥获得的产物；所述高温好氧堆肥高度为1-2m，每2-4天翻堆一次，堆肥时长14-28天；

（4）所述静置温度为15~30℃，静置时间3-5天；

（5）所述反应温度为15~30℃，反应的静置时间1-2天。

7.一种权利要求1-3任一项所述的喷播基质或根据权利要求4-6任一项所述的喷播基质的制备方法制得的喷播基质在酸性矿山中的应用。

8.一种权利要求1-3任一项所述的喷播基质或根据权利要求4-6任一项所述的制备方法制得的喷播基质的使用方法，其特征在于，喷播基质使用之前，加入占所述喷播基质质量5-15%的水，搅拌60-120min，至表面粘附力达到800-1200Pa。

9.根据权利要求8所述的喷播基质的使用方法，其特征在于，所述搅拌转速为20-60r/min，喷播基质搅拌扭矩达到0.6-1.5Nm。

10.根据权利要求8或9所述的喷播基质的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、平整酸性矿山边坡，并清理表面岩石和杂物；

步骤2、将喷播基质喷洒于步骤1中已清理的坡面上，喷播厚度为10~15cm；

步骤3、将0.5-1份草籽加入到喷播基质中，继续喷播5-8cm；

所述草籽为狗尾草、白茅、牛筋草、黑麦草、马齿苋、紫苜蓿、高羊茅中的至少一种。