CN115053659A - 一种赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，包括有以下步骤：S1：赤泥盐碱调控，通过添加木醋原液和磷石膏调控赤泥盐碱，木醋原液的施用量为0.52kg/m2～1.30kg/m2，磷石膏的施用量为1.32kg/m2～3.30kg/m2；S2：直接植被恢复，在赤泥堆场上播种草本植物种子，并进行浇水维护。通过对赤泥堆场原位基质改良后可显著调控赤泥盐碱性和改善赤泥的物理结构、养分含量、生物化学与微生物特性，实现赤泥堆场无土快速植被恢复。本发明提供的赤泥盐碱调控剂和生境改良剂多为工农业固体废弃物，来源广泛，成本低廉，易于大面积推广，适合大规模工程应用，对赤泥堆场污染原位控制与生态恢复工程实践具有重要意义。

Description

一种赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法
技术领域
本发明涉及赤泥生态修复技术领域，特别是一种赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法。
背景技术
赤泥作为生产氧化铝工业的副产物，因含有大量氧化铁而呈红色，被称为赤泥。每生产1吨氧化铝会同时产生1.0～2.0吨赤泥。2020年中国赤泥产生量全球占比55％，约1亿吨左右，赤泥历史堆存量已超10亿吨。近年来，赤泥资源化利用取得一定进展，但由于我国赤泥产生量大，累积堆存量大，即使利用量在逐年增加，但相较其庞大的体量，成效仍然十分有限。目前，氧化铝工业产生的赤泥大多数为露天堆放。大量赤泥堆放不仅占用大量土地资源，而且赤泥粒径小颗粒散，极易通过风力扩散、地表径流、地下渗滤等途径严重污染周边大气、土壤、地表水、地下水等环境质量。鉴于富含盐碱的赤泥长期堆放会对环境造成严重的污染问题，因此，控制赤泥中污染物向周边环境扩散已成为亟待解决的重大环境问题。
由于赤泥中盐碱含量极高并伴随少量重金属和微量放射性元素，其物理结构性能也较差，对其有效的处理处置一直是个难题，已严重制约氧化铝行业的可持续发展。植被恢复是源头控制矿业废弃地污染物释放、迁移和改善矿区生态环境质量的重要途径。赤泥堆场表层pH值在10～12之间，一般适宜植物生长的pH值在5.5～7.5之间，大多数植物在pH>9.0情况下难以生长；另外赤泥堆场深层的可溶性盐通过毛细管作用随蒸发的水分向表层转移，造成返盐碱现象严重，故赤泥堆场上植被自然恢复过程极缓慢，需要几十年甚至上百年的时间。因此，需要通过人工干预措施加速赤泥堆场植被恢复过程。
赤泥中高盐碱、物理结构差、养分贫瘠、微生物活性低、持水保肥能力差等是制约赤泥堆场植被恢复的主要限制因子。传统的客土覆盖是短期促进赤泥堆场植被恢复的简单有效方法，但是如果赤泥盐碱没有得到有效控制，其仍会通过毛细管作用随蒸发的水分向表层转移，直接破坏植被的根系，致使植被无法正常存活。另外，客土法需要有合适的土源，对于土层薄、土壤稀缺的地区不适用，在取土过程中也会对取土点生态环境造成破坏，且该方法不具备经济性。因此，赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复在促进赤泥堆场生态重建方面更可行。
克服赤泥堆场制约植被恢复的限制性因素，制备合适的改良剂极为重要。专利《赤泥改性方法》(CN112616615 A)通过使用酸性有机残渣(酒糟、甘蔗渣、醋渣和糠醛渣)、石膏和蘑菇堆肥制备的改良剂可有效改善赤泥的结构稳定性，降低赤泥容重，有利于植被生长。但改良剂制备方法较复杂(需两次发酵)且费时(需静置陈化较长时间)，另外，石膏作为重要的赤泥盐碱调控剂，该专利是将石膏与秸秆和畜禽粪及水混合制备蘑菇堆肥，存在对赤泥碱性调控不彻底的问题。添加发明人研究发现，运用酒糟改良赤泥存在发霉的现象，对植物种子发芽存在不利因素。专利《一种赤泥快速生化脱碱及土壤化的方法》(CN110918600A)在赤泥上覆盖农业废弃物，再利用硫氧化菌氧化硫化矿或硫磺产酸中和赤泥碱性，促进赤泥土壤化。由于大多数硫氧化菌为嗜酸微生物，而赤泥的碱性极强，进而需要为这些嗜酸微生物前期存活提供合适的条件，致使工艺较为复杂。专利《一种复合有机酸赤泥脱碱剂及赤泥脱碱方法》(CN108640446 B)使用木醋液、氨基磺酸和螯合剂制备复合有机酸赤泥脱碱剂，实现赤泥有效脱碱。但单一施用有机液体改良剂，可能存在赤泥盐碱调控不彻底，主要是由于液体有机物质易被微生物分解。专利《一种赤泥堆场原位复绿的修复方法》(CN113647222A)需要建立养护池并进行覆膜、压膜、密封等处理实现改良赤泥的养护，涉及的工艺复杂，使用该工艺对赤泥堆场进行大规模生态修复存在操作复杂，赤泥处理量有限等不足。专利《一种用于赤泥原位土壤的改良剂及其应用方法》(CN202111393445.7)公布了使用主要改良剂(无机酸性废弃物和有机酸性废弃物)和辅助改良剂(有机肥、无机肥和微生物菌剂)改良赤泥30天后黑麦草的株高为6.83～11.34cm，所述方法使用材料较多，且赤泥改良后植物的生长状况仍欠佳。
现有的关于赤泥碱性调控技术均有一定成效，但存在药剂消耗量大，施工复杂，碱性调控不彻底、维护管理难，难以规模化应用等局限，需要新方法助推赤泥堆场污染原位控制与植被恢复，实现氧化铝行业的绿色低碳发展。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法。用于解决土层薄、土壤稀缺地区赤泥堆场植被恢复较难问题。
本发明的技术方案：一种赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，包括有以下步骤：
S1：赤泥盐碱调控，通过添加木醋原液和磷石膏调控赤泥盐碱，木醋原液的施用量为0.52kg/m2～1.30kg/m2，磷石膏的施用量为1.32kg/m2～3.30kg/m2；
S2：直接植被恢复，在赤泥堆场上播种草本植物种子，并进行浇水维护。
前述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法中，所述S1赤泥盐碱调控结束后，进行赤泥堆场生境改良，将污泥、食用菌渣、牛粪、鱼粪制备成复合改良剂施用于赤泥堆场，然后再进行植被恢复。
前述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法中，所述S1中，先利用木醋液进行赤泥脱碱，在赤泥堆场施用木醋液后稳定陈化1～2d后，再施用磷石膏。
前述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法中，所述S1中，将赤泥堆场表层0～20cm的赤泥进行翻松，然后再进行盐碱调控，盐碱调控后稳定陈化3～5d后再进行植被恢复。
前述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法中，所述赤泥堆场生境改良过程中，将复合改良剂与赤泥堆场表层0～20cm的赤泥混合均匀。
前述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法中，所述复合改良剂由污泥、食用菌渣、牛粪、鱼粪中的任意2～3种复配而成，每种物质的添加量为3.30kg/m2。
前述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法中，所述直接植被恢复为直接在盐碱调控和生境改良后的赤泥堆场上直接恢复植被，不需要额外客土覆盖。
前述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法中，所述植被恢复方法可包括两种方式：一种是将草本植物种植于复合改良剂混合后施入盐碱调控的赤泥堆场；另一种是在盐碱调控和生境改良且陈化3～5d后的赤泥堆场上直接播撒植物种子，并利用改良层混合物进行覆盖；植物播撒后定期进行浇水，以维持植物生长。
前述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法中，所述木醋原液用水稀释至体积分数为2％～5％，并按照木醋液稀释液9～10kg/m2进行喷洒。
前述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法中，所述草本植物种子为黑麦草种子。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，可有效调控赤泥中盐碱，促进赤泥堆场生境改良及植被恢复。其主要综合效应为：1)赤泥盐碱调控，添加木醋液中的酸性物质可中和赤泥碱度，降低赤泥中可溶性盐含量，磷石膏中含有的Ca2+通过钙钠置换、沉淀作用能够有效抑制赤泥中化学结合碱的溶解释放，并防止多种污染物的溶出，从而对赤泥污染释放进行有效的控制。因此，在木醋液和磷石膏联合调控作用下，赤泥中的盐碱能有效彻底控制。2)赤泥堆场生境改良，磷石膏、城市剩余活性污泥、食用菌渣、牛粪、鱼粪中含有丰富的碳、氮、磷、硫、钾等营养元素，还含有大量有益微生物。这些有机与无机改良剂制备的复合改良剂不仅可显著提高赤泥有机质与养分含量，同时可引入大量有益微生物，另外复合改良剂还可有效改善赤泥的物理结构。赤泥堆场经盐碱调控及生境改良后能满足植物生长的基本条件，在改良基质层上种植深根植物，形成良好的植被覆盖层，有效减缓赤泥污染物质的释放，可显著改善赤泥堆场的生态环境质量，具有显著的社会效益、环境效应、生态效益。上述有机与无机改良材料多为工农业固体废物，来源广泛，成本低廉，易于大面积推广，适合大规模工程应用，对赤泥堆场污染原位控制与生态恢复工程实践具有重要意义。
本发明中用于赤泥盐碱调控、生境改良的物质多为工农业固体废弃物，包括木炭生产副产物(木醋液)、磷化工企业固体废弃物(磷石膏)、有机固体废弃物(城市剩余活性污泥、食用菌渣、鱼粪、牛粪)。
木醋液是生物质热解制炭过程中的酸性副产物(烟气自然冷凝后的液体)，主要成分为羧酸类、酚羟基类、醛类和酮类等化合物，pH为2.0～4.0。因此，木醋液中酸性液体可有效中和赤泥碱性，另外木醋液含有K、Ca、Mg、Zn等矿物质，有利于改善赤泥物理结构，促进植物生长。
磷石膏是生产磷酸产生的废渣，呈酸性，含钙、磷、氟等，其提供的Ca2+具有对赤泥自由碱中碱性阴离子的沉淀作用和对化学结合碱溶解能力的抑制作用，与部分结合碱发生钙钠置换，显著降低赤泥碱性，还能减少有效态Al含量，缓解其对赤泥上修复植物的生理毒性，为植物生长提供有利条件。
食用菌废弃物(菌渣)是生产食用菌后产生的有机固体废物，富含有机质等营养成分，还具有数量庞大的微生物群落，且表面存在大量羟基、磷酰基、酚基等吸附性官能团。城市剩余活性污泥、牛粪、鱼粪中含有丰富的碳、氮、磷、钾等营养物质可为赤泥上建植植被提供有机碳及养分补给，有利于植物生长。另外，这些有机固体废弃物还对赤泥的物理结构具有显著改善效果。
木醋液与磷石膏添加量筛选：
取风干、破碎、过筛≤2mm粒径后的赤泥10g，液固比10:1，添加不同量的磷石膏，用不同体积分数的木醋原液(木醋原液用水稀释至不同浓度)做浸出实验(液体体积100ml)，测定其pH和EC值，结果见表1。
表1木醋液和磷石膏单一调控对赤泥pH和EC的影响
Figure BDA0003711203720000061
表2木醋液与磷石膏联合调控对赤泥pH、EC变化的影响
Figure BDA0003711203720000062
由表1可知，单一添加0.26～2.60kg/m2的木醋原液可使赤泥的pH降低至中偏酸性(5.69～7.55)；单一添加0.66～6.60kg/m2的磷石膏可使赤泥的pH一定程度降低(8.95～9.92％)，其对赤泥的碱性调控程度有限，需联合木醋原液来实现赤泥碱性调控。由表1可知，木醋原液添加量0.52、1.30kg/m2时，赤泥基质中性偏酸，磷石膏添加量达到3.30kg/m2后变化趋势减缓，选择0.52、1.30kg/m2的木醋原液和1.32、3.30kg/m2磷石膏做实施例，木醋原液添加量在0.52～1.30kg/m2、磷石膏添加量在1.32～3.30kg/m2范围内可使赤泥基质pH值接近中性，达到较好的碱性调控效果，超出此范围使得赤泥基质过酸或耗材量增大。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1
1、将采集的赤泥进行风干、破碎、过筛成≤2mm粒径的赤泥颗粒备用；
2、将1500g备用的赤泥装填于口径为20.4cm、高17.3cm的塑料盆中，向赤泥表面均匀喷淋木醋液稀释液，木醋液稀释液的喷淋量为9～10kg/m2，木醋液稀释液由木醋原液稀释至2％的浓度，保证木醋原液的添加量为0.52kg/m2，陈化稳定1～2d，并设置对照组(不添加任何改良材料的赤泥)。
3、在木醋液盐碱调控处理组中直接播种50粒黑麦草种子，并利用改良层混合物覆盖种子。
4、对修复植物浇水以维持植物生长，定时观察植物生长状况，记录植物发芽率及株高，测定赤泥基质基础理化性质、酶活性、微生物特性。
实施例2
步骤2中木醋液稀释液的喷淋量为9～10kg/m2，木醋液稀释液由木醋原液稀释至5％的浓度，保证木醋原液的添加量为1.30kg/m2，其余操作步骤同实施例1。
实施例3
1、将采集的赤泥、磷石膏进行风干、破碎、过筛成≤2mm粒径的颗粒备用；
2、将1500g备用的赤泥装填于口径为20.4cm、高17.3cm的塑料盆中，按照1.32kg/m2施加磷石膏，混匀后陈化稳定1～2d。
3、在磷石膏盐碱调控处理组中直接播种50粒黑麦草种子，并利用改良层混合物覆盖种子。
4、对修复植物浇水以维持植物生长，定时观察植物生长状况，记录植物发芽率及株高，测定赤泥基质基础理化性质、酶活性、微生物特性。
实施例4
步骤2中按照3.30kg/m2施加磷石膏，其余操作步骤同实施例3。
实施例5
1、将采集的赤泥、磷石膏、食用菌渣和鱼粪进行风干、破碎、过筛成≤2mm粒径的颗粒备用；
2、将1500g备用的赤泥装填于口径为20.4cm、高17.3cm的塑料盆中，向赤泥表面均匀喷淋木醋液稀释液，木醋液稀释液的喷淋量为9～10kg/m2，木醋液稀释液由木醋原液稀释至2％的浓度，保证木醋原液的添加量为0.52kg/m2，陈化稳定1～2d；再按照1.32kg/m2施加磷石膏，陈化稳定1～2d。
3、将食用菌渣和鱼粪制备复合改良剂，其添加量均为3.30kg/m2，将复合有机改良剂与表层赤泥(0～5cm)混合均匀。
4、在盐碱调控和生境改良完成的处理组中直接播种50粒黑麦草种子，并利用改良层混合物覆盖种子。
5、对修复植物浇水以维持植物生长，定时观察植物生长状况，记录植物发芽率及株高，测定赤泥基质基础理化性质、酶活性、微生物特性。
实施例6
步骤2中将1500g备用的赤泥装填于口径为20.4cm、高17.3cm的塑料盆中，向赤泥表面均匀喷施木醋液稀释液，木醋液稀释液的喷施量为9～10kg/m2，木醋液稀释液由木醋原液稀释至2％的浓度，保证木醋原液的添加量为0.52kg/m2，陈化稳定1～2d；再按照3.30kg/m2施加磷石膏，陈化稳定1～2d。
其余操作步骤同实施例5。
实施例7
步骤2中将1500g备用的赤泥装填于口径为20.4cm、高17.3cm的塑料盆中，向赤泥表面均匀喷施木醋液稀释液，木醋液稀释液的喷施量为9～10kg/m2，木醋液稀释液由木醋原液稀释至5％的浓度，保证木醋原液的添加量为1.30kg/m2，陈化稳定1～2d；再按照1.32kg/m2施加磷石膏，陈化稳定1～2d。
其余操作步骤同实施例5。
实施例8
步骤2中将1500g备用的赤泥装填于口径为20.4cm、高17.3cm的塑料盆中，向赤泥表面均匀喷施木醋液稀释液，木醋液稀释液的喷施量为9～10kg/m2，木醋液稀释液由木醋原液稀释至5％的浓度，保证木醋原液的添加量为1.30kg/m2，陈化稳定1～2d；再按照3.30kg/m2施加磷石膏，陈化稳定1～2d。
其余操作步骤同实施例5。
实施例9
1、将采集的赤泥、磷石膏、污泥和牛粪进行风干、破碎、过筛成≤2mm粒径的颗粒备用；
2、将1500g备用的赤泥装填于口径为20.4cm、高17.3cm的塑料盆中，向赤泥表面均匀喷施木醋液稀释液，木醋液稀释液的喷施量为9～10kg/m2，木醋液稀释液由木醋原液稀释至5％的浓度，保证木醋原液的添加量为1.30kg/m2，陈化稳定1～2d；再按照3.30kg/m2施加磷石膏，陈化稳定1～2d。
3、将牛粪和污泥制备复合改良剂，其添加量均为3.30kg/m2，将复合有机改良剂与表层赤泥(0～5cm)混合均匀。
4、在盐碱调控和生境改良后处理组中直接播种50粒黑麦草种子，并利用改良层混合物覆盖种子。
5、对修复植物浇水以维持植物生长，定时观察植物生长状况，记录植物发芽率及株高，测定赤泥基质基础理化性质、酶活性、微生物特性。
实施例10
1、将采集的赤泥、磷石膏、污泥和牛粪进行风干、破碎、过筛成≤2mm粒径的颗粒备用；
2、将1500g备用的赤泥装填于口径为20.4cm、高17.3cm的塑料盆中，向赤泥表面均匀喷施木醋液稀释液，木醋液稀释液的喷施量为9～10kg/m2，木醋液稀释液由木醋原液稀释至3％的浓度，保证木醋原液的添加量为0.78kg/m2，陈化稳定1～2d；再按照1.98kg/m2施加磷石膏，陈化稳定1～2d。
3、将牛粪和食用菌渣制备复合改良剂，其添加量均为3.30kg/m2，将复合有机改良剂与表层赤泥(0～5cm)混合均匀。
4、在盐碱调控和生境改良后处理组中直接播种50粒黑麦草种子，并利用改良层混合物覆盖种子。
5、对修复植物浇水以维持植物生长，定时观察植物生长状况，记录植物发芽率及株高，测定赤泥基质基础理化性质、酶活性、微生物特性。
表3不同措施对赤泥生境的改善状况
Figure BDA0003711203720000101
与对照组相比，实施例1、2、3、4前期有少部分植物发芽，但生长缓慢，而且在较短时间内都濒临衰亡。4组实施例在不同程度上都降低了赤泥pH值。实施例1和实施例2单加木醋液处理组中，土壤脲酶和过氧化氢酶活性增强，碱解氮和有机质含量升高。木醋液富含多种有机成分，特别是有机酸，调节碱度的同时提供碳源，在增强基质酶活性，促进有益微生物繁育方面有突出表现。实施例3和实施例4单加磷石膏处理组中，通过中和、沉淀和置换反应促进碱性离子的转化，在碱性调控、有效磷补给方面表现突出。
单加木醋液和磷石膏对赤泥基质有一定改善，但效果不佳仍不支持植物长期生长，由此联合木醋液、磷石膏和有机改良剂改善赤泥基质及深根植物构建，即实施例5、6、7、8、9，可实现赤泥盐碱调控、生境改良和植被恢复，原位重建赤泥堆场生态。从表3可知，与对照组相比，实施例5、6、7、8、9的植物发芽率高、植物生长茂盛，植被恢复下赤泥碱性降低至中性，赤泥基质养分与有机质含量明显增加，酶活性显著提高，微生物丰度和多样性也明显增加，有利于植物生长，加快赤泥生态修复进程。
专利《一种用于赤泥原位土壤的改良剂及其应用方法》(CN202111393445.7)中通过使用主要改良剂(无机酸性废弃物和有机酸性废弃物)和辅助改良剂(有机肥、无机肥和微生物菌剂)改良赤泥30天后黑麦草的株高为6.83～11.34cm，而采用本发明使用的赤泥改良方法在30天后，黑麦草的株高为31.81～35.59cm，显著高于上述专利方法效果。专利《赤泥改性方法》(CN112616615A)公布的方法改良赤泥后，赤泥的pH为7.80～9.28，改良后的赤泥pH仍较高，对一些敏感植物的生长不利。而采用本发明使用的赤泥改良方法后，赤泥的pH为7.61～7.86，基本适合所有植物生长。综上，本发明提供的一种赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法能有效促进赤泥植被恢复，实现赤泥植被覆盖，进而减少赤泥堆场污染物释放。

Claims (10)

1.一种赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，其特征在于：包括有以下步骤：
S1：赤泥盐碱调控，通过添加木醋原液和磷石膏调控赤泥盐碱，木醋原液的施用量为0.52kg/m2～1.30kg/m2，磷石膏的施用量为1.32kg/m2～3.30kg/m2；
S2：直接植被恢复，在赤泥堆场上播种草本植物种子，并进行浇水维护。
2.根据权利要求1所述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，其特征在于：所述S1赤泥盐碱调控结束后，进行赤泥堆场生境改良，将污泥、食用菌渣、牛粪、鱼粪制备成复合改良剂施用于赤泥堆场，然后再进行植被恢复。
3.根据权利要求2所述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，其特征在于：所述S1中，先利用木醋液进行赤泥脱碱，在赤泥堆场施用木醋液后稳定陈化1～2d后，再施用磷石膏。
4.根据权利要求2所述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，其特征在于：所述S1中，将赤泥堆场表层0～20cm的赤泥进行翻松，然后再进行盐碱调控，盐碱调控后稳定陈化3～5d后再进行植被恢复。
5.根据权利要求2所述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，其特征在于：所述赤泥堆场生境改良过程中，将复合改良剂与赤泥堆场表层0～20cm的赤泥混合均匀。
6.根据权利要求2所述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，其特征在于：所述复合改良剂由污泥、食用菌渣、牛粪、鱼粪中的任意2～3种复配而成，每种物质的添加量为3.30kg/m2。
7.根据权利要求2所述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，其特征在于：所述直接植被恢复为直接在盐碱调控和生境改良后的赤泥堆场上直接恢复植被，不需要额外客土覆盖。
8.根据权利要求7所述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，其特征在于：所述植被恢复方法可包括两种方式：一种是将草本植物种植于复合改良剂混合后施入盐碱调控的赤泥堆场；另一种是在盐碱调控和生境改良且陈化3～5d后的赤泥堆场上直接播撒植物种子，并利用改良层混合物进行覆盖；植物播撒后定期进行浇水，以维持植物生长。
9.根据权利要求1所述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，其特征在于：所述木醋原液用水稀释至体积分数为2％～5％，并按照木醋液稀释液9～10kg/m2进行喷洒。
10.根据权利要求1所述的赤泥堆场原位基质改良与直接植被恢复方法，其特征在于：所述草本植物种子为黑麦草种子。
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