CN115647029A

CN115647029A - 一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法

Info

Publication number: CN115647029A
Application number: CN202211678955.3A
Authority: CN
Inventors: 郜鹏; 解旭东; 曹胜昔; 宋志永; 赵海明; 薛蕊; 张涛; 孟繁曦; 刘婷; 刘盼; 杨家牧; 孟凤; 封成佳
Original assignee: NORENDAR INTERNATIONAL Ltd
Current assignee: NORENDAR INTERNATIONAL Ltd
Priority date: 2022-12-27
Filing date: 2022-12-27
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2042-12-27
Also published as: CN115647029B

Abstract

本发明涉及一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，采用如下步骤：检测矿渣堆放场土壤的污染物类型与指标的步骤；将待修复的土壤翻耕的步骤；施用改良剂的步骤；选择超富集植物和高生物量植物并进行组合种植、动物修复的步骤；年度收割以及修剪的步骤；定期监测土壤的污染指标的步骤；本发明解决了传统生物修复尤其是植物修复周期长、对种植环境依赖性强、修复效率不高的缺陷；本发明依据污染物类型精心选择修复植被，并对植被进行合理搭配组合，充分发挥植被的修复机制，不仅满足土壤生态修复，有效地保持水土，也为实现物种多样性和多层次生态功能创造便利条件。

Description

一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法

技术领域

本发明涉及一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，属于土壤修复技术领域。

背景技术

随着我国工业化、城市化的快速发展，土壤环境污染日益加剧，并呈现出多样化的特点。工矿业作为土壤污染的主要原因之一，产生的大量污染物，尤其是重金属类无机污染物未经处理就直接排放，这些污染物渗入到土壤中，改变土壤成分，改变地表生态，对粮食和食品安全、饮用水安全、区域生态安全、人居环境健康以及经济社会的可持续发展构成了严重的威胁。

针对受污染的矿渣堆放场土壤的治理方法，大致可归结为物理法、化学法以及生物法，物理方法采用置换客土、阻隔填埋等方法不能从根本上解决问题，而且耗费大量人力物力，效果甚微；化学方法如加溶剂萃取、化学氧化和土壤淋洗等方法，虽然具有实施周期短，处理效率高的优势，但是其易造成二次污染，对土壤结构造成破坏；生物方法在增施有机肥料后种植植物，但没有改良土壤，也未对植物习性、种植模式进行针对性研究，导致植物存活率低，效果差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过对植物、动物和微生物合理搭配使用，能够在保持土壤结构完好的基础上，从根本上改善土壤土质和恢复土壤自净能力，有效的消除污染现象，提高场地生物多样性的矿渣堆放场土壤的生态修复方法。

本发明采用如下技术方案：

本发明矿渣堆放场土壤的生态修复方法，采用如下步骤：

步骤S1，检测矿渣堆放场土壤的污染物类型与指标；所述土壤包括0～-0.5m的表层土壤；

步骤S2，将待修复的土壤翻耕深度为30cm以上，浇水淋湿，整平；

步骤S3，在步骤S2的土壤中施用改良剂；

步骤S4，选择超富集植物和高生物量植物；

步骤S5，根据待修复土壤的污染物类型选择步骤S4的植物进行组合种植；

步骤S6，对经过步骤S5植物改良后的土壤进行动物修复；

步骤S7，对植物地上部分的生物量进行常规模式的年度收割以及修剪；

步骤S8，定期监测土壤的污染指标，重复上述步骤 S2～步骤 S7，直至待修复土壤土质符合要求。

本发明方法步骤S1中：矿渣堆放场土壤污染物指标包括土壤的养分、熵情和重金属含量；

采用酸分解法对土壤晶格彻底破坏，检测矿渣堆放场土壤的Si、Ｍg、Fe、Ca、Al、Ｚn、Ｋ、Na以及P的含量；

本发明方法步骤S3中的改良剂由如下重量份原料制成：

固化材料：13～27份、微生物菌剂：26～34份、碱性土壤改良剂：8～10份、有机钝化剂10～18份；

按照重量份数将固化材料、微生物菌剂、碱性土壤改良剂和有机钝化剂混合均匀，制得所述改良剂；

所述固化材料包括聚乙烯醇、海藻酸钠、活性炭按照质量之比为6～14:1～3:6～10复配而成；

所述微生物菌剂包括丛枝根菌真菌、解磷菌、植物内生菌、根瘤菌按照质量之比为7～9:6～7:8～11:5～7复配而成；

所述碱性土壤改良剂包括硫酸铵、磷酸二氢钾按照质量之比为3～4:5～6复配而成；

所述有机钝化剂包括泥炭、有机堆肥按照质量之比为6～9:4～9复配而成。

本发明方法步骤S4中的超富集植物包括匍匐剪股颖、高羊茅、委陵菜、苦苣菜、柳树和杂交杨树；高生物量植物包括紫花苜蓿、向日葵、玉米和马铃薯。

本发明方法步骤S5中的组合种植包括种植稳定垫、蒸散覆盖、地下水迁移丛林、多重机制垫层和多重机制缓冲区；

在待修复的土壤表面采用种植稳定垫和多重机制垫层，在待修复的土壤边缘构建地下水迁移丛林以及多重机制缓冲区，在地下水迁移丛林以及多重机制缓冲区围成的区域内种植蒸散覆盖。

本发明方法所述种植稳定垫为匍匐剪股颖和高羊茅；蒸散覆盖为柳树和杨树，地下水迁移丛林为杂交杨树和柳树，多重机制垫层为高羊茅、紫花苜蓿、委陵菜和苦苣菜，多重机制缓冲区为高羊茅、紫花苜蓿、委陵菜、苦苣菜、马铃薯、向日葵、杂交杨树和柳树的植物组合。

本发明方法步骤S6中的步骤S6中的动物为蚯蚓；当金属Zn的浓度降低到阈值1300mg/kg以下投放，蚯蚓投放量为30-40g/㎡。

本发明方法步骤S8中定期监测为30天、90天、180天、270天和360天。

本发明积极效果如下：

（1）本发明通过对待修复的土壤翻耕整平，添加土壤改良剂，精心选择植物类型和种植类型，提高植物对土壤无机污染物的吸收，解决了传统生物修复尤其是植物修复周期长、对种植环境依赖性强、修复效率不高的缺陷；

（2）在污染物降低到一定程度后投放土壤动物，充分考虑了土生动物对重金属离子的耐受性，也避免了在污染浓度高的情况下，土壤动物的活动对地下水造成不可预估的污染；

（3）本发明依据污染物类型精心选择修复植被，并对植被进行合理搭配组合，充分发挥植被的修复机制，不仅满足土壤生态修复，有效地保持水土，为实现物种多样性和多层次生态功能创造便利条件。

（4）本发明提供的矿渣堆放场土壤的生态修复方法，不改变土壤固有理化性质特点，具有高效、稳定、绿色的特点，同时成本低廉，具有良好的综合效益。

附图说明

附图1为本发明植物组合种植结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中，对本发明实施例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。

本发明一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，采如下步骤：

利用土壤养分速测仪、土壤酸碱度速测仪、土壤水分测定仪、土壤重金属检测仪分别对土壤的养分（氮磷钾、有机质、盐分、pH、中微量元素等）、熵情（土壤含水量）、重金属含量等指标进行检测；

检测矿渣堆放场土壤的污染指标是以Si、Ｍg、Fe、Ca、Al以及Ｚn、Ｋ、Na、P等元素含量为主要检测指标，利用酸分解法对土壤晶格彻底破坏，测定元素含量；

步骤S2，将待修复的土壤翻耕深度为30cm以上，浇水淋湿，将深处的污染物质送到土壤浅层或者植物根系分布区域，提高修复效率；翻耕后，再对土壤进行整平作业，整平作业是打碎结成块的土壤，促进土壤形成团粒结构；

深耕和整平，具有松土、碎土的作用，将地表下方不少于30cm的泥土翻起，疏松土壤，加厚耕层，之后浇水淋湿土壤，可以改善土壤的水、气、热状况，促进土壤团粒结构的形成，对土壤动物和植物的生长营造一个良性循环的微生态系统，也为土壤改良材料发挥作用提供适宜的条件，翻耕还可将深处的污染物质送到土壤浅层，促进植物对污染物质的吸收；

步骤S3，在步骤S2的土壤中投入改良剂，对无机污染物及重金属进行固定转换、溶解抽提和提取分离，从而减少污染土壤中的污染物含量，改变土壤环境条件，为植物吸收土壤中的水分和营养物质提供有利条件，强化植物修复效率。

改良剂由如下重量份原料制成：

所述微生物菌剂能与植物根际形成良好的共生环境，为植物吸收土壤中的水分和营养物质提供有利条件，有的还能为植物抵御病菌的入侵；所述丛枝根菌真菌不仅有益于植物生长发育，还能吸附土壤中溶解态重金属，降低植物周围的重金属浓度，从而降低重金属对植物的影响；所述解磷菌能够把土壤中不溶性磷肥转化为植物可吸收利用的磷，促进根系生长，有利于植株吸收更多的重金属；所述植物内生菌是生活在健康植物的组织和器官内部的微生物，可以人为的进行从原植物体到另一植物体的移植；植物内生菌可以通过吸附的方式富集无机污染物，还可分泌调节土壤pH的化学物质，通过影响pH值进一步影响土壤中的溶解态重金属浓度；所述根瘤菌能与豆科植物共生形成根瘤，并固定大气中的N_2，从而为植物提供氮元素，在污染土壤中，根瘤菌能够降低自身对重金属的通透性，减少重金属对自身的毒害作用，在高浓度污染中也能正常存活；

所述碱性土壤改良剂是针对矿渣堆放场土壤偏碱性的特点，利用石膏、有机酸等物质改良土壤的土质，降低土壤的pH值，pH值下降后，土壤中H⁺浓度增大，原本被吸附的金属阳离子被增多的H⁺交换出来，以溶解态存在于土壤中，有利于植物的吸收；

所述有机钝化剂依靠有机大分子物质跟重金属离子形成难溶的络合物，减少重金属的迁移，以此降低重金属毒性和生物可利用性，将钝化剂和微生物联合使用还可在一定程度上提高微生物的修复能力；

所述泥炭是一项重要的有机物质资源，交换性能良好，酸度亦适宜，只需轻度加工就可作为土壤改良材料，在钝化重金属的同时，能增强基质肥力，同时还有缓冲pH值的作用，有助于钝化重金属的长效稳定性；所述有机堆肥主要来源于植物和（或）动物，施于土壤以提供植物营养为其主要功能的含碳物料，经生物物质、动植物废弃物、植物残体加工而来，消除了其中的有毒有害物质，富含大量有益物质，包括：多种有机酸、肽类以及包括氮、磷、钾在内的丰富的营养元素，不仅能为植被提供全面营养，而且肥效长，可增加和更新土壤有机质，促进微生物繁殖，改善土壤的理化性质和生物活性；

步骤S4，选择超富集植物和高生物量植物；

超富集植物和高生物量植物是指吸收特定元素能力强、生长迅速、高产量的植物种类，通过植物固定、提取等机制将污染物转运到植物体内；超富集植物包括匍匐剪股颖、高羊茅、委陵菜、苦苣菜、柳树和杂交杨树；高生物量植物包括紫花苜蓿、向日葵、玉米和马铃薯；

所述匍匐剪股颖、高羊茅、委陵菜和苦苣菜均是常见的草本植物，在兼顾观赏性的同时，对Zn、As、Cu、Mn、Cd、Ni等重金属有良好的富集作用；所述柳树生长速度快、可以产生大量生物量，会在根区释放更多的糖类和分泌物，创造一个有利于降解的环境；所述杂交杨树耐寒耐旱，产生的生物量多，蒸腾速率快，对Cd、Zn等重金属有良好的富集作用，并且杂交杨属于拥有长的、深主根系统的喜湿深根植物，可以用来净化地下水；

步骤S5，根据待修复土壤的污染物类型选择步骤S4的植物进行组合种植，以实现多样化的修复功能和设计目标，包括种植稳定垫、蒸散覆盖、地下水迁移丛林、多重机制垫和多重机制缓冲区等；具体的布置为：在待修复的土壤表面采用种植稳定垫和多重机制垫层，在待修复的土壤边缘构建地下水迁移丛林以及多重机制缓冲区，在地下水迁移丛林以及多重机制缓冲区围成的区域内种植蒸散覆盖。

所述种植稳定垫和常用于棕地再开发的传统填土层具有相似的功能，都是把污染物固定在原地，尽量减少接触到人类和自然的可能性。植物的根释放可进一步将污染物与土壤微粒结合的根系分泌物，以防止污染物向外渗透。植物稳定垫选择的植物品种要密集生长填补空隙、避免土壤暴露，高羊茅、匍匐剪股颖是此类应用的最佳选择。所述的蒸散覆盖是通过植物拦截雨水，并通过蒸腾作用将水释放回空气中，防止了水分迁移污染物，具有高蒸散率、高叶面积指数的乡土植物应当优先纳入考虑范围，常选用柳树和杨树。所述地下水迁移丛林通过种植深根、高蒸散率的树木来调节地下水文并防止污染物迁移；树木可以通过蒸腾产生的拉力减缓或组织地下水羽流的迁移，或改变羽流的方向，使其朝树木的方向偏移，丛林种植也可以作为安全措施防止未来可能的污染羽流入侵。所述多重机制垫是一种混合的草本植物种植类型，以提取、降解、稳定等多种植物生态修复机制为思路进行设计，以创造一个矮的、多功能的草甸式种植形式，达到植物生态修复技术的效果最大化的同时，使污染物暴露风险最小化，在每个生长季节结束后，应修剪并收割多重机制垫，以清除尽可能多的污染物。所述多重机制缓冲区类似于多种机制垫，目的是以最小的碳足迹，达到植物生态修复技术效益的最大化，而无需收割任何植物材料，除了清除污染物，亦可防止水土流失，也为实现物种多样性和多层次生态功能创造了可能性。

步骤S6，待步骤S5的植物生长一段时间后，隔30天测一次重金属Zn的浓度，使其浓度降到动物耐受范围内即可，其毒性阈值为: Zn 1300 mg/kg，再将改良后的土壤进行动物修复，使修复效果达到最佳；

土壤中的某些陆生无脊椎动物如蚯蚓、蚂蚁、蜈蚣能吸收土壤中的金属污染物，从而在一定程度上降低土壤中重金属含量；土壤动物的活动还可使土壤疏松，促进植物残枝落叶的降解，促进有机物质的分解和矿化，改善土壤的化学成分和物理结构，在植物改良后投放动物还有助于降低动物活动对地下水的污染风险。

土生动物包括蚯蚓、蚂蚁或蜈蚣的至少一种；所述蚯蚓对环境变化具有较强的适应能力，消化能力强，食性广，对Cd、Pb、Zn等重金属有一定的忍耐和富集作用，蚯蚓主要通过污染物从土壤溶液穿过体表进入体内的被动扩散作用和主动摄食来改善土壤的理化性质，但是蚯蚓的活动可能会对地下水造成污染，所以需要在对土壤进行改良以及植物修复后，待污染物浓度降低到一定程度后，再利用蚯蚓进行修复；

所述蚂蚁在自然界最为常见，尤其是黑蚁，研究表明，蚂蚁筑巢对改善土壤理化性质、提高土壤保水能力、固定流沙等方面有着重要的作用，为植物特别是幼苗的生长创造了优良条件，提高的种子的萌发率和幼苗成活率，与邻近土壤相比，蚂蚁巢穴土壤的pH值发生变化，蚂蚁巢穴的有机质、氮、磷、钾含量升高，钾、钠、钙、镁等离子也出现富集现象；

步骤S7，对植物地上部分的生物量进行常规模式的年度收割以及修剪，对于矿渣堆放场的一部分无机污染物，植物并不能进行降解，这就需要对植物进行收割将污染物从场地内去除，寿命长、高生物量的种类可以减少收割次数；

步骤S8，进行月度以及季度监测土壤的污染指标，获取土壤修复的数据，重复上述步骤，直至待修复土壤土质符合要求。

实施例：

本实施例利用张家口市崇礼区某矿渣堆放场的土壤生态修复；

崇礼矿集区分布具有数量多、存量大、矿种少、集中分布等特点，长期的矿产资源开发，导致了矿渣的大量堆存，带来了巨大的安全隐患和环境隐患。研究发现崇礼重点矿种为铁矿，经过对铁矿矿渣堆放场土壤进行采集和化学分析，发现Si、Mg、Fe、Ca、Al以及Zn、Ｋ、Na、P、等元素含量较高，而As、Cd、Pb、Cr、Ｈg等元素含量相对较低，满足相关标准要求。

步骤S1，检测矿渣堆放场土壤的污染物类型与指标；

步骤S2，将待修复的土壤翻耕，整平；

步骤S3，在步骤S2的土壤中施用改良剂；改良剂由固化材料、微生物菌剂、碱性土壤改良剂和有机钝化剂混合均匀制得；

本实施例中的固化材料在吸附污染物的同时，还加了土壤的毛细孔隙，而且增加了土壤的输送度，使之既持水，又通气、透水，有效地调节了土壤的水、气平衡，创造土壤微生物生活的优良环境；本实施例的微生物菌剂与植物根际形成良好的共生环境，为植物吸收土壤中的水分和营养物质提供有利条件，菌剂在对污染物降解后，土壤中污染物减少了，土质得到了改善，又为植物和土壤动物的生存创造条件；本实施例的碱性土壤改良剂改善了矿渣堆放场碱性土质，降低土壤的pH值，pH值下降后，土壤中H⁺浓度增大，原本被吸附的金属阳离子被增多的H⁺交换出来，以溶解态存在于土壤中，有利于植物的吸收。

本实施例包括泥炭和有机堆肥，泥炭在钝化重金属的同时，增强了土壤肥力，同时还有缓冲pH值的作用，有助于钝化重金属的长效稳定性，有机堆肥消除了土壤中的有毒有害物质，还提供了多种有机酸、肽类以及包括氮、磷、钾在内的丰富的营养元素，为植被提供了全面营养，促进微生物繁殖，改善了土壤的理化性质和生物活性。

步骤S4，选择超富集植物和高生物量植物：匍匐剪股颖、高羊茅、紫花苜蓿、委陵菜、苦苣菜、向日葵、玉米、马铃薯、柳树和杂交杨树等；

本实施例选择匍匐剪股颖、高羊茅作为种植稳定垫，厚的植物绿化层把污染物固定在原地，防止污染物的侵蚀和转移，减少了污染物在环境中的暴露风险；选择高羊茅、紫花苜蓿、委陵菜、苦苣菜创建多机制垫层，低维护的混合草甸既可以稳定、降解甚至吸收场地内的污染物，又具有良好的生态效益；选取杂交杨树、柳树构建地下水迁移丛林，利用其深根、高蒸散率的特点来调节地下水文并防止污染物迁移，丛林种植也可以作为安全措施防止未来可能的污染羽流入侵；在种植稳定垫上方，自然式种植柳树、杂交杨树等高蒸散率、高叶面积指数的乡土植物拦截雨水，并通过蒸腾作用将水释放回空气中，防止了水分迁移污染物；利用高羊茅、紫花苜蓿、委陵菜、苦苣菜、马铃薯、向日葵、杂交杨树、柳树的植物组合在场地边缘形成多重机制缓冲区，缓解了场地的污染状况，其植物叶片还可吸附空气污染物的悬浮颗粒，对附近地理环境具有缓冲作用，除了污染修复功能外，这些缓冲区还具有作为重要野生动物栖息地和迁徙廊道的功能；本实施例的植物组合种植见图1：在待修复的土壤表面采用种植稳定垫和多重机制垫层，在待修复的土壤边缘构建地下水迁移丛林以及多重机制缓冲区，在地下水迁移丛林以及多重机制缓冲区围成的区域内种植蒸散覆盖。

步骤S6，待步骤S5的植物生长一段时间后，隔30天测一次重金属Zn的浓度，使其浓度降到动物耐受范围内即可，其毒性阈值为: Zn 1300 mg/kg，再在改良后的土壤中投放蚯蚓进行土壤生态修复，本实施例蚯蚓投放量为30-40g/㎡，使修复效果达到最佳；

蚯蚓在一定程度上降低土壤中重金属含量；富集量随着蚯蚓培养时间的延长而逐渐增加；蚯蚓活动能改变土壤有机质的空间分布，并能将有机质与矿质土混合，形成富含有机质的土壤微粒，为有机质提供物理保护；蚯蚓能提高土壤中可利用氮和磷的水平，加速了微生物组织的矿化和周转。还能使植物体内化学物质发生变化，进而影响植物与其他生物的相互作用；

步骤S8，在对矿渣堆放场土壤生态修复30、90、180、270和360天后，检测土壤的污染指标，结果发现，矿渣堆放场土壤随着本发明的生态修复方法介入之后，几个污染指标Ca、Mg、Fe、Zn、Ｋ、Na、Ｐ、Si以及Cd、Pb、Cr的检测含量逐步下降，在修复360天后，查看修复效果，植物生长茂盛，草丛间可见到一些昆虫；翻开表层泥土，明显可见蚯蚓、线虫等土生动物。

采用本发明的方法修复矿渣堆放场的土壤不仅满足土壤生态修复，有效地保持水土，也为实现物种多样性和多层次生态功能创造了可能性，同时成本低廉，具有良好的综合效益。

Claims

1.一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，其特征在于采用如下步骤：

步骤S3，在步骤S2的土壤中施用改良剂；

步骤S4，选择超富集植物和高生物量植物；

步骤S6，对经过步骤S5植物改良后的土壤进行动物修复；

2.根据权利要求1所述的一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，其特征在于步骤S1中：矿渣堆放场土壤污染物指标包括土壤的养分、熵情和重金属含量；

采用酸分解法对土壤晶格彻底破坏，检测矿渣堆放场土壤的Si、Ｍg、Fe、Ca、Al、Ｚn、Ｋ、Na以及P的含量。

3.根据权利要求1所述的一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，其特征在于步骤S3中的改良剂由如下重量份原料制成：

4.根据权利要求1所述的一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，其特征在于步骤S4中的超富集植物包括匍匐剪股颖、高羊茅、委陵菜、苦苣菜、柳树和杂交杨树；

高生物量植物包括紫花苜蓿、向日葵、玉米和马铃薯。

5.根据权利要求1所述的一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，其特征在于步骤S5中的组合种植包括种植稳定垫、蒸散覆盖、地下水迁移丛林、多重机制垫层和多重机制缓冲区；

6.根据权利要求5所述的一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，其特征在于所述种植稳定垫为匍匐剪股颖和高羊茅；

蒸散覆盖为柳树和杨树，

地下水迁移丛林为杂交杨树和柳树，

多重机制垫层为高羊茅、紫花苜蓿、委陵菜和苦苣菜，

多重机制缓冲区为高羊茅、紫花苜蓿、委陵菜、苦苣菜、马铃薯、向日葵、杂交杨树和柳树的植物组合。

7.根据权利要求1所述的一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，其特征在于步骤S6中的动物为蚯蚓；当金属Zn的浓度降低到阈值1300 mg/kg以下投放，蚯蚓投放量为30-40g/㎡。

8.根据权利要求1所述的一种矿渣堆放场土壤的生态修复方法，其特征在于步骤S8中定期监测为30天、90天、180天、270天和360天。