CN116159860B - 一种有色金属矿业废弃地土壤的修复方法 - Google Patents

一种有色金属矿业废弃地土壤的修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种有色金属矿业废弃地土壤的修复方法，涉及土壤修复技术领域。本发明所述有色金属矿业废弃地土壤的修复方法包括如下步骤：(1)调节土壤pH值为6～8，并进行翻耕；(2)对翻耕后的土壤施加营养材料，翻耕；(3)对翻耕后的土壤施加微生物菌剂，翻耕；(4)对翻耕后的土壤施加生态土，种植植物，完成修复。本发明通过上述方法可以实现有色金属矿业废弃地高渗透土壤的原位修复，可以从源头解决矿山易产生酸性废水的问题。

Description

一种有色金属矿业废弃地土壤的修复方法
技术领域
本发明涉及土壤修复技术领域，尤其涉及一种有色金属矿业废弃地土壤的修复方法。
背景技术
在有色金属矿业废弃地中存在各种类型的金属矿物废弃物，这些废弃物主要由金属硫化物组成，其本身的化学和生物学性质稳定，氧化过程十分缓慢。然而，当这些废弃物暴露在空气中与氧气和水分充分接触，并且在铁离子和铁/硫氧化微生物的催化作用下会迅速发生氧化反应生成易溶的金属盐类。特别是在高渗透的土壤中，如采场边坡以及尾矿库，这类型土壤的结构较差，含有大量孔隙，这些孔隙的存在会使空气、水分与废弃物中的金属硫化物接触更加充分。这些易溶金属盐经由雨水的淋洗之后会产生大量富含重金属离子的矿山废水。
现有的修复技术通常是采用物理隔离以及化学中和的手段进行修复。物理隔离是指使用惰性材料修筑多层隔离层隔绝废弃物与氧气、水分接触，但这种手段造价昂贵并且需要长期维护防止隔离层出现破漏，对于大面积的矿业废弃地难以实现。化学中和是通过施加药剂改良废弃渣堆土壤性质，在短期内有效地解决了废水的产生，但随着药效的耗尽以及水分和空气的渗透，金属硫化物又会在铁/硫氧化微生物的作用下开始产生废水。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处而提供一种有色金属矿业废弃地土壤的修复方法，所述修复方法可从源头解决矿山易产生酸性废水的问题。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
一种有色金属矿业废弃地土壤的修复方法，所述修复方法包括如下步骤：
(1)调节土壤pH值为6～8，并进行翻耕；
(2)对步骤(1)翻耕后的土壤施加营养材料，翻耕；
(3)对步骤(2)翻耕后的土壤施加微生物菌剂，翻耕；
(4)对步骤(3)翻耕后的土壤施加生态土，种植植物，完成修复；
所述营养材料包含生物营养材料和有机材料，所述生物营养材料包含氮磷钾复合肥和黏土材料；所述有机材料包含酒糟、醋糟、木薯渣、糖渣、糠醛渣、新鲜的畜禽粪便、河道淤泥、下水道淤泥中的至少一种；
所述微生物菌剂包含微生物菌剂A、微生物菌剂B、微生物菌剂C中的至少一种，所述微生物菌剂A为螺旋菌、红螺菌、梭菌中的至少一种，所述微生物菌剂B为希瓦氏菌、地杆菌、芽孢杆菌、脱硫杆菌、互营杆菌中的至少一种，所述微生物菌剂C为根瘤菌、慢生根瘤菌、圆褐固氮菌、假单胞杆菌中的至少一种。
本发明通过改善土壤的营养状态，施加特定菌群，可以修补土壤孔隙，减少雨水渗透，同时还能抑制硫酸的生成、使土壤中的重金属原位成矿；通过种植植物，利用植被的根系网络防止土壤侵蚀，提高生态系统的稳定性，减少矿山酸性废水的产生。各步骤间相互作用，协同改善了易产生酸性废水、污水中重金属含量高的问题。
优选地，所述微生物菌剂为微生物菌剂A、微生物菌剂B、微生物菌剂C的混合物；进一步优选地，所述微生物菌剂A、微生物菌剂B、微生物菌剂C的质量比为1：(2～4)：(2～4)。
本发明通过实验发现，当微生物菌剂为三种微生物菌剂的复配物时，三者可协同改善矿业废弃地的土壤环境，阻止矿山酸性废水的产生，大幅降低废水中重金属元素的含量。
进一步优选地，所述微生物菌剂A为梭菌，微生物菌剂B为地杆菌，微生物菌剂C为根瘤菌和圆褐固氮菌质量比为1：(0.5～1.5)的复配物，当满足上述条件时，土壤浸出物中重金属的含量会大幅降低。
优选地，步骤(1)中，调节pH值的材料为烧碱、草木灰、石灰、石灰石、磷石膏中的至少一种；步骤(2)中，翻耕结束后进行浇水，促进反应的进行。
优选地，当地面坡度＜20°时，在调节土壤pH值前对土层进行翻耕；当20°≤地面坡度≤50°时，构建梯形种植平台，然后在调节土壤pH值前进行翻耕；当地面坡度＞50°时，采用生态袋锚定、固土；所述生态袋里的土可以选择周边污染程度较低的土壤，调节pH值后与营养材料、微生物菌剂混合均匀，制备成生态袋。
优选地，在翻耕前预先勘察周边环境、修整场地。勘察对象包括周边植被、土壤性质、场地下游渗水点、周边水文地质等；土壤性质以及渗水点勘察包括测定理化指标以及分析微生物群落结构，理化指标包括酸碱度、电导率、硫酸盐、总有机碳、总氮、总磷、总硫、重金属总态含量以及重金属有效态含量，另外，土壤性质还包括土壤净产酸潜力、土壤净产酸量。修整场地包括清理土壤表面大石块、修筑排水沟等。
优选地，所述生物营养材料中，氮磷钾复合肥与黏土材料的质量比为1：(9～19)，所述生物营养材料的施加量为50～120g/亩；所述有机材料的施加量为50～500kg/m2；所述微生物菌剂的施加量为5～40g/m2。对各物料的用量作上述限定可以保证营养均衡，固土效果更好。
优选地，所述生态土为植物种子与植物栽培土的混合物，所述植物种子的用量为12～36g/m2，所述植物栽培土的用量为20～200g/m2；所述植物种子为樟科、松科、柏科、茉莉科、蔷薇科、黍亚科、景天科、茜草科中的至少一种，所述植物栽培土为木屑、红土、黄土、草炭土、腐叶土、塘泥、园土中的至少一种。
优选的，步骤(4)中，所述植物为乔灌幼苗，所述乔灌幼苗为樟科、松科、柏科、当地本土植物中的至少一种，所述乔灌幼苗的种植密度为1～2株/m2，种植后可覆盖稻草秸秆，提高土壤肥力。步骤(1)～(4)在一天内完成，修复时间为每年的3～6月；步骤(1)～(3)中，所述翻耕的深度为10～20cm。
本发明在土壤改良后的表面构建植被群落的水平结构以及垂直结构，在草本植物、灌木、乔木选取过程中，一方面维持生物多样性，有利于群落的演替，使得整个植被群落从原生裸地逐渐向高层次不断发展，从而逐渐恢复到该区域的原始原貌，另一方面按照不同植物种群地上地下部分的分层布局，充分利用多层次空间生态位，尽量避免两个植物物种间直接相互竞争，使有限的光、气、热、水、肥等资源得到合理利用；同时又可产生为动物、低等生物生存和生活的适宜生态位，并且在植物生长发育过程中产生的枯枝落叶形成的腐殖成与土壤下层植被形成致密的根系网络能够进一步为原位成矿微生物的生长与发挥作用提供有力环境。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
1)可减少雨水侵蚀，有效防止有色金属矿业废弃地高渗透土壤导致的水环境污染，从源头降低有色金属矿业废弃地中重金属对于地下水污染的可能性。
2)使废弃地土壤中的重金属原位形成溶解度极低的矿物，解决由于重金属迁移对于环境的污染。
3)可持续对重金属造成的环境污染进行修复，修复三个月后植被覆盖度可达90％以上。
4)本发明方法简单，易于掌握，无需覆盖客土，不破坏土壤结构，改良效果好。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述有色金属矿业废弃地土壤的修复方法的一种实施例，修复地点为安徽庐江县某矿业废弃地边坡，修复时间为2020年6月。该区域土壤原始条件十分恶劣，土壤侵蚀严重，保水能力差，区域内无任何植物生长，修复面积为2000m2，分为四块区域分别施加不同复配方案的微生物菌剂，目的为探索微生物菌剂的最佳复配比例。本实施例所述修复方法包括如下步骤：
(1)对场地进行调查，测量实验区土壤下方出水的pH值以及重金属的含量。
(2)对修复区进行场地平整，建立排水措施。
(3)施加石灰，用量为10kg/m2，均匀翻耕表面20cm深度土层，浇水，等待2h，此时土壤表面的平均pH值为7.50。
(4)对步骤(3)处理后的土壤施加营养材料，然后翻耕表面20cm深度土层，浇水；所述营养材料含生物营养材料和有机材料，所述生物营养材料为氮磷钾复合肥与黏土颗粒质量比为1:9的混合物，施加量为60g/m2，所述有机材料为河道底泥与新鲜鸡粪质量比为8:2的混合物，施加量为260kg/m2。
(5)对步骤(4)处理后的土壤分4个区块分别施加不同配比的微生物菌剂，然后翻耕表面20cm深度土层；4个区块使用的微生物菌剂分别为梭菌、地杆菌、根瘤菌、圆褐固氮菌质量比为1:2:1:1的复配物1；梭菌、地杆菌、根瘤菌、圆褐固氮菌质量比为1:4:2:2的复配物2；梭菌、地杆菌、根瘤菌、圆褐固氮菌质量比为1:8:4:4的复配物3以及梭菌、地杆菌、根瘤菌、圆褐固氮菌质量比为1:0.1:0.1:0.1的复配物4。所有区块的微生物菌剂的施加量均为20g/m2。
(6)对步骤(5)翻耕后的土壤施加生态土，所述生态土为植物种子和植物栽培土的混合物，所述植物种子为禾本科、豆科、菊科质量比为2:1:0.1的混合物，施加量为18g/m2，所述植物栽培土为田园表土，施加量为200g/m2；随后种植乔灌幼苗，种类为小叶紫薇、杜鹃、马尾松、刺槐、泡桐以及红叶石楠(每区块中乔灌幼苗的种类及各种类种植量相同)，密度为1株/m2，覆盖稻草秸秆，完成修复。
步骤(1)～(6)在一天内完成。
(7)工期养护以及采样测试。
依据HJ 962-2018、HJ 557-2010以及GB 7475-87所描述方法，跟踪检测实验区土壤的pH值及土壤浸出液体的重金属含量(mg/kg)，测试结果如表1所示。
表1.修复后3个月后土壤浸出液测试结果
类型 pH值 Fe Cd Cr Zn
未修复 2.79 40.09 0.060 0.220 1.340
施加复配物1 7.10 未检出 未检出 未检出 0.770
施加复配物2 6.67 未检出 未检出 0.050 0.600
施加复配物3 5.78 8.310 未检出 0.100 1.230
施加复配物4 4.97 13.12 0.030 0.070 0.990
由表1可以看出，与未修复的数据相比，施加微生物菌剂的复配物后实验区土壤的浸出液的pH值均有所上升，其中施加复配物1与复配物2的区域修复效果较好，pH值由2.79分别升高到了7.10与6.67，而施加复配物3与复配物4的区域虽然土壤pH有所上升，但仍然呈酸性。经过修复，土壤浸出液中的Fe、Cd、Cr以及Zn的含量均发生明显衰减；其中，复配物1与复配物2对重金属的固定效果优于复配物3与复配物4。该实施案例验证了当微生物菌剂A、微生物菌剂B、微生物菌剂C的质量比为1：(2～4)：(2～4)时，对矿业废弃地土壤的修复效果最佳。另外，植物调查结果表明该区域整体植被覆盖度为90％以上，初步建立了自维持、不退化的稳定植被系统。
实施例2
本发明所述有色金属矿业废弃地土壤的修复方法的一种实施例，修复地点为广东佛冈县某矿业废弃地废弃渣堆，修复时间为2022年4月该区域土壤原始条件十分恶劣，土壤侵蚀严重，保水能力差，区域内无任何植物生长，面积为1000m2，本实施例所述修复方法包括如下步骤：
(1)对场地进行调查，测量实验区土壤的pH值以及重金属的含量。
(2)对修复区进行场地平整，建立排水措施。
(3)施加石灰，用量为5kg/m2，均匀翻耕表面20cm深度土层，浇水，等待2h，此时土壤表面的平均pH值为7.35。
(4)对步骤(3)处理后的土壤施加营养材料，然后翻耕表面20cm深度土层，浇水；所述营养材料含生物营养材料和有机材料，所述生物营养材料为氮磷钾复合肥与黏土颗粒质量比为1:9的混合物，施加量为80g/m2，所述有机材料为河道底泥与新鲜鸡粪质量比为8:2的混合物，施加量为260kg/m2。
(5)对步骤(4)处理后的土壤施加微生物菌剂，然后翻耕表面20cm深度土层；所述微生物菌剂为红螺菌、脱硫弧菌、根瘤菌质量比为1:0.5:1的复配物，所述微生物菌剂的施加量为10g/m2。
(6)对步骤(5)翻耕后的土壤施加生态土，所述生态土为植物种子和植物栽培土的混合物，所述植物种子为禾本科、豆科、景天科、茜草科质量比为2:1:0.1:0.1的混合物，施加量为30g/m2，所述植物栽培土为田园表土，施加量为200g/m2；随后种植乔灌幼苗，种类为三角梅、垂叶榕、乌桕以及朱瑾，密度为1株/m2，覆盖稻草秸秆，完成修复。
步骤(1)～(6)在一天内完成。
(7)工期养护以及采样测试。
依据HJ 962-2018、HJ 557-2010以及GB 7475-87所描述方法，跟踪检测实验区土壤的pH值及土壤浸出液体的重金属含量(mg/kg)，测试结果如表2所示。
表2.修复后3个月后土壤浸出液测试结果
项目 pH值 Cd浸出量 Cr浸出量 Cu浸出量 Mn浸出量 Zn浸出量 Pb浸出量
修复前 5.10 5.480 6.160 55.96 272.5 65.43 2029
修复后3个月 7.60 未检出 未检出 13.75 79.93 34.23 141.4
由表2可知，与修复前的数据相比，修复后实验区土壤的pH值由5.10升高至7.60；土壤浸出液中Cd、Cr、Cu、Mn、Zn以及Pb的含量均有所降低。该实施例验证了采用本发明所述微生物菌剂复配方案对于其他地区的矿业废弃地同样具有良好的修复效果。另外，植被调查结果表明该区域植被覆盖度为90％以上，初步建立了自维持、不退化的稳定植被系统。
实施例3
本发明所述有色金属矿业废弃地土壤的修复方法的一种实施例，修复地点为广东云浮某矿业废弃地废弃渣堆，修复时间为2022年8月。该区域修复面积为400m2，区域内土壤原始条件十分恶劣，土壤侵蚀严重，保水能力差，区域内无任何植物生长。本实施例所述修复方法包括如下步骤：
(1)对场地进行调查，测量实验区土壤的pH值以及重金属的含量。
(2)对修复区进行场地平整，建立排水措施。
(3)施加石灰，用量为5kg/m2，均匀翻耕表面20cm深度土层，浇水，等待2h，此时土壤表面的平均pH值为7.44。
(4)对步骤(3)处理后的土壤施加营养材料，然后翻耕表面20cm深度土层，浇水；所述营养材料含生物营养材料和有机材料，所述生物营养材料为氮磷钾复合肥与黏土颗粒质量比为1:9的混合物，施加量为80g/m2，所述有机材料为河道底泥与新鲜鸡粪质量比为8:2的混合物，施加量为260kg/m2。
(5)对步骤(4)处理后的土壤施加微生物菌剂，然后翻耕表面20cm深度土层；所述微生物菌剂为红螺菌、芽孢杆菌、慢生根瘤菌质量比为1:2:2的复配物，所述微生物菌剂的施加量为20g/m2。
(6)对步骤(5)翻耕后的土壤施加生态土，所述生态土为植物种子和植物栽培土的混合物，所述植物种子为禾本科、豆科、菊科以及茜草科质量比为2:1:0.1:0.1的混合物，施加量为30g/m2，所述植物栽培土为田园表土，施加量为200g/m2；随后种植乔灌幼苗，种类为马尾松、三角梅、垂叶榕以及乌桕，密度为1株/m2，覆盖稻草秸秆，完成修复。
步骤(1)～(6)在一天内完成。
(7)工期养护以及采样测试。
依据HJ 962-2018、HJ 557-2010以及GB 7475-87所描述方法，跟踪检测实验区土壤的pH值及土壤浸出液体的重金属含量(mg/kg)，测试结果如表3所示。
表3.修复后1个月后土壤浸出液测试结果
项目 pH值 Fe浸出量 Cr浸出量 Cd浸出量 Cu浸出量 Zn浸出量 Pb浸出量
修复前 2.66 107.1 0.094 0.183 0.219 1.901 0.080
修复后1个月 7.29 0.378 0.030 未检出 未检出 未检出 未检出
由表3可知，与修复前的数据相比，修复后实验区土壤的pH值由2.66升高至7.29；土壤浸出液中Fe、Cd、Cr、Cu、Zn以及Pb的含量均有所降低。另外，植被调查结果表明该区域植被覆盖度为90％以上，初步建立了自维持、不退化的稳定植被系统。同样证明采用本发明所述微生物菌剂复配方案能够在其他矿业废弃地取得较好的修复效果。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，但并不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (5)

1.一种有色金属矿业废弃地土壤的修复方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）调节土壤pH值为6~8，并进行翻耕；
（2）对步骤（1）翻耕后的土壤施加营养材料，翻耕；
（3）对步骤（2）翻耕后的土壤施加微生物菌剂，翻耕；
（4）对步骤（3）翻耕后的土壤施加生态土，种植植物，完成修复；
所述营养材料包含生物营养材料和有机材料，所述生物营养材料包含氮磷钾复合肥和黏土材料；所述有机材料包含酒糟、醋糟、木薯渣、糖渣、糠醛渣、新鲜的畜禽粪便、河道淤泥、下水道淤泥中的至少一种；
所述微生物菌剂为微生物菌剂A、微生物菌剂B、微生物菌剂C的混合物，所述微生物菌剂A、微生物菌剂B、微生物菌剂C的质量比为1：（2~4）：（2~4），所述微生物菌剂A为螺旋菌、红螺菌、梭菌中的至少一种，所述微生物菌剂B为希瓦氏菌、地杆菌、芽孢杆菌、脱硫杆菌、互营杆菌中的至少一种，所述微生物菌剂C为根瘤菌、慢生根瘤菌、圆褐固氮菌、假单胞杆菌中的至少一种；
所述生物营养材料中，氮磷钾复合肥与黏土材料的质量比为1：（9~19），所述生物营养材料的施加量为50~120g/亩；所述有机材料的施加量为50~500kg/m2；所述微生物菌剂的施加量为5~40g/m2；
所述生态土为植物种子与植物栽培土的混合物，所述植物种子的用量为12~36g/m2，所述植物栽培土的用量为20~200g/m2；所述植物种子为樟科、松科、柏科、茉莉科、蔷薇科、豆科、禾本科、菊科、黍亚科、景天科、茜草科中的至少一种，所述植物栽培土为木屑、红土、黄土、草炭土、腐叶土、塘泥、园土中的至少一种；
当地面坡度＜20°时，在调节土壤pH值前对土层进行翻耕；当20°≤地面坡度≤50°时，构建梯形种植平台，然后在调节土壤pH值前进行翻耕；当地面坡度＞50°时，采用生态袋锚定、固土。
2.如权利要求1所述的修复方法，其特征在于，步骤（1）中，调节pH值的材料为烧碱、草木灰、石灰、石灰石、磷石膏中的至少一种；步骤（2）中，翻耕结束后进行浇水。
3.如权利要求1所述的修复方法，其特征在于，步骤（4）中，所述植物为乔灌幼苗，所述乔灌幼苗为樟科、松科、柏科中的至少一种，所述乔灌幼苗的种植密度为1~2株/ m2。
4.如权利要求1所述的修复方法，其特征在于，步骤（1）~（4）在一天内完成，修复时间为每年的3~6月。
5.如权利要求1所述的修复方法，其特征在于，步骤（1）~（3）中，所述翻耕的深度为10~20cm。
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