CN117862195A - 一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于铁尾矿生态治理领域，具体涉及一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法。本发明基于微生物改良技术和植物改良技术，将铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟混合后，接种经过铁尾矿粉驯化的活菌（包括硅酸盐细菌、氧化亚铁硫杆菌、侧胞芽孢杆菌、棘孢木霉菌、醋酸杆菌以及乳酸链球菌），形成具有强力解矿作用的生物发酵床，在此基础上进行生猪养殖和高蛋白饲草种植，使得铁尾矿的理化性质和结构得到显著改良，最终形成成熟的土壤。本发明方法简单，适合大面积推广使用，改良后效果明显，并具有长效性。
Description
技术领域
本发明属于铁尾矿生态治理领域，具体涉及一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法。
背景技术
随着矿山的开采和钢铁行业的不断发展，铁尾矿作为选矿后的废弃物，其储存量也不断增加。受铁尾矿规模化利用技术的制约，目前的铁尾矿主要以筑坝堆存为主，据统计国内铁尾矿的堆存量已超过80亿吨，且呈持续上升态势。铁尾矿的堆积不仅会造成大气污染，而且会危及地表水、地下水和土壤环境，还存在溃坝等生态风险。因此，铁尾矿的资源化利用是十分有必要的。
目前，铁尾矿的资源化利用在以下三个方面取得了突破性的进展：（1）尾矿再选，精矿回收，提取有效成分；（2）生产建筑用砖、水泥、混凝土等建筑材料；（3）作为填充材料充填矿山采空区，但是，在铁尾矿的土壤化利用方面缺乏深入的研究和实践上的支撑，而土壤化上的利用又是可以迅速提高综合利用率和形成规模化利用的方式，因此铁尾矿的土壤化利用方式是铁尾矿资源化利用的大趋势之一。
现阶段大量报道主要集中在对矿山废弃地土壤改良，多采用覆土法、物理和化学处理法、生物处理法、增施有机肥等方法。其中，生物处理法包括植物修复技术和微生物修复技术，主要针对废弃地中的重金属和有机污染物等，进行提取、吸附等净化方式，以达到改善土壤环境的目的。然而，对铁尾矿进行直接转化的方法还未见报道，特别是利用植物或微生物直接对铁尾矿进行处理改性，将其成功转化为土壤的案例未见报道，其主要的技术障碍是铁尾矿本身的物理化学性质跟一般熟土的物理化学性质相差较远，不适合大部分的植物或者微生物生存，也就限制了微生物和植物在岩石风化为土壤过程中的作用。因此如何筛选适应铁尾矿的微生物和植物，构建其生存环境，强化这些生物在铁尾矿粉风化为土壤过程中的作用，成为迫切需要解决的技术问题。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明在铁尾矿粉堆集库以外的生猪养殖区（异位），构建由铁尾矿粉、有机质及解矿微生物组成的生物发酵床，通过微生物代谢所产生的有机酸、生物多糖及过氧化氢酶等活性物质与铁尾矿粉的生化反应，以及养猪过程中的尿液淋溶、腐蚀与踩踏作用，使铁尾矿粉转化为适合高蛋白饲草生长的初级土壤；然后种植高蛋白饲草，基于高蛋白饲草根基微生物与初级土壤颗粒的相互作用，形成土壤团粒结构，最终形成成熟土壤。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，包括以下步骤：
步骤1：将铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟混合后，接种经过铁尾矿粉驯化的活菌，形成解矿生物发酵床基质；
步骤2：将解矿生物发酵床基质平铺在猪舍内，形成解矿生物发酵床，进行生猪养殖；
步骤3：生猪养殖结束后，清出解矿生物发酵床基质，堆积平整，种植高蛋白饲草，形成成熟土壤，即完成利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿的土壤化。
作为优选，所述步骤1中铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟的质量比为5:3:1:1。
作为优选，所述步骤1中经过铁尾矿粉驯化的活菌的接种量为铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟总重量的5‰。
作为优选，所述步骤1中经过铁尾矿粉驯化的活菌由硅酸盐细菌、氧化亚铁硫杆菌、侧胞芽孢杆菌、棘孢木霉菌、醋酸杆菌和乳酸链球菌组成。
作为优选，所述硅酸盐细菌、氧化亚铁硫杆菌、侧胞芽孢杆菌、棘孢木霉菌、醋酸杆菌和乳酸链球菌的质量比为3:1:2:2:1:1。
作为优选，所述硅酸盐细菌的活菌数为0.9×109个/mL，氧化亚铁硫杆菌的活菌数为0.6×108个/mL，侧胞芽孢杆菌的活菌数为8.6×109个/mL，棘孢木霉菌的活菌数为5.4×109个/mL，醋酸杆菌的活菌数为6.2×109个/mL，乳酸链球菌的活菌数为7.6×108个/mL。
作为优选，所述步骤2中生猪养殖的条件为：饲喂玉米豆粕型发酵饲料，放养密度为1头/1-2m2，养殖期为6个月至24个月。
作为优选，所述步骤2中解矿生物发酵床基质平铺在猪舍内的高度为80cm。
作为优选，所述步骤3中种植高蛋白饲草的条件为：行距为40cm，株距为30cm，种植周期为1-3年，收割6-18茬。
作为优选，所述步骤3中高蛋白饲草为大叶豆草或食叶草。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
（1）本发明基于微生物改良技术和植物改良技术，将铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟混合后，接种经过铁尾矿粉驯化的活菌，形成具有强力解矿作用的生物发酵床基质。通过在解矿生物发酵床上进行生猪养殖，持续导入猪粪和猪尿等有机质，将微生物对有机质的生物降解与微生物对铁尾矿的浸矿作用进行系统耦合，经过一个生猪养殖周期的持续反应，铁尾矿的理化性质和结构得到显著改良，铁尾矿得到初步的原位修复，铁尾矿中重金属可交换态含量降低，作用于微生物的重金属的毒性受到抑制，使其物理化学性质适合大多数植物、微生物生存，为植物修复、微生物修复、尾矿库复垦以及生态区的建设奠定良好的基础。在此基础上，通过种植高蛋白饲草，基于植物根基生命活动与矿物风化过程的相互作用，进一步形成成熟的土壤团粒结构和稳定的微生物群落，促进铁尾矿中无机元素和微量元素的循环转化，从而为铁尾矿中生物的生长提供必要的养分和良好的生长条件，为从事农业生产提供了成熟的土壤。
（2）本发明在整个铁尾矿土壤化改良过程中，施加到铁尾矿粉中的活菌通过生命活动产生有机酸、生物多糖及过氧化氢酶等活性物质，其与铁尾矿粉的生化反应促进铁尾矿中营养物质的释放与循环，其中过氧化氢酶活性也可作为反映土壤肥力和土壤微生物活性的指标。
（3）本发明方法简单，适合大面积推广使用，改良后效果明显，并具有长效性。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
本发明实施例中涉及的活菌在含有铁尾矿粉的培养基中进行驯化，所使用的培养基配方如下：
硅酸盐细菌：采用固氮培养基，其配方为：磷酸二氢钾0.2g、磷酸氢二钾0.8g、7水硫酸镁0.2g、2水硫酸钙0.1g、2水钼酸钠（微量）、酵母膏0.5g、甘露醇20g、三氯化铁（微量）、蒸馏水1000mL、pH 7.2，另加固氮培养基总重量10%的铁尾矿粉。
氧化亚铁硫杆菌：采用选择性培养基，其配方为：葡萄糖0.2g/L、磷酸二氢钾1.2g/L、磷酸氢二钾1.2g/L、氯化铵0.4g/L、氯化镁0.2g/L、柠檬酸铁0.01g/L、硫化钠0.3g/L、pH7.0，另加选择性培养基总重量10%的铁尾矿粉。
侧胞芽孢杆菌：采用培养基配方为：玉米粉2.0g/L、蚕蛹粉2.5g/L、酵母浸粉1.0g/L、玉米浆1.0g/L、碳酸钙0.1g/L、硫酸镁0.03g/L、磷酸二氢钾0.01g/L，另加培养基总重量5%的铁尾矿粉。
棘孢木霉菌：采用培养基配方为：蔗糖10g/L、玉米粉10g/L、硝酸铵1.7g/L、豆粕5g/L、硫酸镁1.43g/L、磷酸二氢钾2g/L，另加培养基总重量5%的铁尾矿粉。
醋酸杆菌：采用培养基配方为：葡萄糖10g/L、酵母膏10g/L、磷酸二氢钾0.5g/L、硫酸镁0.5g/L，pH 5.5，另加培养基总重量5%的铁尾矿粉。
乳酸链球菌：采用MRS培养基，其基配方为：蛋白胨10g、牛肉浸取物或牛肉膏10g、酵母提取液或酵母膏或酵母粉5g、葡萄糖20g、乙酸钠5g、柠檬酸氢二胺2g、吐温-80 1.0mL、磷酸氢二钾2g、七水硫酸镁0.2g、七水硫酸锰0.05g、蒸馏水1L，另加MRS培养基总重量5%的铁尾矿粉。
实施例1
一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，包括以下步骤：
步骤1：将铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟按质量比为5:3:1:1混合后，接种经过铁尾矿粉驯化的活菌，形成解矿生物发酵床基质；
具体的，活菌的接种量为铁尾矿、秸秆粉、醋糟与酒糟总重量的5‰；活菌由质量比为3:1:2:2:1:1的硅酸盐细菌、氧化亚铁硫杆菌、侧胞芽孢杆菌、棘孢木霉菌、醋酸杆菌和乳酸链球菌组成，其中，硅酸盐细菌的活菌数为0.9×109个/mL，氧化亚铁硫杆菌的活菌数为0.6×108个/mL，侧胞芽孢杆菌的活菌数为8.6×109个/mL，棘孢木霉菌的活菌数为5.4×109个/mL，醋酸杆菌的活菌数为6.2×109个/mL，乳酸链球菌的活菌数为7.6×108个/mL；
步骤2：将解矿生物发酵床基质平铺在猪舍内，高度为80cm，形成解矿生物发酵床，进行生猪养殖；
具体的，生猪养殖的条件为：饲喂玉米豆粕型发酵饲料，放养密度为1头/1.5m2，养殖期为6个月；
步骤3：生猪养殖结束后，清出解矿生物发酵床基质，堆积80cm高度，表面平整后，种植大叶豆草，形成成熟土壤，完成铁尾矿土壤化；
具体的，种植大叶豆草的条件为：行距为40cm，株距为30cm，种植周期为1年，收割6茬。
种植结束后的土壤分析指标如表1：
表1实施例1土壤分析结果
实施例2
一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，包括以下步骤：
步骤1：将铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟按质量比为5:3:1:1混合后，接种经过铁尾矿粉驯化的活菌，形成解矿生物发酵床基质；
具体的，活菌的接种量为铁尾矿、秸秆粉、醋糟与酒糟总重量的5‰；活菌由质量比为3:1:2:2:1:1的硅酸盐细菌、氧化亚铁硫杆菌、侧胞芽孢杆菌、棘孢木霉菌、醋酸杆菌和乳酸链球菌组成，其中，硅酸盐细菌的活菌数为0.9×109个/mL，氧化亚铁硫杆菌的活菌数为0.6×108个/mL，侧胞芽孢杆菌的活菌数为8.6×109个/mL，棘孢木霉菌的活菌数为5.4×109个/mL，醋酸杆菌的活菌数为6.2×109个/mL，乳酸链球菌的活菌数为7.6×108个/mL；
步骤2：将解矿生物发酵床基质平铺在猪舍内，高度为80cm，形成解矿生物发酵床，进行生猪养殖；
具体的，生猪养殖的条件为：饲喂玉米豆粕型发酵饲料，放养密度为1头/1.5m2，养殖期为6个月；
步骤3：生猪养殖结束后，清出解矿生物发酵床基质，堆积80cm高度，表面平整后，种植大叶豆草，形成成熟土壤，完成铁尾矿土壤化；
具体的，种植大叶豆草的条件为：行距为40cm，株距为30cm，种植周期为2年，收割12茬。
种植结束后的土壤分析指标如表2：
表2 实施例2土壤分析结果
实施例3
一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，包括以下步骤：
步骤1：将铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟按质量比为5:3:1:1混合后，接种经过铁尾矿粉驯化的活菌，形成解矿生物发酵床基质；
具体的，活菌的接种量为铁尾矿、秸秆粉、醋糟与酒糟总重量的5‰；活菌由质量比为3:1:2:2:1:1的硅酸盐细菌、氧化亚铁硫杆菌、侧胞芽孢杆菌、棘孢木霉菌、醋酸杆菌和乳酸链球菌组成，其中，硅酸盐细菌的活菌数为0.9×109个/mL，氧化亚铁硫杆菌的活菌数为0.6×108个/mL，侧胞芽孢杆菌的活菌数为8.6×109个/mL，棘孢木霉菌的活菌数为5.4×109个/mL，醋酸杆菌的活菌数为6.2×109个/mL，乳酸链球菌的活菌数为7.6×108个/mL；
步骤2：将解矿生物发酵床基质平铺在猪舍内，高度为80cm，形成解矿生物发酵床，进行生猪养殖；
具体的，生猪养殖的条件为：饲喂玉米豆粕型发酵饲料，放养密度为1头/1m2，养殖期为1年；
步骤3：生猪养殖结束后，清出解矿生物发酵床基质，堆积80cm高度，表面平整后，种植大叶豆草，形成成熟土壤，完成铁尾矿土壤化；
具体的，种植大叶豆草的条件为：行距为40cm，株距为30cm，种植周期为1年，收割6茬。
种植结束后的土壤分析指标如表3：
表3实施例3土壤分析结果
实施例4
一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，包括以下步骤：
步骤1：将铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟按质量比为5:3:1:1混合后，接种经过铁尾矿粉驯化的活菌，形成解矿生物发酵床基质；
具体的，活菌的接种量为铁尾矿、秸秆粉、醋糟与酒糟总重量的5‰；活菌由质量比为3:1:2:2:1:1的硅酸盐细菌、氧化亚铁硫杆菌、侧胞芽孢杆菌、棘孢木霉菌、醋酸杆菌和乳酸链球菌组成，其中，硅酸盐细菌的活菌数为0.9×109个/mL，氧化亚铁硫杆菌的活菌数为0.6×108个/mL，侧胞芽孢杆菌的活菌数为8.6×109个/mL，棘孢木霉菌的活菌数为5.4×109个/mL，醋酸杆菌的活菌数为6.2×109个/mL，乳酸链球菌的活菌数为7.6×108个/mL；
步骤2：将解矿生物发酵床基质平铺在猪舍内，高度为80cm，形成解矿生物发酵床，进行生猪养殖；
具体的，生猪养殖的条件为：饲喂玉米豆粕型发酵饲料，放养密度为1头/2m2，养殖期为2年；
步骤3：生猪养殖结束后，清出解矿生物发酵床基质，堆积80cm高度，表面平整后，种植食叶草，形成成熟土壤，完成铁尾矿土壤化；
具体的，种植食叶草的条件为：行距为40cm，株距为30cm，种植周期为3年，收割18茬。
种植结束后的土壤分析指标如表4：
表4实施例4土壤分析结果
通过实施例1-4的土壤分析结果可以看出，经过最短周期（6个月养殖和1年种植）到最长周期（2年养殖加3年种植）后，形成的土壤无论从土壤质地还是土壤养分，都能达到全国土壤养分含量分级标准中等以上指标。随着养殖周期的延长，高蛋白饲草的生长状况更好，随着种植周期的延长，土壤的质地和营养组分出现高级化趋势，沙粒组分从25%降至19%，细粘粒比例从35%提高至42%，酸碱度从7.6降至7.2，容重从1.30g/cm3降至1.25g/cm3，土粒密度从2.70g/cm3降至2.65g/cm3，各种速效营养组分呈现稳定的增加趋势（硼从2.54mg/kg升至2.92mg/kg，锰从29.41mg/kg升至38.21mg/kg，铜从4.8mg/kg升至11.62mg/kg，铁从4.6mg/kg升至6.02mg/kg，锌从2.83mg/kg升至2.98mg/kg，钼从0.19mg/kg升至0.53mg/kg）；从土壤的分化程度而言，经过养殖和种植形成的土壤具有活跃度铁、铝和非晶质粘粒及腐殖酸淀积层，具有灰色至棕色表层，有粘粒积层，盐基饱和度中，同时，植被和母质对土壤发育的影响方式与淋溶土相似，但其风化和淋溶程度更高，综合特征为灰土及强风化灰土。
以上所述仅为更好解释本发明的实施例，并非对其限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或同等替换，均属本发明所涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟混合后，接种经过铁尾矿粉驯化的活菌，形成解矿生物发酵床基质；
步骤2：将解矿生物发酵床基质平铺在猪舍内，形成解矿生物发酵床，进行生猪养殖；
步骤3：生猪养殖结束后，清出解矿生物发酵床基质，堆积平整，种植高蛋白饲草，形成成熟土壤，即完成利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿的土壤化。
2.根据权利要求1所述的一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，其特征在于：所述步骤1中铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟的质量比为5:3:1:1。
3.根据权利要求1所述的一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，其特征在于：所述步骤1中经过铁尾矿粉驯化的活菌的接种量为铁尾矿粉、秸秆粉、醋糟与酒糟总重量的5‰。
4.根据权利要求1所述的一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，其特征在于：所述步骤1中经过铁尾矿粉驯化的活菌由硅酸盐细菌、氧化亚铁硫杆菌、侧胞芽孢杆菌、棘孢木霉菌、醋酸杆菌和乳酸链球菌组成。
5.根据权利要求4所述的一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，其特征在于：所述硅酸盐细菌、氧化亚铁硫杆菌、侧胞芽孢杆菌、棘孢木霉菌、醋酸杆菌和乳酸链球菌的质量比为3:1:2:2:1:1。
6.根据权利要求4或5所述的一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，其特征在于：所述硅酸盐细菌的活菌数为0.9×109个/mL，氧化亚铁硫杆菌的活菌数为0.6×108个/mL，侧胞芽孢杆菌的活菌数为8.6×109个/mL，棘孢木霉菌的活菌数为5.4×109个/mL，醋酸杆菌的活菌数为6.2×109个/mL，乳酸链球菌的活菌数为7.6×108个/mL。
7.根据权利要求1所述的一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，其特征在于：所述步骤2中生猪养殖的条件为：饲喂玉米豆粕型发酵饲料，放养密度为1头/1-2m2，养殖期为6个月至24个月。
8.根据权利要求1所述的一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，其特征在于：所述步骤2中解矿生物发酵床基质平铺在猪舍内的高度为80cm。
9.根据权利要求1所述的一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，其特征在于：所述步骤3中种植高蛋白饲草的条件为：行距为40cm，株距为30cm，种植周期为1-3年，收割6-18茬。
10.根据权利要求1或9所述的一种利用异位解矿生物发酵床进行铁尾矿土壤化的方法，其特征在于：所述步骤3中高蛋白饲草为大叶豆草或食叶草。
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