CN1833789A - 磷污染土壤的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明磷污染土壤的修复方法，涉及农业非点源磷污染土壤治理与修复技术。该方法，将铝土矿冶炼氧化铝粉过程中生成的尾矿一赤泥，经马弗炉焙烧后，与磷污染土壤地表面的磷污染土壤充分混匀，经一段时间处理和培养后，可固定≥42％的土壤有效磷。本发明方法简单易行，治理效率高，治理费用低，对研究控制菜地土壤磷素流失进入水体的措施，具有非常重要的现实意义。

Description

磷污染土壤的修复方法

技术领域

本发明属于农业非点源磷污染土壤治理与修复技术。

背景技术

赤泥(Red Mud)是铝土矿提炼氧化铝过程中产生的废弃物，它是有色金属工业中主要的工业废渣之一。赤泥是一种红色泥状废弃物，一般生产1吨氧化铝可产生1.0~1.4吨赤泥；其矿物组成及化学成分主要取决于铝土矿成分和生产工艺。随着铝工业的发展，目前全世界每年产生的赤泥约5000万吨；我国每年产生的赤泥为300万吨以上，2000年我国赤泥排放量约为400万吨。如果这些赤泥以堆存形式存放，以堆放高度为10米计，赤泥所占的体积以固相含量为50％计，就需要600公顷面积，这就长期且大量地占用耕地。而附在赤泥中的液相主要成分为0.6-0.8g/L的苛性碱，如果赤泥存放不当，其中的附液就会渗透到地下水中，破坏地下水的水质，危害人们的健康。而当赤泥晾干时细粒子飞扬，散落于四周达数公里之遥，导致土地被薄层赤泥覆盖，降低土壤的肥力，因此赤泥的处理对环境的影响极其重要。

目前国内外通用的对赤泥的处置方法为堆存：沟、谷堆存或平地堆存。运输方法为“干法”(1∶2)或“湿法”(1∶5)。近年来，随着对环境保护工作的加强，赤泥的排放情况有了较大的改善。除英国、法国和日本继续采用排海法排入深海外，多数国家采用露天存放，并在向干法堆存过度。澳大利亚戈弗氧化铝厂还在60公顷的赤泥堆存场上种植了草木，并形成了灌木林。我国山东、河南、贵州、山西等氧化铝厂，采用平地高台、河谷拦坝、凹地充填等方法堆存赤泥，多未采取有效措施。

解决赤泥污染的根本出路就是如何解决赤泥的综合利用问题。多年来，国内外在赤泥的综合利用方面进行了大量的试验研究工作。由于赤泥的成分和性质有较大的差异，赤泥的利用方法也不相同。国外主要是拜尔法赤泥，由于铁含量高，就以其作为炼铁原料。德国试验用赤泥作为筑路材料，用赤泥和软泥混合填充低凹地，变贫瘠的土地为良田。俄罗斯用拜尔法赤泥生产粘土砖等，有些技术已得到了推广应用。

近年，国内一些研究单位对硅肥进行了深入研究，研制出了独特的硅肥添加剂，河南省已批准成立了省硅肥工程中心。河南省科学院近年开展的大面积试用硅肥表明，硅肥可以改善植物的细胞组织，改善作物果实的品质，在缺硅的土壤中可减产8~15％。硅肥是继氮、磷、钾肥之后的第4大元素肥料，它对多种农作物具有较好的营养作用，大力发展硅肥，是赤泥综合利用的又一可行途径。此外，还有利用赤泥生产水泥、作新型墙材、作塑料填料、从中提取有价值的金属等综合利用技术。

近年来，化学肥料的施用量越来越高。在一些地方，P肥用量已高达995kg/hm²，超过作物实际需求量的数倍。不仅造成肥料资源的大量浪费，影响蔬菜的品质，还会引起土壤中磷的含量逐年增加，而这些积累在土壤中的磷是水体富营养化的重要来源，对水体生态环境构成潜在威胁。

目前我国蔬菜播种面积达到1.1×107hm²，占全国农作物播种总面积的1/10。蔬菜生产中肥料施用量大，灌水数量和频率又高于一般农田，因此菜地的养分累积情况更加严重。已有研究表明，长期种植蔬菜会导致土壤磷明显富集。例如，珠江三角洲地区，蔬菜种植面积大，肥料投入量多，土壤中养分积累明显，且该地区高温多雨，土壤中富余的养分容易随地表径流、亚表层水流和地下水等途径进入水体。

土壤中的磷通过侵蚀、径流和亚表层排水3种主要迁移机制进入水体生态系统且转化为对其有效的磷量。研究表明，土壤磷进入水体的主要途径是通过径流进入地表水。磷施用量一旦超出作物所需的要求，便会增加农田中磷的流失并引起潜在的地表水资源的水体富营养化。当水中的营养水平很高时，藻类会大量生长，水中溶解氧降低，破坏水体生态系统的平衡，使鱼类死亡；产生的有毒微生物增加，降低河湖的利用价值。在太湖地区，由于大量磷肥的施入，造成太湖严重的水体富营养化现象；广东省由于20年来化肥施用量呈逐年增加，耕地土壤的速效磷总体上呈现上升的趋势，1990年比1980年增加了96％，将近一倍；由于1995年磷肥施用量比1990年增长35％，加上施用磷肥以后在土壤中易于转化的特殊性，因此这个时期广东省部分地区的水田出现了富磷现象。

在通常情况下磷向剖面下层移动是很慢的，但在质地轻、固磷能力低以及大量施用有机肥的土壤上，磷通过渗漏进入地下水也是很明显的；土壤Olsen-P含量与土壤径流中溶解态磷、藻类有效磷浓度有很好的相关性；土壤磷素水平在很大程度上决定了土壤磷进入径流的风险和数量；土壤磷含量与地下水中磷浓度也有很显著的相关性。而广州城郊菜园土壤由花岗岩母质发育而成，粘粒含量低，土壤质地轻，土壤Olsen-P的含量相当高，可见土壤中极丰富的磷随地表径流、地下径流以及向剖面下层移动等途径进入地表水和地下水风险相当高。有土壤淋洗试验表明，菜园土壤淋洗液中溶解态磷浓度平均7.85mg/L；自然土淋洗液平均为0.02mg/L，两者相差392.5倍；两者总磷浓度平均值相差30.3倍。这进一步表明菜园土壤中水溶性磷含量高，磷供应强度大，流失进入水体风险高。相关分析结果表明，土壤淋洗液中溶解态磷、总磷平均浓度与土壤Olsen-P的相关性达到极显著或显著水平。因此，土壤Olsen-P可作为土壤磷流失进入水体风险和水环境影响程度的评估依据。

人类活动导致水体的加速富营养化现象是当今世界水污染难题，已成为世界关注的主要环境问题之一。磷是水体富营养化的主要限制因子，农业非点源磷对水环境的恶化有着十分显著的贡献，富营养化现象的发生与农田土壤中磷的流失有密切的关系，因此，研究控制菜地土壤磷素流失进入水体的措施，具有非常重要的现实意义。

赤泥中含有Ca²⁺、Al³⁺、Fe³⁺等离子，它们对土壤有效磷有较好的吸附性，与土壤磷素发生化学沉淀反应，形成难溶性化合物，使土壤磷素固定并积累在土壤中，降低土壤磷素向水体迁移、污染水体的危险。利用赤泥进行磷污染土壤的修复治理，既解决了由于大量赤泥堆存对环境产生危害的问题，又有效地固定了磷过量土壤中的有效磷，从治理效率、治理费用、现场可操作性及环境风险方面等考虑，赤泥对磷过量土壤修复具有较高的实用价值和应用前景。

迄今为止还未见到赤泥修复磷污染土壤的报道。

发明内容

本发明的目的是在实验室培养基础上，研究不同温度焙烧处理的赤泥对菜地磷过量土壤中有效磷的吸附及固定效果，为农业非点源污染治理提供科学依据，及修复方法。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种磷污染土壤的修复方法，其将铝土矿冶炼氧化铝粉过程中生成的尾矿-赤泥，经马弗炉焙烧后，与磷污染土壤充分混匀，经一段时间维护后，可固定≥42％的土壤有效磷。

所述的修复方法，包括步骤：

a.将赤泥，用100目筛过筛；

b.将a步所得赤泥，经马弗炉500℃焙烧≥2小时后，取出待用；

c.将磷污染土壤地表面0～20公分的磷污染土壤翻犁，风干、磨碎、过筛，备用；

d.将b步焙烧处理的赤泥，撒于c步处理过的土壤，赤泥用量为每公斤土施用含铝5～15毫摩尔的赤泥，与土壤充分混匀；

e.维持土壤持水量≥田间持水量的60％，经过≥三个月时间，完成一次修复。

所述的修复方法，其所述c步磷污染土的过筛，筛目为100目。

本发明方法简单易行，治理效率高，治理费用低，对研究控制菜地土壤磷素流失进入水体的措施，具有非常重要的现实意义。

附图说明

图1为不同处理赤泥对土壤有效磷的固定量示意图。

具体实施方式

本发明的试验基本程序如下。

1、基本材料准备：

A、赤泥

赤泥(Red Mud)购自山东铝业股份有限公司。该赤泥是铝土矿冶炼氧化铝粉过程中生成的尾矿，为有色金属工业中主要的工业废渣之一，是铝硅酸钠与多种金属氧化物的混合物，具有较高的热稳定性，抗老化和光屏蔽作用明显，能提高塑料制品抗压、抗拉强度。是一种红色泥状废弃物，其理化成分如表1所示。

                               表1  赤泥的基本理化性质

成分	CaO+MgO	SiO2	Fe2O3	Al2O3	Na2O	K2O	CO2	pH值
									含量(％)	14.4	11.47	26.7	10.5	5.57	0.28	13.7	＞10

赤泥应用前过100目筛，且分别经马弗炉0℃、300℃、500℃、700℃和900℃焙烧2小时后取出待用。

B、污染土壤采自武汉汉阳桃花岛菜地0-20cm的表土，有效磷含量236.12mg kg^-1。土壤采回后经风干、磨碎、过2mm筛，以备实验应用。

C、试验用容器可装100g土的塑料杯。

2、培养系统的建立：

试验按铝的不同用量共设16个处理：不加赤泥的处理(CK)；经马弗炉0℃、300℃、500℃、700℃和900℃焙烧的赤泥分别设3个处理5、10、15mmolAl.kg^-1土。试验用容器为小塑料杯，每杯装土100g，按规定用量加入粉末状上述不同焙烧处理的赤泥，与土充分混匀，试验重复9次，共144盆。对赤泥不同焙烧处理后，对土壤有效磷含量的影响，如表2所示。

表2  不同焙烧处理赤泥对土壤有效磷含量的影响  单位：mg/kg

焙烧处理	一个月	两个月	三个月
				0℃300℃500℃700℃900℃	201.08182.82180.90177.60190.54	185.66178.03175.80174.28181.06	177.47167.33135.25163.74174.10

3、培养过程：

试验在25(±2)℃的恒温培养间内进行，每隔一天用去离子水给土壤补充水分，使土壤水分达到田间持水量的60％左右(重量含水量约为15％，采用称重法补充水分)。分别在1、2、3个月后取出部分重复，然后风干土壤，过2mm筛，用Olsen-P法测定有效磷含量。

4、发明的效果：

经过试验，我们发现赤泥对土壤有效磷的固定作用很明显，但不同焙烧处理的赤泥对土壤有效磷的固定效果不一样。如图1所示，培养一段时间后不同焙烧处理的赤泥对土壤有效磷均有固定作用，且马弗炉焙烧300℃、500℃、700℃三个处理的赤泥对土壤有效磷的固定作用好于马弗炉焙烧0℃和900℃处理的赤泥。但在培养前两个月，马弗炉焙烧300℃、500℃、700℃三个处理的赤泥对土壤有效磷的固定效果差异不显著，如表2和表3，马弗炉焙烧300℃时，土壤有效磷含量由培养1个月时的182.82mg/kg降到培养2个月时的178.03mg/kg，其固定率仅为2.62％；马弗炉焙烧500℃时，土壤有效磷含量由180.90mg/kg降到175.80mg/kg，其固定率为2.82％；马弗炉焙烧700℃时，土壤有效磷含量由177.60mg/kg降到174.28mg/kg，其固定率仅为1.87％。但培养三个月后，500℃处理的赤泥对土壤有效磷的固定作用明显增强，土壤有效磷由培养前的236.118mg/kg讯速下降到135.25mg/kg，赤泥对土壤有效磷的固定率达到42.72％，即土壤中有将近一半的有效磷被赤泥所固定。

对赤泥不同焙烧处理后，对土壤有效磷的固定率，如表3所示。

表3  不同焙烧处理赤泥对土壤有效磷的固定率  单位：％

焙烧处理	一个月	两个月	三个月
				0℃300℃500℃700℃900℃	14.8422.5723.3924.7919.30	21.3724.6025.5526.1923.32	24.8429.1342.7230.6526.26

因此，本研究认为赤泥可作为修复磷污染土壤的一种较理想的材料，它可以固定土壤中的有效磷，降低其向水体迁移、污染水体的风险。赤泥经马弗炉焙烧500℃2小时后对土壤有效磷的固定效果最好，三个月可固定42.7％的土壤有效磷。

本发明方法可以在同一块磷污染土壤中反复使用，也可以对20cm以下的深层土壤进行有效磷固定。

Claims (3)

1.一种磷污染土壤的修复方法，其特征在于，将铝土矿冶炼氧化铝粉过程中生成的尾矿一赤泥，经马弗炉焙烧后，与磷污染土壤充分混匀，经一段时间处理和培养后，可固定≥42％的土壤有效磷。

2.如权利要求1所述的修复方法，其特征在于，包括步骤：

a.将赤泥，用100目筛过筛；

b.将a步所得赤泥，经马弗炉500℃焙烧≥2小时后，取出待用；

c.将磷污染土壤地表面0～20公分的磷污染土壤翻犁，风干、磨碎、过筛，备用；

d.将b步焙烧处理的赤泥，撒于c步处理过的土壤，赤泥用量为每公斤土施用含铝5～15毫摩尔的赤泥，与土壤充分混匀；

e.维持土壤持水量≥田间持水量的60％，经过≥三个月时间，完成一次修复。

3.如权利要求2所述的修复方法，其特征在于，所述c步磷污染土的过筛，筛目为100目。