CN110172004A - 一种离子型稀土尾矿土壤改良剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种离子型稀土尾矿土壤改良剂及其制备方法，该土壤改良剂旨在解决现有离子型稀土尾矿的生态受人工毁损，破坏了土壤质地及其理化结构，有机质含量极低，土壤缺肥少水使植物难以生长，但现有的物理化学修复法和植物生态修复法又能难以高效地进行土壤修复改良的技术问题；该土壤改良剂原料包括猪粪、菌糠、麦麸、腐殖酸、豆粕、水葫芦、一年蓬、微生物复合菌剂、秸秆、稻壳、牛粪、锯末、褐煤、椰壳、石墨烯、水凝胶等。通过该土壤改良剂能对离子型稀土尾矿的土壤进行高效地营养补充，并结合植物的种植与土壤改良剂对土壤中有害物质的转化吸收，实现了对离子型稀土尾矿土壤稳定且高效地修复，同时极大地控制了土壤修复成本。

Description

一种离子型稀土尾矿土壤改良剂及其制备方法

技术领域

本发明属于矿山土壤环境修复领域，具体涉及一种离子型稀土尾矿土壤改良剂及其制备方法

背景技术

我国稀土资源储量丰富，占全球同类资源的90％，同时还具有全球独特的新型稀土矿床，其中就包括离子吸附型稀土矿，离子吸附型稀土矿主要分布在我国江西、广东、湖南、广西、福建等地；南方离子吸附型稀土矿原矿中60％-90％的稀土以水合或羟基水合离子状态吸附在高岭土及云母中，稀土离子极易在电解质溶液中被交换下来，因此目前广泛利用硫酸铵作为浸矿剂、以打孔注液的方式进行原地浸矿提取稀土元素，通过这种方式生产1吨氧化稀土消耗硫酸铵为8-12吨，同时又有大量铵根离子残留在矿体中，矿土中铵的残留量一般为0.32-0.47mg/g，这样造成了严重的生态环境破坏，常引起山地荒芜、水土流失、水源污染和下游耕地受毁损等严重后患。

离子型稀土矿场包括开采区和堆填区，是典型的受人工毁损的生态脆弱区；其原有地表植被由于采矿过程而被完全破坏，同时采矿过程严重破坏了土壤质地及其理化结构，土壤含菌量极低，缺肥少水、使植物难以生长；开采区和堆填区的表土和肥力长期被风刮和雨刷，有机质含量极低，土壤质地主要为粗砂土，或仅剩下砂子，自然含水量及持水能力非常低，使人工植被难以持续稳定。

针对上述问题，目前大致有两种解决方法，一种是传统的物理化学修复法，其是利用相应的吸附装置及药剂，尽力将破坏土壤中的有害物质进行吸除，同时调节中和土壤的性质，使其适宜植物生长；另一种是植物生态修复法，植物生态修复法是利用生长耐性强且具有一定土壤修复能力的植物，通过相应的条件种植该植物，从而实现土壤修复。这两种方法分别具有各自的特点，但现阶段的技术手段和效果来说也都存在一定缺陷，即现阶段的物理化学修复法需要花费大量的药剂，成本高，而且还可能需要添加其他的有害物质，稍有不慎就可能再次造成污染，同时该方法又难以彻底实现生态修复，因此现阶段并未得到推广；而现阶段的生态修复法确实能较有效地实现生态修复，但该方法也需要引进外来耐性高的植物种植，这种外来物质也有可能引起生态破坏，同时，生态修复法作用时间慢，常需要多年的栽培方能达到一定的效果，而且生态修复法需要针对不同环境试验选择不同的植物种植，这样时间和成本也都较高，因此目前也未得到普遍性的推广。

发明内容

(1)要解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种离子型稀土尾矿土壤改良剂及其制备方法，该土壤改良剂旨在解决现有离子型稀土尾矿的生态受人工毁损，破坏了土壤质地及其理化结构，有机质含量极低，土壤缺肥少水使植物难以生长，但现有的物理化学修复法和植物生态修复法又能难以高效地进行土壤修复改良的技术问题；通过该土壤改良剂能对离子型稀土尾矿的土壤进行高效地营养补充，并结合植物的种植与土壤改良剂对土壤中有害物质的转化吸收，实现了对离子型稀土尾矿土壤稳定且高效地修复，同时极大地控制了土壤修复成本。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了这样一种离子型稀土尾矿土壤改良剂，按质量份数计，其原料配方为：猪粪1000-2000份、菌糠600-800份、麦麸400-500份、腐殖酸100-160份、豆粕800-1000份、水葫芦800-1000份、一年蓬800-1000份、微生物复合菌剂30-50份、秸秆1000-2000份、稻壳800-1000份、牛粪1000-1200份、锯末800-1000份、褐煤600-800份、椰壳600-800份、石墨烯80-120份、水凝胶300-500份、硅藻泥100-200份、沸石500-700份、纤维素基吸附剂200-400份、壳聚糖吸附剂200-400份。

优选地，所述微生物复合菌剂按质量份数计，包括绿色木霉7-12份、解磷解钾微生物5-8份、沼泽红假单胞菌5-8份、屎链球菌6-10份、植物乳杆菌7-12份。

优选地，所述土壤改良剂按质量份数计，其原料配方为：猪粪1600份、菌糠700份、麦麸450份、腐殖酸120份、豆粕900份、水葫芦900份、一年蓬900份、微生物复合菌剂40份、秸秆1500份、稻壳900份、牛粪1100份、锯末900份、褐煤700份、椰壳700份、石墨烯100份、水凝胶400份、硅藻泥160份、沸石600份、纤维素基吸附剂320份、壳聚糖吸附剂320份。

进一步的，所述微生物复合菌剂按质量份数计，包括绿色木霉10份、解磷解钾微生物6份、沼泽红假单胞菌6份、屎链球菌8份、植物乳杆菌10份。

针对上述的原料，本发明还提供了一种离子型稀土尾矿土壤改良剂的制备方法，具体步骤为：

步骤一、将猪粪、麦麸、豆粕、水葫芦、一年蓬进行粉粹并混合均匀，加水使其含水量控制在60％-70％，进行第一次发酵，控制第一次发酵时间为36-45小时，第一次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第一次发酵产物；

步骤二、将菌糠、腐殖酸、微生物复合菌剂混合均匀加入到第一次发酵产物中，加水使其含水量控制在70％-82％，进行第二次发酵，控制第二次发酵时间为25-34小时，第二次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第二次发酵产物；

步骤三、将第二次发酵产物进行晾晒风干，使其含水量下降为10％-15％，得到综合发酵产物；

步骤四、将秸秆、稻壳、牛粪、锯末、褐煤、椰壳分别进行反复破碎，使其破碎产物均过20目筛，再将破碎产物混合均匀，并将混合后的破碎产物放入惰性气体气氛的马弗炉中，控制马弗炉以25-30℃/min的速率逐渐升温，达到700-800℃后停止升温，并控制其在该温度下保持90-110分钟，之后控制其逐渐降至室温，得到碳化产物；

步骤五、将步骤三得到的综合发酵产物与步骤四得到的碳化产物进行混合，并加入石墨烯、水凝胶、硅藻泥、沸石、纤维素基吸附剂、壳聚糖吸附剂，将其混合均匀，再向其中加水，使其整体的含水量控制在10％-15％，即得到离子型稀土尾矿土壤改良剂。

优选地，在步骤一中，将猪粪、麦麸、豆粕、水葫芦、一年蓬进行粉粹并混合均匀，加水使其含水量控制在64％-66％，进行第一次发酵，控制第一次发酵时间为40-42小时，第一次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第一次发酵产物。

优选地，在步骤二中，将菌糠、腐殖酸、微生物复合菌剂混合均匀加入到第一次发酵产物中，加水使其含水量控制在74％-76％，进行第二次发酵，控制第二次发酵时间为28-30小时，第二次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第二次发酵产物。

优选地，在步骤四中，将秸秆、稻壳、牛粪、锯末、褐煤、椰壳分别进行反复破碎，使其破碎产物均过20目筛，再将破碎产物混合均匀，并将混合后的破碎产物放入惰性气体气氛的马弗炉中，控制马弗炉以27℃/min的速率逐渐升温，达到760℃后停止升温，并控制其在该温度下保持100分钟，之后控制其逐渐降至室温，得到碳化产物。

利用上述方法得到的离子型稀土尾矿土壤改良剂进行布施操作时，只需根据尾矿的地形情况，在春发季节，将待修复的稀土矿场平整为平缓地面或者斜坡，在平缓地面或者斜坡上按种植面积均匀分布地挖穴或开沟填埋该土壤改良剂，填埋深度不需要太深，约为0.3-0.4m即可，然后在其上组合种植大量本地灌木和少量本地乔木，种植后立即适当浇水，让植物自然生长即可，即可利用该土壤改良剂及其上种植的本地灌木和本地乔木实现对稀土尾矿的土壤改良。

(3)有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：一方面，本发明利用猪粪、麦麸、豆粕、水葫芦、一年蓬、菌糠、腐殖酸、微生物复合菌剂的综合发酵，以猪粪、豆粕、水葫芦等为主要原料，并外源添加对离子型稀土尾矿土壤具备改良作用的微生物菌种，以调控前期发酵的理化条件，结合发酵原料产生的相应各土壤营养成分引导后期改良剂针对离子型稀土尾矿土壤布施的改良效果，经过特定条件的二次发酵，使其微生物菌群与各特定原料的堆肥发酵相结合，变废渣为优质专用土壤有机改良剂；另一方面，本发明利用秸秆、稻壳、牛粪、锯末、褐煤、椰壳的破碎混合并碳化，以特定的原料经碳化作为部分吸附基质颗粒，再利用后续加入的石墨烯、水凝胶、硅藻泥、沸石、纤维素基吸附剂、壳聚糖吸附剂，通过石墨烯的生物导性，结合硅藻泥、沸石、纤维素基吸附剂、壳聚糖吸附剂的吸附性，结合水凝胶将发酵产物、碳化产物与其他吸附性原料相联合，并利用改良剂整体的渗透性，从而通过其吸附性能结合土壤内水的流动将离子型稀土尾矿土壤中的氨氮吸附固定，并使其通过植物的吸收，转化成植物的肥料，以吸附基质耦合植物转化的方式进行土壤脱氮，植物吸收利用基质吸附的氨氮，实现离子型稀土尾矿土壤中废物的利用，同时再结合二次发酵产生的相应土壤改良营养物，从而结合其上种植的植物，实现离子型稀土尾矿土壤全方位的修复，不仅实现了土壤改良，修复了离子型稀土尾矿的生态环境，而且实现了生物质废物的利用，提高综合效益，具有良好的经济效益和生态效益。

总体而言，本发明的土壤改良剂能对离子型稀土尾矿的土壤进行高效地营养补充，并结合植物的种植与土壤改良剂对土壤中有害物质的转化吸收，实现了对离子型稀土尾矿土壤稳定且高效地修复，同时极大地控制了土壤修复成本。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明具体实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，以进一步阐述本发明，显然，所描述的具体实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的样式。

实施例1

本具体实施方式为制备离子型稀土尾矿土壤改良剂，具体步骤为：

步骤一、将猪粪100kg、麦麸50kg、豆粕80、水葫芦100kg、一年蓬80kg进行粉粹并混合均匀，加水使其含水量控制在60％-64％，进行第一次发酵，控制第一次发酵时间为45小时，第一次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第一次发酵产物；

步骤二、将菌糠80kg、腐殖酸10kg、微生物复合菌剂5kg(其中，绿色木霉菌剂1.2kg、解磷解钾微生物菌剂0.8kg、沼泽红假单胞菌菌剂0.8kg、屎链球菌菌剂1kg、植物乳杆菌菌剂1.2kg)混合均匀加入到第一次发酵产物中，加水使其含水量控制在76％-82％，进行第二次发酵，控制第二次发酵时间为25小时，第二次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第二次发酵产物；

步骤三、将第二次发酵产物进行晾晒风干，使其含水量下降为10％-15％，得到综合发酵产物；

步骤四、将秸秆100kg、稻壳100kg、牛粪100kg、锯末100kg、褐煤60kg、椰壳80kg分别进行反复破碎，使其破碎产物均过20目筛，再将破碎产物混合均匀，并将混合后的破碎产物放入氦气气氛的马弗炉中，控制马弗炉以30℃/min的速率逐渐升温，达到800℃后停止升温，并控制其在该温度下保持90分钟，之后控制其逐渐降至室温，得到碳化产物；

步骤五、将步骤三得到的综合发酵产物与步骤四得到的碳化产物进行混合，并加入石墨烯12kg、水凝胶30kg、硅藻泥20kg、沸石50kg、纤维素基吸附剂40kg、壳聚糖吸附剂20kg，将其混合均匀，再向其中加水，使其整体的含水量控制在10％-15％，即得到离子型稀土尾矿土壤改良剂样品一。

实施例2

本具体实施方式为制备离子型稀土尾矿土壤改良剂，具体步骤为：

步骤一、将猪粪160kg、麦麸45kg、豆粕90kg、水葫芦90kg、一年蓬90kg进行粉粹并混合均匀，加水使其含水量控制在64％-66％，进行第一次发酵，控制第一次发酵时间为42小时，第一次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第一次发酵产物；

步骤二、将菌糠70kg、腐殖酸12kg、微生物复合菌剂4kg(其中，绿色木霉菌剂1kg、解磷解钾微生物菌剂0.6kg、沼泽红假单胞菌菌剂0.6kg、屎链球菌菌剂0.8kg、植物乳杆菌菌剂1kg)混合均匀加入到第一次发酵产物中，加水使其含水量控制在74％-76％，进行第二次发酵，控制第二次发酵时间为28小时，第二次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第二次发酵产物；

步骤三、将第二次发酵产物进行晾晒风干，使其含水量下降为10％-15％，得到综合发酵产物；

步骤四、将秸秆150kg、稻壳90kg、牛粪110kg、锯末90kg、褐煤90kg、椰壳90kg分别进行反复破碎，使其破碎产物均过20目筛，再将破碎产物混合均匀，并将混合后的破碎产物放入氦气气氛的马弗炉中，控制马弗炉以27℃/min的速率逐渐升温，达到760℃后停止升温，并控制其在该温度下保持100分钟，之后控制其逐渐降至室温，得到碳化产物；

步骤五、将步骤三得到的综合发酵产物与步骤四得到的碳化产物进行混合，并加入石墨烯10kg、水凝胶40kg、硅藻泥16kg、沸石60kg、纤维素基吸附剂32kg、壳聚糖吸附剂32kg，将其混合均匀，再向其中加水，使其整体的含水量控制在10％-15％，即得到离子型稀土尾矿土壤改良剂样品二。

实施例3

本具体实施方式为制备离子型稀土尾矿土壤改良剂，具体步骤为：

步骤一、将猪粪200kg、麦麸40kg、豆粕100kg、水葫芦80kg、一年蓬100kg进行粉粹并混合均匀，加水使其含水量控制在66％-70％，进行第一次发酵，控制第一次发酵时间为36小时，第一次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第一次发酵产物；

步骤二、将菌糠60kg、腐殖酸16kg、微生物复合菌剂3kg(其中，绿色木霉菌剂0.7kg、解磷解钾微生物菌剂0.5kg、沼泽红假单胞菌菌剂0.5kg、屎链球菌菌剂0.6kg、植物乳杆菌菌剂0.7kg)混合均匀加入到第一次发酵产物中，加水使其含水量控制在70％-74％，进行第二次发酵，控制第二次发酵时间为34小时，第二次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第二次发酵产物；

步骤三、将第二次发酵产物进行晾晒风干，使其含水量下降为10％-15％，得到综合发酵产物；

步骤四、将秸秆200kg、稻壳8kg、牛粪120kg、锯末80kg、褐煤80kg、椰壳60kg分别进行反复破碎，使其破碎产物均过20目筛，再将破碎产物混合均匀，并将混合后的破碎产物放入氦气气氛的马弗炉中，控制马弗炉以25℃/min的速率逐渐升温，达到700℃后停止升温，并控制其在该温度下保持110分钟，之后控制其逐渐降至室温，得到碳化产物；

步骤五、将步骤三得到的综合发酵产物与步骤四得到的碳化产物进行混合，并加入石墨烯12kg、水凝胶30kg、硅藻泥20kg、沸石50kg、纤维素基吸附剂20kg、壳聚糖吸附剂40kg，将其混合均匀，再向其中加水，使其整体的含水量控制在10％-15％，即得到离子型稀土尾矿土壤改良剂样品三。

实施对比

分别利用上述得到的离子型稀土尾矿土壤改良剂样品一、样品二、样品三进行布施操作，分别选取大余县南安镇新华村滴水龙离子型稀土尾矿三块离子型稀土尾矿区域一、区域二、区域三，根据地形情况，该矿场采用的是硫酸铵浸提法萃取稀土元素，矿区在人工开采后，土壤结构和成分受到严重破坏，矿区几乎没有植物物种存留，土壤经长时期的风吹雨淋造成严重的水土流失。在春发季节，将区域一、区域二、区域三平整为平缓地面，在区域一、区域二、区域三的平缓地面上分别均匀分布地挖穴填埋该土壤改良剂样品一、样品二、样品三，即离子型稀土尾矿区域一挖穴填埋该土壤改良剂样品一，离子型稀土尾矿区域二挖穴填埋该土壤改良剂样品二，离子型稀土尾矿区域三挖穴填埋该土壤改良剂样品三，填埋深度为0.4m，并在其上组合种植一定量本地灌木和少量本地乔木，种植后立即适当浇水，让植物自然生长，观察其两年中的植物修复，得出如下状态结果。

区域一、区域二、区域三分别经过土壤改良剂样品一、样品二、样品三的修复，三个区域的植物覆盖度逐年增加，种植一年后，草本植物的盖度达到80％以上，木本植物的成活率达到95％以上，以后，植被的覆盖度逐年增加，种植两年后，已成为稳定生长的林地，明显改善了生态条件。

通过上述的实施过程可以明显看出，本发明的土壤改良剂能对离子型稀土尾矿的土壤进行高效地营养补充，并结合植物的种植与土壤改良剂对土壤中有害物质的转化吸收，实现了对离子型稀土尾矿土壤稳定且高效地修复，同时极大地控制了土壤修复成本。

以上描述了本发明的主要技术特征和基本原理及相关优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性具体实施方式的细节，而且在不背离本发明的构思或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将上述具体实施方式看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照各实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种离子型稀土尾矿土壤改良剂，其特征在于，按质量份数计，其原料配方为：猪粪1000-2000份、菌糠600-800份、麦麸400-500份、腐殖酸100-160份、豆粕800-1000份、水葫芦800-1000份、一年蓬800-1000份、微生物复合菌剂30-50份、秸秆1000-2000份、稻壳800-1000份、牛粪1000-1200份、锯末800-1000份、褐煤600-800份、椰壳600-800份、石墨烯80-120份、水凝胶300-500份、硅藻泥100-200份、沸石500-700份、纤维素基吸附剂200-400份、壳聚糖吸附剂200-400份。

2.根据权利要求1所述的一种离子型稀土尾矿土壤改良剂，其特征在于，所述微生物复合菌剂按质量份数计，包括绿色木霉7-12份、解磷解钾微生物5-8份、沼泽红假单胞菌5-8份、屎链球菌6-10份、植物乳杆菌7-12份。

3.根据权利要求1所述的一种离子型稀土尾矿土壤改良剂，其特征在于，所述土壤改良剂按质量份数计，其原料配方为：猪粪1600份、菌糠700份、麦麸450份、腐殖酸120份、豆粕900份、水葫芦900份、一年蓬900份、微生物复合菌剂40份、秸秆1500份、稻壳900份、牛粪1100份、锯末900份、褐煤700份、椰壳700份、石墨烯100份、水凝胶400份、硅藻泥160份、沸石600份、纤维素基吸附剂320份、壳聚糖吸附剂320份。

4.根据权利要求3所述的一种离子型稀土尾矿土壤改良剂，其特征在于，所述微生物复合菌剂按质量份数计，包括绿色木霉10份、解磷解钾微生物6份、沼泽红假单胞菌6份、屎链球菌8份、植物乳杆菌10份。

5.一种离子型稀土尾矿土壤改良剂的制备方法，其特征在于，该方法用于制备如权利要求1-4任意一项的离子型稀土尾矿土壤改良剂，具体步骤为：

步骤一、将猪粪、麦麸、豆粕、水葫芦、一年蓬进行粉粹并混合均匀，加水使其含水量控制在60％-70％，进行第一次发酵，控制第一次发酵时间为36-45小时，第一次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第一次发酵产物；

步骤二、将菌糠、腐殖酸、微生物复合菌剂混合均匀加入到第一次发酵产物中，加水使其含水量控制在70％-82％，进行第二次发酵，控制第二次发酵时间为25-34小时，第二次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第二次发酵产物；

步骤三、将第二次发酵产物进行晾晒风干，使其含水量下降为10％-15％，得到综合发酵产物；

步骤四、将秸秆、稻壳、牛粪、锯末、褐煤、椰壳分别进行反复破碎，使其破碎产物均过20目筛，再将破碎产物混合均匀，并将混合后的破碎产物放入惰性气体气氛的马弗炉中，控制马弗炉以25-30℃/min的速率逐渐升温，达到700-800℃后停止升温，并控制其在该温度下保持90-110分钟，之后控制其逐渐降至室温，得到碳化产物；

步骤五、将步骤三得到的综合发酵产物与步骤四得到的碳化产物进行混合，并加入石墨烯、水凝胶、硅藻泥、沸石、纤维素基吸附剂、壳聚糖吸附剂，将其混合均匀，再向其中加水，使其整体的含水量控制在10％-15％，即得到离子型稀土尾矿土壤改良剂。

6.根据权利要求5所述的一种离子型稀土尾矿土壤改良剂的制备方法，其特征在于，在步骤一中，将猪粪、麦麸、豆粕、水葫芦、一年蓬进行粉粹并混合均匀，加水使其含水量控制在64％-66％，进行第一次发酵，控制第一次发酵时间为40-42小时，第一次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第一次发酵产物。

7.根据权利要求5所述的一种离子型稀土尾矿土壤改良剂的制备方法，其特征在于，在步骤二中，将菌糠、腐殖酸、微生物复合菌剂混合均匀加入到第一次发酵产物中，加水使其含水量控制在74％-76％，进行第二次发酵，控制第二次发酵时间为28-30小时，第二次发酵结束后搅拌散热并通风，得到第二次发酵产物。

8.根据权利要求5所述的一种离子型稀土尾矿土壤改良剂的制备方法，其特征在于，在步骤四中，将秸秆、稻壳、牛粪、锯末、褐煤、椰壳分别进行反复破碎，使其破碎产物均过20目筛，再将破碎产物混合均匀，并将混合后的破碎产物放入惰性气体气氛的马弗炉中，控制马弗炉以27℃/min的速率逐渐升温，达到760℃后停止升温，并控制其在该温度下保持100分钟，之后控制其逐渐降至室温，得到碳化产物。