CN111592419A - 一种用于稀土矿区土壤修复的复合改良剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及矿物土壤修复技术领域，具体涉及一种用于稀土矿区土壤修复的复合改良剂及其制备方法。所述复合改良剂包括以下组分：贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥、膨润土和植物粘合剂，以重量份计，贝壳粉为10‑30份，农作物废弃物为10‑20份，畜禽粪便为20‑30份，发酵污泥为20‑30份，膨润土为15‑35份，以总体积计，植物粘合剂为100‑200g/m3。本发明提供的复合改良剂可有效地调节离子型稀土矿区土壤中有机氮、磷、钾、有机质含量，改善土壤结构，提高土壤肥力，解决了离子型稀土矿废弃地有机质和氮、磷等营养成分含量低问题，为植物的生长提供了良好的环境。

Description

一种用于稀土矿区土壤修复的复合改良剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及矿物土壤修复技术领域，具体涉及一种用于稀土矿区土壤修复的复合改良剂及其制备方法。
背景技术
离子型稀土矿种广泛分布在我国南方的江西、福建、广东、云南、湖南、广西、浙江等省区，其富含中重稀土元素，其中中稀土和重稀土储量占世界的80％以上，是宝贵的矿产资源。我国离子型稀土于70年代开始开采，在80年代中期该资源的开发进入极为迅猛的发展阶段，建设了一大批以露天池浸、堆浸开采工艺进行生产的稀土矿区，90年代中期逐渐改进为原地浸矿工艺。
由于早期浸矿工艺环保措施比较粗放，堆浸、池浸工艺遗留大面积的尾砂堆场，尾砂的堆放和下泄改变了所在山区、沟谷的原始地形地貌，压占土地，破坏地表植被，形成了更大范围的尾砂堆积区。尾砂堆积区地表为砂质，结构松散，透水性强，极易造成水土流失，而且，由于浸矿工艺多采用硫酸铵，导致尾砂呈酸性，同时尾砂中有机质和氮、磷营养成分含量均较低，不利于植被的生长。因此，稀土矿废弃地土壤酸化、砂质化问题亟待解决。
目前，稀土矿废弃地的土壤改良方法主要采用化学方法，即通过添加石灰、化肥等补充植物所需养分，添加石灰易引起土壤板结，普通化肥后续追肥管理缺失，不具有可持续性，且容易造成二次污染。
发明内容
针对现有离子型稀土矿区土壤酸化、砂化的问题，本发明提供了一种用于稀土矿区土壤修复的复合改良剂及其制备方法。本发明充分利用固体废弃物进行生态恢复，不仅修复了离子型稀土矿山废弃地的土壤生态环境，提高土壤pH值，改善土壤结构，提高土壤肥力，使得酸性砂粒土成为适宜植物生长的载体，而且实现了废物的资源化利用，具有良好的经济效益和生态效益。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于稀土矿区土壤修复的复合改良剂，包括以下组分：贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥、膨润土和植物粘合剂，其中，以重量份计，贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥、膨润土和植物粘合剂，其中，以重量份计，贝壳粉为10-30份，农作物废弃物为10-20份，畜禽粪便为20-30份，发酵污泥为20-30份，膨润土为15-35份，以贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥和膨润土的总体积计，植物粘合剂为100-200g/m3。
优选的，上述复合改良剂中，以重量份计，贝壳粉为15份，农作物废弃物为15份，畜禽粪便为25份，发酵污泥为25份，膨润土为20份，以贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥和膨润土的总体积计，植物粘合剂为150g/m3。
优选的，上述复合改良剂中，所述贝壳粉为牡蛎壳粉末，其粒度为50微米-100微米。贝壳粉主要成分为CaCO3，将其作为商用石灰、沸石和其他钙质材料的替代品，用作土壤的改良剂，廉价易得，可实现废物的资源化利用。
优选的，上述复合改良剂中，所述农作物废弃物为锯末和稻壳的混合物，更优选的，锯末和稻壳的质量比为1:1。农作物废弃物锯末和稻壳中含多种营养元素和有机物质，可改善土壤物理性质，增强土壤保肥、保水性能，是一种可以资源化利用的固体废弃物资源，对保护农村生态环境、促进农业的生态化发展具有重要意义。
优选的，上述复合改良剂中，所述畜禽粪便为猪粪和鸡粪经高温堆肥发酵后的混合物，更优选的，鸡粪和猪粪的质量比为2:1。堆肥后的猪粪和鸡粪不仅为植物提供大量的氮磷钾化合物，而且合成新的高分子有机物-腐殖质，有效的提高土壤肥力，满足作物生长过程中多种养分的需要。
优选的，上述复合改良剂中，所述发酵污泥是将污水厂污泥采用好氧嗜热菌或嗜热菌发酵分解污泥中有机物后得到。本发明中，所述发酵污泥是城市污水处理厂的脱水污泥采用好氧堆肥技术，利用好氧嗜热菌、嗜热菌的作用，将污泥中有机物分解，形成一种类似腐殖质土壤的物质。泥质满足《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(GB/T 23486-2009)相关规定和控制标准。
优选的，上述复合改良剂中，所述膨润土为层间阳离子为Na+的膨润土，具有强的吸湿性和膨胀性，可吸附8～15倍于自身体积的水量，体积膨胀可达数倍至30倍；在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状；对各种气体、液体、有机物质有一定的吸附能力，最大吸附量可达5倍于自身的重量；它与水、泥或细沙的掺和物具有可塑性和黏结性。
优选的，上述复合改良剂中，所述植物粘合剂为田菁胶、瓜尔胶、刺槐胶复配得到，更优选的，田菁胶、瓜尔胶、刺槐胶按照5:3:2质量比复配。所述植物粘合剂是植物种子中提取的天然多糖类高分子物质，是一种天然黏合剂。较传统的粘合剂易降解，可促进土壤团粒结构形成，优化土壤微生物生存环境，进一步促进土壤的熟化。
本发明还提供一种上述复合改良剂的制备方法，包括以下步骤：
1)将农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥、膨润土加入搅拌机中，搅拌一定时间后，得到混合料A；
2)将步骤1)中得到的混合料A加入搅拌机中，边搅拌边加入贝壳粉，得到混合料B；
3)以步骤2)中得到的混合料B的体积计，加入植物粘合剂，搅拌一定时间后，即得。
优选的，上述制备方法中，所述畜禽粪便通过调节新鲜鸡粪和猪粪含水率为60％，C/N比为19:1，采用人工翻堆方式，进行高温堆肥发酵得到，堆肥产品呈现疏松的团粒结构。
优选的，上述制备方法中，步骤1)-步骤3)中，所述搅拌为在50～150r/min下搅拌1～2h。
本发明还提供上述复合改良剂或上述制备方法制备的复合改良剂在离子型稀土矿区土壤修复中的应用，优选的，所述复合改良剂与所述稀土矿区土壤的质量比为1：20-50，更优选为1：25。
本发明所取得的有益效果：
(1)本发明选用贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥为固体废弃物，廉价易得，起到了以废治废的效果，实现了废物的资源化利用，极大控制了土壤修复成本，具有经济和环境的双重效益；
(2)本发明提供的复合改良剂可有效地调节离子型稀土矿区土壤中有机氮、磷、钾、有机质含量，改善土壤结构，提高土壤肥力，解决了离子型稀土矿废弃地有机质和氮、磷等营养成分含量低问题，为植物的生长提供了良好的环境。
附图说明
图1为土壤原样的SEM表征。
图2为实施例2的复合改良剂修复后的土壤的SEM表征。
图3为实施例5的复合改良剂修复后的土壤的SEM表征。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不用来限制本发明的范围。
下述实施例中：
所用贝壳粉为牡蛎壳粉末，其粒度50微米-100微米；
所用农作物废弃物为锯末和稻壳的混合物，质量比为1:1；
所用畜禽粪便为将质量比为2:1的鸡粪和猪粪混合后，加入锯末混合均匀，调节C/N比为19:1，加水，调节含水率为60％，采用人工翻堆方式，高温55℃以上持续10d，周期为30天，进行高温堆肥发酵得到；
所用发酵污泥为城市污水处理厂的脱水污泥采用好氧堆肥技术，利用好氧嗜热菌、嗜热菌的作用，将污泥中有机物分解，形成一种类似腐殖质土壤的物质；其含水率为30％，粒径为8mm。泥质满足《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(GB/T 23486-2009)相关规定和控制标准。
所用膨润土为层间阳离子为Na+的膨润土；
实施例1-4所用植物粘合剂为田菁胶、瓜尔胶、刺槐胶3种天然植物粘合剂按照5:3:2质量比复配得到；实施例5所用植物粘合剂为田菁胶；实施例6所用植物粘合剂为瓜尔胶。
实施例1
实施例1提供了一种用于离子型稀土矿区酸性砂化土壤修复的复合改良剂，包括以下组分：以重量份计，贝壳粉为10份，农作物废弃物为10份，畜禽粪便为20份，发酵污泥为20份，膨润土为15份，以贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥和膨润土的总体积计，植物粘合剂为100g/m3。
上述复合改良剂的制备方法，包括以下步聚：
1)将农作物废弃物10份，畜禽粪便20份，发酵污泥20份，膨润土15份在常温下均匀混合；
2)将步骤1)中得到的混合料装入搅拌机中，加入贝壳粉10份，搅拌均匀；
3)以步骤2)中得到的混合料体积计算加入100g/m3的植物粘合剂，加水，调节湿度为70％，100r/min下搅拌1.5h后，得到半流体状的土壤改良剂。
实施例2
实施例2提供了一种用于离子型稀土矿区酸性砂化土壤修复的复合改良剂，包括以下组分：以重量份计，贝壳粉为15份，农作物废弃物为15份，畜禽粪便为25份，发酵污泥为25份，膨润土为20份，以贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥和膨润土的总体积计，植物粘合剂为150g/m3。
上述复合改良剂的制备方法，包括以下步聚：
1)将农作物废弃物15份、畜禽粪便25份、发酵污泥25份、膨润土20份在常温下均匀混合；
2)将步骤1)中得到的混合料装入搅拌机中，加入贝壳粉15份，搅拌均匀；
3)以步骤2)中得到的混合料体积计算加入150g/m3的植物粘合剂，加水，调节湿度为70％，100r/min下搅拌1.5h后，得到半流体状的土壤改良剂。
实施例3
实施例3提供了一种用于离子型稀土矿区酸性砂化土壤修复的复合改良剂，包括以下组分：以重量份计，贝壳粉为30份，农作物废弃物为20份，畜禽粪便为30份，发酵污泥为30份，膨润土为35份，以贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥和膨润土的总体积计，植物粘合剂为200g/m3。
上述复合改良剂的制备方法，包括以下步聚：
1)将农作物废弃物20份、畜禽粪便30份、发酵污泥30份、膨润土35份在常温下均匀混合；
2)将步骤1)中得到的混合料装入搅拌机中，加入贝壳粉30份，搅拌均匀；
3)以步骤2)中得到的混合料体积计算加入200g/m3的植物粘合剂，加水，调节湿度为70％，100r/min下搅拌1.5h后，得到半流体状的土壤改良剂。
实施例4
实施例4提供了一种用于离子型稀土矿区酸性砂化土壤修复的复合改良剂，包括以下组分：以重量份计，贝壳粉为15份，农作物废弃物为15份，畜禽粪便为30份，发酵污泥为30份，膨润土为35份，以贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥和膨润土的总体积计，植物粘合剂为100g/m3。
上述复合改良剂的制备方法，包括以下步聚：
1)将农作物废弃物15份、畜禽粪便30份、发酵污泥30份、膨润土35份在常温下均匀混合；
2)将步骤1)中得到的混合料装入搅拌机中，加入贝壳粉15份，搅拌均匀；
3)以步骤2)中得到的混合料体积计算加入100g/m3的植物粘合剂，加水，调节湿度为70％，100r/min下搅拌1.5h后，得到半流体状的土壤改良剂。
实施例5
实施例5提供了一种用于离子型稀土矿区酸性砂化土壤修复的复合改良剂，包括以下组分：以重量份计，贝壳粉为15份，农作物废弃物为15份，畜禽粪便为25份，发酵污泥为25份，膨润土为20份，以贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥和膨润土的总体积计，植物粘合剂(田菁胶)为150g/m3。
上述复合改良剂的制备方法，包括以下步聚：
1)将农作物废弃物15份、畜禽粪便25份、发酵污泥25份、膨润土20份在常温下均匀混合；
2)将步骤1)中得到的混合料装入搅拌机中，加入贝壳粉15份，搅拌均匀；
3)以步骤2)中得到的混合料体积计算加入150g/m3的植物粘合剂(田菁胶)，加水，调节湿度为70％，100r/min下搅拌1.5h后，得到半流体状的土壤改良剂。
实施例6
实施例6提供了一种用于离子型稀土矿区酸性砂化土壤修复的复合改良剂，包括以下组分：以重量份计，贝壳粉为15份，农作物废弃物为15份，畜禽粪便为25份，发酵污泥为25份，膨润土为20份，以贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥和膨润土的总体积计，植物粘合剂(瓜尔胶)为150g/m3。
上述复合改良剂的制备方法，包括以下步聚：
1)将农作物废弃物15份、畜禽粪便25份、发酵污泥25份、膨润土20份在常温下均匀混合；
2)将步骤1)中得到的混合料装入搅拌机中，加入贝壳粉15份，搅拌均匀；
3)以步骤2)中得到的混合料体积计算加入150g/m3的植物粘合剂(瓜尔胶)，加水，调节湿度为70％，100r/min下搅拌1.5h后，得到半流体状的土壤改良剂。
试验例土壤修复实验
江西赣州某稀土废弃矿山，于2001年投入使用，采用堆浸工艺，开采离子型稀土矿，已废弃10余年。由于堆浸工艺开采较为粗放，造成了大量的裸露废弃地和尾砂淤积地，使得山体剥离严重，地表植被破坏殆尽，生态恢复困难。现场调查表明，该稀土废弃地存在地表裸露、水土流失严重、土壤砂化严重、土壤养分极低等生态问题。土壤的基本性质如表1所示。
表1土壤理化性质
Figure BDA0002472230770000081
在上述稀土废弃场地堆浸场地中设置6个实验区，分别采用实施例1-6的复合改良剂对6个实验区进行土壤改良。
土壤改良具体步骤如下：
(1)清除稀土矿废弃场地浮石，对场地进行平整，场地平整后，每个实验块水平标高325m，长3m，宽2m，深0.2m，地面坡度1°-5°；
(2)将复合改良剂均匀撒播在稀土矿堆浸场地的表面，与酸性砂质土混匀，放置7天，复合改良剂与酸性砂质土的质量比为1：25。
对实施例1-6的复合改良剂修复后土壤进行下述检测：
(1)pH检测
不同实施例的复合改良剂修复后的土壤pH如表2所述。
表2土壤pH检测
Figure BDA0002472230770000091
由表2可知，与土壤原样相比，实施例1-4的复合改良剂修复后的土壤pH值升高，表明本发明的复合改良剂可有效改善土壤酸化问题。其中，实施例2的土壤pH达到6.6，土壤在此pH范围下，有利于植物生长，效果最优。
(2)有机质和养分
不同实施例的复合改良剂修复后的土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量如表3所述。其中，有机质采用GB 9834-1988土壤有机质测定法；全氮采样NY/T 1121.24-2012土壤全氮的测定自动定氮仪法；有效磷采用NY/T 1121.7-2014；速效钾采用NY/T 889-2004土壤速效钾含量的测定。
表3土壤有机质和养分检测
Figure BDA0002472230770000101
由表3可知，实施例1-4的复合改良剂修复后的土壤有机质、氮、有效磷、速效钾含量与土壤原样相比均显著增加，说明本发明的复合改良剂可明显增加土壤中有机质和养分含量，可以增加土壤肥力，改善其物理性质,为植物生长提供有利环境。
(3)SEM表征
对土壤原样和实施例2、5的复合改良剂修复后的土壤分别进行SEM表征，如图1、图2和图3所示。由图1可知，土壤原样由大小不一的颗粒组成，其颗粒较稀疏；由图2可知，实施例2的复合改良剂修复后的土壤中细小颗粒附着至大颗粒表面，土体密实，具有较高的稳定性，改善了土壤团粒结构。实施例5使用田菁胶作为植物粘合剂，由图3可知，其修复后的土壤中部分细小颗粒附着至大颗粒表面，但粘结不充分，土壤较松散。此外，需要说明的是，实施例6使用瓜尔胶作为植物粘合剂，其混合后的土壤粘性过高，出现了土壤板结的现象。
综上所述，本发明采用贝壳粉、农作物废弃物、动物粪便、发酵污泥、膨润土及植物粘合剂按照不同的配比混合配制的复合改良剂，既能改善离子型稀土矿区废弃地土壤结构，又可提高土壤肥力，从而营造植物适生的土壤环境。同时，所述复合改良剂利用固体废弃物，实现了资源化利用，避免对环境的二次污染，降低了生态修复工程成本，创造巨大的环境效益、社会效益和经济效益，促进了循环经济的发展。
虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对其作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种用于稀土矿区土壤修复的复合改良剂，其特征在于，包括以下组分：贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥、膨润土和植物粘合剂，其中，以重量份计，贝壳粉为10-30份，农作物废弃物为10-20份，畜禽粪便为20-30份，发酵污泥为20-30份，膨润土为15-35份，以贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥和膨润土的总体积计，植物粘合剂为100-200g/m3。
2.根据权利要求1所述的复合改良剂，其中，以重量份计，贝壳粉为15份，农作物废弃物为15份，畜禽粪便为25份，发酵污泥为25份，膨润土为20份，以贝壳粉、农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥和膨润土的总体积计，植物粘合剂为150g/m3。
3.根据权利要求1或2所述的复合改良剂，其中，所述贝壳粉为牡蛎壳粉末，其粒度为50微米-100微米。
4.根据权利要求1-3任一项所述的复合改良剂，其中，所述农作物废弃物为锯末和稻壳的混合物，优选的，锯末和稻壳的质量比为1:1。
5.根据权利要求1-4任一项所述的复合改良剂，其中，所述畜禽粪便为鸡粪和猪粪经高温堆肥发酵后的的混合物，优选的，鸡粪和猪粪的质量比为2:1。
6.根据权利要求1-5任一项所述的复合改良剂，其中，所述发酵污泥是将污水厂污泥采用好氧嗜热菌或嗜热菌发酵分解污泥中有机物后得到。
7.根据权利要求1-6任一项所述的复合改良剂，其中，所述植物粘合剂为田菁胶、瓜尔胶、刺槐胶复配得到，优选的，田菁胶、瓜尔胶、刺槐胶按照5:3:2质量比复配。
8.权利要求1-7任一项所述复合改良剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将农作物废弃物、畜禽粪便、发酵污泥、膨润土加入搅拌机中，搅拌一定时间后，得到混合料A；
2)将步骤1)中得到的混合料A加入搅拌机中，边搅拌边加入贝壳粉，得到混合料B；
3)以步骤2)中得到的混合料B的体积计，加入植物粘合剂，搅拌一定时间后，即得；
优选的，所述畜禽粪便通过调节新鲜鸡粪和猪粪含水率为60％，C/N比为19:1，采用人工翻堆方式，进行高温堆肥发酵得到。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其中，步骤1)-步骤3)中，所述搅拌为在50～150r/min下搅拌1～2h。
10.权利要求1-7任一项所述的复合改良剂或权利要求8或9所述的制备方法制备的复合改良剂在离子型稀土矿区土壤修复中的应用，优选的，所述复合改良剂与所述稀土矿区土壤的质量比为1：20-50。
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