采礦廢棄場地土壤修復(fù)新技術(shù)研究

王 靜 李順靈 燕戰(zhàn)軍 趙耀宇 楊 華 劉恩慧

(河南金谷實業(yè)發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450012)

1 采礦廢棄場地污染現(xiàn)狀

采礦廢棄場地是指因采礦活動所破壞和占用的、未經(jīng)治理而無法使用的土地。其主要包括排土場、尾礦、廢石堆、采礦區(qū)和塌陷區(qū)等。采礦廢棄場地一般呈現(xiàn)酸性，尾礦渣、廢棄巖石中含有大量重金屬，隨著降雨、風蝕、大氣干濕沉降等自然因素的長期影響，重金屬離子會逐漸向周邊移動，進而進入周邊土壤、地表水、地下水中造成污染，從而引起周圍土壤肥力下降、農(nóng)作物減產(chǎn)，導致周邊乃至更大范圍的環(huán)境污染［1，2］。

采礦廢棄場地土壤一般都非常貧瘠，N、P、K 含量較低，致使植物因沒有足夠的營養(yǎng)源而難以生存。加之土壤偏酸性、嚴重時pH 甚至接近于2，酸性條件會促進重金屬離子的溶出，加劇重金屬污染程度，影響植物生長代謝，抑制植物對營養(yǎng)元素的吸收及根系的生長。土壤機械粒度大、土壤容重大，致使水分難以入滲，持水保肥性能被嚴重破壞，水土流失嚴重，持水保肥的效果遠低于一般土壤，植物在這樣自然狀況下的土壤環(huán)境中很難存活和生長［3］。因此，一般采礦廢棄場地都寸草不生，呈現(xiàn)出棕色或灰褐色的裸露層，不僅破壞了原來健康的生態(tài)環(huán)境、造成不同程度的水土流失，也對周邊居民的生存環(huán)境構(gòu)成潛在威脅［2，4］。

因此，對采礦廢棄場地土壤進行修復(fù)，盡快恢復(fù)其植被功能對解決采礦廢棄場地及周邊環(huán)境問題至關(guān)重要。

2 城市污泥等修復(fù)采礦廢棄場地土壤

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

城市污泥較強的粘性、持水性和保水性等物理性質(zhì)能很大程度上彌補采礦廢棄場地土壤透水性、抗蝕性、抗沖性都很差等特點，從而改善其水土保持能力。因此，利用城市污泥提高采礦廢棄場地土壤的有機質(zhì)及養(yǎng)分含量、改善土壤結(jié)構(gòu)性能、提高其持水性防止水土流失等具有明顯的優(yōu)越性。Sort［5］等人研究表明，廢棄場地的有機質(zhì)含量隨著城市污泥使用量的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，水土流失量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。張增強［6］和周立祥［7］的研究結(jié)果表明，城市污泥對改善土壤結(jié)構(gòu)、容重、孔隙率、透水率和持水性等都有明顯的改善。周學武［8］等嘗試將礦山固體廢棄物(污泥、粉煤灰、淤泥等)作為土壤改良劑，對山東新汶礦區(qū)華峰煤礦實驗區(qū)的退化土地進行土壤改良，并進行了種植實驗。經(jīng)改良后的土壤中有機質(zhì)、N、P 等營養(yǎng)物質(zhì)含量大幅增加，土壤容重顯著降低，持水性能明顯提升。試驗結(jié)果充分證明污泥、粉煤灰、淤泥等對改善礦山退化土壤有顯著的修復(fù)效果，對土壤結(jié)構(gòu)和性能、增加養(yǎng)分含量等有明顯的改善和增加。吳志強［9］利用城市污泥、粉煤灰等對黔西北鉛鋅礦區(qū)污染土壤進行修復(fù)試驗，試驗結(jié)果表明:適當?shù)谋壤勖夯液统鞘形勰嗖坏芨纳频V渣的貧瘠條件，還能降低污染區(qū)域重金屬的毒害作用。并提出在污泥中加入50%粉煤灰后再與礦渣以1:2 的比例修復(fù)效果較好。

2.2 城市污泥的生物特性

城市污泥是城市污水處理過程中的沉淀物。城市污泥中很大一部分是微生物團，因污泥成分不同，未消化的生物污泥的有機物質(zhì)含量約占干物質(zhì)的40%～55%。污泥具有植物需要的較豐富的氮、磷、鉀、鈣、鎂等營養(yǎng)元素(詳見表1)，特別是有機質(zhì)含量較高［9］。城市污泥除了含有豐富的氮、磷、鉀和有機質(zhì)外，還具有較強的粘性、持水性和保水性等物理性質(zhì)。在污水處理過程中，細菌及大部分寄生生物在初級和二級沉淀中沉積下來，并與污泥混合，病毒則吸附在污水中的顆粒上，再隨顆粒的沉淀沉積在污泥中。

表1 不同物質(zhì)中有機質(zhì)及養(yǎng)分含量(g/kg，干重)

城市污泥作為一種含有大量有機質(zhì)，富含高氮、高磷的有機混合物，污泥的農(nóng)田利用由于既能為作物提供營養(yǎng)成分、改良和培肥土壤，又能大量處理污泥，所以已逐漸成為一種世界趨勢。與此同時污泥中還有病原菌、寄生蟲及其重金屬等有毒有害物質(zhì)，這是限制其農(nóng)業(yè)利用的主要因素之一。如何合理利用和處置剩余污泥，變廢為寶已成為當今剩余污泥處置的研究熱點［6，7，9，10］。

2.3 修復(fù)機理與過程

國內(nèi)外學者的大量研究均表明，多種有機廢物對采礦廢棄場地土壤修復(fù)有很好的修復(fù)效果，他們不但能改善該類區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)和提高土壤微生物含量［11］，有效提高其持水保肥性能，極大的控制了水土流失量。還能實現(xiàn)將土壤中的重金屬穩(wěn)定固化，從根本上恢復(fù)其生態(tài)功能。

在采礦廢棄場地土壤中施加城市污泥、秸稈、BYM菌等的物質(zhì)，將添加混合物與受污染土壤按照一定比例進行混合，并進行原位發(fā)酵。采用這種方式對富含重金屬、土壤肥效低、質(zhì)量差的采礦廢棄場地土壤進行修復(fù)?；旌衔锿ㄟ^發(fā)酵產(chǎn)生大量的水溶性有機物、腐殖酸、生物酶等多種物質(zhì)，這些物質(zhì)可能直接與土壤中的重金屬發(fā)生氧化還原反應(yīng)、沉淀與吸附等作用而降低重金屬的移動性或生物有效性，也可能通過改變土壤的一些理化性質(zhì)而間接地減少植物對重金屬的吸收，這些作用常常同時發(fā)生并相互影響。

另外混合物中特別添加了BYM 菌來增加土壤中的微生物含量、進而增強土壤的活性，促進采礦廢棄場地土壤結(jié)構(gòu)的改善、持水性能的增強。土壤中的微生物對重金屬的吸收、沉淀、降解、氧化和還原作用等將污染物分解，從而降低土壤中重金屬毒性。其二次污染較小處理形式多樣，操作相對簡單，可進行原位處理，對環(huán)境的擾動較小，且不破壞植物生長所需要的土壤環(huán)境，費用較低。

2.4 技術(shù)特點及優(yōu)越性

使用城市污泥、秸稈、BYM 菌對采礦廢棄場地土壤進行修復(fù)，使其恢復(fù)植被功能，改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量狀況具有十分重要的意義。該技術(shù)的特點和優(yōu)越性主要有以下幾點:

(1)相對于現(xiàn)有的物理、化學修復(fù)，利用城市污泥、秸稈及BYM 菌等混合發(fā)酵來修復(fù)采礦廢棄場地土壤過程簡單，操作方便，而且所用物料中城市污泥占據(jù)很大比重，這不僅給城市污泥的處理提供了出路，也讓修復(fù)投資和運行費用較低，且該種修復(fù)方式對環(huán)境的擾動最小，不會帶來二次污染，最大限度的保留和恢復(fù)了土壤的生態(tài)功能。

(2)在對污染土壤進行修復(fù)過程中，物料中的秸稈和污泥都有利于改善土壤板結(jié)情況，能夠有效增加土壤松散程度，便于土壤中空氣流通，有利于土壤中微生物和植物的生長繁殖。

(3)混合物料中秸稈和污泥中均含有大量的有機質(zhì)成分，在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生大量的腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)、糖類等營養(yǎng)物質(zhì)，提高土壤中的有機質(zhì)含量，有利于修復(fù)后土壤的植物生長。而且物料混合過程中添加了復(fù)合菌種BYM，促進土壤微生物的增殖，提高土壤中微生物的數(shù)量，進而改善土壤生態(tài)系統(tǒng)。

(4)經(jīng)過原位發(fā)酵的混合物料營養(yǎng)豐富，微生物種類和含量均有大幅度提高，BYM 菌能夠引發(fā)強大的根際效應(yīng)，使植物根系比一般農(nóng)田植物根系發(fā)達很多，植物的茁壯生長對恢復(fù)采礦廢棄場地土壤植被功能、提高其保水保肥能力、減少水土流失量有顯著的作用。

綜上所述，以城市污泥、秸稈、BYM 菌的混合發(fā)酵方式對采礦廢棄場地土壤進行修復(fù)，為城市污泥的處理處置提供了新的出路，實現(xiàn)了污泥的資源化利用，實現(xiàn)了以廢治廢、變廢為寶的目的。該修復(fù)方式綠色、安全、環(huán)保，修復(fù)后的土壤結(jié)構(gòu)性能得到明顯改善，保水保肥效果較好，大大降低了水土流失量。該技術(shù)投入成本低，修復(fù)過程簡便易行，是非常有市場潛力的礦山廢棄場地土壤修復(fù)技術(shù)。

3 結(jié) 論

以上研究表明，以城市污泥、秸稈、BYM 菌的混合發(fā)酵方式對采礦廢棄場地土壤進行修復(fù)，為城市污泥的處理處置提供了新的出路，實現(xiàn)了污泥的資源化利用，實現(xiàn)了以廢治廢、變廢為寶的目的。該修復(fù)方式綠色、安全、環(huán)保，修復(fù)后的土壤結(jié)構(gòu)性能得到明顯改善，保水保肥效果較好，大大降低了水土流失量。該技術(shù)投入成本低，修復(fù)過程簡便易行，是非常有市場潛力的礦山廢棄場地土壤修復(fù)技術(shù)。該技術(shù)將濕污泥、秸稈、采礦廢棄場地土壤和復(fù)合菌種BYM 按照一定比例混合均勻，進行原位堆積好氧發(fā)酵，利用發(fā)酵過程產(chǎn)生的大量具有水溶性有機物、腐殖酸、生物酶可通過絡(luò)合、螯合等作用降低土壤中重金屬的生物活性和毒性。同時BYM 菌的加入既增加了土壤中的生物量，也增強了土壤生物活性，為恢復(fù)土壤的植被功能提供了保障。城市污泥本身就是我國亟待處理的固體污染源，將濕污泥作為一種修復(fù)材料使用，這也為城市污泥的處理處置提供了一個新的途徑。該修復(fù)技術(shù)既降低了修復(fù)的成本，又實現(xiàn)了以廢治廢、變廢為寶的目的。修復(fù)后土壤種植的植物根系比清潔土壤種植的同種植物根系要發(fā)達很多，使用該技術(shù)修復(fù)采礦廢棄場地土壤顯著增加了土壤的肥力，有效改善土壤板結(jié)、提高土壤中的有機質(zhì)含量等，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的新技術(shù)。

采用城市污泥、秸稈、BYM 菌混合發(fā)酵技術(shù)對采礦場廢棄場地土壤進行修復(fù)，消除了其長期存在的安全及環(huán)境隱患，保證了周圍人民群眾的生產(chǎn)、生活安全，具有顯著的社會效益。同時也實現(xiàn)了國家環(huán)保法律、法規(guī)和政策管理目標的要求，改善了采礦場廢棄場地土壤環(huán)境質(zhì)量，具有顯著的環(huán)境效益。

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