礦山固體廢物土壤化改良試驗研究

張大勇 楊小牛 劉立波 白楊 李朝陽

收稿日期：2024-01-20;? 修回日期：2024-04-08

基金項目：國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2018YFC1902001）

作者簡介：張大勇（1993—），男，工程師，從事黃金礦山生態(tài)修復(fù)研究工作；E-mail：1130062865@qq.com

摘要：為解決西北干旱草原地區(qū)黃金礦山生態(tài)修復(fù)客土資源短缺的難題，選用以玉米秸稈、牛羊糞便、生物菌劑等為原料制備的理化性質(zhì)改良材料對某黃金礦山排土場廢石進(jìn)行土壤化改良試驗研究，用以代替表土資源進(jìn)行生態(tài)修復(fù)。通過分析不同改良配比廢石粉的理化性質(zhì)指標(biāo)變化和植物生長指標(biāo)，驗證了黃金礦山固體廢物土壤化改良的可行性。結(jié)果表明：①添加理化性質(zhì)改良材料對廢石粉進(jìn)行土壤化改良，既可有效將廢石粉堿性基質(zhì)調(diào)節(jié)至中性，又可降低廢石粉密度至滿足常規(guī)土壤要求，還可以有效提高廢石粉持水保水能力。②理化性質(zhì)改良材料可以有效增加廢石粉中植物生長所需營養(yǎng)物質(zhì)，使土壤化改良后的廢石粉滿足植被生長所需要的基本條件。③綜合黑麥草的植株發(fā)芽率、植株高度、植株根莖長和植株生長量等指標(biāo)，確定理化性質(zhì)改良材料添加量15 %較為適宜廢石粉的土壤化改良。

關(guān)鍵詞：固體廢物；理化性質(zhì)改良材料；廢石粉；生態(tài)修復(fù)；土壤化改良

中圖分類號：TD88????????? 文章編號：1001-1277（2024）06-0091-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.11792/hj20240617

引? 言

黃金工業(yè)提金與其他金屬提取有所區(qū)別，大部分黃金礦山金品位較低，回收有價物質(zhì)后會產(chǎn)生大量廢石， 其堆積占用大量土地。隨著國內(nèi)黃金開采量逐年增加，金礦開采特別是露天開采占用和破壞的土地面積也逐年增加，造成生態(tài)系統(tǒng)破壞程度也越來越大，特別是在一些生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，如西北草原地區(qū)，一旦生態(tài)環(huán)境遭到破壞，恢復(fù)難度較大［1-2］。《土地復(fù)墾條例》明確規(guī)定，生產(chǎn)建設(shè)活動損毀的土地，按照“誰損毀，誰復(fù)墾”原則，由生產(chǎn)建設(shè)單位或個人負(fù)責(zé)復(fù)墾［3-4］。因此，黃金礦山企業(yè)積極實施礦山土地資源復(fù)墾和環(huán)境綜合治理，恢復(fù)和提高礦山土地生產(chǎn)力。通過處理固體廢物、改良土壤、合理重建地面排水和大規(guī)模生態(tài)復(fù)墾等，可有效防止大氣、水體、土壤的污染和水土流失，改善和提高礦山生態(tài)環(huán)境水平，使土地資源得到高效、充分利用。

傳統(tǒng)礦山生態(tài)修復(fù)多采用表面覆土結(jié)合植被恢復(fù)的方式，但西北干旱草原地區(qū)的一些礦山企業(yè)面臨表土資源短缺難題，無法采用傳統(tǒng)覆土方式進(jìn)行生態(tài)修復(fù)［5］。如果能夠?qū)⒌V山現(xiàn)有固體廢物通過土壤化改良用以代替表土進(jìn)行無土、少土生態(tài)修復(fù)，既可以實現(xiàn)固體廢物再利用，減少固體廢物堆存對周邊環(huán)境造成的安全隱患，又可以解決礦山企業(yè)面臨的表土資源緊缺難題［6-7］。因此，開展針對礦山固體廢物的土壤化改良研究對于缺土地區(qū)的生態(tài)修復(fù)工作具有重要意義。

本文選用以玉米秸稈、牛羊糞便、生物菌劑等為原料制備的理化性質(zhì)改良材料，對某黃金礦山排土場廢石粉進(jìn)行土壤化改良，將改良后的廢石粉代替土壤進(jìn)行植被種植試驗研究，探討不同理化性質(zhì)改良材料添加量對排土場廢石粉基質(zhì)改良效果的影響，以及在不同配比條件下植被生長的差異性，為礦山固體廢物土壤化改良和無土、少土生態(tài)修復(fù)提供依據(jù)。

1? 試驗部分

1.1? 試驗材料

試驗所用理化性質(zhì)改良材料以玉米秸稈、牛羊糞便、生物菌劑等為原料，采用“高溫氣解”“發(fā)酵堆肥”等技術(shù)制備而成；固體廢物為西北干旱草原地區(qū)某黃金礦山排土場的廢石粉，對其理化性質(zhì)進(jìn)行檢測分析，結(jié)果見表1；選取多年生黑麥草種子進(jìn)行植被種植試驗。

由表1可知：廢石粉pH值為8.38，呈堿性，不利于常規(guī)植物的生長。土壤密度可以反映土壤的孔隙狀況，是表征土壤松緊度的一個指標(biāo)；正常土壤密度一般為1.0～1.8 g/cm3［8］，廢石粉密度為2.18 g/cm3，明顯高于正常土壤，說明廢石粉的透氣性較差，不利于植物的生長。全氮、全磷、全鉀、有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.33 g/kg、0.14 g/kg、8.5 g/kg、

6.82 g/kg，對照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)［9］（見表2）可知，全氮和全磷含量為六級土壤標(biāo)準(zhǔn)，全鉀和有機(jī)質(zhì)含量為五級土壤標(biāo)準(zhǔn)，說明廢石粉中營養(yǎng)物質(zhì)極度匱乏，必須在廢石粉中補(bǔ)充營養(yǎng)物質(zhì)才能實現(xiàn)廢石粉的土壤化改良。

1.2? 試驗方法

本試驗共設(shè)置7組不同理化性質(zhì)改良材料添加量的對比水平，在溫室大棚中進(jìn)行。將理化性質(zhì)改良材料和排土場廢石粉按照設(shè)計配比混合均勻裝入花盆中，花盆長40 cm、寬16 cm、高10 cm，每個花盆裝5 kg改良后廢石粉，壓實，種植黑麥草，定期澆水。改良后廢石粉盆栽試驗方案見表3。

1.3? 測定項目及分析方法

土壤pH采用玻璃電極法測定，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀滴定法測定，全氮采用自動定氮儀法測定，全磷采用分光光度法測定，全鉀采用電感耦合等離子體（ICP）法測定。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 改良廢石粉理化性質(zhì)分析

2.1.1? 酸堿度

不同配比改良廢石粉pH變化見圖1。由圖1可知：未改良廢石粉pH值為8.38，呈堿性，不利于植被生長。隨著理化性質(zhì)改良材料添加量的增加，改良廢石粉基質(zhì)pH逐漸降低，由弱堿性降低為中性;在理化性質(zhì)改良材料添加量達(dá)到30 %時，改良廢石粉pH值降低至7.5。理化性質(zhì)改良材料可以改善廢石粉pH是因為其主要的制備原材料——玉米秸稈在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生大量腐殖酸和黃腐酸，二者呈弱酸性，可有效調(diào)節(jié)廢石粉酸堿度，使其達(dá)到適宜植被生長的水平［10-11］。

2.1.2? 密? 度

不同配比改良廢石粉密度變化見圖2，不同配比改良廢石粉孔隙度變化見圖3。由圖2、圖3可知：隨著理化性質(zhì)改良材料添加量的增加，改良廢石粉的密度逐漸降低，孔隙度逐漸增加。在理化性質(zhì)改良材料添加量達(dá)到15 %時，改良廢石粉密度降低到1.8 g/cm3以下，達(dá)到正常土壤密度。理化性質(zhì)改良材料之所以能夠有效改善廢石粉的土壤結(jié)構(gòu)，是因為其本身密度較小，并且有較大的孔隙度，與廢石粉混合可機(jī)械性改善廢石粉顆粒的組成，提升其疏松程度。同時，理化性質(zhì)改良材料中黃腐酸和腐殖酸分解產(chǎn)生的有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)具有適度的黏結(jié)性，可進(jìn)一步促進(jìn)廢石粉顆粒間的團(tuán)聚和大粒徑團(tuán)聚體的形成，從而起到改善土壤結(jié)構(gòu)、增加土壤孔隙度、降低土壤密度的作用。

2.1.3? 持水保水能力

本試驗的持水量為5 kg土壤在飽水狀態(tài)下自然放置24 h后的剩余持水量，剩余持水量與土壤總體積之比為持水度。不同配比改良廢石粉持水量變化見圖4，不同配比改良廢石粉持水度變化見圖5。由圖4、圖5可知：隨著理化性質(zhì)改良材料添加量的增加，改良廢石粉的持水量和持水度逐漸升高;原因是理化性質(zhì)改良材料本身具有很大的孔隙度和較強(qiáng)持水保水能力，可有效改善廢石粉持水保水性能，這對于西北干旱草原地區(qū)的生態(tài)修復(fù)尤其重要。因為該地區(qū)降雨量少，蒸發(fā)強(qiáng)度大，改良廢石粉持水保水能力的提高意味著可以減少水分的損失，更有利于植物生長［12-13］。

2.1.4? 營養(yǎng)物質(zhì)含量

不同配比改良廢石粉有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化見圖6，不同配比改良廢石粉全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化見圖7。由圖6、圖7可知：隨著理化性質(zhì)改良材料添加量的增加，改良廢石粉中的全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)含量均有不同程度的提高。對照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標(biāo)準(zhǔn)中的等級劃分可知，在理化性質(zhì)改良材料添加量為10 %時，對比未改良廢石粉，改良廢石粉全氮含量由六級土壤標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)橐患壨寥罉?biāo)準(zhǔn)，有機(jī)質(zhì)含量由五級土壤標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)橐患壨寥罉?biāo)準(zhǔn)，全磷含量由六級土壤標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)槎壨寥罉?biāo)準(zhǔn)，全鉀含量由五級土壤標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)槎壨寥罉?biāo)準(zhǔn)。這說明理化性質(zhì)改良材料中的全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富，可以有效改善廢石粉中營養(yǎng)物質(zhì)匱乏問題，使改良廢石粉基質(zhì)更加適宜植物生長。

2.2? 黑麥草生長狀況差異性分析

對不同改良配比下黑麥草的發(fā)芽率和不同時期的植株高度進(jìn)行記錄，并在黑麥草生長期結(jié)束后對其根長、莖長、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量等進(jìn)行檢測。不同改良配比下黑麥草生長情況見圖8（從左到右依次為：M2、M3、M4、M5、M6、M7）。試驗發(fā)現(xiàn)，M1中黑麥草發(fā)芽率較低，且發(fā)芽后全部死亡。

2.2.1? 植株發(fā)芽率

不同改良配比下黑麥草發(fā)芽率變化見圖9。由圖9可知：未改良廢石粉不適于黑麥草生長，其發(fā)芽率僅為36.7 %；當(dāng)理化性質(zhì)改良材料添加量為10 %～20 %時，黑麥草發(fā)芽率大于90 %；當(dāng)理化性質(zhì)改良材料添加量增加到20 %～30 %，黑麥草發(fā)芽率有所降低，說明理化性質(zhì)改良材料添加量并非越高越好，應(yīng)當(dāng)適量。因此，從發(fā)芽率指標(biāo)來考慮，改良廢石粉中理化性質(zhì)改良材料添加量在10 %～20 %時較為適宜。

2.2.2? 植株高度

不同改良配比下黑麥草不同生長期高度變化見圖10。由圖10可知：在黑麥草生長前20 d內(nèi)，不同改良配比廢石粉中植株高度差異較??；生長時間為60 d時，各組別植株高度出現(xiàn)明顯差異。隨著理化性質(zhì)改良材料添加量的增加，植株高度明顯增加，當(dāng)理化性質(zhì)改良材料添加量達(dá)到15 %時，對比添加量小于15 %的3組，植株高度有明顯增加，但當(dāng)理化性質(zhì)改良材料添加量繼續(xù)增加時，植株高度趨于穩(wěn)定，不再有明顯的增加。因此，從植株高度指標(biāo)來考慮，改良廢石粉中理化性質(zhì)改良材料添加量達(dá)到15 %時即可滿足植被的生長需求。

2.2.3? 植株根莖長

不同改良配比下黑麥草根長變化見圖11，不同改良配比下黑麥草莖長變化見圖12。由圖11和圖12可知：黑麥草植株的根長和莖長變化規(guī)律具有一致性，均隨理化性質(zhì)改良材料添加量的增加先增加后趨于穩(wěn)定。當(dāng)理化性質(zhì)改良材料添加量達(dá)15 %時，黑麥草植株的根長和莖長均達(dá)到最高；繼續(xù)增加理化性質(zhì)改良材料添加量，根長和莖長趨于穩(wěn)定，不再有明顯增長。因此，從植株根長和莖長指標(biāo)來考慮，改良廢石粉中理化性質(zhì)改良材料添加量達(dá)到15 %時即可滿足植被的生長需求。

2.2.4? 植株生長量

在黑麥草生長期結(jié)束后，將植株根部泥土清洗干凈，用吸水紙吸干水分，測量植株鮮質(zhì)量，然后在60 ℃烘箱中恒溫將黑麥草植株烘干至恒定質(zhì)量，測量黑麥草植株干質(zhì)量。不同改良配比下黑麥草生長量變化見圖13。由圖13可知：當(dāng)理化性質(zhì)改良材料添加量達(dá)到10 %時，對比添加量小于10 %的2組，植株生長量明顯增加；之后隨著理化性質(zhì)改良材料添加量的增加，黑麥草植株鮮質(zhì)量緩慢增加；當(dāng)理化性質(zhì)改良材料添加量達(dá)到20 %時，黑麥草植株干質(zhì)量達(dá)到最大。因此，從植株生長量指標(biāo)來考慮，改良廢石粉中理化性質(zhì)改良材料添加量在10 %～20 %時較為適宜。

3? 結(jié)? 論

1）通過采用“高溫氣解”“發(fā)酵堆肥”等技術(shù)制備出的理化性質(zhì)改良材料富含黃腐酸和腐殖酸等物質(zhì)，既可以改善廢石粉的堿性基質(zhì)，又可降低廢石粉密度。同時，由于理化性質(zhì)改良材料具有很大的孔隙度和較強(qiáng)持水保水能力，可以有效改善廢石粉的持水保水性能，更有利于干旱地區(qū)植物的生長。

2）理化性質(zhì)改良材料中的全氮、全磷、全鉀和有機(jī)質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)含量豐富，通過在廢石粉中添加適量比例的理化性質(zhì)改良材料，可以有效改善廢石粉中營養(yǎng)物質(zhì)匱乏問題，使改良后的廢石粉能夠滿足植物生長需求。

3）通過對不同改良配比廢石粉中黑麥草的生長狀況考察發(fā)現(xiàn)，在理化性質(zhì)改良材料添加量為15 %時，黑麥草的植株發(fā)芽率、植株高度、植株根莖長和植株生長量等指標(biāo)均較優(yōu)，因此確定15 %的理化性質(zhì)改良材料添加量為廢石粉土壤化改良的最佳配比。

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Experimental study on soil modification of solid waste from? mines

Zhang Dayong1，Yang Xiaoniu2，Liu Libo2，Bai Yang2，Li Chaoyang3

（1.Changchun Gold Research Institute Co.，Ltd.;

2.Inner Mongolia Pacific Mining Co.，Ltd.;

3.Henan Zhongyuan Gold Smelter LLC.）

Abstract：To solve the problem of guest soil resources for ecological restoration of a gold mine in the arid grassland region of Northwest，a study was conducted on using physicochemical modified materials prepared from raw materials such as corn straw，cow and sheep manure，and biological agents to improve the soil of the dump waste rock in the gold mine，replacing the surface soil resources for ecological restoration.By analyzing the changes in physicochemical properties and plant growth indicators of waste rock powder? with different modification ratios，the feasibility of soil modification of solid waste of a gold mine was verified.The results showed that：①adding physicochemical modified materials to improve the waste rock powder? can effectively adjust the alkaline properties of the waste rock powder to neutral，reduce the density of the waste rock powder to meet conventional soil requirements，and effectively improve the water retention capacity of the waste rock powder;②physicochemical modified materials can effectively increase the nutrients needed for plant growth in the waste rock powder，making the waste rock powder after soil modification meet the basic conditions for vegetation growth;③combining indicators such as germination rate，plant height，root and stem length，and plant growth of ryegrass，it was determined that the addition of 15 %of physicochemical modified materials is suitable for soil modification of waste rock powder.

Keywords：solid waste;physicochemical modified materials;waste rock powder;ecological restoration;soil modification