矿区生态复垦中的废弃物废利用技术与方法

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《土地整治与复垦》课程论文

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矿区生态复垦中的废弃物利用技术与方法

摘要:充分利用生产生活中的生产过程中产生的，矸石、粉煤灰，污泥，菌类废弃培养基，生活垃圾，结合传统的土地复垦方法和生态恢复技术对矿区废弃土地土壤进行改良，并对各种废弃物的改良效果做出分析。通过废物利用增加土壤的微生物数量，增强土壤的呼吸和活化强度，使有机物和微量元素得到积累，为生物群落的演替提供良好条件，达到促进矿山生态复垦的目的。

关键词：废物利用,土壤改良,生物技术,土地复垦

0 引 言

在矿产资源开发过程中，由于各种施工建设的进行，大量的人为活动直接或间接的对矿区的生态造成了不同程度的破坏：如直接挖掘引起地表破损和废弃土石堆积，导致大量的土地被占用和污染破坏。土壤改良是矿山废弃土地进行生态复垦过程中重要的一环。本文介绍利用生产生活中的废弃物和废弃物的加工物对矿区复垦土地进行土壤改良的相关技术及方法。

1 矿区的土地生态复垦

我国1988年颁布的《土地复垦规定》列出了相关的土地复垦类型。土地复垦定义为：将各种破坏的土地恢复到可供利用状态的活动。

矿区是以采矿、加工为主导产业发展起来并走上工业化道路的一类社区。受生产建设扰动影响，矿区原有生态系统被破坏，其系统环境更显脆弱性和多样性[1]。由于矿区生态的脆弱性，敏感性，功能不全的特点，矿区生态已经无法通关自身的自净能力完成对采矿排出的废物进行净化分解，长期的生产活动造成生物群落的演替极度缓慢。要想完成矿区的生态重建必须依靠人类的环境保护和生态修复等措施。矿山土地复垦和生态修复，应该遵循自然界的客观规律,应以生态学、土壤学、生物学、农林学、景观学为理论依据利用多种科学手段，兼顾生态效益与经济效益，做到投入少，修复效果好，经济效益佳。

2 矿山生态系统

2.1 矿区的土壤及植被现状

矿区废弃地土壤重金属含量严重超标, 且贫瘠酸化, PH值在4.0以下, 土壤保水、保肥的能力差, 不利于大多数植物生长发育。 矿区废弃地的立地条件随着尾矿堆放年限的长短而发生明显变化, 因此, 将其按堆放年限划为四大类型。以一二类为例：一类废弃地: 面积不是很大,堆放年限为5年以内, 表层没有明显的风化碎屑, 仍呈矿渣状态, 基本上没有植被覆盖。二类废弃地: 尾矿堆放年限为5-10年, 表层尾矿渣风化碎屑厚度为0-5cm, 植被稀

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少, 总盖度在5%左右[2]。

2.2 土壤改良的重要性与现状

矿区土地复垦的重要环节就是矿区土壤的重构, 改良。复垦区土壤由于塌陷、压占等破坏性扰动, 与破坏前相比, 存在肥力降低, 熟化程度下降, 可耕性不良的情况。为提高复垦效果, 必须对复垦区土壤进行改良。使用化肥虽可在一定程度上提高土壤供肥能力, 但单施化肥无助于改善土壤质地。配施有机肥可明显改善复垦区土壤的质量, 但普通有机肥施用量较大, 原料来源有一定的地域限制[3]。随着我国农业生产的迅猛发展，其副产品数量（如农业

废弃物）日益增多，如不及时正确处理就会给环境造成破坏。如能利用农业废弃物生产肥料，不但可以开辟新肥源、解决肥料紧缺的问题，还可以解决环境污染的问题。 [4]

3 土壤改良中的废物利用

3.1 传统的土地复垦的基本流程及方式

土地复垦过程一般为: 表土——耕植土——采集——表土堆存——表土铺设及平整——土壤改良及施肥一种植利用等。表土及耕植土采集应视具体条件而定,采集厚度一般不大于0.5cm。采集的表土及耕植土应堆在复垦场地标高较高的干燥处, 并在表土堆上及时种草, 以防风蚀、水蚀和杂草滋生, 表土堆高度不宜超过5～10m。

表土覆盖厚度应根据当地土质情况、气候条件、复垦土地用途以及土源多少确定, 一般不小于0.2～1.0m。

整地方式一般平盘采用全面整地、带状整地和块状整地, 斜坡采用水平沟和鱼磷坑整地。

工程复垦后的土地很贫痔, 一般需要进行土壤改良, 土壤改良方法主要有绿肥法、微生物法、施肥法、客土法、化学法、磁法和管理法等[5]。

3.2 含废弃物的土壤改良

(1) 利用粉煤灰改良土壤

粉煤灰是燃煤电厂排放的废渣。粉煤灰资源农用是开发利用粉煤灰的重要途径, 世界各国都非常重视[6]。

粉煤灰是由很多具有不同结构和形态的微粒组成的，它的化学成分主要是SiO2、Al2O3和Fe2O3等，因此粉煤灰具有吸附作用、凝聚作用、助凝作用和沉淀作用[7]，粉煤灰的加入有

利于重金属离子与铁锰氧化物和层状硅酸盐结合，即铁锰氧化物结合态和残渣态含量增加。粉煤灰的施入可以钝化受污染土壤中的重金属，降低重金属对植物的危害。粉煤灰对土壤微生物活性具有正面的影响。有研究表明[8]: 粉煤灰可显著提高白浆土微生物活性，增加芽孢菌含量; 同时有利于促进草炭有机成分在土壤中的腐殖化过程，增加了草莓菌含量，从而提高了土壤中生物的抗性，使有益微生物占优势，从而为植物生长创造有利的环境。

张建国等人的实验结果表明:在粉煤灰表层覆潮土30cm 情况下, 以30cm 潮土与20cm

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粉煤灰混合处理对林木生长的促进作用要大于不混合处理; 间作绿肥与压青均能显著促进林木的生长, 相比而言, 压青效果优于间作绿肥[9]。 上述实验表明：50 cm厚度的粉煤灰—潮土混合土层对林木的生长有着较好的促进效果。对于土壤改良过程中，上层的土壤改良可以采用粉煤灰——潮土混合的改良方法，但是此方法需配合其他方法来增加土壤中的有机质。

(2) 污泥对土壤的改良

污水污泥中有机质含量较高，氮、磷、钾养分较丰富。污泥中含有的有机质一般都在30%以上，有机质对土壤理化性质起着重要的作用， 因此污泥对农业有着潜在的利用价值，在经过处理后，可以作为一种养分含量颇高的有机肥使用。

污泥经堆肥化后，其中的病原菌、寄生虫卵等几乎全部被杀死，重金属有效态的含量也会降低，营养成分有所增加，使得污泥的稳定性和可利用性大大增加[10-11]。对水稻和大豆施加合理用量的干污泥可提高土壤中速效N、P、K 的供应水平，从而促进作物增产[12]，而将污泥经好氧发酵，与粉煤灰、无机肥料混合后施用于水稻，对水稻的肥效与N、P、K 三元复合肥相当[13]。

周立祥等人的实验结果表明, 施用一定量城市生活污泥对土壤有机质、土壤腐殖化程度、土壤结构性等均有明显的提高和改善, 效果优于猪、牛粪。污泥对土壤残留氮累积、残留水解氮增加, 以及全磷与速效磷含量均有明显的效果。施用污泥能显著促进土壤代谢强度, 表现在土壤呼吸强度提高[ 14]。

张陇利,刘青等人的实验：以消化污泥、锯末和回流堆肥为原料, 接种不同剂量( 0.1%、0. 2%、0.5% )的复合微生物菌剂进行室外露天堆肥, 分析了温度、含水率、pH 值、全碳( TC )、全氮( TN) 、种子发芽指数( germination index , G I)的动态变化, 结果表明: 各堆体温度保持在50℃ 以上的时间均超过7 d, 满足堆肥卫生标准; 接种复合微生物菌剂的堆体升温速率和温度最高值均大于未接种堆体, 接种复合微生物菌剂有利于增加堆体水分散失量, 加快堆体有机质降解速度, 降低堆体氮的损失量, 提高GI值; 其中微生物菌剂接种量为0.5%的堆体, 接种处理对水分散失、氮损失的控制和GI值的增加效果较明显[15]。

多项实验表明：污泥堆肥后对土壤改良有明显作用，土壤中微生物种类数量增加，生物炭固化效果明显，作物生长旺盛。在矿山土地复垦和生态修复过正中，应用污泥联合堆肥，并配合其他土壤改良物对土壤尽心改良，土壤的理化性质具有较明显的改善。

通过此项方法进行土壤改良存在着一定的弊端：污泥的吸附作用会聚集大量的重金属，过度的使用污泥堆肥会造成土壤重金属的二次污染。接下来的研究重点在于如何降低污泥堆肥过程中的重金属污染危害。

(3) 利用垃圾对土壤改良

城市生活垃圾堆肥中含有大量有机质和氮、磷、钾及钙、镁、硼、硫等植物生长必须的矿物质元素，是很好的肥料，将技术成熟、品质良好的垃圾堆肥产品广泛应用于苗圃、果园中，在苗圃中施用垃圾堆肥可促进苗木生长和增加产量。利用垃圾堆肥可以用来制作无土草皮基质，代替传统草皮，减少对肥沃农田土壤的破坏[16]；多立安等[17]以垃圾堆肥为主要基质，

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进行了地毯式无土草皮基质的开发，草坪生长良好，应用价值较大。

垃圾可以有效改善土壤，增加土壤养分，提高肥效，但对土壤有明显的污染作用。垃圾中有机物浓度相当高，可能含有的主要有机物有77 种，其中芳烃29 种，烷烃烯烃类18 种，酸类8 种，醋类5 种，醇、酚6 种，酮醛类4 种，酞胺类2 种，其他5 种。其中有可疑致癌物质5 种[18-19]。使用不当会严重影响居民生产生活甚至人身安全。此外，垃圾中还含有大量有害重金属。所以应按实际情况使用[19]。

污泥中的有机质可以改善土壤的物理性质，因此污泥除了做肥料使用外还可以用作土壤改良剂。林春野等人以北京市朝阳区何家坟为试验基地，施用燕山石化污水厂的剩余污泥后发现：土壤有机质，土壤中速效氮、速效磷、速效钾含量显著增加，大大提高了土壤的肥力

[20]。实验表明利用污泥对土壤进行改良存在明显的可行性。

(4) 利用菇类生产废料结合绿肥法改良土壤

蘑菇废料原培养基质由无污染、无害的材料组成，含有植物生长需要的多种营养物质，其主要成分包括稻草、木屑、菌糠、石膏和石灰、玉米粉等。蘑菇废料作为微生物很好的养料，不断被腐解、矿化，并转变为土壤腐殖质，微生物吸收废料中的碳素、氮素，最终分解为无机物和CO２，形成大量无机质，培养了土壤。这种无机质化的生物化学循环过程，使大

量微生物得以繁殖，增加的有效矿质养料提供给植物吸收利用。覆土层微生物含量总体上随蘑菇废料施加量增加而增长。蘑菇废料为微生物提供了很好的生长环境，由于微生物的分解作用，使覆土层肥力逐渐提高，覆土层微生物含量随废料添加量增加而增长[21]。

绿肥法是土壤改良常用的手段之一，通过种植豆科植物，利用植物固氮和微生物分解作用达到改善土壤条件的目的。菌类培养基废料为豆科植物的生长和分解提供了有利条件，增强土壤改良效果。

(5) 利用煤矸石对土壤改良

煤矸石是煤炭开采和洗选加工过程中排出的固体废弃物。 煤矸石的大量堆存给矿区生态环境带来种种负面影响,如占用土地、污染环境、破坏景观等。当前国家大力推行塌陷区综合整治、加强基础设施建设,对填充材料的需求量很大,这为煤矸石的综合利用提供了广阔的前景。

马守臣等通过添加粉煤灰和牛粪对煤矸石污染土壤进行改良，并研究了不同改良措施对大豆生长、光合特性和产量的影响。结果表明，添加粉煤灰0. 07 kg· kg -1 ( T1) 、添加牛粪0. 07 kg· kg-1 ( T2) 、添加粉煤灰和牛粪各0. 07 kg·kg -1 ( T3) 3 种土壤改良措

施对大豆的株高、叶面积和单株根瘤数均有显著影响[22]。

胡振琪等人的实验：以煤基材料综合利用为目的, 根据风化煤、煤矸石和粉煤灰的理化性质, 按照特定质量比混合, 比例为: 风化煤∶煤矸石∶粉煤灰= 5∶1∶4, 并加入一定量的化学肥料, 用于矿区复垦土壤的改良。煤基混合物含有丰富的养分。通过盆栽试验确定, 复垦土壤中添加适量的煤基混合物后, 养分含量有了显著提高, 盆栽试验表明苜蓿生物量比对照提高约一倍, 粗蛋白含量亦显著提高。利用煤基混合物改良土壤可以避免单纯施用化肥造成的土壤板结等问题, 提高了矿区废弃物的综合利用率[23]。