固废基土壤调理剂的制备及其矿区生态修复效果_宋慧平.pdf

第 40 卷第 12 期2022 年 12 月环境工程Environmental EngineeringVol40No12Dec2022收稿日期:20220224基金项目:山西省揭榜招标项目(20191101007);山西省国际合作项目(201903D421002);国家自然科学基金项目(21806092)*第一作者、通信作者:宋慧平(1979)，女，教授，博士生导师，主要研究方向为煤基固废资源化利用。songhp sxueducnDOI:10.13205/jhjgc202212025宋慧平，安全，申午艳，等 固废基土壤调理剂的制备及其矿区生态修复效果 J 环境工程，2022，40(12):187195，230固废基土壤调理剂的制备及其矿区生态修复效果宋慧平1*安全1申午艳1冯政君1傅垣洪2靳大鹏3(1山西大学 资源与环境工程研究所，山西省黄河实验室，太原 030006;2山西大地民基生态环境股份有限公司，太原 030012;3山西清环能创环境科技有限公司，太原 030012)摘要:我国煤矸石产量大，利用率偏低，大量堆积没有得到合理利用，造成了土地资源浪费和严重的环境污染。以煤矸石为主要原料，通过添加铝粉发泡养护得到多孔材料，再将其与废弃有机质以及含碳辅料发酵制成固废基土壤调理剂。对比探究喷播固废基土壤调理剂(SWSC)、丛枝菌根真菌(AMF)和固废基土壤调理剂耦合菌根真菌(SWSC+AMF)的土壤理化性质以及对矿区典型植物生长的影响，研究不同处理下植物中重金属的累积量。结果表明:固废基土壤调理剂的优选配方为:当煤矸石和水泥掺比为 85%15%时，制备的多孔材料性能最优;优选鸡粪和风化煤作为有机质和含碳辅料;当多孔颗粒、鸡粪与风化煤的质量配比为 4 2 4 时，制备的固废基土壤剂调理剂最优。对土壤调理剂的制备及应用全流程进行重金属安全性评价，重金属含量均低于国家标准中重金属的限定值。喷播 SWSC+AMF 的土壤中有机质含量为 35.24 mg/kg，速效钾含量为 261 mg/kg，有效磷含量为 278 mg/kg，碱性磷酸酶含量可达到 293.07 mg/kg，且喷播 SWSC+AMF 对披碱草的株高和根长生成具有促进作用，可有效减少对披碱草中重金属 Cd、Pb、Ni 的累积，同时对改善土壤结构，提升土壤肥力方面有积极作用。关键词:煤矸石;土壤调理剂;菌根菌;重金属;生态修复PEPAATION OF SOLID WASTE-BASED SOIL CONDITIONES AND THEIECOLOGICAL EMEDIATION EFFECTS ON THE MINING AEASONG Huiping1*，AN Quan1，SHEN Wuyan1，FENG Zhengjun1，FU Yuanhong2，JIN Dapeng3(1Shanxi Yellow iver Laboratory，Institute of esources and Environmental Engineering，Shanxi University，Taiyuan 030006，China;2Shanxi Dadi Minji Ecological Environment Co，Ltd，Taiyuan 030012，China;3Shanxi Qinghuan Nengchuang Environmental Technology Co，Ltd，Taiyuan 030012，China)Abstract:In China，the output of coal gangue is large，and the utilization rate is low A large amount of accumulation has notbeen reasonably utilized，resulting in the wasting of land resources and environmental pollution In this paper，coal gangue wasused as the main raw material，and porous materials were obtained by adding aluminum powder for foaming and curing，andthen fermented with waste organic matter and carbon-containing auxiliary materials to make solid waste-based soil conditionersThe soil physicochemical properties of spraying solid waste-based soil conditioner(SWSC)，arbuscular mycorrhizal fungi(AMF)and solid waste-based soil conditioner coupled with mycorrhizal fungi(SWSC+AMF)，and their effects on the growthof typical plants in the mining area were compared The accumulation of heavy metals in plants under different treatments wascompared A proportion of gangue and cement at 85%15%was best for making the porous material Chicken manure andweathered coal were selected as organic matter and carbon excipients When the ratio of porous particles，chicken manure andweathered coal was 4 2 4，the prepared solid waste-based soil conditioner was the best When the mass ratio of porousparticles，chicken manure and weathered coal was 4 2 4，the prepared solid waste-based soil agent conditioner was thebest The whole process of preparation and application of soil conditioners was evaluated for heavy metal safety，and the heavy环境工程第 40 卷metal content met the limit values in the corresponding national standards The content of organic matter in the soil sprayedwith SWSC+AMF was 35.2 mg/kg，the content of available potassium and available phosphorus was 261 mg/kg and 278 mg/kg，and the content of alkaline phosphatase could reach 293.07 mg/kg Moreover，spraying SWSC+AMF could promote thegrowth of plant height and root length，which can effectively reduce the accumulation of Cd，Pb and Ni element in Elymusgrass，and improve soil structure and fertilityKeywords:gangue;soil conditioner;mycorrhizal fungi;heavy metal;ecological restoration0引言煤矸石是煤炭开采和洗选过程中所产生的废弃岩石，煤矸石大量堆积会造成耕地林田面积减少，浪费土地资源，同时会释放多种有害气体，随着雨水淋溶而污染地下水体和土壤，对生态环境造成严重危害。近几年我国煤矸石产量整体呈上升趋势，但我国煤矸石的综合利用率不高。据统计，我国煤矸石累计存量已超过 6109t，并仍在以每年数亿吨的速度增长。2020 年我国煤矸石产生量约为 7.5109t，约占全体大宗工业固体废弃物总量的 20%1。因此，实现煤矸石的资源化综合利用显得十分必要。目前，煤矸石已经大量应用于发电、建材、化工、充填和农业，特别是煤矸石中丰富的有机质和无机养分赋予其制肥的优越性2。煤矸石在农业生产中的应用主要集中在农用肥料和土壤调理剂 2 个方向。在农用肥料方面，煤矸石可与巨大芽孢杆菌和硅酸盐细菌混拌，在一定体系条件下，利用微生物降解能将煤矸石中大量的氮磷钾元素分解为可供植物吸收的碱解氮、有效磷、速效钾，进而生产微生物肥料3。Long 等4 研究发现中国煤矸石中硒富集，平均含量为 2.87 mg/kg，是地壳上平均硒含量的 97 倍，可作为富硒肥料的潜在资源。张殿云等5 利用煤矸石、鸡粪、辅助物以及优选菌种制成生物肥料，经过反复实验发现该生物肥料能改良土壤结构和养分状况，是一种绿色高效的生物肥料。在土壤调理剂方面，煤矸石肥料本身的吸附性、黏结性和离子交换性等性质，有利于改善土壤结构，减少重金属危害。Blagodatskaya等6 在农田土的基础上添加煤矸石制成混合土壤，发现煤矸石土可增加土壤微生物的生物量，从而提高土壤肥力，促进植物生长。王顺等7 将煤矸石置于土壤层之下，发现煤矸石可很好地组织水分下渗，与比较紧实的土壤结合时能够改善其孔隙度，更利于植物的根系呼吸。大部分煤矸石有机质含量能达到15%以上，而有机质能促进土壤中团聚体形成，团聚体会通过影响土壤结构、孔隙度来改变土壤的持水能力和入渗能力8。煤矸石凭借其物理化学特性，不仅能够作为土壤改良剂用于问题土壤治理，而且还可作为生物肥料，促进农作物生长。但同时也会带来一系列的环境污染风险，主要集中在重金属元素的释放和迁移等方面，因此，有必要监测并控制重金属的潜在危害。针对此问题，可以引入外来源微生物以改良其性质，丛枝菌根真菌(AMF)通过直接或通过寄主植物的间接作用发挥效应，能够减轻土壤污染如重金属、有毒有机物及其对植物生长造成的不利影响。煤矸石本身有效养分含量较少，植物无法直接吸收。毕银丽等9 在研究多种微生物本身特性的基础上，筛选出能够有效地将煤矸石大部分硫元素去除的微生物，在此基础上对煤矸石和被煤矸石污染的土壤进行丛枝菌根真菌和根瘤菌的双接种，以改良其后种植植物，发现其抗逆性及部分养分组成都有明显提高。通过接种菌根菌可促进煤矸石养分的释放，具有较为优越的生态修复功效。本文以煤矸石为主要原料制备多孔材料，与畜禽粪便、含碳废弃物等经均混发酵制成固废基土壤调理剂，考察制备过程中的配方选择、养分含量等，将其应用于矿区生态修复，探索施用后的土壤性质、植物生长特性。固废基土壤调理剂中的多孔颗粒在菌根菌生长过程中，可以为菌根菌菌丝提供安全、适宜的生长空间;菌根菌分泌的物质可以影响多孔材料的性能，能强化多孔材料与土壤颗粒的作用，从而有潜力促进以多孔材料为核心的土壤团聚体的形成。通过煤基固废多孔载体材料和菌根菌活性之间的构效关系，促进菌根菌生长和植物扎根，提高植物成活率。另外，还跟踪检测了固废基土壤调理剂的制作和应用过程中的重金属含量或分布情况，以期探索出一条以煤矸石治理修复矸石山的技术路径。1材料与方法1.1