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生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法

阅读：169发布：2023-12-30

专利汇可以提供生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法，包括以下步骤：将1～5 质量份生物炭、100质量份浓度为40％～50％的聚氨酯乳液、5～10质量份淀粉和150～300质量份蒸馏水混合制得包衣液；将40～60质量份复合有机肥料颗粒悬浮于制备的10～20质量份包衣液中，并进行缓释性包衣处理制得生物炭基缓释肥；将制得的生物炭基缓释肥与重金属污染尾矿混合；在含生物炭基缓释肥的尾矿中种植白茅；本发明对重金属污染尾矿的治理效果好且环境友好、成本低、污染少，可以在降低重金属污染的同时，还实现了资源化循环利用以及肥料养分的持续效果发挥。，下面是生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法，其特征在于：：包括以下步骤：
(1)将1～5质量份生物炭、100质量份浓度为40％～50％的聚氨酯乳液、5～10质量份淀粉和150～300质量份蒸馏水混合制得包衣液；
(2)将40～60质量份的复合有机肥料颗粒悬浮于步骤(1)中制备的10～20质量份的包衣液中，并进行缓释性包衣处理制得生物炭基缓释肥；
(3)将步骤(2)中制得的生物炭基缓释肥与重金属污染尾矿混合；
(4)在步骤(3)中混入生物炭基缓释肥的重金属污染尾矿中种植白茅。
2.如权利要求1所述一种生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法，其特征在于：所述步骤(1)中生物炭的制备包括以下步骤：
(1)收集秸秆或者林木使用盐水清洗粉碎；
(2)将粉碎的秸秆或者林木无氧条件下与氢氧化钾混合并在300℃～700℃条件下热解碳化4～8小时得到负载有钾元素的生物炭。
3.如权利要求1所述一种生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法，其特征在于：在所述步骤(3)之后还包括步骤：在含有生物炭基缓释肥的重金属污染尾矿中混入蚯蚓培养基并投放适龄蚯蚓。
4.如权利要求1所述一种生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法，其特征在于：所述步骤(3)中重金属污染尾矿为铁镁类型尾矿；所述铁镁类型尾矿包括蛇纹石尾矿、橄榄石尾矿和磁铁矿尾矿；
所述步骤(3)的具体步骤为：将所述铁镁类型尾矿与生物炭缓释肥以5～8：1质量比混合。
5.如权利要求1所述一种生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法，其特征在于：所述步骤(4)之后还包括以下步骤：
(1)种植期70～90天后收割白茅，并采集尾矿使用HF-HNO3-HClO4三酸消解法消解，利用ICP-OES测定尾矿中重金属含量；
(2)若尾矿中重金属含量不高于预定值则不再进行修复；若尾矿土壤中重金属的含量高于预定值则返回所述步骤(3)。

说明书全文

生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法。

背景技术

[0002] 矿产资源是人类赖以生存的不可再生资源，为我们提供了丰富的物质基础。金属矿山开采过程中，经机械破碎研磨，筛选其中有价值的矿物质后，排出的固体残渣废物为尾矿。据统计，我国目前尾矿的总储量约为80亿吨，且每年以10％速度在迅速增长。在自然风化、雨水冲洗和生物因素的作用下，长期裸露堆放的尾矿释放有害重金属元素、有毒的残留浮选药剂及废石中含硫矿物引发的酸性废水，对矿区周围的土壤、地表水和地下水、大气环境等会造成严重危害。同时，尾矿库对土地资源的占用，加剧了我国人多地少的矛盾，制约了区域社会经济发展和生态环境安全。

[0003] 近年来，关于矿山尾矿库废弃地的治理研究较多，涉及的治理方法主要有三类：工程物理法、化学调控法和生物修复法。通过改变土壤中重金属存在形式，降低其迁移性和生物可用性，或是直接从土壤中去除重金属，或是改变种植方式，以避免重金属流入食物链。目前研究较多的是，通过植物这种绿色生物反应器来减少矿山重金属污染。植物修复技术是利用植物及其根际微生物对尾矿或土壤中的重金属吸收、挥发、转化、降解、固定作用而达到去除目的。在自然界，存在很多对尾矿环境具有适应性的植物种类，这些植物成为尾矿库废弃地修复中的先锋植物，它们对重金属表现出的富集能力往往是普通植物的100倍以上，这些植物通过将土壤中的重金属转移到地上部分，以减少土壤中的重金属含量(韦朝阳,陈同斌.重金属超富集植物及植物修复技术研究进展[J].生态学报,2001,07:1196-
1203.)。常见的针对重金属污染土壤的修复植物有东南景天(杨肖娥等.东南景天(Sedum alfredii H)——一种新的锌超积累植物[J].科学通报,2002,13:1003-1006.)、宝山堇菜(刘威等.宝山堇菜(Viola baoshanensis)——一种新的镉超富集植物[J].科学通报,
2003,19:2046-2049.)、蜈蚣草(CN101049603B；陈同斌等.砷超富集植物蜈蚣草及其对砷的富集特征[J].科学通报,2002,03:207-210.)、香雪球(Ni)、土荆荠(Pb)、海洲香薷(Cu)等。
植物修复技术成本低、可操作性强，不仅降低矿山重金属污染，还可增加植被覆盖，有效解决矿山土壤侵蚀、水土流失等问题，已成为矿区废弃地污染生态治理的优选技术。

[0004] 尾矿成分多以沙粒和粉粒为主，重金属含量高、有机质和养分贫瘠、透气性差等，多为裸地，受侵蚀现象严重，限制了植被的生长定居。不同地区同一物种对重金属的去除效果不一，植物修复很大程度上依赖于所筛选的植物种类。白茅是多年生的草本植物，生存和繁殖能力极强，因其强大错综复杂的根系系统，能够充分利用土壤中的营养元素，在干旱贫瘠的环境中也能够生长繁殖，因而常被用来作为矿区恢复的先锋植物。沈章军等(铜尾矿自然定居白茅对体内氮磷的适时分配及叶片氮磷代谢调节酶活性动态.植物生态学报,2012,02:159-168.)的研究发现，白茅能够改良铜矿山的土壤性质，为其他物种的进入提供生境条件。Wang等(Different spontaneous plant communities in Sanmen Pb/Zn mine tailing and their effects on mine tailing physico-chemical properties.Environmental Earth Sciences,2011,62(4):779-86.)发现，白茅和五节芒对铅锌尾矿的生态恢复也具有良好效果。白茅作为先锋植物逐渐被应用于不同类型尾矿的初步修复，但在铁镁质尾矿中的应用较少，开展白茅对铁镁质尾矿重金属污染修复研究，可为尾矿废弃地的重金属污染治理和生态重建提供理论依据。

[0005] 由于尾矿库的有机质、氮和磷等营养元素含量较低，多存在修复植被短期内难适应问题，有些研究采用几种植被联合修复(CN101974910A)及优化植被种苗成活率(CN101444185B)等手段，实现无覆土条件下尾矿的稳固植被层建立，边坡固定和水土保持。有些采用微生物菌剂或活化剂(CN102936574B，CN103272832B)，对重金属离子的形态进行转化，促进植物对重金属元素的吸收和萃取，从而强化植物修复重金属污染土壤效果。由于微生物菌剂的剂量和效果有限，活化剂一般价格较为昂贵和带来二次污染问题，修复效果也难以保证，一定程度上限制了植物修复技术的效果稳定和推广应用。

[0006] 中国是农业大国，有丰富的农作物秸秆和林木资源，每年秸秆产生量为8亿吨；大量秸秆和林木多被废弃或直接焚烧，这既造成大量生物质能源的浪费，也给环境带来严重污染。研究发现，将多种农林剩余物在缺氧条件下，经热解炭化制备成具有高度芳香化结构的生物炭后，其在土壤改良、温室气体减排及受污染土壤修复方面都具有应用潜力。生物炭孔隙结构发达，比表面积大且具有丰富含氧官能团，对重金属元素具有较强的吸附能力。此外，生物炭能够提高土壤pH值，含碳量丰富，且含多种矿质元素，在针对尾矿重金属污染植物修复中，可为先锋植物的生长提供营养。生物炭对土壤物理结构的改变，可促进植物根系生长及对重金属元素的吸收。在重金属污染尾矿废弃地环境中，对生物炭与先锋植物协同治理重金属污染土壤的效果研究并不多。探索基于生物炭及其基肥对植物修复重金属污染的影响研究，可为重金属污染土壌治理提供技术支撑。

发明内容

[0007] 针对上述问题，本发明提供一种降低土壤重金属污染、改善土壤结构和营养条件的生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法。

[0008] 为达到上述目的，本发明一种生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法，包括以下步骤：

[0009] (1)将1～5质量份生物炭、100质量份浓度为40％～50％的聚氨酯乳液、5～10质量份淀粉和150～300质量份蒸馏水混合制得包衣液；

[0010] (2)将40～60质量份的复合有机肥料颗粒悬浮于步骤(1)中制备的10～20质量份的包衣液中，并进行缓释性包衣处理制得生物炭基缓释肥；

[0011] (3)将步骤(2)中制得的生物炭基缓释肥与重金属污染尾矿混合；

[0012] (4)在步骤(3)中混入生物炭基缓释肥的重金属污染尾矿中种植白茅。

[0013] 较佳的，所述步骤(1)中生物炭的制备包括以下步骤：

[0014] (1)收集秸秆或者林木使用盐水清洗粉碎；

[0015] (2)将粉碎的秸秆或者林木无氧条件下与氢氧化钾混合并在300℃～700℃条件下热解碳化4～8小时得到负载有钾元素的生物炭。

[0016] 较佳的，在所述步骤(3)之后还包括步骤：在含有生物炭基缓释肥的重金属污染尾矿中混入蚯蚓培养基并投放适龄蚯蚓。

[0017] 较佳的，所述步骤(3)中重金属污染尾矿为铁镁类型尾矿；所述铁镁类型尾矿包括蛇纹石尾矿、橄榄石尾矿和磁铁矿尾矿；

[0018] 所述步骤(3)的具体步骤为：将所述铁镁类型尾矿与生物炭缓释肥以5～8：1质量比混合。

[0019] 较佳的，所述步骤(4)之后还包括以下步骤：

[0020] (1)种植期70～90天后收割白茅，并采集尾矿使用HF-HNO3-HClO4三酸消解法消解，利用ICP-OES测定尾矿中重金属含量；

[0021] (2)若尾矿中重金属含量不高于预定值则不再进行修复；若尾矿土壤中重金属的含量高于预定值则返回所述步骤(3)。

[0022] 本发明的有益效果：白茅作为重要的先锋植物类型，种植难度低，生长迅速，种群密度高，适用于大面积种植，不需要特殊管理；作为非食用性植物，可有效避免富集的重金属污染物进入食物链。此外，白茅在尾矿废弃地的适应和富集生长，不仅具有一定的观赏性，美化矿区生态环境，还有利于尾矿库土壤肥力的改良和生产力提升。

[0023] 同时利用生物炭结合复合有机肥料，制得包衣型生物炭基缓释肥，应用于重金属污染尾矿的修复，其工艺和施用方法简单，生产成本较低；不仅减少了农林剩余物不合理堆置对环境的污染影响，还可以带来良好的社会经济效益。生物质炭本身具有的碱度，可有效降低尾矿废弃地的酸度；较大的比表面积和多孔结构，易吸附矿质和重金属元素，持续稳定的促进先锋植物的生长及对重金属元素的吸收，生物炭基缓释肥与植物的协同作用能够促进重金属污染土壤的生态修复，改善区域环境质量。

具体实施方式

[0024] 下面对本发明做进一步的描述。

[0025] 实施例1

[0026] 本实施例一种生物炭基缓释肥协同白茅修复重金属污染尾矿的方法，包括以下步骤：

[0027] (1)将1～5质量份生物炭、100质量份浓度为40％～50％的聚氨酯乳液、5～10质量份淀粉和150-300质量份蒸馏水混合制得包衣液；

[0028] (2)将40～60质量份复合有机肥料颗粒悬浮于步骤(1)中制备的10～20质量份包衣液中，并进行缓释性包衣处理制得生物炭基缓释肥；

[0029] (3)将步骤(2)中制得的生物炭基缓释肥与重金属污染尾矿混合；

[0030] (4)在步骤(3)中混入生物炭基缓释肥的重金属尾矿中种植白茅。

[0031] 按照将1-5质量份的生物炭、100质量份的浓度40％-50％聚氨酯乳液、5-10质量份的淀粉和150-300质量份蒸馏水混合搅拌，持续搅拌20-30min，即制得包衣液；将10～20份包衣液与40～60份复合有机肥颗粒一起放在流化床并通过包衣机进行包衣处理制得生物炭基缓释肥；再将制得的生物炭基缓释肥与需要治理的重金属污染尾矿混合均匀稳定处理一段时间后种植白茅幼苗。

[0032] 本实施例中使用生物炭基缓释肥能够大大提高植物对尾矿中重金属元素的吸取效率，促进修复植物在尾矿基质中的良好生长，改善尾矿的土壤结构和营养条件，保证残留重金属的长效稳定化，且具有环境友好、无二次污染、成本低和可操作性强等优点。

[0033] 实施例2

[0034] 基于实施例1，本实施例所述步骤(1)中生物炭的制备包括以下步骤：

[0035] (1)收集秸秆或者林木使用盐水清洗粉碎；

[0036] (2)将粉碎的秸秆或者林木无氧条件下与氢氧化钾混合并在300℃～700℃条件下热解碳化4～8小时得到负载有钾元素的生物炭。

[0037] 本实施例中氢氧化钾与二氧化碳发生反应生成碳酸钾；在热解碳化制备生物炭的过程中添加氢氧化钾，由于生物炭富含微孔，制备的生物炭负载有钾元素；之后制备的生物炭基缓释肥中也负载有钾元素；钾元素促进白茅植株生长和光合作用的进行，提高了白茅吸收重金属离子的效率。

[0038] 实施例3

[0039] 基于实施例1，本实施例在所述步骤(3)之后还包括步骤：在含有生物炭基缓释肥的重金属污染尾矿中混入蚯蚓培养基并投放适龄蚯蚓。

[0040] 蚯蚓体内可分泌一种能分解蛋白质、脂肪和木质纤维的特殊酶，因此土壤中生活垃圾、活性污泥和食品工业废料都可吞食分解；同时蚯蚓还可以吸收土壤中的汞、铅和镉等重金属污染物并富集蚯蚓体内，一段时间后将蚯蚓取出使蚯蚓体内富集的重金属脱离生态环境。

[0041] 同时蚯蚓能疏松土壤，增加土壤有机质并改善结构，促进酸性或碱性土壤变为中性土壤。

[0042] 本实施例中，在生物炭基缓释肥的基础上投放蚯蚓，起到了降低重金属的作用，同时还改善了白茅的生长环境提高白茅吸收重金属离子的效率。

[0043] 实施例4

[0044] 基于实施例1，本实施例所述步骤(3)中重金属污染尾矿为铁镁类型尾矿；所述铁镁类型尾矿包括蛇纹石尾矿、橄榄石尾矿和磁铁矿尾矿；

[0045] 所述步骤(3)的具体步骤为：将所述铁镁类型尾矿与生物炭缓释肥以5～8：1质量比混合；

[0046] 所述步骤(4)之后还包括以下步骤：

[0047] (1)种植期70～90天后收割白茅，并采集尾矿基质使用HF-HNO3-HClO4三酸消解法消解，利用ICP-OES测定尾矿基质中重金属含量；

[0048] (2)若尾矿基质中重金属含量不高于预定值则不再进行修复；若尾矿基质土壤中重金属的含量高于预定值则返回所述步骤(3)。

[0049] 重金属污染尾矿修复具体的步骤：

[0050] 收集秸秆或者林木使用盐水清洗粉碎；将粉碎的秸秆或者林木无氧条件下与氢氧化钾混合并在300℃～700℃条件下热解碳化4～8小时得到负载有钾元素的生物炭；

[0051] 将1～5份生物炭、100份浓度为40％～50％的聚氨酯乳液、5～10份淀粉和150-300ml蒸馏水混合制得包衣液；将40～60份复合有机肥料颗粒悬浮于制备的包衣液之中制成流化床，并进行缓释性包衣处理制得生物炭基缓释肥；将重金属污染尾矿与生物炭缓释肥以5～8：1质量比混合；在含有生物炭基缓释肥的重金属污染尾矿中混入蚯蚓培养基并投放适龄蚯蚓，之后在种植白茅；

[0052] 种植期70～90天后收割白茅，取出蚯蚓，并采集尾矿使用HF-HNO3-HClO4三酸消解法消解，利用ICP-OES测定尾矿中重金属含量；

[0053] 若尾矿中重金属含量不高于预定值则不再进行修复；若尾矿土壤中重金属的含量高于预定值则继续重复上述步骤直至尾矿基质中重金属含量不高于预定值。

[0054] 本实施例利用生物炭结合复合有机肥料，制得包衣型生物炭基缓释肥，应用于重金属污染尾矿的修复，其工艺和施用方法简单，生产成本较低；不仅减少了农林剩余物不合理堆置对环境的污染影响，还可以带来良好的社会经济效益。生物质炭本身具有的碱度，可有效降低尾矿废弃地的酸度；较大的比表面积和多孔结构，易吸附矿质和重金属元素，持续稳定的促进白茅植株的生长及对重金属元素的吸收，生物炭基缓释肥与植物的协同作用能够促进重金属污染土壤的生态修复，改善区域环境质量。

[0055] 应当指出的是，本发明在治理重金属污染尾矿过程中，植物的种植、栽种周期以及生物炭基缓释肥的施加量，需根据尾矿库类型的改变而适当变通，从而达到较好的修复治理。

[0056] 以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

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