采礦廢棄場地土壤修復新技術研究

王 靜 李順靈 燕戰軍 趙耀宇 楊 華 劉恩慧

(河南金谷實業發展有限公司，河南 鄭州 450012)

1 采礦廢棄場地污染現狀

采礦廢棄場地是指因采礦活動所破壞和占用的、未經治理而無法使用的土地。其主要包括排土場、尾礦、廢石堆、采礦區和塌陷區等。采礦廢棄場地一般呈現酸性，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、農作物減產，導致周邊乃至更大范圍的環境污染［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，呈現出棕色或灰褐色的裸露層，不僅破壞了原來健康的生態環境、造成不同程度的水土流失，也對周邊居民的生存環境構成潛在威脅［2，4］。

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

2 城市污泥等修復采礦廢棄場地土壤

2.1 國內外研究現狀

城市污泥較強的粘性、持水性和保水性等物理性質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及養分含量、改善土壤結構性能、提高其持水性防止水土流失等具有明顯的優越性。Sort［5］等人研究表明，廢棄場地的有機質含量隨著城市污泥使用量的增加呈現逐漸增加的趨勢，水土流失量呈現逐漸下降的趨勢。張增強［6］和周立祥［7］的研究結果表明，城市污泥對改善土壤結構、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，對山東新汶礦區華峰煤礦實驗區的退化土地進行土壤改良，并進行了種植實驗。經改良后的土壤中有機質、N、P 等營養物質含量大幅增加，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效果，對土壤結構和性能、增加養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污染土壤進行修復試驗，試驗結果表明:適當的比例粉煤灰和城市污泥不但能改善礦渣的貧瘠條件，還能降低污染區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含量約占干物質的40%～55%。污泥具有植物需要的較豐富的氮、磷、鉀、鈣、鎂等營養元素(詳見表1)，特別是有機質含量較高［9］。城市污泥除了含有豐富的氮、磷、鉀和有機質外，還具有較強的粘性、持水性和保水性等物理性質。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 不同物質中有機質及養分含量(g/kg，干重)

城市污泥作為一種含有大量有機質，富含高氮、高磷的有機混合物，污泥的農田利用由于既能為作物提供營養成分、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，這是限制其農業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 修復機理與過程

國內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有很好的修復效果，他們不但能改善該類區域土壤結構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。還能實現將土壤中的重金屬穩定固化，從根本上恢復其生態功能。

在采礦廢棄場地土壤中施加城市污泥、秸稈、BYM菌等的物質，將添加混合物與受污染土壤按照一定比例進行混合，并進行原位發酵。采用這種方式對富含重金屬、土壤肥效低、質量差的采礦廢棄場地土壤進行修復。混合物通過發酵產生大量的水溶性有機物、腐殖酸、生物酶等多種物質，這些物質可能直接與土壤中的重金屬發生氧化還原反應、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而間接地減少植物對重金屬的吸收，這些作用常常同時發生并相互影響。

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構的改善、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，對環境的擾動較小，且不破壞植物生長所需要的土壤環境，費用較低。

2.4 技術特點及優越性

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

(1)相對于現有的物理、化學修復，利用城市污泥、秸稈及BYM 菌等混合發酵來修復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很大比重，這不僅給城市污泥的處理提供了出路，也讓修復投資和運行費用較低，且該種修復方式對環境的擾動最小，不會帶來二次污染，最大限度的保留和恢復了土壤的生態功能。

(2)在對污染土壤進行修復過程中，物料中的秸稈和污泥都有利于改善土壤板結情況，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成分，在發酵過程中會產生大量的腐殖質、蛋白質、糖類等營養物質，提高土壤中的有機質含量，有利于修復后土壤的植物生長。而且物料混合過程中添加了復合菌種BYM，促進土壤微生物的增殖，提高土壤中微生物的數量，進而改善土壤生態系統。

(4)經過原位發酵的混合物料營養豐富，微生物種類和含量均有大幅度提高，BYM 菌能夠引發強大的根際效應，使植物根系比一般農田植物根系發達很多，植物的茁壯生長對恢復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 菌的混合發酵方式對采礦廢棄場地土壤進行修復，為城市污泥的處理處置提供了新的出路，實現了污泥的資源化利用，實現了以廢治廢、變廢為寶的目的。該修復方式綠色、安全、環保，修復后的土壤結構性能得到明顯改善，保水保肥效果較好，大大降低了水土流失量。該技術投入成本低，修復過程簡便易行，是非常有市場潛力的礦山廢棄場地土壤修復技術。

3 結 論

以上研究表明，以城市污泥、秸稈、BYM 菌的混合發酵方式對采礦廢棄場地土壤進行修復，為城市污泥的處理處置提供了新的出路，實現了污泥的資源化利用，實現了以廢治廢、變廢為寶的目的。該修復方式綠色、安全、環保，修復后的土壤結構性能得到明顯改善，保水保肥效果較好，大大降低了水土流失量。該技術投入成本低，修復過程簡便易行，是非常有市場潛力的礦山廢棄場地土壤修復技術。該技術將濕污泥、秸稈、采礦廢棄場地土壤和復合菌種BYM 按照一定比例混合均勻，進行原位堆積好氧發酵，利用發酵過程產生的大量具有水溶性有機物、腐殖酸、生物酶可通過絡合、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。該修復技術既降低了修復的成本，又實現了以廢治廢、變廢為寶的目的。修復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達很多，使用該技術修復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、提高土壤中的有機質含量等，是一種具有廣闊應用前景的新技術。

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

［1］王慶仁，劉秀梅，董藝婷，等．典型重工業區與污灌區土壤重金屬污染狀況及原因探討［J］．農業環境保護，2002，21(2):115－118．

［2］武強，劉伏昌，李鐸．礦山環境研究理論與實踐［M］．地質出版社，北京，2005．

［3］黃銘洪．環境污染與生態恢復［M］．科學出版社，北京，2003．

［4］王潔，周躍．礦區廢棄地的恢復生態學研究［J］．安全與環境工程，2005(12)1:5－8．

［5］Sort，X．and Alcmfiz，J．M．Contribution sewage sludge to erosion control in the rehabilitation of limestone quarries［J］．Degradution and Development，1996，7(1):69－76．

［6］張增強，薛澄澤．污泥堆肥對幾種木本植物生長響應的研究［J］．西北農業大學學報，1995，23(6):47－51．

［7］周立祥，胡藹堂，戈乃分．城市生活污泥農田利用對土壤肥力性質的影響［J］．土壤通報，1994，25(3):126－129．

［8］周學武，孫岱生，房建國，等．利用礦山固體廢棄物(粉煤灰、淤泥及污泥)改良礦山退化土地及種植實驗［J］．資源·產業，2005，7(3):61－64．

［9］吳志強．城市污泥用于土法煉鋅礦區污染修復的試驗研究［D］．貴州大學，2007．

［10］郭玫蘭，米爾芳，等．城市污泥與垃圾中重金屬土壤殘留影響的研究［J］．中國衛生工程學雜志，1993，2，72－75．

［11］閻曉明，何金柱．重金屬污染土壤的微生物修復機理及研究進展［J］．安徽農業科學，2002，30(6):877－879，883．