發酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠巖配施對鐵尾礦的改良作用

梁文先 王興達 張孟星 李鵬

（中冶一局環境科技有限公司 河北保定 071700）

0 引言

尾礦是我國目前產生量最大的大宗工業固體廢棄物，主要采取堆存的方式處理［1］。尾礦的大量堆存不僅需要占用大量土地，會對周邊的生態環境造成污染，而且還存在一定的安全隱患［2］。加之當前生態環境日益惡化，資源日趨匱乏［3］。因此，對尾礦資源化利用的研究具有重要意義。

鐵尾礦是工業固體廢棄物的主要來源之一，排放量巨大。2018 年我國鐵尾礦總產生量約4.76 億t，約占全國尾礦總產生量的39.3%，在尾礦中占比最大［4］。受礦石產地和選礦工藝等因素影響，鐵尾礦成分及含量不盡相同，但主要都含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO 等［5］。鐵尾礦綜合利用潛力很大，目前我國鐵尾礦的綜合利用方式主要包括有價元素及礦物回收、制備建筑材料、用作礦山采空區充填材料、土壤改良劑及元素肥料、尾礦庫復墾等［5］。

考慮到如果在礦山綠化時，將改良鐵尾礦用作種植基質，代替客土，這樣既能節約土壤資源、降低成本，又能實現鐵尾礦的資源化利用。而鐵尾礦本身養分貧瘠，理化性質惡劣，不適宜植物生長發育。因此，本研究通過系列試驗探究發酵蘑菇菌渣、蛭石、珍珠巖配施［6-7］對鐵尾礦理化性質的改良效果，以及對植物種子發芽率的影響，以期為我國鐵尾礦土壤化利用提供參考。

1 鐵尾礦性質

鐵尾礦為鐵礦石經過磨礦、選別后得到的細粒物質，對不同產地鐵尾礦理化性質和微量元素進行檢測，測試結果顯示，鐵尾礦中含有植物生長所必需的元素，如Si、Fe、Ca、S、P、Mn 等。在堿性環境侵蝕下，鐵尾礦中豐富的Si 不斷溶出，作為第四大營養元素可有效補充植物對Si 的營養需求。同時，鐵尾礦中含有大量的棱塊狀顆粒，透水透氣性好，為鐵尾礦土壤化利用奠定了基礎。本次試驗使用的鐵尾礦采自河北承德地區，采用X射線熒光分析法對供試鐵尾礦化學成分進行分析，結果見表1。

表1 供試鐵尾礦的化學組成（%）

2 試驗研究

2.1 試驗方案

發酵蘑菇菌渣富含有機質，還含有Ca、P、K 等礦物質養分，適合微生物存活和生長，可以改良土壤結構，提高土壤肥力。經過處理的蛭石和珍珠巖具有質輕多孔、導熱系數小、化學穩定性好等特點，在改善土壤保水、保肥、保溫性能方面具有良好的效果，被廣泛應用于農業生產及環境保護。因此，選用發酵蘑菇菌渣、蛭石、珍珠巖進行鐵尾礦土壤化改良試驗，探究單一及復合改良劑對鐵尾礦pH、容重、孔隙度、持水性能等理化性質的改良效果，并通過盆栽種植試驗考察不同改良處理對鐵尾礦基質中植物種子發芽率的影響，為鐵尾礦土壤化利用提供實驗依據。

設置對照組和實驗組共7 組實驗，每組實驗重復3 次。其中，對照組A 為100%自然土壤，B 為100%鐵尾礦；實驗組C 為鐵尾礦添加10%發酵蘑菇菌渣，D 為鐵尾礦添加10%發酵蘑菇菌渣和10%蛭石，E 為鐵尾礦添加10%發酵蘑菇菌渣和10%珍珠巖，F 為鐵尾礦添加10%發酵蘑菇菌渣、5%蛭石和5%珍珠巖，G 為鐵尾礦添加20%發酵蘑菇菌渣。按以上比例將各組混合均勻，得到體積大致相同的各處理裝盆，進行鐵尾礦改良試驗及盆栽種植試驗。其中，盆栽試驗播種時采用直播方式［8］，播種后適時適量澆水養護，注意觀察、統計各組植物種子14 d 發芽率。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 改良處理對鐵尾礦基質pH 值的影響

本次供試鐵尾礦偏堿性，而基質酸堿性是影響植物生長的關鍵因素之一。因此，本研究首先考察了各改良劑對鐵尾礦pH 值的影響，以確定其在鐵尾礦土壤化改良中的適用性，結果見圖1。由圖1 可知，各處理的pH值分別為A=8.2、B=9.1、C=8.8、D=8.3、E=8.8、F=8.6、G=8.6，排序為A＜D＜F=G＜C=E＜B，表明供試改良劑的加入可以使鐵尾礦的pH 值有所降低。其中，處理C、E、F 和G 之間相差不大，相比之下處理D 對鐵尾礦pH 值的改良效果最佳，說明發酵蘑菇菌渣和蛭石具有較好的降低鐵尾礦pH 值的效果，且發酵蘑菇菌渣與蛭石復合使用對鐵尾礦的改良效果明顯優于發酵蘑菇菌渣單獨使用。

圖1 供試自然土壤、鐵尾礦及改良鐵尾礦的pH 值

2.2.2 改良處理對鐵尾礦基質持水性的影響

土壤水分是衡量土壤優劣的重要指標之一［7］，同時水分也是植物生長所必需的物質基礎。因此，本研究考察了各改良劑對鐵尾礦持水性能的影響，結果見圖2。由圖2 可知，0 h 對應的含水率為各處理的初始含水率，自然土壤（A）為39.3%，純鐵尾礦（B）為35.9%，鐵尾礦改良處理組C、D、G 較高分別為38.6%、40.2%、40.3%，鐵尾礦改良處理組E、F 較低分別為34.6%、35.0%；在0～120 h 時，各處理含水率下降迅速，自然土壤下降24%，純鐵尾礦下降49%，鐵尾礦改良處理組C～G 分別下降42%、31%、45%、34%、24%，下降幅度均小于純鐵尾礦；在120 h 后，除自然土壤含水率持續快速下降以外，其他處理明顯下降趨勢減緩；最終在456 h 時，自然土壤與純鐵尾礦含水率相當，而鐵尾礦改良處理組C～G的含水率均高于二者，此時含水率排序為G>F>C>D>E>A>B。這就說明發酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠巖在提升鐵尾礦持水性能方面均有明顯作用，其中發酵蘑菇菌渣的保水效果更好。因此，在鐵尾礦土壤化利用時，可以視情況而定，靈活選擇發酵蘑菇菌渣與蛭石和（或）珍珠巖配施，以改善鐵尾礦的持水性能。

圖2 供試自然土壤、鐵尾礦及改良鐵尾礦的持水曲線

2.2.3 改良處理對鐵尾礦基質的物理性能的影響

鐵尾礦普遍粒徑小、容重大，而基質本身的容重等物理性能會直接影響其蓄水保肥性，進而影響植物根系生長等。因此，本研究考察了各改良劑對鐵尾礦基質物理性能的影響，結果見表2 和表3。分析表2 可知，經過改良的鐵尾礦（C～G）＜0.075 mm 或>0.500 mm 粒級含量較未經過改良的鐵尾礦（B）均有明顯增加，而0.075～0.500 mm 粒級含量則相應減少，可見經過改良后的鐵尾礦的粒級組成向自然土壤（A）靠近。分析表3 可知，不同處理容重排序為B>C>G>A>D>F>E，說明發酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠巖均能降低鐵尾礦的容重，其中蛭石和珍珠巖降低容重的效果更好，而且經過改良后的鐵尾礦的容重、孔隙度都更接近自然土壤，更適宜于植物生長發育。綜上所述，利用發酵蘑菇菌渣與蛭石和（或）珍珠巖配施改良鐵尾礦，可以明顯改善鐵尾礦基質的容重、孔隙度等物理性能，使其向著適合植物生長發育的方向發展，有望實現鐵尾礦土壤化利用。

表2 供試自然土壤、鐵尾礦及改良鐵尾礦的粒級組成分布表（%）

表3 供試自然土壤、鐵尾礦及改良鐵尾礦的物理性質

2.2.4 改良處理對鐵尾礦基質中植物種子發芽率的影響

為了驗證改良劑對鐵尾礦的改良效果，按照試驗方案開展盆栽種植試驗，各處理播種紫花苜蓿、黑麥草和狗牙根，澆水養護，然后分別統計各組植物種子14 d 發芽率，結果見表4。從表4 可以看出，3 種植物中，紫花苜蓿和黑麥草種子的發芽率相對較高，狗牙根種子的發芽率偏低，這可以作為鐵尾礦基質選擇綠化植物時的參考依據。另外，從整體看來，經過改良后的鐵尾礦基質（C～G）中植物種子14 d 發芽率均高于未經過改良的鐵尾礦（B），甚至高于自然土壤（A），說明供試改良劑對鐵尾礦的改良效果明顯。其中，發酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠巖三者混配改良實驗組（F）的發芽率最高，達到84%。這也就驗證了鐵尾礦經過適當改良后，完全可以作為植物的種植基質。

表4 各處理對植物種子14 d 發芽率的影響（%）

3 結論

（1）鐵尾礦改良試驗結果表明：發酵蘑菇菌渣和蛭石在降低鐵尾礦pH 值方面具有一定效果，且兩者復合使用對鐵尾礦的改良效果優于發酵蘑菇菌渣單獨使用；發酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠巖在改善鐵尾礦基質物理性質方面作用明顯。

（2）盆栽種植試驗結果表明：經過改良處理的鐵尾礦基質種植植物發芽率明顯提高，能夠滿足植物生長需求，可以作為植物種植基質。

（3）在礦山綠化中，可以使用改良鐵尾礦作為種植基質代替客土，節約土壤資源。選取發酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠巖作為改良劑，混配改良鐵尾礦可以明顯改善其理化性質，而且經過改良后的鐵尾礦基質種植植物14 d發芽率可以達到84%。

4 展望

我國礦物資源綜合利用率低，礦物的部分共伴生組分因限于技術瓶頸無法回收，導致大量有價金屬元素及可利用的非金屬礦物存留在尾礦中，造成了資源的嚴重浪費。鐵尾礦在尾礦中占比最大，年產生量居高不下，堆存量巨大。因此，尋求鐵尾礦大量利用的有效方法是大勢所趨。

鐵尾礦土壤化利用是實現尾礦大量利用的有效途徑之一，但鐵尾礦因養分貧瘠、物理結構差等不利因素，使植物很難存活，是植被重建的困難立地類型之一。因此，研究一種鐵尾礦土壤化改良的方法，既能通過增強植物在尾礦砂中的定植能力從而實現礦山復綠，又能通過植物修復作用達到尾礦治理的目的，如此形成良性循環，同時通過“以廢治廢”實現鐵尾礦資源的二次利用，降低礦山修復治理成本，具有良好的經濟及生態環境效益。

雖然鐵礦產地和選礦工藝不同，導致我國鐵尾礦種類繁多，不同鐵尾礦的成分及含量存在差異，但其主要化學組成和礦物成分相近，使鐵尾礦土壤化利用的推廣應用成為可能。在本研究的基礎上，后續可繼續優化改良劑配方，并可以針對不同產地不同選礦工藝的鐵尾礦進行對比研究，檢驗改良劑的適用性。另外，還需要進一步研究鐵尾礦改良處理對植物生長發育的影響，篩選適合應用于鐵尾礦基質的綠化植物品種。