采矿废弃场地土壤修复新技术研究

王 静 李顺灵 燕战军 赵耀宇 杨 华 刘恩慧

(河南金谷实业发展有限公司，河南 郑州 450012)

1 采矿废弃场地污染现状

采矿废弃场地是指因采矿活动所破坏和占用的、未经治理而无法使用的土地。其主要包括排土场、尾矿、废石堆、采矿区和塌陷区等。采矿废弃场地一般呈现酸性，尾矿渣、废弃岩石中含有大量重金属，随着降雨、风蚀、大气干湿沉降等自然因素的长期影响，重金属离子会逐渐向周边移动，进而进入周边土壤、地表水、地下水中造成污染，从而引起周围土壤肥力下降、农作物减产，导致周边乃至更大范围的环境污染［1，2］。

采矿废弃场地土壤一般都非常贫瘠，N、P、K 含量较低，致使植物因没有足够的营养源而难以生存。加之土壤偏酸性、严重时pH 甚至接近于2，酸性条件会促进重金属离子的溶出，加剧重金属污染程度，影响植物生长代谢，抑制植物对营养元素的吸收及根系的生长。土壤机械粒度大、土壤容重大，致使水分难以入渗，持水保肥性能被严重破坏，水土流失严重，持水保肥的效果远低于一般土壤，植物在这样自然状况下的土壤环境中很难存活和生长［3］。因此，一般采矿废弃场地都寸草不生，呈现出棕色或灰褐色的裸露层，不仅破坏了原来健康的生态环境、造成不同程度的水土流失，也对周边居民的生存环境构成潜在威胁［2，4］。

因此，对采矿废弃场地土壤进行修复，尽快恢复其植被功能对解决采矿废弃场地及周边环境问题至关重要。

2 城市污泥等修复采矿废弃场地土壤

2.1 国内外研究现状

城市污泥较强的粘性、持水性和保水性等物理性质能很大程度上弥补采矿废弃场地土壤透水性、抗蚀性、抗冲性都很差等特点，从而改善其水土保持能力。因此，利用城市污泥提高采矿废弃场地土壤的有机质及养分含量、改善土壤结构性能、提高其持水性防止水土流失等具有明显的优越性。Sort［5］等人研究表明，废弃场地的有机质含量随着城市污泥使用量的增加呈现逐渐增加的趋势，水土流失量呈现逐渐下降的趋势。张增强［6］和周立祥［7］的研究结果表明，城市污泥对改善土壤结构、容重、孔隙率、透水率和持水性等都有明显的改善。周学武［8］等尝试将矿山固体废弃物(污泥、粉煤灰、淤泥等)作为土壤改良剂，对山东新汶矿区华峰煤矿实验区的退化土地进行土壤改良，并进行了种植实验。经改良后的土壤中有机质、N、P 等营养物质含量大幅增加，土壤容重显著降低，持水性能明显提升。试验结果充分证明污泥、粉煤灰、淤泥等对改善矿山退化土壤有显著的修复效果，对土壤结构和性能、增加养分含量等有明显的改善和增加。吴志强［9］利用城市污泥、粉煤灰等对黔西北铅锌矿区污染土壤进行修复试验，试验结果表明:适当的比例粉煤灰和城市污泥不但能改善矿渣的贫瘠条件，还能降低污染区域重金属的毒害作用。并提出在污泥中加入50%粉煤灰后再与矿渣以1:2 的比例修复效果较好。

2.2 城市污泥的生物特性

城市污泥是城市污水处理过程中的沉淀物。城市污泥中很大一部分是微生物团，因污泥成分不同，未消化的生物污泥的有机物质含量约占干物质的40%～55%。污泥具有植物需要的较丰富的氮、磷、钾、钙、镁等营养元素(详见表1)，特别是有机质含量较高［9］。城市污泥除了含有丰富的氮、磷、钾和有机质外，还具有较强的粘性、持水性和保水性等物理性质。在污水处理过程中，细菌及大部分寄生生物在初级和二级沉淀中沉积下来，并与污泥混合，病毒则吸附在污水中的颗粒上，再随颗粒的沉淀沉积在污泥中。

表1 不同物质中有机质及养分含量(g/kg，干重)

城市污泥作为一种含有大量有机质，富含高氮、高磷的有机混合物，污泥的农田利用由于既能为作物提供营养成分、改良和培肥土壤，又能大量处理污泥，所以已逐渐成为一种世界趋势。与此同时污泥中还有病原菌、寄生虫及其重金属等有毒有害物质，这是限制其农业利用的主要因素之一。如何合理利用和处置剩余污泥，变废为宝已成为当今剩余污泥处置的研究热点［6，7，9，10］。

2.3 修复机理与过程

国内外学者的大量研究均表明，多种有机废物对采矿废弃场地土壤修复有很好的修复效果，他们不但能改善该类区域土壤结构和提高土壤微生物含量［11］，有效提高其持水保肥性能，极大的控制了水土流失量。还能实现将土壤中的重金属稳定固化，从根本上恢复其生态功能。

在采矿废弃场地土壤中施加城市污泥、秸秆、BYM菌等的物质，将添加混合物与受污染土壤按照一定比例进行混合，并进行原位发酵。采用这种方式对富含重金属、土壤肥效低、质量差的采矿废弃场地土壤进行修复。混合物通过发酵产生大量的水溶性有机物、腐殖酸、生物酶等多种物质，这些物质可能直接与土壤中的重金属发生氧化还原反应、沉淀与吸附等作用而降低重金属的移动性或生物有效性，也可能通过改变土壤的一些理化性质而间接地减少植物对重金属的吸收，这些作用常常同时发生并相互影响。

另外混合物中特别添加了BYM 菌来增加土壤中的微生物含量、进而增强土壤的活性，促进采矿废弃场地土壤结构的改善、持水性能的增强。土壤中的微生物对重金属的吸收、沉淀、降解、氧化和还原作用等将污染物分解，从而降低土壤中重金属毒性。其二次污染较小处理形式多样，操作相对简单，可进行原位处理，对环境的扰动较小，且不破坏植物生长所需要的土壤环境，费用较低。

2.4 技术特点及优越性

使用城市污泥、秸秆、BYM 菌对采矿废弃场地土壤进行修复，使其恢复植被功能，改善区域环境质量状况具有十分重要的意义。该技术的特点和优越性主要有以下几点:

(1)相对于现有的物理、化学修复，利用城市污泥、秸秆及BYM 菌等混合发酵来修复采矿废弃场地土壤过程简单，操作方便，而且所用物料中城市污泥占据很大比重，这不仅给城市污泥的处理提供了出路，也让修复投资和运行费用较低，且该种修复方式对环境的扰动最小，不会带来二次污染，最大限度的保留和恢复了土壤的生态功能。

(2)在对污染土壤进行修复过程中，物料中的秸秆和污泥都有利于改善土壤板结情况，能够有效增加土壤松散程度，便于土壤中空气流通，有利于土壤中微生物和植物的生长繁殖。

(3)混合物料中秸秆和污泥中均含有大量的有机质成分，在发酵过程中会产生大量的腐殖质、蛋白质、糖类等营养物质，提高土壤中的有机质含量，有利于修复后土壤的植物生长。而且物料混合过程中添加了复合菌种BYM，促进土壤微生物的增殖，提高土壤中微生物的数量，进而改善土壤生态系统。

(4)经过原位发酵的混合物料营养丰富，微生物种类和含量均有大幅度提高，BYM 菌能够引发强大的根际效应，使植物根系比一般农田植物根系发达很多，植物的茁壮生长对恢复采矿废弃场地土壤植被功能、提高其保水保肥能力、减少水土流失量有显著的作用。

综上所述，以城市污泥、秸秆、BYM 菌的混合发酵方式对采矿废弃场地土壤进行修复，为城市污泥的处理处置提供了新的出路，实现了污泥的资源化利用，实现了以废治废、变废为宝的目的。该修复方式绿色、安全、环保，修复后的土壤结构性能得到明显改善，保水保肥效果较好，大大降低了水土流失量。该技术投入成本低，修复过程简便易行，是非常有市场潜力的矿山废弃场地土壤修复技术。

3 结 论

以上研究表明，以城市污泥、秸秆、BYM 菌的混合发酵方式对采矿废弃场地土壤进行修复，为城市污泥的处理处置提供了新的出路，实现了污泥的资源化利用，实现了以废治废、变废为宝的目的。该修复方式绿色、安全、环保，修复后的土壤结构性能得到明显改善，保水保肥效果较好，大大降低了水土流失量。该技术投入成本低，修复过程简便易行，是非常有市场潜力的矿山废弃场地土壤修复技术。该技术将湿污泥、秸秆、采矿废弃场地土壤和复合菌种BYM 按照一定比例混合均匀，进行原位堆积好氧发酵，利用发酵过程产生的大量具有水溶性有机物、腐殖酸、生物酶可通过络合、螯合等作用降低土壤中重金属的生物活性和毒性。同时BYM 菌的加入既增加了土壤中的生物量，也增强了土壤生物活性，为恢复土壤的植被功能提供了保障。城市污泥本身就是我国亟待处理的固体污染源，将湿污泥作为一种修复材料使用，这也为城市污泥的处理处置提供了一个新的途径。该修复技术既降低了修复的成本，又实现了以废治废、变废为宝的目的。修复后土壤种植的植物根系比清洁土壤种植的同种植物根系要发达很多，使用该技术修复采矿废弃场地土壤显著增加了土壤的肥力，有效改善土壤板结、提高土壤中的有机质含量等，是一种具有广阔应用前景的新技术。

采用城市污泥、秸秆、BYM 菌混合发酵技术对采矿场废弃场地土壤进行修复，消除了其长期存在的安全及环境隐患，保证了周围人民群众的生产、生活安全，具有显著的社会效益。同时也实现了国家环保法律、法规和政策管理目标的要求，改善了采矿场废弃场地土壤环境质量，具有显著的环境效益。

［1］王庆仁，刘秀梅，董艺婷，等．典型重工业区与污灌区土壤重金属污染状况及原因探讨［J］．农业环境保护，2002，21(2):115－118．

［2］武强，刘伏昌，李铎．矿山环境研究理论与实践［M］．地质出版社，北京，2005．

［3］黄铭洪．环境污染与生态恢复［M］．科学出版社，北京，2003．

［4］王洁，周跃．矿区废弃地的恢复生态学研究［J］．安全与环境工程，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］张增强，薛澄泽．污泥堆肥对几种木本植物生长响应的研究［J］．西北农业大学学报，1995，23(6):47－51．

［7］周立祥，胡蔼堂，戈乃分．城市生活污泥农田利用对土壤肥力性质的影响［J］．土壤通报，1994，25(3):126－129．

［8］周学武，孙岱生，房建国，等．利用矿山固体废弃物(粉煤灰、淤泥及污泥)改良矿山退化土地及种植实验［J］．资源·产业，2005，7(3):61－64．

［9］吴志强．城市污泥用于土法炼锌矿区污染修复的试验研究［D］．贵州大学，2007．

［10］郭玫兰，米尔芳，等．城市污泥与垃圾中重金属土壤残留影响的研究［J］．中国卫生工程学杂志，1993，2，72－75．

［11］阎晓明，何金柱．重金属污染土壤的微生物修复机理及研究进展［J］．安徽农业科学，2002，30(6):877－879，883．