梁文先 王興達(dá) 張孟星 李鵬

（中冶一局環(huán)境科技有限公司 河北保定 071700）

0 引言

尾礦是我國目前產(chǎn)生量最大的大宗工業(yè)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(huì)對周邊的生態(tài)環(huán)境造成污染，而且還存在一定的安全隱患［2］。加之當(dāng)前生態(tài)環(huán)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(yè)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(chǎn)生量約4.76 億t，約占全國尾礦總產(chǎn)生量的39.3%，在尾礦中占比最大［4］。受礦石產(chǎn)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(jià)元素及礦物回收、制備建筑材料、用作礦山采空區(qū)充填材料、土壤改良劑及元素肥料、尾礦庫復(fù)墾等［5］。

考慮到如果在礦山綠化時(shí)，將改良鐵尾礦用作種植基質(zhì)，代替客土，這樣既能節(jié)約土壤資源、降低成本，又能實(shí)現(xiàn)鐵尾礦的資源化利用。而鐵尾礦本身養(yǎng)分貧瘠，理化性質(zhì)惡劣，不適宜植物生長發(fā)育。因此，本研究通過系列試驗(yàn)探究發(fā)酵蘑菇菌渣、蛭石、珍珠巖配施［6-7］對鐵尾礦理化性質(zhì)的改良效果，以及對植物種子發(fā)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(zhì)

鐵尾礦為鐵礦石經(jīng)過磨礦、選別后得到的細(xì)粒物質(zhì)，對不同產(chǎn)地鐵尾礦理化性質(zhì)和微量元素進(jìn)行檢測，測試結(jié)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(huán)境侵蝕下，鐵尾礦中豐富的Si 不斷溶出，作為第四大營養(yǎng)元素可有效補(bǔ)充植物對Si 的營養(yǎng)需求。同時(shí)，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(chǔ)。本次試驗(yàn)使用的鐵尾礦采自河北承德地區(qū)，采用X射線熒光分析法對供試鐵尾礦化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 供試鐵尾礦的化學(xué)組成（%）

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方案

發(fā)酵蘑菇菌渣富含有機(jī)質(zhì)，還含有Ca、P、K 等礦物質(zhì)養(yǎng)分，適合微生物存活和生長，可以改良土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力。經(jīng)過處理的蛭石和珍珠巖具有質(zhì)輕多孔、導(dǎo)熱系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，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(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及環(huán)境保護(hù)。因此，選用發(fā)酵蘑菇菌渣、蛭石、珍珠巖進(jìn)行鐵尾礦土壤化改良試驗(yàn)，探究單一及復(fù)合改良劑對鐵尾礦pH、容重、孔隙度、持水性能等理化性質(zhì)的改良效果，并通過盆栽種植試驗(yàn)考察不同改良處理對鐵尾礦基質(zhì)中植物種子發(fā)芽率的影響，為鐵尾礦土壤化利用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

設(shè)置對照組和實(shí)驗(yàn)組共7 組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次。其中，對照組A 為100%自然土壤，B 為100%鐵尾礦；實(shí)驗(yàn)組C 為鐵尾礦添加10%發(fā)酵蘑菇菌渣，D 為鐵尾礦添加10%發(fā)酵蘑菇菌渣和10%蛭石，E 為鐵尾礦添加10%發(fā)酵蘑菇菌渣和10%珍珠巖，F(xiàn) 為鐵尾礦添加10%發(fā)酵蘑菇菌渣、5%蛭石和5%珍珠巖，G 為鐵尾礦添加20%發(fā)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(jìn)行鐵尾礦改良試驗(yàn)及盆栽種植試驗(yàn)。其中，盆栽試驗(yàn)播種時(shí)采用直播方式［8］，播種后適時(shí)適量澆水養(yǎng)護(hù)，注意觀察、統(tǒng)計(jì)各組植物種子14 d 發(fā)芽率。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 改良處理對鐵尾礦基質(zhì)pH 值的影響

本次供試鐵尾礦偏堿性，而基質(zhì)酸堿性是影響植物生長的關(guān)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(jié)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?yàn)锳＜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(fā)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(fā)酵蘑菇菌渣與蛭石復(fù)合使用對鐵尾礦的改良效果明顯優(yōu)于發(fā)酵蘑菇菌渣單獨(dú)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(zhì)持水性的影響

土壤水分是衡量土壤優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一［7］，同時(shí)水分也是植物生長所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，本研究考察了各改良劑對鐵尾礦持水性能的影響，結(jié)果見圖2。由圖2 可知，0 h 對應(yīng)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(shí)，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(xù)快速下降以外，其他處理明顯下降趨勢減緩；最終在456 h 時(shí)，自然土壤與純鐵尾礦含水率相當(dāng)，而鐵尾礦改良處理組C～G的含水率均高于二者，此時(shí)含水率排序?yàn)镚>F>C>D>E>A>B。這就說明發(fā)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(fā)酵蘑菇菌渣的保水效果更好。因此，在鐵尾礦土壤化利用時(shí)，可以視情況而定，靈活選擇發(fā)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(zhì)的物理性能的影響

鐵尾礦普遍粒徑小、容重大，而基質(zhì)本身的容重等物理性能會(huì)直接影響其蓄水保肥性，進(jìn)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(zhì)物理性能的影響，結(jié)果見表2 和表3。分析表2 可知，經(jīng)過改良的鐵尾礦（C～G）＜0.075 mm 或>0.500 mm 粒級含量較未經(jīng)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(yīng)減少，可見經(jīng)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?yàn)锽>C>G>A>D>F>E，說明發(fā)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(jīng)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(fā)育。綜上所述，利用發(fā)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(zhì)的容重、孔隙度等物理性能，使其向著適合植物生長發(fā)育的方向發(fā)展，有望實(shí)現(xiàn)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(zhì)

2.2.4 改良處理對鐵尾礦基質(zhì)中植物種子發(fā)芽率的影響

為了驗(yàn)證改良劑對鐵尾礦的改良效果，按照試驗(yàn)方案開展盆栽種植試驗(yàn)，各處理播種紫花苜蓿、黑麥草和狗牙根，澆水養(yǎng)護(hù)，然后分別統(tǒng)計(jì)各組植物種子14 d 發(fā)芽率，結(jié)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(fā)芽率相對較高，狗牙根種子的發(fā)芽率偏低，這可以作為鐵尾礦基質(zhì)選擇綠化植物時(shí)的參考依據(jù)。另外，從整體看來，經(jīng)過改良后的鐵尾礦基質(zhì)（C～G）中植物種子14 d 發(fā)芽率均高于未經(jīng)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(fā)酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠巖三者混配改良實(shí)驗(yàn)組（F）的發(fā)芽率最高，達(dá)到84%。這也就驗(yàn)證了鐵尾礦經(jīng)過適當(dāng)改良后，完全可以作為植物的種植基質(zhì)。

表4 各處理對植物種子14 d 發(fā)芽率的影響（%）

3 結(jié)論

（1）鐵尾礦改良試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)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(fù)合使用對鐵尾礦的改良效果優(yōu)于發(fā)酵蘑菇菌渣單獨(dú)使用；發(fā)酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠巖在改善鐵尾礦基質(zhì)物理性質(zhì)方面作用明顯。

（2）盆栽種植試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過改良處理的鐵尾礦基質(zhì)種植植物發(fā)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(zhì)。

（3）在礦山綠化中，可以使用改良鐵尾礦作為種植基質(zhì)代替客土，節(jié)約土壤資源。選取發(fā)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(zhì)，而且經(jīng)過改良后的鐵尾礦基質(zhì)種植植物14 d發(fā)芽率可以達(dá)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(shù)瓶頸無法回收，導(dǎo)致大量有價(jià)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(yán)重浪費(fèi)。鐵尾礦在尾礦中占比最大，年產(chǎn)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(shí)現(xiàn)尾礦大量利用的有效途徑之一，但鐵尾礦因養(yǎng)分貧瘠、物理結(jié)構(gòu)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(qiáng)植物在尾礦砂中的定植能力從而實(shí)現(xiàn)礦山復(fù)綠，又能通過植物修復(fù)作用達(dá)到尾礦治理的目的，如此形成良性循環(huán)，同時(shí)通過“以廢治廢”實(shí)現(xiàn)鐵尾礦資源的二次利用，降低礦山修復(fù)治理成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境效益。

雖然鐵礦產(chǎn)地和選礦工藝不同，導(dǎo)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(xué)組成和礦物成分相近，使鐵尾礦土壤化利用的推廣應(yīng)用成為可能。在本研究的基礎(chǔ)上，后續(xù)可繼續(xù)優(yōu)化改良劑配方，并可以針對不同產(chǎn)地不同選礦工藝的鐵尾礦進(jìn)行對比研究，檢驗(yàn)改良劑的適用性。另外，還需要進(jìn)一步研究鐵尾礦改良處理對植物生長發(fā)育的影響，篩選適合應(yīng)用于鐵尾礦基質(zhì)的綠化植物品種。