一种极端酸化矿山土壤的改良方法技术

本发明专利技术属于污染土壤修复技术领域，具体涉及一种极端酸化矿山土壤的改良方法，该方法是利用改良剂和微生物菌剂改变土壤的微生物群落结构，尤其是降低铁硫氧化产酸微生物的相对丰度，抑制金属硫化物氧化产酸；利用改良剂可吸附、螯合、络合、固定重金属离子并降低其生物学毒性，减少重金属离子向周围土壤或水体的扩散和渗漏。本发明专利技术的改良方法投入成本低，酸化控制和重金属稳定效果好，营养物质含量提升显著，不破坏土壤结构，易于实施。

An improved method of extremely acidizing mine soil

【技术实现步骤摘要】
一种极端酸化矿山土壤的改良方法
本专利技术涉及一种极端酸化矿山土壤的改良方法，属于污染土壤修复

技术介绍
采矿废弃物酸化，在中国乃至世界，都是一个十分严重且日益受到高度重视的环境问题。大多数有色金属矿以各种类型的金属硫化物存在，如黄铁矿(FeS2)、黄铜矿(CuFeS2)、闪锌矿(ZnS)、方铅矿(PbS)、毒砂(FeAsS)等。矿石中硫化物的化学和生物学性质十分稳定，其化学氧化是一个十分缓慢的过程。然而，采选矿和冶炼等活动将含金属硫矿物(主要为黄铁矿FeS2)暴露于空气中，加上天然林溶的作用，与空气和水蒸汽充分接触，在铁离子和铁/硫氧化微生物的催化作用下会迅速发生氧化反应而产酸。地球化学研究证实，自然界中金属硫化物的氧化过程是一个缓慢的化学过程与快速的微生物催化过程。金属硫化物(以FeS2为例)在生物氧化之前，需要经历一个初始的酸化过程。这一初始酸化是由O2介导的自然氧化过程，反应速率极其缓慢，其化学反应方程式为：FeS2+3.5O2+H2O→FeSO4+H2SO4(1-1)Fe3+氧化硫化物的能力远远强于O2，在低pH条件下，一些具有铁氧化催化能力的嗜酸微生物通过再生Fe3+从而极大地加快FeS2的溶解。且在微生物的催化作用下，Fe3+的氧化速率要比O2氧化的速率快5～6个数量级。因此，FeS2的氧化主要由Fe3+完成，这一酸化过程是由微生物催化的间接氧化过程，反应速率极其快速，其化学反应方程式为：FeS2+14Fe3++8H2O→15Fe2++2SO42-+16H+(1-2)近年来随着分子生物学的快速发展，越来越多的研究发现铁硫氧化产酸微生物在金属硫化物的氧化过程中扮演者非常重要的角色。以往文献报道的参与黄铁矿氧化的铁硫氧化产酸微生物主要包括变形菌门(Proteobacteria)的酸硫杆状菌属(Acidithiobacillus)和硫杆菌属(Thiobacillus)；厚壁菌门(Firmicutes)的硫化杆菌属(Sulfobacillus)，硝化螺菌门(Nitrospira)的钩端螺菌属(Leptospirillum)，放线菌门(Actinobacteria)的醋微菌属(Acidimicrobium)，以及一些古菌如广古菌门(Euryarchaeota)的铁原体属(Ferroplasma)等。金属硫化物氧化后产生大量的H+和SO42-，极端酸性会加剧重金属离子的溶出和毒害。在强酸环境下，重金属元素(如Pb、Zn、Cu、Cd、Fe、Mn、Al、Ni等)溶解性增加，毒性增强。酸化还会严重影响有机质分解、养分的释放和保持，在酸化环境中土壤的离子交换能力降低，最终导致植物所需要的大量元素和其它微量元素的严重不足。酸性地表水和重金属污染物还会通过大气和水体等途径广为扩散，严重污染矿山及其周边地区的生态环境，导致生态系统极度退化。而且，这些污染物还可以直接或通过食物链最终影响人体健康。因此，对极端酸性环境的生态恢复，不仅是污染土壤生态修复的重要组成部分，也是我国当前矿山生态环境保护面临的紧迫任务。有效控制采矿废弃物酸化是一个世界性的难题。目前采用方法主要有物理隔离法和碱性中和法。物理隔离法是在酸性土壤表面覆盖一至数层惰性材料，形成低渗透性密封层、水分隔离层、防止冲蚀层等隔离层，这种方法通常造价很高，当矿地面积较大时难以实现。碱性中和法是添加碱性中和剂中和酸性土壤中的酸，然而，在很多情况下，单靠施用碱性中和剂很难完全中和由黄铁矿氧化而产生的酸性物质，即使在短期内有效地中和了现有的土壤酸度，但储存在土壤中的金属硫化物一般不能完全氧化，随着水分和空气的渗透，在各类铁硫氧化产酸微生物的作用下土壤又开始发生酸化。因此，要彻底地控制采矿废弃物的酸化，必须改变酸化土壤的微生物群落结构，降低铁硫氧化产酸微生物的相对丰度和活性。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于针对已有技术存在的不足，提出一种极端酸化矿山土壤的改良方法，通过调节酸化土壤中的微生物菌群，降低铁硫氧化产酸微生物的相对丰度，抑制金属硫化物氧化产酸。该方法简单、高效、成本低、见效快、效果好。为解决上述技术问题，本专利技术通过以下技术方案实现：一种极端酸化矿山土壤的改良方法，其是在酸化矿山土壤的表面覆盖改良剂(石灰+农家肥)，土壤下层施用微生物菌剂，改变土壤的微生物群落结构，尤其是降低铁硫氧化产酸微生物的相对丰度，抑制金属硫化物氧化产酸，具体包括如下步骤：(1)对极端酸化矿山土壤进行表面修整；(2)在酸化土壤下层施用微生物菌剂；(3)在酸化土壤表层平铺一层石灰；(4)在酸化土壤表层平铺一层新鲜的农家肥；(5)平衡1～6个月，种植足够密度的植物，植物种植密度过疏，或出现缺苗时，要及时补石灰和农家肥，并进行补苗。作为优选地，本专利技术中涉及的极端酸化矿山为pH为2.0～3.0的铜矿、铅矿、锌矿、铁矿或锰矿中的一种。具体地，本专利技术的改良方法中，步骤(1)中对极端酸化矿山土壤进行的表面修整操作包括去除石头，填补采坑，将土壤表面耕松，深度为10～30cm。本专利技术的改良方法中，步骤(2)中在酸化土壤下层施用的微生物菌剂选择植物促生菌、溶磷菌或硫酸盐还原菌菌剂中的一种或多种，可为纯种或混合菌群。添加这三类菌剂主要发挥以下作用：一、植物促生菌菌剂的施用能够促进植物根系的生长，增加作物的产量、对氧化胁迫的抗性以及对营养物质的吸收和利用，显著增强植物对矿山恶劣环境的适应能力；二、溶磷菌菌剂的施用能够通过加强无机磷的溶解和有机磷的矿化作用从而增加土壤中有效磷的含量，而矿山土壤中的磷不仅是植物生长所必须的元素，同时具有缓解重金属毒性的重要作用；三、硫酸盐还原菌菌剂能够催化硫酸根还原为负二价的硫(氧化产酸的逆向过程)，并可通过进一步反应生成单质S或者同其他重金属离子如Cu2+等结合而沉淀下来，同时，该过程中也会消耗体系中存在的H+，实现有效控制产酸和稳定重金属。从效果和经济性方面考虑，菌剂的施用量为0.2～1.0吨/公顷，施用时翻开土壤10～30cm深度，施加要均匀，施加后回填土壤。同时，应尽快进行后面的平铺石灰和农家肥步骤，避免矿山土壤的强酸性对菌剂活性造成影响。本专利技术经过大量的实验研究，发现平铺一层石灰可发挥以下作用：一、中和酸化矿山土壤中已产生的大量的酸，改变矿山土壤的酸化环境，降低酸化微生物的丰度，减少产酸微生物的铁氧化催化能力，抑制FeS2的溶解；二、阻止外界氧气与金属硫化物的接触，形成一个相对缺氧的环境，抑制金属硫化物的化学氧化过程；三、过量的OH-可与Fe3+反应生成Fe(OH)3沉淀，减少Fe3+对金属硫化物的氧化速率，抑制金属硫化物的微生物催化过程，大大降低土壤的产酸潜力。本专利技术使用的新鲜农家肥本身可提供丰富的微生物菌群和营养物质，在与酸化微生物的竞争中占据优势，进一步抑制酸化微生物的活性。新鲜农家肥还可以吸附、螯合或络合重金属离子，缓解其毒性，改善矿区土壤基质物理结构，提高其持水保肥的能力，为植物生长和发育提供必需的营养元素。土壤改良用到的石本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种极端酸化矿山土壤的改良方法，其特征在于，是在酸化矿山土壤表面覆盖改良剂，土壤下层施用微生物菌剂，改变土壤的微生物群落结构，尤其是降低铁硫氧化产酸微生物的相对丰度，抑制金属硫化物氧化产酸，具体包括如下步骤：/n(1)对极端酸化矿山土壤进行表面修整；/n(2)在酸化土壤下层施用微生物菌剂；/n(3)在酸化土壤表层平铺一层石灰；/n(4)在酸化土壤表层平铺一层新鲜的农家肥；/n(5)平衡1～6个月，种植足够密度的植物，植物种植密度过疏，或出现缺苗时，要及时补石灰和农家肥，并进行补苗。/n

【技术特征摘要】
1.一种极端酸化矿山土壤的改良方法，其特征在于，是在酸化矿山土壤表面覆盖改良剂，土壤下层施用微生物菌剂，改变土壤的微生物群落结构，尤其是降低铁硫氧化产酸微生物的相对丰度，抑制金属硫化物氧化产酸，具体包括如下步骤：
(1)对极端酸化矿山土壤进行表面修整；
(2)在酸化土壤下层施用微生物菌剂；
(3)在酸化土壤表层平铺一层石灰；
(4)在酸化土壤表层平铺一层新鲜的农家肥；
(5)平衡1～6个月，种植足够密度的植物，植物种植密度过疏，或出现缺苗时，要及时补石灰和农家肥，并进行补苗。


2.根据权利要求1所述的改良方法，其特征在于，所述极端酸化矿山为pH为2.0～3.0的铜矿、铅矿、锌矿、铁矿或锰矿中的一种。


3.根据权利要求1所述的改良方法，其特征在于，所述步骤(1)中对极端酸化矿山土壤进行的表面修整操作包括去除石头，填补采坑，将土壤表面耕松，深度为10～30cm。


4.根据权利要求1所述的改良方法，其特征在于，所述步骤(1)修整土壤表面的时间选择在雨季之前，从前一年的9月...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨涛涛，舒玮，杨金金，毛喆，张金桃，曾俊英，
申请(专利权)人：广东桃林生态环境有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44