发酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠岩配施对铁尾矿的改良作用

梁文先 王兴达 张孟星 李鹏

（中冶一局环境科技有限公司 河北保定 071700）

0 引言

尾矿是我国目前产生量最大的大宗工业固体废弃物，主要采取堆存的方式处理［1］。尾矿的大量堆存不仅需要占用大量土地，会对周边的生态环境造成污染，而且还存在一定的安全隐患［2］。加之当前生态环境日益恶化，资源日趋匮乏［3］。因此，对尾矿资源化利用的研究具有重要意义。

铁尾矿是工业固体废弃物的主要来源之一，排放量巨大。2018 年我国铁尾矿总产生量约4.76 亿t，约占全国尾矿总产生量的39.3%，在尾矿中占比最大［4］。受矿石产地和选矿工艺等因素影响，铁尾矿成分及含量不尽相同，但主要都含有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO 等［5］。铁尾矿综合利用潜力很大，目前我国铁尾矿的综合利用方式主要包括有价元素及矿物回收、制备建筑材料、用作矿山采空区充填材料、土壤改良剂及元素肥料、尾矿库复垦等［5］。

考虑到如果在矿山绿化时，将改良铁尾矿用作种植基质，代替客土，这样既能节约土壤资源、降低成本，又能实现铁尾矿的资源化利用。而铁尾矿本身养分贫瘠，理化性质恶劣，不适宜植物生长发育。因此，本研究通过系列试验探究发酵蘑菇菌渣、蛭石、珍珠岩配施［6-7］对铁尾矿理化性质的改良效果，以及对植物种子发芽率的影响，以期为我国铁尾矿土壤化利用提供参考。

1 铁尾矿性质

铁尾矿为铁矿石经过磨矿、选别后得到的细粒物质，对不同产地铁尾矿理化性质和微量元素进行检测，测试结果显示，铁尾矿中含有植物生长所必需的元素，如Si、Fe、Ca、S、P、Mn 等。在碱性环境侵蚀下，铁尾矿中丰富的Si 不断溶出，作为第四大营养元素可有效补充植物对Si 的营养需求。同时，铁尾矿中含有大量的棱块状颗粒，透水透气性好，为铁尾矿土壤化利用奠定了基础。本次试验使用的铁尾矿采自河北承德地区，采用X射线荧光分析法对供试铁尾矿化学成分进行分析，结果见表1。

表1 供试铁尾矿的化学组成（%）

2 试验研究

2.1 试验方案

发酵蘑菇菌渣富含有机质，还含有Ca、P、K 等矿物质养分，适合微生物存活和生长，可以改良土壤结构，提高土壤肥力。经过处理的蛭石和珍珠岩具有质轻多孔、导热系数小、化学稳定性好等特点，在改善土壤保水、保肥、保温性能方面具有良好的效果，被广泛应用于农业生产及环境保护。因此，选用发酵蘑菇菌渣、蛭石、珍珠岩进行铁尾矿土壤化改良试验，探究单一及复合改良剂对铁尾矿pH、容重、孔隙度、持水性能等理化性质的改良效果，并通过盆栽种植试验考察不同改良处理对铁尾矿基质中植物种子发芽率的影响，为铁尾矿土壤化利用提供实验依据。

设置对照组和实验组共7 组实验，每组实验重复3 次。其中，对照组A 为100%自然土壤，B 为100%铁尾矿；实验组C 为铁尾矿添加10%发酵蘑菇菌渣，D 为铁尾矿添加10%发酵蘑菇菌渣和10%蛭石，E 为铁尾矿添加10%发酵蘑菇菌渣和10%珍珠岩，F 为铁尾矿添加10%发酵蘑菇菌渣、5%蛭石和5%珍珠岩，G 为铁尾矿添加20%发酵蘑菇菌渣。按以上比例将各组混合均匀，得到体积大致相同的各处理装盆，进行铁尾矿改良试验及盆栽种植试验。其中，盆栽试验播种时采用直播方式［8］，播种后适时适量浇水养护，注意观察、统计各组植物种子14 d 发芽率。

2.2 试验结果分析

2.2.1 改良处理对铁尾矿基质pH 值的影响

本次供试铁尾矿偏碱性，而基质酸碱性是影响植物生长的关键因素之一。因此，本研究首先考察了各改良剂对铁尾矿pH 值的影响，以确定其在铁尾矿土壤化改良中的适用性，结果见图1。由图1 可知，各处理的pH值分别为A=8.2、B=9.1、C=8.8、D=8.3、E=8.8、F=8.6、G=8.6，排序为A＜D＜F=G＜C=E＜B，表明供试改良剂的加入可以使铁尾矿的pH 值有所降低。其中，处理C、E、F 和G 之间相差不大，相比之下处理D 对铁尾矿pH 值的改良效果最佳，说明发酵蘑菇菌渣和蛭石具有较好的降低铁尾矿pH 值的效果，且发酵蘑菇菌渣与蛭石复合使用对铁尾矿的改良效果明显优于发酵蘑菇菌渣单独使用。

图1 供试自然土壤、铁尾矿及改良铁尾矿的pH 值

2.2.2 改良处理对铁尾矿基质持水性的影响

土壤水分是衡量土壤优劣的重要指标之一［7］，同时水分也是植物生长所必需的物质基础。因此，本研究考察了各改良剂对铁尾矿持水性能的影响，结果见图2。由图2 可知，0 h 对应的含水率为各处理的初始含水率，自然土壤（A）为39.3%，纯铁尾矿（B）为35.9%，铁尾矿改良处理组C、D、G 较高分别为38.6%、40.2%、40.3%，铁尾矿改良处理组E、F 较低分别为34.6%、35.0%；在0～120 h 时，各处理含水率下降迅速，自然土壤下降24%，纯铁尾矿下降49%，铁尾矿改良处理组C～G 分别下降42%、31%、45%、34%、24%，下降幅度均小于纯铁尾矿；在120 h 后，除自然土壤含水率持续快速下降以外，其他处理明显下降趋势减缓；最终在456 h 时，自然土壤与纯铁尾矿含水率相当，而铁尾矿改良处理组C～G的含水率均高于二者，此时含水率排序为G>F>C>D>E>A>B。这就说明发酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠岩在提升铁尾矿持水性能方面均有明显作用，其中发酵蘑菇菌渣的保水效果更好。因此，在铁尾矿土壤化利用时，可以视情况而定，灵活选择发酵蘑菇菌渣与蛭石和（或）珍珠岩配施，以改善铁尾矿的持水性能。

图2 供试自然土壤、铁尾矿及改良铁尾矿的持水曲线

2.2.3 改良处理对铁尾矿基质的物理性能的影响

铁尾矿普遍粒径小、容重大，而基质本身的容重等物理性能会直接影响其蓄水保肥性，进而影响植物根系生长等。因此，本研究考察了各改良剂对铁尾矿基质物理性能的影响，结果见表2 和表3。分析表2 可知，经过改良的铁尾矿（C～G）＜0.075 mm 或>0.500 mm 粒级含量较未经过改良的铁尾矿（B）均有明显增加，而0.075～0.500 mm 粒级含量则相应减少，可见经过改良后的铁尾矿的粒级组成向自然土壤（A）靠近。分析表3 可知，不同处理容重排序为B>C>G>A>D>F>E，说明发酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠岩均能降低铁尾矿的容重，其中蛭石和珍珠岩降低容重的效果更好，而且经过改良后的铁尾矿的容重、孔隙度都更接近自然土壤，更适宜于植物生长发育。综上所述，利用发酵蘑菇菌渣与蛭石和（或）珍珠岩配施改良铁尾矿，可以明显改善铁尾矿基质的容重、孔隙度等物理性能，使其向着适合植物生长发育的方向发展，有望实现铁尾矿土壤化利用。

表2 供试自然土壤、铁尾矿及改良铁尾矿的粒级组成分布表（%）

表3 供试自然土壤、铁尾矿及改良铁尾矿的物理性质

2.2.4 改良处理对铁尾矿基质中植物种子发芽率的影响

为了验证改良剂对铁尾矿的改良效果，按照试验方案开展盆栽种植试验，各处理播种紫花苜蓿、黑麦草和狗牙根，浇水养护，然后分别统计各组植物种子14 d 发芽率，结果见表4。从表4 可以看出，3 种植物中，紫花苜蓿和黑麦草种子的发芽率相对较高，狗牙根种子的发芽率偏低，这可以作为铁尾矿基质选择绿化植物时的参考依据。另外，从整体看来，经过改良后的铁尾矿基质（C～G）中植物种子14 d 发芽率均高于未经过改良的铁尾矿（B），甚至高于自然土壤（A），说明供试改良剂对铁尾矿的改良效果明显。其中，发酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠岩三者混配改良实验组（F）的发芽率最高，达到84%。这也就验证了铁尾矿经过适当改良后，完全可以作为植物的种植基质。

表4 各处理对植物种子14 d 发芽率的影响（%）

3 结论

（1）铁尾矿改良试验结果表明：发酵蘑菇菌渣和蛭石在降低铁尾矿pH 值方面具有一定效果，且两者复合使用对铁尾矿的改良效果优于发酵蘑菇菌渣单独使用；发酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠岩在改善铁尾矿基质物理性质方面作用明显。

（2）盆栽种植试验结果表明：经过改良处理的铁尾矿基质种植植物发芽率明显提高，能够满足植物生长需求，可以作为植物种植基质。

（3）在矿山绿化中，可以使用改良铁尾矿作为种植基质代替客土，节约土壤资源。选取发酵蘑菇菌渣、蛭石和珍珠岩作为改良剂，混配改良铁尾矿可以明显改善其理化性质，而且经过改良后的铁尾矿基质种植植物14 d发芽率可以达到84%。

4 展望

我国矿物资源综合利用率低，矿物的部分共伴生组分因限于技术瓶颈无法回收，导致大量有价金属元素及可利用的非金属矿物存留在尾矿中，造成了资源的严重浪费。铁尾矿在尾矿中占比最大，年产生量居高不下，堆存量巨大。因此，寻求铁尾矿大量利用的有效方法是大势所趋。

铁尾矿土壤化利用是实现尾矿大量利用的有效途径之一，但铁尾矿因养分贫瘠、物理结构差等不利因素，使植物很难存活，是植被重建的困难立地类型之一。因此，研究一种铁尾矿土壤化改良的方法，既能通过增强植物在尾矿砂中的定植能力从而实现矿山复绿，又能通过植物修复作用达到尾矿治理的目的，如此形成良性循环，同时通过“以废治废”实现铁尾矿资源的二次利用，降低矿山修复治理成本，具有良好的经济及生态环境效益。

虽然铁矿产地和选矿工艺不同，导致我国铁尾矿种类繁多，不同铁尾矿的成分及含量存在差异，但其主要化学组成和矿物成分相近，使铁尾矿土壤化利用的推广应用成为可能。在本研究的基础上，后续可继续优化改良剂配方，并可以针对不同产地不同选矿工艺的铁尾矿进行对比研究，检验改良剂的适用性。另外，还需要进一步研究铁尾矿改良处理对植物生长发育的影响，筛选适合应用于铁尾矿基质的绿化植物品种。