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一种利用工业固废制备土壤改良剂及其应用方法

文献发布时间:2023-06-19 13:45:04


一种利用工业固废制备土壤改良剂及其应用方法

技术领域

本发明属工业固废综合利用技术领域,具体涉及一种利用工业固废制备土壤改良剂的方法。

背景技术

赤泥是铝土矿生产氧化铝过程中排放的强碱性固体废弃物,会对周边环境造成污染,因此,赤泥的综合利用得到了研究者们的广泛关注(夏帆, 崔诗才, 蒲锡鹏. 赤泥综合利用现状综述 [J]. 中国资源综合利用, 2021, 39(04): 85-89;李新. 赤泥资源化利用与展望 [J]. 资源信息与工程, 2020, 35(03): 133-135)。目前,赤泥综合利用方向主要包括以下三个方面:利用赤泥制备建筑材料、利用赤泥制备吸附材料和提取赤泥中有价组分(闫玉才, 常征, 符勇. 赤泥资源化利用研究进展 [J]. 能源与环保, 2020, 42(10):134-138;张雪, 王重庆, 曹亦俊. 赤泥固废土壤化修复研究进展 [J]. 有色金属(冶炼部分), 2021, 03): 84-92)。从赤泥中提取有价组分,可以实现资源循环利用,但仍会产生一定量的尾渣或废水。利用赤泥制备建筑材料或吸附材料,技术上是可行的,但由于赤泥的强碱性,会导致最终产品的出现“泛霜”现象,影响产品强度和美观(Ji, Z.Z., Zhang, Y.Y.,Kai, W., et al. Sustainable utilization of bauxite residue (Red Mud) as aroad material in pavements: A critical review [J]. Construction and BuildingMaterials, 2021, 270: 121419; Fei, L., Yue, H.H., Li, W., et al.Dealkalization processes of bauxite residue: A comprehensive review [J].Journal of Hazardous Materials, 2021, 403)。

煤矸石是煤矿在开拓掘进、采煤和煤炭洗选等生产过程中排出的含碳岩石,是煤矿生产过程中的固体废物(周楠, 姚依南, 宋卫剑, 等. 煤矿矸石处理技术现状与展望[J]. 采矿与安全工程学报, 2020, 37(1): 136-146)。煤矸石的堆放不仅占用大量的土地、破坏区域生态平衡,而且富含硫的矸石山自燃会带来大气、水、土壤等污染,是亟须破解的环境难题(杨越. 我国煤矸石堆存现状及其大宗量综合利用途径 [J]. 中国资源综合利用, 2014, 32(6): 18-22)。同时,煤矿开采造成地表塌陷和生态破坏严重,目前我国采煤损毁土地面积约90万公顷。关于煤矸石综合利用,传统处理方式包括提取有价组分、制备建筑材料以及其他材料等领域,在此过程中,依然存在能耗高、不能实现清洁生产,会产生二次污染物的问题(胡艺华. 煤矸石处理措施及利用途径分析 [J]. 能源与节能, 2019,(1): 74-75;张凯峰, 吴雄, 杨文, 等. 煤矸石建材资源化的研究进展 [J]. 材料导报,2013, 27(S1): 290-293;韩邦华. 煤矸石在水泥行业中的综合利用 [J]. 江西建材,2019, 11: 6-8)。煤矸石的主要成分除碳以外,还含有高岭石、叶腊石、伊利石以及赤褐铁矿、锐钛矿、钠长石等矿物质,其不仅含有大量SiO

因此,目前关于这两种固废的综合利用,存在固废利用率低、利用过程能耗高及操作困难、制备土壤改良剂难度大且微生物生存环境差、不能调节土壤的酸碱度等的缺陷。

发明内容

本发明的目的正是针对上述现有技术中所存在的不足之处而提供一种能够综合利用赤泥和煤矸石制备土壤改良剂及其应用的方法,该方法满足赤泥和煤矸石固废利用率高、土壤改良剂制备过程简单、土壤改良剂中细菌种类多且协同作用强、可缓慢释放土壤肥力、调节土壤酸碱度和改善土壤微环境的特点。

本发明的目的可通过下属技术措施来实现:

本发明采用的方法是将赤泥、生理盐水与无菌培养基混合、分离、培养得到了耐碱细菌,将煤矸石破碎、磨细、与生理盐水与无菌培养基混合、分离、培养得到了耐酸细菌,然后将耐碱细菌、耐酸细菌和巨大芽孢杆菌混合均匀得到复合菌种;再将赤泥和磨细之后的煤矸石混合均匀,得到复合工业固废;最后将复合菌种、复合工业固废和熟化剂混合均匀并熟化,得到土壤改良剂。将该土壤改良剂用于农作物种植,可使玉米和马铃薯等农产品增产10%~30%。

具体说:本发明的利用工业固废制备土壤改良剂的方法包括下述步骤:

a、将赤泥、生理盐水与无菌培养基按照质量比10~20:70~100:5~10进行混合,之后在温度为20~30℃条件下静置培养12~48h,然后进行固液分离得到赤泥浸出液,将赤泥浸出液进行细菌分离、驯化、培养,得到耐碱细菌,备用;

b、将煤矸石经过破碎机破碎至粒度小于0.5mm,然后将破碎后的煤矸石在磨矿机中磨矿至粒度小于0.045mm,将磨矿之后的煤矸石、生理盐水与无菌培养基按照质量比10~20:70~100:5~10进行混合,之后在温度为20~30℃条件下静置培养12~48h,然后进行固液分离得到煤矸石浸出液,将煤矸石浸出液进行细菌分离、驯化、培养,得到耐酸细菌,备用;

c、将步骤a所得耐碱细菌、步骤b耐酸细菌与巨大芽孢杆菌按照质量比1:1~3:3~5混合均匀,得到复合菌种,然后将赤泥和磨细之后的粒度小于0.045mm的煤矸石按照质量比为1:1~4混合均匀,得到复合工业固废,备用;

d、将步骤c所得复合菌种、复合工业固废与熟化剂按照质量比为0.1~0.5:100:5~20混合均匀,熟化15~30天,即得到土壤改良剂(所得土壤改良剂可调控土壤的酸碱度,缓慢释放其中氮、磷、钾、碳、硅、铁、钼等肥料肥性)。

本发明中所述无菌培养基为含有碳、氮、磷、钾的的琼脂类固体培养基。

所述细菌分离、驯化、培养过程采用平板划线接种法和液体培养基接种法。

所述赤泥为拜耳法赤泥,其中碱含量为2%~15%。

所述煤矸石为采煤、选煤过程排放的固废,其中硫含量为0.5%~5%。

所述熟化剂为树叶、桔杆、牧草、杂草中的一种或几种混合物。

本发明所述方法制备的土壤改良剂的应用方法如下:所述土壤改良剂适用于酸性土壤或者盐碱土壤,土壤改良剂的每亩施入量为100~200kg,用于玉米、马铃薯类农作物种植,可使玉米、马铃薯类农产品增产10%~30%。

本发明的有益效果如下:

本发明的利用赤泥和煤矸石两种固废制备的土壤改良剂的方法不仅提高赤泥和煤矸石固废利用率高,同时还具有土壤改良剂制备过程简单、土壤改良剂中细菌种类多且协同作用强、可缓慢释放土壤肥力、调节土壤酸碱度和改善土壤微环境的特点。由于赤泥是铝土矿经过强碱介质高温处理后得到的尾渣,具有强碱性,从其中提取、分离、培养合适的耐碱细菌,有利于处理和改良盐碱性土壤。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图。

图2为赤泥中耐碱细菌的分离、培养与鉴定。

图3为煤矸石中耐碱细菌的分离、培养与鉴定。

图4为巨大芽孢杆菌的表观形貌。

图5为菌液浓度和pH值对土壤改良剂中肥力元素溶解的影响。

具体实施方式

本发明以下将结合实施例(附图1)作进一步描述:

为避免重复叙述,现将本发明具体实施方式所涉及的技术参数统一描述如下:所述无菌培养基为琼脂类固体培养基,其中含有碳、氮、磷、钾等微生物所需营养元素,所述细菌分离、驯化、培养过程采用平板划线接种法和液体培养基接种法,所述赤泥为拜耳法赤泥,其中碱含量为2%~15%,所述煤矸石为采煤、选煤过程排放的固废,其中硫含量为0.5%~5%,所述熟化剂为树叶、桔杆、牧草、杂草等其中的一种或几种混合物。具体实施例中不再赘述。

实施例1

将赤泥、生理盐水与无菌培养基按照质量比10~15:70~80:5~8进行混合,之后在温度为20~30℃条件下静置培养12~24h,然后固液分离得到赤泥浸出液,将赤泥浸出液进行细菌分离、驯化、培养,得到耐碱细菌,备用;将煤矸石经过破碎机破碎至粒度小于0.5mm,然后将破碎后的煤矸石在磨矿机中磨矿至粒度小于0.045mm,将磨细之后的煤矸石、生理盐水与无菌培养基按照质量比20:100:5进行混合,之后在温度为20~30℃条件下静置培养12~24h,然后固液分离得到煤矸石浸出液,将煤矸石浸出液进行细菌分离、驯化、培养,得到耐酸细菌,备用;将耐碱细菌、耐酸细菌和巨大芽孢杆菌按照质量比1:1~3:3~5混合均匀,得到复合菌种,然后将赤泥和磨细之后的煤矸石按照质量比为1:1~4混合均匀,得到复合工业固废,备用;将复合菌种、复合工业固废、熟化剂按照质量比为0.1~0.5:100:5~20混合均匀,熟化15~20天,即得到土壤改良剂;将酸性或碱性土壤与土壤改良剂按照质量比为100:10~20混合均匀,用于农作物种植,本发明所得土壤改良剂可调控土壤的酸度,缓慢释放其中氮、磷、钾、碳、硅、铁等肥力元素,可使玉米、马铃薯增产10%~20%。

实施例2

将赤泥、生理盐水与无菌培养基按照质量比13~18:80~90:7~9进行混合,之后在温度为20~30℃条件下静置培养24~36h,然后固液分离得到赤泥浸出液,将赤泥浸出液进行细菌分离、驯化、培养,得到耐碱细菌,备用;将煤矸石经过破碎机破碎至粒度小于0.5mm,然后将破碎后的煤矸石在磨矿机中磨矿至粒度小于0.045mm,将磨细之后的煤矸石、生理盐水与无菌培养基按照质量比20:100:5进行混合,之后在温度为20~30℃条件下静置培养24~36h,然后固液分离得到煤矸石浸出液,将煤矸石浸出液进行细菌分离、驯化、培养,得到耐酸细菌,备用;将耐碱细菌、耐酸细菌和巨大芽孢杆菌按照质量比1:1~3:3~5混合均匀,得到复合菌种,然后将赤泥和磨细之后的煤矸石按照质量比为1:1~4混合均匀,得到复合工业固废,备用;将复合菌种、复合工业固废、熟化剂按照质量比为0.1~0.5:100:5~20混合均匀,熟化20~25天,即得到土壤改良剂;将酸性或碱性土壤与土壤改良剂按照质量比为100:10~20混合均匀,用于农作物种植,本发明所得土壤改良剂可调控土壤的酸碱度,缓慢释放其中氮、磷、钾、碳、硅、铁等肥力元素,可使玉米和马铃薯等农产品增产15%~25%。

实施例3

将赤泥、生理盐水与无菌培养基按照质量比17~20:90~100:8~10进行混合,之后在温度为20~30℃条件下静置培养36~48h,然后固液分离得到赤泥浸出液,将赤泥浸出液进行细菌分离、驯化、培养,得到耐碱细菌,备用;将煤矸石经过破碎机破碎至粒度小于0.5mm,然后将破碎后的煤矸石在磨矿机中磨矿至粒度小于0.045mm,将磨细之后的煤矸石、生理盐水与无菌培养基按照质量比20:100:5进行混合,之后在温度为20~30℃条件下静置培养36~48h,然后固液分离得到煤矸石浸出液,将煤矸石浸出液进行细菌分离、驯化、培养,得到耐酸细菌,备用;将耐碱细菌、耐酸细菌和巨大芽孢杆菌按照质量比1:1~3:3~5混合均匀,得到复合菌种,然后将赤泥和磨细之后的煤矸石按照质量比为1:1~4混合均匀,得到复合工业固废,备用;将复合菌种、复合工业固废、熟化剂按照质量比为0.1~0.5:100:5~20混合均匀,熟化15~30天,即得到土壤改良剂;将酸性或碱性土壤与土壤改良剂按照质量比为100:10~20混合均匀,用于农作物种植,本发明所得土壤改良剂可调控土壤的酸碱度,缓慢释放其中氮、磷、钾、碳、硅、铁等肥料肥性,可使玉米和马铃薯等农产品增产20%~30%。

因此,本具体实施方式具有赤泥和煤矸石固废利用率高、土壤改良剂制备过程简单、土壤改良剂中细菌种类多且协同作用强、可缓慢释放土壤肥力、调节土壤酸碱度和改善土壤微环境的特点。

本发明中耐碱细菌的分离和形貌特征见图2。

由图2(a)可知,从赤泥中画线分离出来的细菌,数量很少,说明这种强碱性固废不适合微生物的生长繁殖,也导致了赤泥筑堆坝上几乎不能生长植物。由图2(b)可知,该细菌呈球状且分布稀散,因此,需要利用加富培养基对其进行培养和驯化,使其能够满足在赤泥这种碱性环境中快速生长繁殖的特性,促进赤泥中钾、铁等肥力元素的高效释放。

由于煤矸石是煤矿在采选过程排放的尾渣,其中含有一定的无机硫和有机硫,具有一定的酸性,从中提取分离合适的耐酸细菌,有利于处理和改良酸性土壤,该耐酸细菌的分离和形貌特征见图3。

由图3(a)可知,从煤矸石中画线分离出来的细菌,数量较多,生长状态良好,说明煤矸石这种弱酸性环境适合微生物的生长繁殖,这也是以煤矸石为原料能够制备土壤改良剂的直接原因。由图3(b)可知,该耐酸细菌呈单杆状,且分布密集均匀,因此,需要利用常规培养基对其进行培养和驯化后,使其能够满足在煤矸石环境中快速生长繁殖的特性,促进煤矸石中磷、碳等肥力元素的有效溶解。

巨大芽孢杆菌是比较常见的菌种,且在土壤中存在量较大,其表观形貌见图4。

由图4可知,巨大芽孢杆菌属于多杆细菌,相互聚集,在自然环境中,生长繁殖能力较强,其能够有效促进硅酸盐分解,而煤矸石和赤泥中均含有大量硅氧化物,三种细菌的协同作用,不仅能够促进磷、钾等肥料的缓慢释放,更能够加强两种固废中硅肥的有效溶解和植物的吸收。

将三种细菌按照一定比例混合后得到混合细菌,再将混合细菌直接添加在固废中,考察菌液浓度和pH值,对煤矸石-赤泥固废基土壤改良剂中磷、钾和硅肥力元素溶解的影响,结果见图5。

由图5(a)可知,可知,菌液浓度对固废中磷和硅的溶解效果的影响较为缓慢,随着浓度的升高,磷和硅的溶解率缓慢增长,说明含这两种元素的矿物较难溶解。而钾的溶解特征是先升高后降低,说明菌液浓度过高,并不利于钾的释放。由图5(b)可知,pH值对三种营养元素的溶解规律为,随着pH值从弱酸性升至弱碱性,磷、钾、硅的溶解率均呈先升高后降低的趋势,且均在pH=7的中性状态下,溶解率最高。而本发明内容中所述的复合细菌包括耐酸细菌、耐碱细菌和巨大芽孢杆菌,其具有调节土壤pH值的能力,可使土壤保持pH值在7.0左右,这将改善土壤微环境,有利于磷、钾、硅等肥力元素的有效释放。

因此,本发明具有赤泥和煤矸石固废利用率高、土壤改良剂制备过程简单、土壤改良剂中细菌种类多且协同作用强、可缓慢释放土壤肥力、调节土壤酸碱度和改善土壤微环境的特点。

技术分类

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