一种金属矿废石场植被恢复的无土种植基材及其植被恢复施工方法与流程

本发明属于植被恢复技术领域，涉及一种金属矿废石场的植被恢复，具体涉及一种金属矿废石场植被恢复的无土种植基材及其植被恢复施工方法。

背景技术：

采矿废弃物酸化是现有技术中一个较为普遍的现象。金属矿山以硫化物赋存于矿物中的比例很大，约占各类矿物种类总量的75％，由于品位极低，矿物采剥比大，产生大量的固体废弃物；其中，每采山1吨矿石平均约产生1.25吨废石，近几年大约需要排放废石1.3-1.4亿吨/a，累计堆存数十亿吨。

废石堆放于露天，在氧化铁硫杆菌和氧化硫硫杆菌等微生物的催化作用下，废石中的硫和金属硫化物被氧化，经过雨水冲刷，形成了矿山酸性废水(acidminedrainage，简称amd)；由于amd的ph值极低，且含有fe、mn、cu、zn、pb、cd、as和al等金属离子及so4^2-，会对环境造成污染和破坏。

目前，金属矿废石场主要采用客土的植被恢复方式，土壤需求量巨大。一座大型露天开采矿山的废石场占地面积高达几平方公里，按照平均覆土20cm计，所需种植土方量达到几百万立方，而我国的矿区多分布在深山石区，特别是南方不少矿山根本无土可取，有的甚至异地购买耕地取土，不但造成耕地损失，同时，也大大提高了矿山治理成本，严重制约了金属矿山植被恢复工程规模化实施。

随着环保日趋严格，充分利用矿山固体废弃物，研究开发废石场的无土植被恢复技术，已成为推行绿色矿山建设和矿业可持续发展的重要途径，到目前为止，尚未见到有关金属矿废石场植被恢复的无土种植基材及其植被恢复施工方法的相关报道。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明提供了一种以矿山固体废弃物为原料制备的金属矿废石场植被恢复的无土种植基材，并将其实施在金属矿废石场的植被恢复中，以解决现有技术中采用客土的植被恢复方式所存在的土壤需求量巨大和异地取土易造成二次生态破坏的问题，且能充分利用现有产生量巨大、利用率低且堆存占用大量土地的矿山固体废弃物。

本发明采用如下技术方案：

本发明一方面提供了一种金属矿废石场植被恢复的无土种植基材，包括hds底泥、稻壳、发酵污泥、有机聚合胶联剂和微生物菌剂，所述hds底泥、稻壳和发酵污泥的体积比为(0.01-50)：(25-75)：(22-27.5)。

在上述技术方案中，以待恢复的金属矿废石场的面积计，所述有机聚合胶联剂和微生物菌剂的加入量分别为10-15g/m³和3-5g/m³。

优选地，在上述技术方案中，所述微生物菌剂为活菌数分别为(2.3-2.8)×10⁸cfu/g和(2.6-3.5)×10⁸cfu/g的芽孢杆菌和放线菌的混合物。

详细地，所述微生物菌剂是一种具有多元作用的生物制剂产品，加入了营养价值很高的营养剂、促生剂和生物酶，能提供优质的土壤改良剂和有机肥料，能有效提高土壤中微生物的种类和数量，有助于提高土壤肥力和植物生长速率。

进一步地，在上述技术方案中，所述hds底泥为矿山酸性废水经回收有价元素后，采用石灰乳或电石渣酸碱中和处理后得到的废弃物，其含水率≤40％，且ph为6-7.5。

详细地，所述hds底泥为就地取材的第ⅰ类一般工业固体废物。

进一步地，在上述技术方案中，所述稻壳为稻谷加工后的废弃物。

详细地，所述稻壳中富含纤维素、木质素和二氧化硅，且稻壳中二氧化硅含量越高，则越坚硬，耐磨性能越强，是一种可以资源化利用的固体废弃物资源。该稻壳与hds底泥混合能提高hds底泥的保蓄性和缓冲性，同时上述稻壳的使用还可以保护农村生态环境，并促进农业的生态化发展；其他具有上述功能的农作物粉碎物也可以采用，效果以本申请采用的为优。

进一步地，在上述技术方案中，所述发酵污泥为脱水污泥经高温好氧发酵后得到的类腐殖质，其含水率≤30％，密度为1.2-1.5g/cm³，粒径＜10mm。

详细地，所述发酵污泥为城市污水处理厂的脱水污泥采用高温好氧堆肥的方法，经过好氧微生物的发酵分解并转化为稳定性较高的类腐殖质；其外观呈褐色，疏松、分散、细颗粒状，含水率≤30.0％，泥质达到《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(gb/t23486-2009)相关规定和控制标准。

进一步地，在上述技术方案中，所述有机聚合胶联剂为以植物种子为胶粉进行复合混配改性而成的天然黏合剂。

详细地，所述有机聚合胶联剂是以植物种子为胶粉为主体原料，对其进行复合混配改性而成的天然黏合剂。针对传统的高分子化合黏合剂不易降解的缺陷，上述有机聚合胶联剂通过在纤维与纤维之间和纤维与土壤之间建立捆绑胶联，大大提高土壤颗粒依附强度，促进土壤颗粒团粒结构形成，同时能够优化土壤微生物生存环境，进一步促进土壤的熟化；其他具有上述功能的有机聚合胶联剂也可以采用，效果以本申请采用的为优。

本发明另一方面提供了一种金属矿废石场的植被恢复施工方法，包括，对金属矿废石场进行预处理后，将酸性改良基质与水制得浓浆状的酸性改良材料，喷射到待恢复的金属矿废石场表面固结形成酸性改良层，随后将无土种植基材和植物种子混合均匀后，吹播到含酸性改良层的待恢复的金属矿废石场表面。

在上述技术方案中，所述无土种植基材与植物种子混合后的吹播厚度为2.0-3.0cm。

在上述技术方案中，以待恢复的金属矿废石场的面积计，所述植物种子的吹播量为25-35g/m²。

具体地，在上述技术方案中，所述植物种子采用乡土适生乔灌木为主、草本植物为辅；详细地，所述草本植物的种子用量比例范围应控制在3-5g/m²，以防止草本植物萌发后影响木本植物的生长。

进一步地，在上述技术方案中，所述酸性改良材料的固液比为(3-5)：10，且在所述喷射的过程中，控制酸性改良材料全部渗入所述金属矿废石场的废石间隙中，避免形成流体在所述金属矿废石场的表面流动。

优选地，在上述技术方案中，所述酸性改良材料采用多次喷射的方式喷射到待恢复的金属矿废石场的表面。

进一步优选地，在上述技术方案中，相邻所述喷射的间隔时间为控制上一次喷射的酸性改良材料已完成固结。

再进一步地，在上述技术方案中，所述酸性改良层在垂直于金属矿废石场表面的方向的厚度为1.0-1.5m。

优选地，在上述技术方案中，所述酸性改良基质由hds底泥、石灰粉、稻壳和有机聚合胶联剂组成。

进一步优选地，在上述技术方案中，对应于1-3m³的hds底泥，所述石灰粉、稻壳和有机聚合胶联剂的加入量分别为20-40kg、5-10kg和50-100g。

又进一步地，在上述技术方案中，所述金属矿废石场的预处理具体包括：

s1、清除金属矿废石场边坡浮石，消除边坡落石隐患，削坡减载，按小于自然安息角的坡度降低局部坡度；

s2、对金属矿废石场进行坡地改造，按等高线整地，使边坡形成若干大梯级坡面和小梯级坡面；

s3、依据金属矿废石场地形修建纵横交错的排水沟，构建良好的雨水分流系统。

优选地，在上述技术方案中，步骤s2中，所述等高线为20-40cm。

优选地，在上述技术方案中，步骤s2中，所述大梯级坡面的坡长为10-15m，并按不同坡长间距设置主平台和副平台。

在本发明的一个优选实施方式中，所述主平台按30-45m间隔设置，所述主平台的宽度为1.5-2.5m，所述副平台按10-15m间隔设置，所述副平台的宽度为0.5-1.0m。

优选地，在上述技术方案中，步骤s2中，所述小梯级坡面的平台宽为5-15cm，且所述小梯级坡面的平台向内形成3-5°倾角。

还进一步地，在上述技术方案中，所述植被恢复施工方法还包括，将无土种植基材和植物种子混合均匀并吹播后，按照所述金属矿废石场的地形布设滴灌系统，以保证植被恢复后得到有效的管护。

本发明的优点：

(1)本发明所提供的金属矿废石场植被恢复的无土种植基材选用hds底泥、稻壳和发酵污泥为主要原料，该hds底泥和发酵污泥的来源较广，利用率较低，且单独堆存对周围环境具有一定的污染，本发明实现了固体废物的资源化利用，使其可变废为宝，实现了金属矿废石场无客土植被恢复，为避免取土造成的二次生态破坏，体现“以废治废”的环保理念，大大降低了生态修复工程成本；

(2)本发明通过合理配比将所选定的hds底泥、稻壳、发酵污泥、有机聚合胶联剂和微生物菌剂制备用于金属矿废石场植被恢复的无土种植基材，能有效地调节土壤有机氮、磷、钾、有机质含量，改善了土壤结构，营造了良好的植物生长环境；

(3)本发明所提供的金属矿废石场的植被恢复施工方法针对待恢复金属矿废石场的废石粒径的不规则性，借助液力喷播的方式，优选采用多次喷射，在流体重力的作用下，分层渗透，形成表层和竖向的立体结构的酸性改良层，具体采用机械化程度更好的液力喷播设备，规避了现有技术所采用的干式喷或撒石灰粉造成的大量粉尘和作业工人职业健康的问题，生产效率高，环境效益和社会效益巨大；

(4)本发明所提供的金属矿废石场的植被恢复施工方法，施工工艺简单，易实施，效率高，效果好适用了大面积的应用，具有能优化生态环境的明显效果和长远意义。

附图说明

图1为本发明实施例中金属矿废石场的植被恢复的截面示意图；

图中：

金属矿废石场1，主平台2，副平台3，平台4，排水沟5，酸性改良材料6，无土种植基材7。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围。

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

若未特别指明，本发明实施例中所用的实验试剂和材料等均可市售获得。

若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。

在本发明实施例中，体积的单位可以是立方米、立方千米等，重量的单位可以是克、千克等，视具体的生产情况而定。

国内南方某大型铜矿废石场，1985年投入使用，1997年停止排放，堆体高55米，自然安息角堆放，没有设置边坡平台，废弃20多年。由于地处南方，降雨量大，长期露天堆场，废石风化程度较高，废石表层形成较为均一立地结构，有明显的侵蚀沟。经现场取样分析，结果显示，堆场淋溶液ph值为3.0-4.5，废石场有零星当地植被。

在上述废石场中设置4个实验区，分别标记为a、b、c和d，对其进行植被恢复，如图1所示，具体步骤如下：

(1)清除金属矿废石场1的边坡浮石，对侵蚀沟较大的边坡进行削坡减载，保证整体稳定性；

(2)对金属矿废石场进行坡地改造，按照等高线整地，使边坡形成若干大梯级坡面和小梯级坡面，其中，大梯级坡面结合地形按照不同坡长设置主平台2和副平台3，小梯级坡面的平台4向内形成3-5°的倾角；

(3)依据金属矿废石场地形修建纵横交错的排水沟5，构建良好的雨水分流系统；

(4)将酸性改良基质与水制得浓浆状的酸性改良材料6，通过液力喷播机喷射到待恢复的金属矿废石场表面固结形成酸性改良层；

(5)将无土种植基材7和植物种子混合均匀后，采用专业的高速吹播机吹播到含酸性改良层的待恢复的金属矿废石场表面；

(6)按照所述金属矿废石场的地形布设滴灌系统，以保证植被恢复后得到有效的管护。

在本发明实施例中，所用hds底泥为就地取材的第ⅰ类一般工业固体废物，其含水率≤40％，且ph为6-7.5；所用稻壳来自国内某大型稻谷加工企业；所用发酵污泥为城市污水处理厂的脱水污泥采用高温好氧堆肥的方法，经过好氧微生物的发酵分解并转化为稳定性较高的类腐殖质，其外观呈褐色，疏松、分散、细颗粒状，含水率≤30.0％，密度为1.2-1.5g/cm³，粒径＜10mm，泥质达到《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》(gb/t23486-2009)相关规定和控制标准；所用有机聚合胶联剂为市售有机聚合胶联剂g-tac产品；所用微生物菌剂为市售的多元生物制剂产品，具体为活菌数分别为2.5×10⁸cfu/g和3.0×10⁸cfu/g的芽孢杆菌和放线菌的混合物。

实施例1

本实施例对实验区a进行生态修复，相关技术参数如下：

(1)坡地改造中，等高线高20cm，大梯级坡面坡长10m，主平台间距30m，宽度1.5m，副平台间距10m，宽度0.5m，小梯级坡面的平台宽5cm；

(2)浓浆状的酸性改良材料，固液比为3：10，对应于每平方米的废石场，该hds底泥、石灰粉、稻壳和有机聚合胶联剂的用量分别为0.1m³、2kg、0.5kg和5g；

(3)无土种植基材，hds底泥、稻壳和发酵污泥的体积比为25：50：25，以待恢复的金属矿废石场的面积计，有机聚合胶联剂和微生物菌剂的加入量分别为10g/m³和3g/m³；

(4)植物种子的吹播量为25g/m²，植物种子为乔灌木种子和草本植物种子的混合物，其中，草本植物种子的吹播量为3g/m²，最终，无土种植基材与植物种子混合后的吹播厚度为2.8cm。

实施例2

本实施例对实验区b进行生态修复，相关技术参数如下：

(1)坡地改造中，等高线高40cm，大梯级坡面坡长15m，主平台间距45m，宽度2.5m，副平台间距15m，宽度1.0m，小梯级坡面的平台宽15cm；

(2)浓浆状的酸性改良材料，固液比为5：10，对应于每平方米的废石场，该hds底泥、石灰粉、稻壳和有机聚合胶联剂的用量分别为0.3m³、4kg、1.0kg和10g；

(3)无土种植基材，hds底泥、稻壳和发酵污泥的体积比为50：25：25，以待恢复的金属矿废石场的面积计，有机聚合胶联剂和微生物菌剂的加入量分别为15g/m³和5g/m³；

(4)植物种子的吹播量为35g/m²，植物种子为乔灌木种子和草本植物种子的混合物，其中，草本植物种子的吹播量为5g/m²，最终，无土种植基材与植物种子混合后的吹播厚度为2.5cm。

实施例3

本实施例对实验区c进行生态修复，相关技术参数如下：

(1)坡地改造中，等高线高30cm，大梯级坡面坡长12m，主平台间距40m，宽度2.5m，副平台间距12m，宽度1.0m，小梯级坡面的平台宽15cm；

(2)浓浆状的酸性改良材料，固液比为4.5：10，对应于每平方米的废石场，该hds底泥、石灰粉、稻壳和有机聚合胶联剂的用量分别为0.3m³、3kg、1.0kg和8g；

(3)无土种植基材，hds底泥、稻壳和发酵污泥的体积比为40：35：25，以待恢复的金属矿废石场的面积计，有机聚合胶联剂和微生物菌剂的加入量分别为15g/m³和4g/m³；

(4)植物种子的吹播量为30g/m²，植物种子为乔灌木种子和草本植物种子的混合物，其中，草本植物种子的吹播量为4g/m²，最终，无土种植基材与植物种子混合后的吹播厚度为3.0cm。

实施例4

本实施例对实验区d进行生态修复，相关技术参数如下：

(1)坡地改造中，等高线高25cm，大梯级坡面坡长10m，主平台间距30m，宽度2.0m，副平台间距10m，宽度0.8m，小梯级坡面的平台宽12cm；

(2)浓浆状的酸性改良材料，固液比为4：10，对应于每平方米的废石场，该hds底泥、石灰粉、稻壳和有机聚合胶联剂的用量分别为0.2m³、2.5kg、0.8kg和6g；

(3)无土种植基材，hds底泥、稻壳和发酵污泥的体积比为30：45：25，以待恢复的金属矿废石场的面积计，有机聚合胶联剂和微生物菌剂的加入量分别为15g/m³和5g/m³；

(4)植物种子的吹播量为30g/m²，植物种子为乔灌木种子和草本植物种子的混合物，其中，草本植物种子的吹播量为3g/m²，最终，无土种植基材与植物种子混合后的吹播厚度为2.0cm。

根据对上述实施例中的各实验区的连续3年的跟踪监测，结果发现，在调节土壤有机氮、磷、钾、有机质含量方面，显著增加了贫瘠土壤的有机质和有效氮磷钾的含量，土壤养分由6级提高至3级；在改善土壤结构方面，促进了土壤团粒结构形成，缓解了土壤酸化(土壤呈弱酸性)，降低了土壤容重，增加了土壤总孔隙度，增加了土壤持水力，有效减少地表径流，控制水土流失率达到95％以上；在植被恢复方面，植物覆盖率达到98％以上，形成了以木本植物为主、草本植物为辅的多层群落，经现场样方调查发现，坡面形成了以本地植物为主(盐肤木、湿地松、胡枝子等)的稳定正向演替群落结构，植物种类由恢复初期的15种增加到30多种，物种多样性逐渐提高，利于良好生态系统的恢复。

最后，以上仅为本发明的较佳实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内大。