专利名称：一种煤矸石粉碎物绿化基质和植物修复技术方法
技术领域：
本发明涉及一种煤矿区煤矸石山生态恢复基质和植物修复技术，具体是指煤矸石山的植被绿化技术。
背景技术：
煤炭是我国重要的能源物质之一，2007年全国的原煤产量达25. 5亿吨。煤矸石是煤炭开采和加工过程中的固体废弃物，其产量占原煤的10% 30%。由于受资源性质、经济条件、技术设备以及市场变化的影响，目前我国煤矸石的利用率还不到30%。虽有一部分煤矸石可被再利用为建材、燃料，但工业综合利用率仍不到5%。所以，大部分煤矸石均采取地面定点堆放方式处置。随着社会对能源需求量的增加，煤炭资源的开采和加工量随之提高，煤矸石的不断排放堆积，形成大小不一的矸石山数千座，成为最大的工业固体废弃物源。煤矸石主要有掘井巷时排出的煤矸石、选煤排出的煤矸石和露天采煤产生的剥离煤矸石，矿物成分较为复杂，通常为石英、云母、黏土(伊利石和高岭石)、硫铁矿(FeS2)以及钙、镁和铁的碳酸盐，主要化学元素为硅、铝、铁、钙、钛、硫、钾、镁和钠的氧化物，还有Cr、 Cd，、Co、Cu,、Mn、Pb和Si等重金属。煤矸石山的露天堆放极易发生自燃，自燃的物质主要是煤粉和可燃物硫，硫主要以硫铁矿形式存在。硫铁矿是在缺氧还原条件下生成的晶体结构，赋存于煤层及煤系地层之中，开采后暴露于空气中，由于其燃点低、耗氧量小、氧化放热量大，通过自然风化雨淋作用和微生物的催化作用，在适宜的水和空气条件下率先发生氧化反应，并释放热量，热积累使矸石山内部的温度逐渐升高引发自燃，进而导致爆炸和滑坡碎屑流等灾害，造成重大人员伤亡和财产损失！矸石山自燃释放大量的有刺激性气体气体，如C0、S02、H2S和NO2，引起煤矿区人类呼吸道、癌症等疾病增加。同时，硫化物气体进而导致酸雨产生，形成的可溶性硫酸盐使周围环境的水质和土壤严重酸化。特别是硫铁矿在氧化过程中，其中的1 2+被氧化成狗3+，在水中水解形成!^e(OH)3,向水中释放更多的H+，降低了煤矸石风化物环境的PH值，加速了硫杆菌对硫和铁的氧化过程，SO/—累积淋溶形成酸性废水。此外，煤矸石除含黄铁矿外，还有部分硫化矿物，如白铁矿、磁黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、黄铜矿、辉钼矿和针镍矿等，也是酸性废水的一个重要来源，相应的重金属如Mn、Pb、 Cu、ai和Mo等则被淋溶出来。降水则导致酸性废水和淋溶的重金属向山下和周边土壤、河流迁移，致使矸石山和周边土壤严重酸化和活性重金属的累积，矸石山变成了光秃秃的黑山！ 土壤植被破坏，矿区生态环境恶化。因此，矸石山的绿化治理是煤矿区生态环境改善的关键。矿区土地复垦和矸石山绿化是在国际上备受关注的研究领域，矸石山植被重建是矿区生态恢复的最佳策略。为了从源头控制矸石山黄铁矿氧化、防止酸性废水的产生、重金属的淋溶、表层风化物颗粒扬尘以及提高表层风化物的土壤肥力，多年来，国内外尝试了多种治理技术。如无覆土造林技术；黄土、污泥或堆肥覆盖技术阻止氧气和水向活性硫化物的渗透；投加氧化亚铁硫杆菌杀菌剂抑制黄铁矿生物氧化；煤矸石表面包膜钝化处理技术抑制黄铁矿氧化；投加粉煤灰和碱性物质(如NaOH、石灰石、生石灰、NaC(XB)提高淋滤液pH， 促进重金属沉淀、抑制黄铁矿的氧化和重金属的淋溶。由于污泥、粉煤灰和石灰石等有二次污染的风险，杀菌剂效果低、持续时间短，目前，矸石山依然是采用整型机械碾压后覆盖黄土的技术，然后，通过种草植树，人工构建植物生态系统，改善矸石山及其周围地区的生态环境。目前，我国的土地复垦率只有10%左右，原因之一是缺乏有效的固体废弃物处理技术和生态恢复技术。利用煤矸石作为绿化基质，种植生物量大的耐重金属的植物，既可以变废为宝，又可以扩大矿区绿化面积，使矿区的植被生态环境逐渐得以恢复，这一技术的应用对于矿区生态环境的改善和可持续发展具有重要意义。煤矸石粉碎物绿化基质和植物复垦技术方法，确定了复垦环境中适于植被生长的最佳煤矸石粉碎物与土壤基质混合比例范围，为降低矿山复垦的覆土量和复垦成本提供了有效方法。本方法探索出的适合生物量大的重金属非累积植物烟草(Nicotiana tabacu) 和Cd累积植物龙葵(Solanum nigrum)生长的煤矸石粉碎物基质绿化技术，为煤矸石山复垦和绿化提供科学依据和技术支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种煤矸石粉碎物绿化基质和植物复垦技术方法。该煤矸石粉碎物绿化基质的应用，不仅能为植物提供部分营养元素，而且防止土壤板结，提高烟草和龙葵植物的生物量；两种植物在煤矸石绿化基质中的生长和绿化技术为煤矸石山的复垦绿化提供了一条新路子。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种煤矸石粉碎物绿化基质，主要是利用煤矸石粉碎物作为基质，土壤选自长春花土厂生产的南方营养土(理化指标粒度3. 0-6. 5mm，pH 4. 5-5. 5，有机质50 %，氮 300-600mg/kg，磷 150-300mg/kg，钾 300-500mg/kg，含水量 45-55% )，用于绿植、花卉、盆栽、种子、植物和园艺用品等。在煤矸石和土壤配制的煤矸石粉碎物基质中，煤矸石土壤 =1 2 2 1，即煤矸石占煤矸石粉碎物基质的体积比为1/3 1/2，土壤占煤矸石粉碎物基质的体积比为1/3 1/2。植物复垦技术方法，主要是在该基质中种植重金属非累积植物烟草和重金属Cd 累积植物龙葵。
图1 烟草在不同煤矸石基质中的生长(图例中0、1/3、1/2、2/3和1分别表示煤矸石占煤矸石粉碎物基质的体积比)；图2 烟草在不同煤矸石基质中的生物量和株高图3 龙葵在不同煤矸石基质中的生长(图例中0、2/3和1分别表示煤矸石占煤矸石粉碎物基质的体积比)；图4:在不同煤矸石基质中的生物量和株高；
具体实施例方式实例1烟草盆栽实验
煤矸石样品采自安徽淮南矸石山，土壤选自南方营养土。煤矸石粉碎物绿化基质主要是利用煤矸石作为基质，煤矸石粉碎后过2_筛，煤矸石样品与土壤混合即为煤矸石粉碎物绿化基质。煤矸石粉碎物与土壤按照0 1、1 2、1 1、2 1和1 0等不同比例混合，使煤矸石占绿化基质的体积比分别达0、1/3、1/2、2/3和1，装入15cmX13cm塑料盆中，浇水后进行播种。2009年5月27日播种烟草NC89，30天时间苗，每盆留2颗健壮幼苗；烟草生长3月时，从盆中取出两颗烟草植株，测定不同配比煤矸石基质中烟草的株高和生物量。实验地点设在中国矿业大学(北京)温室，在烟草生长期间根据盆缺水情况，不定期浇水。实验结果如下烟草是植物领域研究的模式植物，易于组织培养和基因转化，不耐重金属。自09 年5月27日播种至09年8月沈日收获，生长约90天(图1)。播种23天时，全矸石基质中的幼苗烟草较小，而其他煤矸石粉碎物绿化基质中烟草幼苗比较一致，表明烟草可以利用煤矸石基质中的部分营养物质。62天时，从左至右随着煤矸石含量的不断提高，烟草株高的变化表现为先升高后降低的趋势。其中1/2 2/3矸石基质的烟草长势最好，株高大于全土壤的烟草，全矸石基质中幼苗叶片发黄、生长弱小。表明1/3 2/3的煤矸石绿化基质可改善土壤结构促进烟草幼苗前期的生长，而全矸石基质环境营养物质贫瘠不能满足烟草生长的需要。烟草生长90天时(图2)，全煤矸石基质中烟草的生物量和株高很小，显著低于1/3 2/3的煤矸石绿化基质和全土壤；1/3 2/3的煤矸石绿化基质中烟草的生物量和株高分别达到全土壤中的烟草生物量和株高的75%和50%，但其下部叶片发黄干死，这可能是由于烟草生长后期需要大量的营养物质，而煤矸石基质养分缺乏所致。所以，如果要完成烟草整个生育期的生长，在生长后期必需施加一定的肥料。表明1/3 2/3的煤矸石绿化基质能促进烟草幼苗的前期生长，烟草可以用于煤矸石山的绿化治理。实例2龙葵盆栽实验煤矸石样品采自安徽的矸石山，土壤选自南方营养土。煤矸石粉碎物绿化基质主要是利用煤矸石作为基质，煤矸石样品过2mm筛，与土壤混合即为煤矸石粉碎物绿化基质。 煤矸石粉碎物与土壤按照0 1、2 1和1 0等不同比例混合，使煤矸石占绿化基质的体积比分别达0、2/3和1 ；装盆浇水后，于2009年6月3日播种龙葵，每盆播撒10粒种子， 上覆一层薄土。在其生长期间根据盆缺水情况，不定期浇水。生长3月时，测定不同配比煤矸石基质中龙葵的株高和生物量。实验结果如下烟草是重金属敏感植物，从实例1得知1/3 2/3的煤矸石基质适用于烟草幼苗前期的生长。龙葵是重金属Cd累积植物，对Cd污染土壤的植物修复具有很大的应用潜力。 煤矸石中含有微量的重金属，为了研究其对2/3煤矸石的修复能力，分析龙葵在0、2/3和1 煤矸石基质中的生长和生物量。龙葵在不同的煤矸石基质中长势差异明显(图幻，如生长 40天时，龙葵在全矸石基质中的叶片始终发黄、弱小，而全土壤和2/3矸石基质中的龙葵叶片均保持绿色，且2/3矸石基质中的龙葵株高和生物量最大，明显高于全土壤和全矸石基质的植株。生长约3月时，不同基质中的龙葵均开花结果(图3)，其中2/3矸石基质中龙葵的株高明显高于全土壤和全矸石基质中的植株(图4)，但其侧枝分支和花果明显少于全土壤基质中的植株；全土壤基质中的龙葵枝繁叶茂，果实累累；全矸石基质中的龙葵植株矮小，分支和花果甚少，但毕竟能利用煤矸石中营养物质完成其整个生育期的生长，说明龙葵对煤矸石的修复能力高于烟草。生物量(图4)分析表明2/3矸石基质中龙葵的鲜重可达全土壤的66%，说明2/3的煤矸石基质可促进龙葵的前期生长。在开花结果期由于煤矸石养分的缺乏不能满足生长需要，所以2/3的煤矸石基质中龙葵分支少，与烟草盆栽试验结论一致。因此，在2/3煤矸石植被恢复过程中，适时添加肥料可以促进复垦植物的长期生长和开花结果。 本发明的新颖性在于1.本方法中涉及复垦基质种类少，降低施工复杂程度，同时，避免了其他修复基质，如污泥、粉煤灰和石灰石等造成二次污染的风险；2.本方法可以节约复垦的覆土用量，，降低施工成本和难度；3.探索出的适于植物生长的最佳煤矸石粉碎物和土壤基质配比，为矿区复垦土壤植被绿化、提供了技术支持。
权利要求
1.一种煤矸石粉碎物绿化基质，其特征在于利用煤矸石粉碎物作为基质，其中在煤矸石与土壤的混合物中，煤矸石体积占1/3 2/3，土壤体积占1/3 2/3。
2.一种煤矸石植物修复技术方法，其特征在于如权利要求书1所述的煤矸石粉碎物绿化基质，种植重金属非累积植物烟草和Cd累积植物龙葵，根据土壤缺水情况浇水，随着两种植物生长期的延长，生物量不断增加，绿色覆盖面积随之提高，加速复垦矸石山植被的恢复和矿区生态环境的改变。
3.根据权利1要求所述的煤矸石粉碎物绿化基质和权利2要求所述利用烟草和龙葵修复煤矸石的方法，种植的烟草和龙葵是将种子直接播种在煤矸石粉碎物绿化基质中。
4.根据权利2要求所述利用烟草和龙葵修复煤矸石的方法，其特征在于种植的烟草和龙葵生长约90天，烟草一直处于营养生长阶段，而龙葵则进入结果期；烟草和龙葵均可以用于覆土矸石山的绿化植物。
5.根据权利1和权利2要求所述的煤矸石粉碎物绿化基质的应用方法，其特征在于 将煤矸石粉碎物与土壤按照一定比例混合后覆盖在矸石山上，进行覆土治理，既节约用土量，又能改善土壤的结构，促进植物的生长。
全文摘要
本发明涉及固体废弃物污染环境的植物修复技术，具体地说是公开了一种煤矸石粉碎物绿化基质和植物绿化煤矸石山的生态恢复技术，主要是利用煤矸石粉碎物和土壤的混合物作为绿化基质，其中煤矸石与南方营养土花土的体积比为1∶2～2∶1(即煤矸石体积占1/3～1/2)；种植重金属非累积植物烟草和Cd累积植物龙葵，从而实现煤矸石山绿化和生态恢复的目的。这种利用煤矸石固体废弃物基质的植物修复技术的使用，可有效地改善煤矿区的空气质量和生态环境。
文档编号A01G1/00GK102399111SQ201010281118
公开日2012年4月4日 申请日期2010年9月15日 优先权日2010年9月15日
发明者张玉秀, 柴团耀, 胡振琪, 黄琳 申请人:中国矿业大学(北京)