基于河湖底泥与磷矿固废的客土土层结构及制备方法与流程

1.本发明涉及固体废弃物的处理及城市土壤改良技术领域，具体提供基于河湖底泥与磷矿固废的客土土层结构及制备方法。


背景技术：

2.针对我国岸坡水土流失严重、生态功能下降的现状，发展与推广生态坡岸保护技术已成为我国河湖生态系统治理与修复的重要技术举措。植被混凝土是一种应用较为广泛的生态坡岸保护技术，可用于河道护岸、沟渠驳岸、公路边坡等生态环境修复和重建，不仅具有传统混凝土护岸固堤的特点，还能形成绿色自然景观，保持附近微生境的生物多样性并起到净化水质的作用，社会效益和生态效益十分突出。
3.铺设在植生混凝土表面的客土为植物提供生长环境并保护植生混凝土填充材不流失。客土通常采用普通土壤用作基材，再辅以合适的营养肥和/或有机质、粘合剂、保水剂等混合制成。现阶段我国有关客土的研究主要集中在施工装置及工艺方面。公开号为cn201120312772.0的中国实用新型专利公开了一种客土固定装置，包括并列靠在基面上的客土袋和用于固定客土袋的锚固钉；公开号为cn101103696b的中国发明专利公开了一种岩石坡面植被恢复方法，采用客土与有机质的双层喷射以及种子直播与乔、灌木幼苗移栽的结合方式；公开号为cn105340661b的中国发明专利则针对盐碱地区公开了一种区块状客土种植层及利用该种植层植树的方法，该方法由上层的风成粉细砂土层、下层的大颗粒物层以及位于上下层之间的网格布组成，可有效控制土壤中盐分并避免周围盐分入侵。
4.在客土性质改良及结构研究方面，公开号为cn101796913b的中国发明专利公开了一种用于黄土边坡植物护坡的客土，通过往砂质黄土添加一定比例的土壤改良剂、保水剂、粘结剂和复合肥，满足半干旱黄土地区边坡植物生长所需要的物理结构和营养成分。公开号为cn101371639b的中国发明专利针对复垦方法存在的植物成活率低、客土来源不易、成本过高以及城市生活污水处理中产生的大量剩余污泥对环境的二次污染风险等问题，公开了一种由剥离土、尾矿砂和剩余污泥组成的用于矿业复垦的表层土壤，各组分的重量百分比为剥离土75％
‑
80％、尾矿砂15％
‑
20％、剩余污泥1％
‑
10％。申请公布号为cn111662722a的发明专利公开了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，其无土种植基材包括hds底泥、稻壳、发酵污泥、有机聚合胶联剂和微生物菌剂，其中hds底泥是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，也即该无土种植基材以发酵污泥和矿山酸性废水酸碱中和后获得的废弃物为主要基材，再辅以有机物与菌类进行改良，发酵污泥和底泥成分复杂、残留药剂及重金属等有害物质，用于植被生长的基材存在长期生态风险。公开号为cn103214300b的中国发明专利也基于剩余污泥与粉煤灰、土壤、菌渣等公开了一种用于煤矸石堆场生态修复的复合改良基质材料。由于剩余污泥处理工艺中掺入多种药剂并残存重金属等持久性污染物，当其用作植生混凝土客土会带来二次环境风险；在此基础上，近期又公开了用于酸性风化煤矸石堆场生态修复改良基质的优化配方(公布号为cn110683919a)，采用25％石灰石粉和10％磷矿粉取代剩余
污泥、粉煤灰和磷石膏，进一步提高了其改良基质的生态性。该专利提出的基质材料仅用于酸性煤矸石堆场表面2cm覆盖，而基层下面的垫层还是必须外购土壤，并没有解决生态修复植被所需土壤与营养的经济性与可持续性。
5.目前有关利用河湖底泥与工业固废用作客土的相关研究尚未见诸报道。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供基于河湖底泥与磷矿固废的客土土层结构，保障客土防护植生混凝土充填材料不流失并为植物生长保证持续营养供给要求，充分利用水环境整治清淤河湖底泥以及磷渣、磷石膏、钢渣等工业固废，能有效解决现阶段植被混凝土客土成本高、工业固废堆弃对环境的二次污染等技术问题，采用本发明的客土土层结构可提供植被生长的磷元素，固化植生混凝土填充材，为植被生长提供持续营养供给，水分浸润性能好、土层ph值适合植被生长且工艺简单，技术经济与社会生态效益十分显著。
7.本发明的另一目的在于提供基于河湖底泥与磷矿固废的客土土层结构制备方法。
8.本发明的上述目的是通过以下技术方案予以实现的。
9.基于河湖底泥与磷矿固废的客土土层结构，所述客土土层结构由上到下依次为客土表层、中间透水层和客土基层，每层所述客土土层结构之间的接触面均为锯齿状过渡结构；
10.所述客土表层和所述客土基层按照质量百分比均包括以下原料：河湖底泥54％
‑
64％、磷渣16％
‑
36％与腐殖酸类有机肥10％
‑
20％；
11.所述中间透水层按照质量百分比包括以下原料：磷石膏6％
‑
16％、钢渣砂74％
‑
75％与腐殖酸类有机肥10％
‑
20％。
12.各土层之间设置为锯齿状过渡结构和钢渣砂共同作用，雨水渗透进客土表层时，锯齿状过渡结构使得土层之间接触面增加，在中间透水层中钢渣砂的作用下会加快雨水从客土表层到基层渗透，提高水分渗透输送效率，不让植物根部长期浸泡在水中导致腐烂；同时，客土基层可作为保水层，在锯齿状过渡结构和钢渣砂的作用下，水分储存在客土基层，当植物缺水时可以吸收客土基层的储存水，保障植物水分供给；锯齿状过渡结构使得土层结构相互交错，能让养分更好渗透，利于植物吸收；土层间的锯齿状过渡结构能加大受力作用，使得每层土层结构之间更加稳定，具有更高的强度。
13.河湖底泥自身含有植被生长所需的丰富营养物质及改良微生境的菌群，磷渣与磷石膏含有一定量的可溶性磷元素以及钙、硫等元素，可为植被提供持续营养供给。
14.优选地，所述客土表层的厚度为3
‑
5cm，所述中间透水层的厚度为2
‑
4cm，所述客土基层的厚度为2
‑
4cm，更具体的，所述客土表层的厚度为4cm，所述中间透水层的厚度为3cm，所述客土基层的厚度为3cm。
15.优选地，所述锯齿状过渡结构为齿形槽，所述齿形槽的间距为0.5
‑
0.8cm，深度为0.5
‑
0.8cm。更具体的，所述齿形槽的间距为0.6cm，深度为0.6cm。
16.优选地，所述河湖底泥为水环境整治后的清淤底泥或者管网淤泥，所述河湖底泥含水率为75％
‑
85％，所述河湖底泥的ph值为6.0
‑
7.5。
17.优选地，所述磷渣细度为100
‑
200目，p2o5含量为1.5％
‑
3.0％。磷渣用作脱水调理
原材料，对河湖清淤底泥改良进行脱水固化处理，加速河湖底泥快速脱水。
18.优选地，所述磷石膏的ph值为4.5
‑
5.5。磷渣与磷石膏可以协同作用，中和调节客土表层与客土基层的酸碱性，使得土层结构更适宜植物生长。
19.优选地，所述钢渣砂为滚筒钢渣经筛分获得粒径为2.35
‑
5mm的细颗粒。钢渣砂用于提高水分渗透输送效率。
20.本发明还提供基于河湖底泥与磷矿固废的客土土层结构制备方法，包括如下步骤：
21.1)将河湖底泥与磷渣拌和均匀，避雨处自然堆放闷料24
‑
48小时，沉淀后排出上部水分使河湖底泥含水率达到50
‑
55％，然后将河湖底泥和磷渣的混合料与腐殖酸类有机肥混合均匀，即得材料a；
22.2)将磷石膏、钢渣砂与腐殖酸类有机肥混合搅拌30s，即得材料b；
23.3)将材料a铺设在植生混凝土表层，铺设厚度为2
‑
4cm，即得客土基层；
24.4)在步骤3)铺设的客土基层表面，设立间距为0.5
‑
0.8cm，深度为0.5
‑
0.8cm的锯齿形过渡结构；
25.5)将材料b铺设于步骤4)中锯齿形过渡结构上面，从锯齿形过渡结构顶部计算，铺设厚度为2
‑
4cm，即得所述中间透水层；
26.6)在步骤5)铺设的所述中间透水层表面，设立间距为0.5
‑
0.8cm，深度为0.5
‑
0.8cm的锯齿形过渡结构；
27.7)将材料a铺设于步骤6)中锯齿形过渡结构上面，从锯齿形过渡结构顶部计算，铺设厚度为3
‑
5cm，即得客土表层。
28.本发明以水环境整治工程清淤的底泥为原材料，采用磷矿固废中的磷渣、磷石膏用作脱水调理原材料，磷渣对底泥进行脱水固化处理，可以加快底泥脱水效率，缩短处理周期，使底泥更有强度，在作为河道护坡时能更稳固不易滑坡；河湖底泥自身含有植物生长所需的丰富营养物质及改良微生境的菌群，并辅以腐殖酸类有机肥提升其营养等级；磷石膏与钢渣砂的粗颗粒中间透水层辅以腐殖酸类有机肥，有助于调节上下土层的碱度；磷渣和磷石膏中均含有一定量可溶的磷，其渐进缓释可为表层植物生长提供持续营养供给，本发明可避免外购客土带来的高成本，还可以充分消纳水环境整治产生的底泥与工业固废，采用本发明提出的土层设计结构，可促进水分浸润并调节不同土层间的碱度，使其适应植物的长期稳定生长，技术经济与生态效应十分显著。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
30.(1)本发明原料易得，采用河湖底泥作为客土基材，磷渣用作脱水调理原材料，磷渣和磷石膏用作酸碱度调节材料，钢渣砂用于提高水分渗透输送效率，所有材料充分依据就地取材原则，利用清淤工程的河湖底泥与磷矿固废及钢渣砂，变废为宝实现弃料资源二次利用，拓宽了固体废弃物的资源化利用途径，减少了固体废弃物堆积占地，有效解决现阶段植被混凝土客土成本高、工业固废堆弃对环境的二次污染等技术问题，技术经济与生态效益十分显著。
31.(2)本发明制备的客土结构适合植物生长，能提高植物存活率，通过磷渣与磷石膏可以协同作用，磷石膏呈酸性、磷渣呈碱性，可以中和调节客土表层与客土基层的酸碱性，使得土层结构更适宜植物生长；河湖底泥自身含有植被生长所需的丰富营养物质及改良微
生境的菌群，磷渣与磷石膏含有一定量的可溶性磷元素以及钙、硫等元素，可为植被提供持续营养供给，降低传统客土中营养肥的用量；锯齿状过渡结构使得土层结构间相互交错，接触面增加，使得水分和养分更好渗透，利于植物吸收，能同时保证土层结构的保水性能与肥力。
32.(3)本发明中锯齿状过渡结构和钢渣砂共同作用，雨水渗透进客土表层时，锯齿状过渡结构使得土层之间接触面增加，在中间透水层中钢渣砂的作用下会加快雨水从客土表层到客土基层渗透，提高水分渗透输送效率，不让植物根部长期浸泡在水中导致腐烂；同时，客土基层可作为保水层，在锯齿状过渡结构和钢渣砂的作用下，水分储存在客土基层，当植物缺水时可以吸收客土基层的储存水，保障植物水分供给。
33.(4)本发明中客土土层结构作为河道护坡时更稳固，磷渣对底泥进行脱水固化处理，可以加快底泥脱水效率，缩短处理周期，使底泥强度增加，在作为河道护坡时能使得土层结构更稳定；其次，土层间的锯齿状过渡结构加大受力作用，使得每层土层结构之间更加稳定，具有更高的强度，在作为河道护坡时能够有效抗冲刷和防止因边坡不稳固而造成的滑坡。
34.(5)本发明施工工艺简单，客土土层结构的制备过程包括机械搅拌、自然堆放闷料，对环境无污染，对正常施工无不利影响。
附图说明
35.图1为本发明的土层结构剖面示意图。
36.附图标记：1、客土表层；2、中间透水层；3、客土基层；4、植物种子；5、锯齿状过渡结构。
具体实施方式
37.以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
38.如图1所示，基于河湖底泥与磷矿固废的客土土层结构，由上到下依次为客土表层1、中间透水层2和客土基层3，客土表层1的上层设置有植物种子4，植物种子4直接喷播在客土表层1的上层2cm以内，每层客土土层结构之间的接触面均为锯齿状过渡结构5，锯齿状过渡结构5为齿形槽，齿形槽的间距为0.6cm，深度为0.6cm。
39.以下实施例和对比例所提供的基于河湖底泥和磷矿固废的客土土层结构的制备方法，包括如下步骤：
40.1)将河湖底泥、磷渣、腐殖酸类有机肥按质量百分比54
‑
64:16
‑
36:10
‑
20比例进行称料，先将河湖底泥与磷渣拌和均匀，避雨处自然堆放闷料24
‑
48小时，沉淀后排出上部水分使河湖底泥含水率达到50
‑
55％，然后将河湖底泥和磷渣的混合料与腐殖酸类有机肥混合均匀，即得材料a；
41.2)将磷石膏、钢渣砂、腐殖酸类有机肥按质量百分比6
‑
16:74
‑
75:10
‑
20比例进行称料，混合搅拌30s，即得材料b；
42.3)将材料a铺设在植生混凝土表层，铺设厚度为2
‑
4cm，即得客土基层；
43.4)在步骤3)铺设的客土基层表面，设立间距为0.5
‑
0.8cm，深度为0.5
‑
0.8cm的锯齿形过渡结构；
44.5)将材料b铺设于步骤4)中锯齿形过渡结构上面，从锯齿形过渡结构顶部计算，铺设厚度为2
‑
4cm，即得所述中间透水层；
45.6)在步骤5)铺设的所述中间透水层表面，设立间距为0.5
‑
0.8cm，深度为0.5
‑
0.8cm的锯齿形过渡结构；
46.7)将材料a铺设于步骤6)中锯齿形过渡结构上面，从锯齿形过渡结构顶部计算，铺设厚度为3
‑
5cm，即得客土表层。
47.其中所述河湖底泥含水率为75％
‑
85％，ph值为6.0
‑
7.5；所述磷渣细度为100
‑
200目，p2o5含量为1.5％
‑
3.0％；所述磷石膏ph值为4.5
‑
5.5；所述钢渣砂为滚筒钢渣经筛分获得粒径为2.35
‑
5mm的细颗粒。
48.所述腐殖酸类有机肥采用市售产品，生产厂家为邯郸市源沃肥业科技有限公司；以下具体实施方式中采用的是同样的腐殖酸类有机肥，此为现有技术，不作为对本发明的进一步限定。
49.实施例1
‑
5和对比例1
‑450.采用上述客土土层结构制备方法，选用福建省福州市马尾区某水系整治工程的河湖底泥掺入磷矿固废进行改良试验，各土层材料用量和土层厚度如表1：
51.表1
52.[0053][0054]
对比例5
[0055]
对比例5与实施例1的区别在步骤4)和步骤6)中不设立锯齿形过渡结构。
[0056]
对比例6
[0057]
对比例6与实施例1的区别在中间透水层中钢渣砂替换成为天然河砂。
[0058]
对比例7
[0059]
对比例7与实施例1的区别在于设立锯齿形过渡结构间距为0.4cm，深度为0.4cm。
[0060]
对比例8
[0061]
对比例8与实施例1的区别在步骤3)、5)、7)中客土表层、中间透水层和客土基层的厚度分别为4、4.5和3cm。
[0062]
对比例9
[0063]
对比例9采用外购土壤(生产厂家：武汉市黄陂区研子彩瓦厂)加腐殖酸类有机肥，外购土壤与腐殖酸类有机肥的质量百分比为90:10，铺设在植生混凝土表层，铺设厚度为8cm，同时不设立锯齿过渡结构。
[0064]
应用例性能检测
[0065]
在土壤表面2cm范围内，通过客土喷播狗牙根种子，模拟降雨入渗条件，测得各土层的ph值、抗剪强度、种子发芽时间和一个月后的植被覆盖率。
[0066]
本发明的土层抗剪性能内摩擦角和黏聚力的测试方法按照gb/t 50123
‑
2019《土工试验方法标准》中的规定进行。
[0067]
实施例与对比例的试验结果见表2：
[0068]
表2
[0069][0070]
通过对比表2中试验数据可知：
[0071]
对比例1
‑
4相较于实施例1，增加磷渣的用量或者降低磷石膏的用量时，上下土层ph呈弱碱性，反正，降低磷渣的用量或者增加磷石膏的用量时，土层ph变低，均不利于植物生长；通过表2实施例1
‑
5可知，选用河湖底泥、磷渣、腐殖酸类有机肥按质量百分比54
‑
64:16
‑
36:10
‑
20，磷石膏、钢渣砂、腐殖酸类有机肥按质量百分比6
‑
16:74
‑
75:10
‑
20的材料用量范围时，土层ph值呈弱酸性，植物生长更好；磷渣与磷石膏可以协同作用，磷石膏呈酸性、磷渣呈碱性，可以中和调节客土表层与客土基层的酸碱性，使得土层结构更适宜植物生长。
[0072]
对比例5相比于实施例1
‑
5，不设立锯齿状过渡结构，土层抗剪强度降低，土层间的锯齿状过渡结构加大受力作用，使得每层土层结构之间更加稳定，具有更高的强度，在作为河道护坡时能够有效抗冲刷和防止因边坡不稳固而造成的滑坡。
[0073]
对比例5
‑
6相比于实施例1，不采用钢渣砂或者不设立锯齿状过渡结构时，土层透水性降低，水分渗透输送效率慢，植物生长变得缓慢，土层结构不适宜植物生长。锯齿状过渡结构和钢渣砂共同作用，能提高水分渗透输送效率，保障植物水分供给。
[0074]
对比例7相比于实施例1，锯齿状过渡结构的间距变小、深度变浅时，土层结构抗剪强度变低，且水分渗透输送效率低，不利于植物生长。
[0075]
对比例8相比于实施例1，中间透水层厚度过厚不适宜植物根部生长，且土层强度降低，不适宜用于河道护坡。
[0076]
对比例9相比于实施例1，采用外购土壤，植物生长缓慢，土层抗剪强度低。
[0077]
根据试验结果可知，采用本发明实施例的制备方法及土层结构利于狗牙根的生长，浇灌后水分浸润性好、土壤ph呈弱酸性，抗剪强度中内摩擦角增加、黏聚力增大，使得土层结构更加稳定，狗牙根的萌芽时间早、经过一个月生长后客土表面的植被覆盖率高。
[0078]
本发明提供的基于河湖底泥与磷矿固废的客土土层结构及制备方法，在水环境整治、矿山与渣场生态修复等领域具有广阔的应用前景，具备以下有益效果：
[0079]
(1)河湖底泥与工业固废的资源化利用
[0080]
水环境综合整治过程中产生了大量的清淤底泥，露天堆放占用土地，且长期经雨水冲刷还会对河道、土壤等产生二次污染；磷渣、磷石膏和钢渣固废占地堆存也会形成类似环境威胁。本发明制备的客土以河湖清淤底泥与磷渣、磷石膏、钢渣砂等固体废弃物为原材料；采用河湖底泥作为客土基材，磷渣、磷石膏用作脱水调理原材料及碱度调节材料，钢渣砂用于提高水分渗透输送效率，这些固体废弃物用作原材料制备客土实现了废弃物的高值资源化利用，生态效益十分凸出。
[0081]
(2)磷元素缓释持续营养供给与酸碱度调节
[0082]
磷渣与磷石膏是我国磷矿企业排放的大宗工业固废，其处理处置及资源化利用已成为困扰磷矿企业创新发展的重要瓶颈。与其他大宗工业固废相比，磷渣与磷石膏中都含有一定量的可溶性磷元素以及钙(ca)、硫(s)等元素，将磷渣与河湖底泥、腐殖酸类有机肥混合用作客土上下土层，磷石膏、钢渣砂与腐殖酸类有机肥的混合料用作透水层，不仅可为植生混凝土表面植物生长提供持续的营养供给，且磷石膏呈酸性、磷渣呈碱性，可以实现上下两层与中间透水层的酸碱度内部调节，充分利用了各种固体废弃物的自身材料属性特点。
[0083]
(3)经济性优良
[0084]
传统的客土通常采用普通土壤用作基材，再辅以合适的营养肥和/或有机质、粘合剂、保水剂等混合制成；在发达城镇地区，由于市区内土壤资源的紧缺，往往需要外购土壤用作基材，还需要掺入较多的营养费和其他功能材料，综合考虑车载运输、运距及营养调理等因素，客土的成本呈上升趋势。本发明提供的客土完全依托当地河湖清淤底泥和工业固废，成本显著降低，经济性突出。
[0085]
(4)施工工艺简单
[0086]
本发明提供的基于河湖底泥与磷矿固废的植生混凝土客土在制备过程中，仅需在河湖底泥中直接掺入一定比例的磷渣经自然堆放闷料脱水，再与腐殖酸类有机肥机械混匀即可，对正常施工无不利影响。
[0087]
(5)原材料易得、经济性好
[0088]
本发明提供的基于河湖底泥与磷矿固废的植生混凝土客土充分依据就地取材原则，利用清淤工程的河湖底泥与磷矿固废及钢渣，拓宽了固体废弃物的资源化利用途径，而无需从外地购置土壤基材，经济效益十分显著。
[0089]
(6)环保无污染
[0090]
本发明提供的植生混凝土客土充分利用清淤工程的河湖底泥以及工业固废，变废为宝实现弃料资源二次利用，减少了堆积占地；客土的制备过程包括机械搅拌、自然堆放闷料，对环境无污染。
[0091]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。