利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法及土壤修复剂和应用

本发明属于固体废物资源化利用领域，尤其涉及利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法及土壤修复剂和应用。

背景技术：

1、煤矸石是煤矿生产过程中产生的一种固体废弃物，主要来源于成煤过程中的伴生矸石(如泥质和碳状岩石)，其主要包括硅、铅、钙和镁等成分。煤矸石的堆放不仅占用大量的土地资源，还会破坏原地貌植被，造成土壤和水体污染。煤矸石在堆放和运输过程中会产生粉尘，这些粉尘中含有大量的有害物质，如二氧化硫、氮氧化物等，这些物质对环境和人体健康产生危害。为了减少煤矸石材料对环境的影响，需实现其综合化利用。同时煤矸石资源化的成功实施，可以推动煤炭产业向更加环保、高效、可持续的方向转型升级，实现煤炭产业的可持续发展。

2、在重金属污染土壤中重金属污染物本身在生物物质循环过程中无法被分解，因此它们在土壤中的积累会对土壤的理化性质、微生物群落结构产生持续的不良影响，进而影响到土壤结构和功能稳定，并对土壤的肥力、结构、水分保持能力、微生物和植物生长产生危害。重金属污染土壤的稳定化处理，是一种常用的土壤修复技术。向污染的土壤中添加固化稳定剂或修复剂材料，通过化学、物理或生物的方法，使土壤孔隙液中不稳定的重金属转化为稳定的重金属形态，从而达到对重金属的固定效果，减少其对环境和生态系统的危害。

3、利用煤矸石材备制备重金属污染土壤修复剂的可行性取决于多个因素，包括煤矸石的成分、重金属污染程度、土壤类型等。不同类型的土壤对重金属的吸收和稳定性不同，这使得煤矸石的使用方法和处理方法也显著不同。利用煤矸石制备土壤修复剂需要经过物化或生物过程，制备出的稳定剂性能取决于具体的工艺水平。

技术实现思路

1、发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供了一种利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法。

2、本发明还要解决的技术问题是提供了一种土壤修复剂。

3、本发明最后要解决的技术问题是提供了一种土壤修复剂在重金属污染土壤修复中的应用。

4、技术方案：为了解决上述技术问题，本发明提供了一种利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法，包括以下步骤：

5、(1)混合钢渣和煤矸石，研磨成粉，得到混合生料粉；

6、(2)将酸液和混合生料粉混合并搅拌均匀，得到酸浸生料；

7、(3)将酸浸生料造粒，烘干后高温煅烧后研磨成粉，得到煅烧活化料粉；

8、(4)混合市政污泥和煅烧活化料粉，搅拌均匀，得到污泥煅烧活化粉；

9、(5)混合菌液和污泥煅烧活化粉，搅拌均匀，静置5～25天，得到重金属污染土壤修复剂。

10、其中，步骤(1)中钢渣和煤矸石质量比为2.5～37.5:100。

11、其中，步骤(2)中的酸液和混合生料粉液固比为0.2～0.8:1ml/g。

12、其中，步骤(2)中的酸液浓度为0.05～2.25m，所述酸液包括硫酸、硝酸、磷酸、醋酸、柠檬酸、苹果酸、草酸中的任意一种或几种。

13、其中，步骤(3)中的烘干温度为50～250℃，烘干时间为0.25～2.75小时，高温煅烧温度为350～750℃，高温煅烧时间为0.25～1.75小时。

14、其中，步骤(4)中的市政污泥和煅烧活化料粉的质量比为0.25～0.75:1。

15、其中，步骤(5)中的菌液和污泥煅烧活化粉的液固比为0.5～1.5:1ml/g。

16、其中，步骤(5)中的菌液包括枯草芽孢杆菌菌液、蜡样芽孢杆菌菌液、柠檬酸杆菌菌液、假单孢菌菌液、溶磷菌菌液、阿氏肠杆菌菌液、烟草肠杆菌菌液中任意一种或几种。

17、本技术实现要素：还包括所述的方法制备得到的土壤修复剂。

18、本发明内容还包括所述的土壤修复剂在重金属污染土壤修复中的应用。

19、反应机理：本发明将废酸液和混合生料粉混合，在搅拌过程中混合生料中部分钙、铁、镁、铝、锰、磷等元素发生溶解，并吸附到酸浸生料颗粒上。在煅烧过程中，在酸焙烧作用下，混合生料粉矿物晶相进一步向高活性不定型态转变，矿物浸出活性提升。同时，吸附在酸浸生料颗粒上的部分铁、镁、铝、锰离子与煤矸石中的碳基物料发生反应，生成混掺的碳化物，部分铁、镁、铝、锰在碳热还原作用下(高温碳基表面)降价转化为纳米金属材料颗粒，部分铁、铝与钙、镁、锰离子结合，生成铁铝酸钙镁锰混合物，部分铁、铝与钙、镁、锰离子与硅酸盐、铝酸盐及硅铝酸盐矿物结合，生成复杂的胶凝物相体系。同时在高温环境下，煤矸石碳基材料从废酸液中吸附的部分硫酸根离子会被热还原成亚硫酸根、单质硫，并进一步与铁、镁、铝、锰离子反应，生成硫化物混合物。混合市政污泥和煅烧活化料粉，市政污泥中的有机质及有机物渗透到煅烧活化料粉物相孔隙中，并吸附在煅烧活化料粉颗粒上。混合菌液和污泥煅烧活化粉，微生物通过代谢有机物、与钙、铁、镁、铝、锰、磷等离子交换作用以及代谢胞外聚合物从而固定在污泥煅烧活化粉颗粒表面和空隙中。

20、在应用过程中，微生物与泥煅烧活化粉相互作用，相互促进，微生物及微生物代谢产物可强化铊、铍、汞、镉重金属污染物的动态捕获，而污泥煅烧活化粉中的复查成分可实现对所捕获重金属污染物的有效稳定化。同时微生物代谢过程不仅消耗污泥煅烧活化粉中的成分，而且还可以实现对污泥煅烧活化粉中无机矿物成分的有机化转变，而污泥煅烧活化粉复查的矿物成分及不同矿物间的电势差为微生物繁殖及电子迁移活动提供保障。

21、有益效果：与现有技术相比，本发明具备以下优点：本发明制备过程简单，工艺流程短，原料均为工业废弃物，可协同处置煤矸石和废酸液，并利用煤矸石和废酸液制备重金属污染土壤修复剂，为煤矸石和废酸液的协同处置提供了有益借鉴。所制备的重金属污染土壤修复剂可实现对重金属污染物的有效钝化，显著降低重金属污染物的环境浸出毒性。本发明修复后的土壤在水稻种植方面具备很好的效果，其水稻相对根系生长比最高达123.79％。

技术特征：

1.一种利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法，其特征在于，步骤（1）中钢渣和煤矸石质量比为2.5~37.5:100。

3.根据权利要求1所述的利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法，其特征在于，步骤（2）中的酸液和混合生料粉液固比为0.2~0.8:1ml/g。

4.根据权利要求1所述的利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法，其特征在于，步骤（2）中的酸液浓度为0.05~2.25m，所述酸液包括硫酸、硝酸、磷酸、醋酸、柠檬酸、苹果酸、草酸中的任意一种或几种。

5.根据权利要求1所述的利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法，其特征在于，步骤（3）中的烘干温度为50~250℃，烘干时间为0.25~2.75小时，高温煅烧温度为350~750℃，高温煅烧时间为0.25~1.75小时。

6.根据权利要求1所述的利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法，其特征在于，步骤（4）中的市政污泥和煅烧活化料粉的质量比为0.25~0.75:1。

7.根据权利要求1所述的利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法，其特征在于，步骤（5）中的菌液和污泥煅烧活化粉的液固比为0.5~1.5:1ml/g。

8.根据权利要求1所述的利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法，其特征在于，步骤（5）中的菌液包括枯草芽孢杆菌菌液、蜡样芽孢杆菌菌液、柠檬酸杆菌菌液、假单孢菌菌液、溶磷菌菌液、阿氏肠杆菌菌液、烟草肠杆菌菌液中任意一种或几种。

9.权利要求1~8任一项所述的方法制备得到的土壤修复剂。

10.权利要求9所述的土壤修复剂在重金属污染土壤修复中的应用。

技术总结本发明公开了利用煤矸石制备重金属污染土壤修复剂的方法及土壤修复剂和应用。本发明制备过程简单，工艺流程短，原料均为工业废弃物，可协同处置煤矸石和废酸液，并利用煤矸石和废酸液制备重金属污染土壤修复剂，为煤矸石和废酸液的协同处置提供了有益借鉴。所制备的重金属污染土壤修复剂可实现对重金属污染物的有效钝化，显著降低重金属污染物的环境浸出毒性。本发明修复后的土壤在水稻种植方面具备很好的效果，其水稻相对根系生长比最高达123.79%。技术研发人员：黄涛,宋东平,周璐璐,金俊勋,王百军,狄洋阳,张树文受保护的技术使用者：常熟理工学院技术研发日：技术公布日：2024/6/20