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土地工程中的土壤修復材料研究

時間:2020-03-26 來源:農技服務 作者:張海歐 本文字數:3706字

  土壤修復論文(畢業設計8篇)之第六篇

  摘要:為土壤修復和治理提供理論支撐,闡述了土地工程中的替代性成土材料的選擇原則及有機土體材料的來源,并展望土體材料在土地工程中的應用前景。

  關鍵詞:退化土地,修復,有機土體材料,篩選

土壤修復論文

  目前,全球面臨荒漠化擴增、耕地日益減少及土壤污染等世界性問題,因此增加耕地面積和提高耕地質量是有關學者們研究的目標和熱點。20世紀中期,一些發達國家,尤其是一些土地資源比較稀缺的國家就開始對人造土壤問題進行探索和研究[1,2]。因此,依據生產實際的迫切需求和國際學科的發展動態,亟待開展“替代性成土材料”的篩選與配置研究。然而,隨著產品本身對環境性能要求的不斷提高,從更廣泛的角度考慮材料的選擇是人類文明發展的必然趨勢。探索和開發具有良好使用性能或功能的替代性成土材料,需要從生態保護環境的角度出發,選擇具有資源或能源消耗較低、能與環境相協調的特征土壤改良修復材料。

  在全球人口繼續增加,土地面積緊缺的背景下,如何對未利用土地、退化和污損土地進行有效地修復,已成為當今土地工作者在土地工程實踐、理論探索中亟待研究和解決的關鍵性科學問題。基于土壤材料的自然形成極其漫長,而土地工程所面臨的問題與類型又極其繁多,在開展土地工程中,依據生產實際的迫切需求和國際學科的發展動態,亟待開展“替代性成土材料”的篩選與配置研究。為此,筆者闡述了土地工程中有機土體材料選擇的原則,并展望土體材料在土地工程中的應用前景,以期為土壤修復和治理提供理論支撐。

  1 有機土體材料的內涵

  土體有機重構材料分為天然材料、人工合成材料以及廢棄物的利用。首先對各種材料研究對象進行處理,處理完以后進行土體重構,同時加入有機生命體生長所需要的大量、中量以及微量元素,即進行土體有機重構。需要繼續擴大替代性成土材料選擇的范圍,研究各類材料作為替代性成土材料的可行性評價指標及可行性分析,研究材料的處理措施與搭配方案,研究材料的應用范圍及其應用效果,主要從可持續利用、植物產量和品質以及環境效應等方面開展系統研究[3,4]。在土地工程領域內,大范圍可供選擇的替代性成土材料:一是建筑廢棄物,包括磚塊和水泥塊體以及一些生土建筑物料,各地生產量很大,對其開發利用有助于減少環境壓力,保護耕地資源。二是礦物廢棄物,主要為采礦的礦渣和尾礦等,只需檢測其中的金屬含量即可選用,一些尾礦已經過粉碎處理,從粒度上不存在問題,更有應用價值的是煤矸石,其屬于一種有機礦藏,有利于成土和營養供給。三是自然風化的松散頁巖,風化的頁巖是國內外常用的替代性成土材料。四是有機物料,如各種植物體、動物有機肥等可作為成土的搭配材料。眾所周知,“宇宙土壤”就是典型的人工土壤,在沙中添加植物生長所必須礦肥,由俄羅斯科學家在“禮炮1號”軌道科學考察站研制,用于種植蔬菜[5]。以色列研究人員采用40%的廢紙屑改良土壤,不僅實現了廢紙資源回收利用,還可以促進某些植物生長[6]。盡管國內外針對土壤性質、功能的調控材料已有很多,研究成果也極為豐富[7,8],但是這些材料都是建立在小范圍、小劑量使用工作中,在土地工程中必須尋求功能相當、更加廉價、易得的土體有機重構相關材料。土體重構無機材料要廣泛開展鈣基制劑、硅基制劑以及鐵制劑的研究,尤其是開發金屬加工業的廢棄鐵屑在水田、海面城市、污染土壤修復中的使用效應研究。

  2 生態環境材料選擇的原則

  隨著人們對材料與環境如何協調發展問題的日益重視,生態環境材料應運而生。生態環境材料主要是指同時具有滿意的使用性能和優良的環境協調性,或是能夠改善環境的材料。綠色產品設計已成為現代設計技術的研究熱點之一,產品不僅應考慮材料的力學性能、物理化學性能、功能和結構等基本性能要求,更應著重考慮材料的環境屬性[9,10]。因此,產品設計的選材原則首先考慮性能優良、環境負荷小的環境材料,一是盡可能使用自然界中可循環的材料,二是盡可能少地使用自然界中不可循環的材料,最大限度利用材料資源和節約能源,選擇和使用材料的原則主要有以下幾個方面:1)少用短缺或稀有的原材料,多用廢料、余料或回收材料作為原材料,盡量尋找短缺或稀有原材料的代用材料,有效提高產品的可靠性和使用壽命。2)減少產品中的材料種類,以利于產品廢棄后的有效回收。3)優先采用可再利用或再循環的材料。4)采用相容性好的材料,不采用難于回收或無法回收的材料。5)選用廢棄后能自然分解并為自然界所吸收的材料。6)選用環境兼容性涂層材料。7)少用或不用有毒有害原材料。

  3 土地工程中的有機土體材料

  人造土壤是利用巖石、工礦及建筑業固體廢棄物、各種有機物為原料,經過分選、粉碎、研磨,按一定比例混合后發酵制成造土堆肥,然后將造土堆肥與無機原料粉(即造土母質)按一定比例混合制成具有一定蓄水、蓄熱、透氣、肥力,達到植物生長所需基本條件的土壤。人造土壤具有易于實施、可工業化大規模生產,利用其發展農業經濟與治理工礦廢棄物、江河湖海污染、處理城市生活垃圾和環境保護協調起來,形成良性循環,尤其對貧瘠山區、沙化地區、海島等土壤缺乏地區開發更具重要意義,宜于推廣應用。對于新增耕地要廣泛開展先鋒植物的篩選與培育技術研究。植物涉及糧食作物、蔬菜、果樹、中藥材、牧草、綠肥以及苗木,選擇范圍立足于當地土著植物,并且配合從異地引種和擴繁等。

  對于土源受限地區,需要研究土體有機重構的主體材料,即替代性成土材料。目前,國際上人造土壤的材料主要是一些緩礦化分解的有機物料和生活廢棄物等。新材料代替土壤較為成功的是自然表層土、廢物循環利用基質和人造表層土等3種。其中,自然表層土種類最豐富,從酸性土、沙土、腐殖土到泥炭土、粘土,這些均取于自然界,各項指標變化較大。循環利用基質來源于各種工業農業廢料,如大田表層土、底層土、粘土,煉鋼廠的下腳料,倒塌的建筑磚塊、水泥塊、玻璃、金屬、木頭、塑料,通過回收加工成栽培基質,常與其他類型土壤混合使用。人造表層土是將2種或2種以上土壤材料進行深層次混合,達到滿足植物根系生長發育的要求,其中包括人造表層土、底層土、沙土、綠色混合堆肥和生物栽培基質等。研究基質指標時主要考慮土壤肥力(養分)、結構、質地、pH(酸堿度)值、含水量、傳導性等。

  一直以來,污泥被視為農業生產的天然土壤,如城市廢棄物形成的污泥、污水處理廠產生的污泥、工業廢棄物經過處理產生的污泥等經過加工處理后用于農業生產。日本利用廢棄物制成了一種無臭味、含有豐富微生物,且與污泥成分相同的人造土壤。

  泥炭營養土是城市綠化和家庭養花理想的栽培基質,屬于一種人工合成土壤。目前,我國泥炭營養土的制備主要是以優質的天然泥炭為原材料,通過添加適量的基質材料和大量的營養元素配制而成。泥炭營養土具有無毒、無污染、重量輕、肥效長久、疏松透氣等自然土壤的一切有利因素。泥炭營養土能適合大多數花卉、苗木和蔬菜育苗與生長,還能使蔬菜上市期提早1~2周。泥炭營養土的應用范圍較廣,能夠在沙漠、海島、鹽場等地區進行種植蔬菜、花卉和作物等,以改善當地的生活條件和生存環境。因此,泥炭營養土被作為花卉、苗木和蔬菜等植物生長較為經濟有效的理想基質。

  4 材料在土地工程中的應用與展望

  土地工程不僅需要材料的加入,而且能為醫藥、美容、食品、石油開采等行業提供良好的材料。蒙脫土擁有“皂土”和“萬用土”的美稱,具有很強的吸附、洗滌、絮凝能力等,用于毛紡洗滌、污水處理與凈化,是一種滅火、防水材料,也用于造紙、制造鉛筆、復合肥料、飼料等生產行業。

  隨著土壤修復技術的發展和不斷創新,納米材料(粒徑為1~100納米)修復技術作為一種高效、經濟的有機污染土壤修復技術,為人們提供了新的研究機遇[11]。相比一般的有機污染土壤修復技術,比表面積大、吸附螯合能力強及催化活性高等是納米材料的特性,使得納米材料修復技術克服了傳統修復技術的部分缺點,在有機污染土壤修復中表現出極高的修復效率[12,13,14]。在實際生產實踐中,納米材料的選擇應由污染物的性質決定,并且在納米材料的設計過程中,應對其修復機理和其在土壤環境中的實際行為進行深入研究,分析其對土壤修復過程的關鍵性基團,從而選擇適宜性的材料進行土壤修復。近年來,環境友好型納米材料修復有機污染土壤的研究已成為國內外關注的熱點,主要集中在納米材料的制備、結構表征、污染物去除機制和去除效率等方面[15,16]。

  在土地工程中,今后應加強土地修復植物材料的研究,對植物材料進行培育、篩選、馴化,甚至借助于現代生物技術,開展轉基因土地修復材料的研究,獲得改善土壤質量的植物種或品種。微生物產品開發研究,利用現代微生物工程技術,從有關逆境土地環境中分離、篩選、擴繁具有特殊功能的微生物菌種資源,利用工廠化生產微生物制劑應用于生土快速熟化的土地工程,并逐漸建立土地工程微生物菌種資源庫。土壤動物產品研發,主要開展蚯蚓養殖,用蚯蚓和作物秸稈、枯枝落葉、生活廢棄物等一起生產生物有機肥,研發生產優質土壤生物改良劑,并逐漸建立動物標本庫。

  參考文獻
  [1]鐘曉曉,王濤,原文麗,等.生物炭的制備、改性及其環境效應研究進展[J].湖南師范大學自然科學學報,2017,40(5):44-50.
  [2]LEHMANN J,JOSEPH S.Biochar for environmental management science and technolog[M].London:Earthscan,2009.
  [3]韓霽昌.土地工程基礎[M].北京:科學出版社,2017.

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    張海歐.淺談土地工程中的土壤修復材料[J].農技服務,2019,36(10):38-40.
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