一种资源化铁矿废弃地生态修复方法
技术领域
本发明涉及土壤生态修复领域，涉及尾矿处理技术领域，具体涉及一种资源化铁矿废弃地生态修复方法。
背景技术
东北地区矿产资源丰富，矿业开采历史悠久，为国家做出了巨大贡献。但是矿产资源开发带来的生态破坏、环境污染、次生地质灾害等问题严重影响区域的可持续发展能力，成为东北振兴的重要制约因素。露天废弃地侵占大片的林地和农田，造成用地功能的破坏，同时露天堆放的铁尾矿中含有大量重金属物质，对土壤及植被也产生巨大污染与危害，严重影响区域生态环境。因此，急需开展铁矿山废弃地生态环境整治与修复，恢复脆弱生态系统的生态功能。各铁矿企业均采用露天尾矿堆放方式，废弃地会改变原有的地形地貌，使原本植被覆盖率不高的生态景观、原有植被在露天采掘后被破坏殆尽，变成人为的次生裸地，若遇到中强度降水将会造成局部地段大量的水土流失；废弃地占用土地属林地、草地、未利用的山坡地、地表植被类型简单，覆盖度低，土壤肥力低；由于矿山开采使废弃地的土壤结构和土壤养分发生重大改变，土壤理化性状恶化，有机质含量较低，氮、磷等植物所需的养分缺乏，受损生态系统的稳定性和抗逆能力脆弱。
传统的铁矿山废弃地生态修复方法主要运用恢复生态学相关理论，进行尾矿填埋，对破坏土地重新复垦，种植当地植被等措施，修复废弃地区域生态环境，重建后的生态系统需经历上百年的自然恢复或投入大量资金的人工修复，方可恢复到未被破坏前的状态，投资成本较高，恢复时间较长，同时造成了现有资源的浪费。
发明内容
本发明针对铁矿山地区生态环境保护，资源合理开发，以及如何最大限度地资源化利用现有条件进行铁矿山生态修复等问题，分析铁矿山地区环境资源现状与矿产开发情况，提出新型资源化铁矿废弃地生态修复方法。对现存的废弃尾矿资源进行综合再利用，形成新型尾矿深加工产业链，采用先进的材料深加工技术，将尾矿排岩等资源加工成新型材料和环保材料等，减少各种污染和危害的产生，达到资源循环利用的目的；经过资源化、无害化处理后的土地，可直接采用恢复生态学相关技术手段，依照当地不同使用性质进行覆绿措施或作为区域景观用地和其它各类型用地使用，重塑当地地形地貌，赋予当地景观新的土地价值，既可将尾矿资源进行循环利用，又可大大减少废弃地生态修复过程中的投入资金，还可依据不同的用地类型进行土地资源再利用，实现区域因地制宜协调发展的目的。
具体而言，本发明要求保护一种资源化铁矿废弃地生态修复方法，包括如下步骤：
(1)尾矿去除及资源化利用
a)将现有废弃地中的尾矿去除，运送至尾矿资源化利用生产场地，消除含有污染物的尾矿，并对消除后尾矿进行无害化处理，无污染物遗留；
b)将运送出的尾矿和排岩进行资源化利用，加工成微晶玻璃、建筑板材、免烧免蒸砖、矿物肥料和种植土，用于铁矿山道路铺设、基础设施建设与地形地貌景观塑造；
(2)地貌重塑，将去除尾矿后的土地进行地貌重塑工作，包括塌陷区充填、地貌景观设计、地形水土保持三部分；
a)塌陷区充填
①先沿着地表裂缝和需要进行平整的地表倾斜部位剥离表土,剥离宽度为裂缝两侧各0.3-0.5米，剥离土层就近堆放在裂缝两侧和平整范围的周围；
②充填裂缝，用小平车或小推车向裂缝中倒入铁尾矿加工后的无污染尾矿砂充填材料、矿物肥料，充填时当充填高度距地表1米左右时,应开始用木杆做第一次捣实,然后每充填40cm左右捣实一次，直到与原地地表基本平齐时为止；
③种植土回填和平整，将①中剥离的表土及尾矿加工形成的种植土进行回填，然后对需要平整的土地局部充填和平整；
b)地貌景观设计
依照地形修建小阶差土坎梯田，梯田的高度为1-1.5米，宽度为一行或两行苗木，苗木周围再设立环形土壤；
c)地形水土保持
采用石块、粗藤、废旧轮胎、表面碳化的树桩和鹅卵石作为护坡材料，取得地形水土保持和景观美观的双重效果。
在本发明一个具体的实施方式中，所述的资源化铁矿废弃地生态修复方法还包括步骤(3)用地重新规划：
a)用地重新规划
进行用地类型重新划分，划分为各类景观绿地或苗圃用地，做采摘园开发、景观旅游开发、苗圃生产或配合当地景观塑造进行利用；
b)适宜植被选择
挑选本地生命力强、耐薄瘠树种进行种植。
被筛选引种的苗木要满足3个标准：第一，被选中的苗木与在原产地比较,不需特殊保护即能露地越冬,渡夏,正常生长,开花,结实；第二，被引种保持原有的产量和质量等经济性状第三，被引种能用适当的繁殖方式进行正常的繁殖。
在本发明一个具体的实施方式中，所述的资源化铁矿废弃地生态修复方法中其中步骤(1)中无害化处理包括将铁尾矿分三个层次整体利用，确保尾矿无污染物残留；第一层次利用为生产经济价值较高的产品：将铁尾矿进行初步筛选，选出其有用组分，制备微晶玻璃或建筑板材；第二层次利用为生产有一定经济价值并可在矿山开发建设中可利用产品：将筛选提纯后剩下的带有杂质的铁尾矿与胶结材料进行混合，提高尾矿硬度，可制备免烧免蒸砖；第三层次利用为生产在矿山基础设施建设中可直接利用的产品：将含有杂质较多的尾矿渣掺入生物肥料，可以形成矿物肥料或种植土；在制备尾矿资源化利用材料过程中采用清洁生产工艺，避免产生二次污染，最后可以实现铁尾矿的整体资源化利用，无污染残留。
在本发明一个具体的实施方式中，所述的资源化铁矿废弃地生态修复方法的所述微晶玻璃的制备方法为：①测定铁尾矿中的主要成分及比例，确定铁尾矿中主要氧化物构成；②去除铁尾矿中多余杂质，确定符合微晶玻璃中CaO－Mg－Al2O3－SiO2系统中的成分要求；③结合铁尾矿中的主要成分，采用较为经济的熔融法制备微晶玻璃，加入S2－+F－复合晶核剂；④将铁尾矿与适量复合晶核剂混合，加热后，当达到一定的核化温度与晶化温度，一定的保温时间后，可制备出晶化完全的微晶玻璃材料。生产出的微晶玻璃产品可以用于矿山建筑内部装修等基础设施建设或销往周边地区。
建筑板材制备工艺为：①按比例称取铁尾矿、水泥、玻璃纤维、减水剂、早强剂、水等原材料，搅拌成料浆后待用；②将发泡剂水溶液经空气压缩机发泡后，制成泡沫，按板材的设计容重，量取所需泡沫，加入到料浆中，混合均匀；③将制备的料浆浇筑到模具中，晾干既可成型。用铁尾矿制备的建筑板材硬度较高，保温性能好，可用于建筑、桥梁或轨道交通等建设中。
在本发明一个具体的实施方式中，所述的资源化铁矿废弃地生态修复方法的所述矿物肥料的制备方法包括对铁尾矿进行磁化处理，生产出磁化尾矿，再针对不同植被类型加入不同微量元素，施入土壤，补充维持植物生长和发育的必需元素，如Zn，Mn，Cu，Mo，Fe，P等，可以取得良好的效果。
在本发明一个具体的实施方式中，所述的资源化铁矿废弃地生态修复方法中步骤(2)中小阶差土坎梯田的田块设计为2×2米形状，田块周围设置30cm高的田埂。
在本发明一个具体的实施方式中，结合树种的生物学特征和生态学特征，所述的资源化铁矿废弃地生态修复方法首选抗逆性强、根系发达、耐瘠薄、抗干旱、生物量大、生长迅速、对土壤要求不高的优良乡土树种。其次考虑选择病虫害少，吸收有害气体能力强、滞滤粉尘、净化空气、吸收有毒气体的抗污染树种。采用乔灌草相结合的方式进行绿化种植，乔木选择树干通直、树冠浓密、抗烟耐尘、生长快、易成活、经济实用的树种，如构树、竹柳、刺槐、沙棘、蒙古栎、樟子松、糠椴、黄菠萝、胡桃楸、龙爪槐、银杏、五角枫等。丛植灌木选择经济、美观、乃存活木种，如蔷薇、紫丁香、腊梅、东北连翘、胡枝子、迎红杜鹃、刺梅花等。草本植物选择易种植、造价低的种类，如薰衣草、苜蓿、沙顶旺、蒲公英等。
本发明的优点体现在：
(1)突破传统的铁矿废弃地态修复手段，克服传统修复中资源浪费、污染遗留和存在安全隐患等缺点。
(2)将资源化生态修复模式应用于矿区废弃地生态修复研究领域的整个过程中，实现真正的铁矿山资源化、无害化修复的生态目标。
(3)在改善铁矿山生态环境的同时，减少不必要的生态修复资金投入，同时利用矿产废弃物制造加工建材产品创造额外收益。
(4)在完成铁矿山废弃地生态修复的同时，利用恢复后的土地进行各类良性的开发利用，可以实现区域土地的增值，带来经济效益。
附图说明
附图1为资源化铁矿废弃地生态修复方法的技术流程图。
具体实施方式
实施例一
一种资源化铁矿废弃地生态修复方法，其步骤如下：
①调查现状小样实验：测量尾矿库规模，选取具有一定地形高差的铁尾矿库一座，对该尾矿库中的铁尾矿进行取样分析，将试样分隔成形状、厚度相同的面积均为10㎡的2组等分小样，选择不同尾矿产品制备和生态修复方法，在不同的小样上进行实验性修复，其步骤如下：
a、铁尾矿取样分析，确定铁尾矿主要成分；
b、铁尾矿资源化利用：将2组等份铁尾矿小样分成两组，一组进行资源化利用，按可利用程度先后制备微晶玻璃、建筑板材和矿物肥料，处理后进行景观地貌重塑相关措施；另一组尾矿不进行任何处理，直接进行生态修复。一段时间后，对两组土壤进行污染物成分检测，尾矿资源化利用后的土壤重金属污染物成分较之前降低80％左右，满足立地条件，可直接进行景观设计与植被种植，在较短时间内达到生态修复的效果，同时，资源化铁尾矿产品与矿山种植的经济作物都可产生一定经济效益；另一组直接生态恢复后的土壤中重金属污染物成分相较修复前降幅较小，仅降低20％左右，生态恢复效果不明显，且矿山恢复投入较高，无经济效益。
a)制备铁尾矿微晶玻璃：确定铁尾矿中的主要那个氧化物成分与比例后，利用磁选法去除铁尾矿中多余杂质，确定符合微晶玻璃中CaO－Mg－Al2O3－SiO2系统中的成分要求；结合铁尾矿中的主要成分，采用较为经济的熔融法制备微晶玻璃，加入S2－+F－复合晶核剂；将铁尾矿与适量符合晶核剂混合，加热后，当达到，核化温度为750℃、保温60min，晶化温度为870℃、保温60min，处理后制备出晶化完全的微晶玻璃材料。
b)制备建筑板材:按比例称取铁尾矿、水泥、玻璃纤维、减水剂、早强剂、水等原材料，搅拌成料浆后待用；将发泡剂水溶液经空气压缩机发泡后，制成泡沫，按板材的设计容重，量取所需泡沫，加入到料浆中，混合均匀；将制备的料浆浇筑到模具中，晾干既可成型。
c)制备矿物肥料：对剩余铁尾矿进行磁化处理，生产出磁化尾矿，再针对不同植被类型加入不同微量元素，如Zn，Mn，Cu，Mo，Fe，P等，混合后，既可形成针对不同类型植物的矿物肥料，施入土壤，可补充维持植物生长和发育的必需元素。
c、地貌重塑：将去除铁尾矿后的第一组实验尾矿库进行地貌重塑工作，包括塌陷区充填、地貌景观设计、地形水土保持三部分。第二组实验尾矿库不做任何处理。
a)塌陷区充填：先沿着地表裂缝和需要进行平整的地表倾斜部位剥离表土,剥离宽度为裂缝两侧各0.3-0.5米，剥离土层就近堆放在裂缝两侧和平整范围的周围；充填裂缝，用小平车或小推车向裂缝中倒入铁尾矿加工后制备的填充材料、矿物肥料无污染尾矿砂充填材料，用充填材料充填时当充填高度距地表1米左右时,应开始用木杆做第一次捣实,然后每充填40cm左右捣实一次，直到与原地地表基本平齐时为止；种植土回填和平整，将剥离的表土及尾矿加工形成的种植土进行回填，然后对需要平整的土地局部充填和平整，在充填过程中，应尽量将充填土块捣碎，避免将大块土石填入裂缝和沉陷地之中而影响充填密度。
b)地貌景观设计：依照地形修建小阶差土坎梯田，梯田的高度为1-1.5米，宽度为一行或两行苗木，苗木周围再设立环形土壤；
c)地形水土保持：采用石块、粗藤、废旧轮胎、表面碳化的树桩和鹅卵石作为护坡材料，取得地形水土保持和景观美观的双重效果。
d、适宜植被选择：选择合适树种，分别栽植在两组实验尾矿库中，挑选本地生命力强、耐薄瘠树种进行种植。根据植被选择要求，选择乔灌草各种类若干，①乔木和灌木主要采用穴植方式，草本植物主要采用播种方式。②多树种混栽,以块状、行间混交为主,点播为辅，乔木选择构树、竹柳等生长力旺盛，适应能力强且有一定经济价值的树种。③栽植时力求做到“苗正、根疏、压实”和“一提、二踩、三埋”等措施。④在陡坡和林间带状播种具有观赏性的薰衣草、沙顶旺和蒲公英等草本植物。栽植完成后观察两组尾矿库生态修复效果。经过反复实验，对结果进行统计分析，进一步确定尾矿资源化生态修复方案为最优选方案；
②现场小规模实验：在尾矿库现场选取具有一定地形高差的面积为600㎡的铁尾矿库一座，对该尾矿库中的铁尾矿进行取样分析，将试样分隔成形状、厚度相同的面积均为300㎡的2组等份小样，根据步骤①中所确定的方法进行现场小规模实验，其步骤如下：
a、铁尾矿资源化利用：将铁尾矿小样分成两组，一组进行资源化利用，按可利用程度先后制备微晶玻璃、建筑板材和矿物肥料，处理后进行景观地貌重塑相关措施；另一组尾矿不进行任何处理，直接进行生态修复。
a)制备铁尾矿微晶玻璃：确定铁尾矿中的主要那个氧化物成分与比例后，利用磁选法去除铁尾矿中多余杂质，确定符合微晶玻璃中CaO－Mg－Al2O3－SiO2系统中的成分要求；结合铁尾矿中的主要成分，采用较为经济的熔融法制备微晶玻璃，加入S2－+F－复合晶核剂；将铁尾矿与适量符合晶核剂混合，加热后，当达到，核化温度为750℃、保温60min，晶化温度为870℃、保温60min，处理后制备出晶化完全的微晶玻璃材料。
b)制备建筑板材:按比例称取铁尾矿、水泥、玻璃纤维、减水剂、早强剂、水等原材料，搅拌成料浆后待用；将发泡剂水溶液经空气压缩机发泡后，制成泡沫，按板材的设计容重，量取所需泡沫，加入到料浆中，混合均匀；将制备的料浆浇筑到模具中，晾干既可成型。
c)制备矿物肥料：对剩余铁尾矿进行磁化处理，生产出磁化尾矿，再针对不同植被类型加入不同微量元素，如Zn，Mn，Cu，Mo，Fe，P等，混合后，既可形成针对不同类型植物的矿物肥料，施入土壤，可补充维持植物生长和发育的必需元素。
c、地貌重塑：将去除铁尾矿后的第一组实验尾矿库进行地貌重塑工作，包括塌陷区充填、地貌景观设计、地形水土保持三部分。另一组不做任何处理。
a)塌陷区充填：先沿着地表裂缝和需要进行平整的地表倾斜部位剥离表土,剥离宽度为裂缝两侧各0.3-0.5米，剥离土层就近堆放在裂缝两侧和平整范围的周围；充填裂缝，用小平车或小推车向裂缝中倒入铁尾矿加工后制备的填充材料、矿物肥料无污染尾矿砂充填材料，用充填材料充填时当充填高度距地表1米左右时,应开始用木杆做第一次捣实,然后每充填40cm左右捣实一次，直到与原地地表基本平齐时为止；种植土回填和平整，将剥离的表土及尾矿加工形成的种植土进行回填，然后对需要平整的土地局部充填和平整，在充填过程中，应尽量将充填土块捣碎，避免将大块土石填入裂缝和沉陷地之中而影响充填密度。
b)地貌景观设计：依照地形修建小阶差土坎梯田，梯田的高度为1-1.5米，宽度为一行或两行苗木，苗木周围再设立环形土壤；
c)地形水土保持：采用石块、粗藤、废旧轮胎、表面碳化的树桩和鹅卵石作为护坡材料，取得地形水土保持和景观美观的双重效果。
d、适宜植被选择：将2组实验尾矿库同时进行植被栽种，观察植被生长情况。挑选本地生命力强、耐薄瘠树种进行种植。根据植被选择要求，选择乔灌草各种类若干，①乔木和灌木主要采用穴植方式，草本植物主要采用播种方式。②多树种混栽,以块状、行间混交为主,点播为辅，乔木选择构树、竹柳等生长力旺盛，适应能力强且有一定经济价值的树种。③栽植时力求做到“苗正、根疏、压实”和“一提、二踩、三埋”等措施。④在陡坡和林间带状播种具有观赏性的薰衣草、沙顶旺和蒲公英等草本植物。
③大规模资源化生态修复：对废弃铁矿山尾矿库进行大规模资源化生态修复，其步骤如下：
a、铁尾矿资源化利用：将铁尾矿按可利用程度先后制备微晶玻璃、建筑板材和矿物肥料，处理后进行景观地貌重塑相关措施。
a)制备铁尾矿微晶玻璃：确定铁尾矿中的主要那个氧化物成分与比例后，利用磁选法去除铁尾矿中多余杂质，确定符合微晶玻璃中CaO－Mg－Al2O3－SiO2系统中的成分要求；结合铁尾矿中的主要成分，采用较为经济的熔融法制备微晶玻璃，加入S2－+F－复合晶核剂；将铁尾矿与适量符合晶核剂混合，加热后，当达到，核化温度为750℃、保温60min，晶化温度为870℃、保温60min，处理后制备出晶化完全的微晶玻璃材料。
b)制备建筑板材:按比例称取铁尾矿、水泥、玻璃纤维、减水剂、早强剂、水等原材料，搅拌成料浆后待用；将发泡剂水溶液经空气压缩机发泡后，制成泡沫，按板材的设计容重，量取所需泡沫，加入到料浆中，混合均匀；将制备的料浆浇筑到模具中，晾干既可成型。
c)制备矿物肥料：对剩余铁尾矿进行磁化处理，生产出磁化尾矿，再针对不同植被类型加入不同微量元素，如Zn，Mn，Cu，Mo，Fe，P等，混合后，既可形成针对不同类型植物的矿物肥料，施入土壤，可补充维持植物生长和发育的必需元素。
b、地貌重塑：将去除铁尾矿后的尾矿库进行地貌重塑工作，包括塌陷区充填、地貌景观设计、地形水土保持三部分。
a)塌陷区充填：先沿着地表裂缝和需要进行平整的地表倾斜部位剥离表土,剥离宽度为裂缝两侧各0.3-0.5米，剥离土层就近堆放在裂缝两侧和平整范围的周围；充填裂缝，用小平车或小推车向裂缝中倒入铁尾矿加工后制备的填充材料、矿物肥料无污染尾矿砂充填材料，用充填材料充填时当充填高度距地表1米左右时,应开始用木杆做第一次捣实,然后每充填40cm左右捣实一次，直到与原地地表基本平齐时为止；种植土回填和平整，将剥离的表土及尾矿加工形成的种植土进行回填，然后对需要平整的土地局部充填和平整，在充填过程中，应尽量将充填土块捣碎，避免将大块土石填入裂缝和沉陷地之中而影响充填密度。
b)地貌景观设计：依照地形修建小阶差土坎梯田，梯田的高度为1-1.5米，宽度为一行或两行苗木，苗木周围再设立环形土壤；
c)地形水土保持：采用石块、粗藤、废旧轮胎、表面碳化的树桩和鹅卵石作为护坡材料，取得地形水土保持和景观美观的双重效果。
d、用地重新规划
a)用地重新划分：将尾矿去除后的铁矿山按照实际用地需求划分为各类景观绿地或苗圃用地，做采摘园开发、景观旅游开发、苗圃生产或配合当地景观塑造进行利用；
b)适宜植被选择：根据植被选择要求，选择乔灌草各种类若干，①乔木和灌木主要采用穴植方式，草本植物主要采用播种方式。②多树种混栽,以块状、行间混交为主,点播为辅，乔木选择构树、竹柳等生长力旺盛，适应能力强且有一定经济价值的树种。③栽植时力求做到“苗正、根疏、压实”和“一提、二踩、三埋”等措施。④在陡坡和林间带状播种具有观赏性的薰衣草、沙顶旺和蒲公英等草本植物。运用此种植被种植方式，能有效恢复矿山植被覆盖度,改善废弃地的生态环境。修复后的土壤污染物含量可以有效降低，同时种植经济类作物可以为该地区创造一定的经济效益，同时达到生态环境与经济的双重收益。
