1.本发明涉及矿山生态修复与污泥资源化处置，具体涉及一种利用沼液杀灭硫铁矿山酸性土壤中铁硫氧化菌并重建矿山土壤微生物种群的方法。
背景技术：
2.矿山开采后，其土地的生态环境毁坏严重，滑坡、泥石流等自然灾害频发。尤其，硫铁矿山经采矿后还会不断产生含有大量硫酸盐和重金属离子的酸性矿山废水(acid mine drainage,amd)。amd会持久性的影响环境，尤其是土壤、水资源和水生群落,甚至在极端条件下，其中的重金属会进入到食物链中,威胁动物、植物和人类健康。因此，对矿山土地的生态修复，尤其含硫矿山土壤中amd的阻断，刻不容缓。amd是由硫化物矿物在氧气、水和微生物(氧化硫硫杆菌、氧化亚铁硫杆菌等铁硫氧化菌)的存在下氧化产生的。因此，减少金属硫化物矿物与水和空气的接触或抑制微生物活动可以大幅度减少amd的产生、降低amd的酸度和重金属浓度,从而减少污染。杀灭铁硫氧化菌、营造低氧环境、抑制铁硫氧化菌的代谢活性将对阻断amd污染起到关键作用。
3.沼液是有机物质经发酵后形成的液体，不仅含有丰富的氮、磷、钾等大量营养元素和锌等微量营养元素，而且含有氨基酸、活性酶、生长素等。由于这些营养元素基本以速效养分形式存在，所以在理论上沼液的速效营养能力强，是多元的速效复合肥料，可用于浸种、叶面喷肥、拌营养土及保花保果剂、无土栽培母液、种养花卉等。但是沼液在工程实际上的应用目前存在一系列问题，如氨氮浓度、挥发性脂肪酸浓度过高，容易导致烧苗，且在施用前需要提前堆沤；沼液中含有大量散发臭气的物质，施用时形成大面积臭气污染；沼液中含有病原菌、抗生素等新污染物，用于耕地和城区林地会造成生态环境污染。
技术实现要素：
4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用沼液杀灭硫铁矿山酸性土壤中铁硫氧化菌并重建矿山土壤微生物种群的方法。不仅可以解决硫铁矿山酸性废水产生的问题，还可以同步解决沼液的处理处置，从中回收氮、磷、氨基酸等资源，改善硫铁矿山土壤的结构与肥力，使其有利于植物的生长，便于矿山后续的生态复绿。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种利用沼液杀灭硫铁矿山酸性土壤中铁硫氧化菌并重建矿山土壤微生物种群的方法，该方法包括以下步骤：
7.沼液预处理：将沼液进行除杂、调质预处理、除臭处理后，得到沼液a，再添加复配稳定剂，得到沼液b；
8.灭菌期处理：将硫铁矿山表层的土壤耕松，喷洒沼液b，同时进行翻混，然后进行养护；
9.耗氧期处理：再将硫铁矿山表层的土壤耕松，喷洒沼液b，同时进行翻混，然后自然
养护；
10.巩固期处理：喷洒沼液a，之后在表层覆盖生物炭，自然养护后，完成处理。
11.进一步地，所述的沼液为城市有机质进行厌氧消化所得到的沼液，所述城市有机质包括市政污泥、餐厨垃圾、秸秆或畜禽粪便的单独基质或者混合基质。
12.进一步地，所述除杂的具体步骤为：在新鲜沼液中添加质量0.5-1％的胡敏酸，在50-100r/min的条件下进行搅拌30-60min，待沼液中出现絮状沉淀物，静置15-30min，取出上清液。
13.进一步地，所述调质预处理具体指低温浓缩或稀释沼液中的氨和挥发性脂肪酸，使沼液ph＝6-8，氨氮浓度为2500-4000mg/l，挥发性脂肪酸浓度为300-600mg/l，具体步骤为：对沼液的氨氮浓度和挥发性脂肪酸浓度进行分析，若沼液中氨氮和挥发性脂肪酸的浓度低于设定值，则采用低温浓缩机在60-70℃条件下进行浓缩，若沼液中氨氮和挥发性脂肪酸的浓度高于设定值，则加水进行稀释。
14.进一步地，所述除臭处理的具体步骤为：投加次氯酸钠粉末至次氯酸钠浓度为100-200mg/l，50-100r/min的条件下搅拌15-30min，使沼液a中挥发酚的浓度低于1mg/l，硫化氢的浓度低于0.01mg/l，吲哚的浓度低于0.1mg/l。
15.进一步地，所述的复配稳定剂的成分及配制的重量比如下：瓜尔胶、硼砂以及二甲基吡唑磷酸盐、氮吡啶或双氰胺＝1:(0.01-0.05):(0.01-0.05)，复配稳定剂的添加量为沼液a质量的0.1-1％。
16.进一步地，所述硫铁矿山土壤的ph值范围为2-5，硫的含量为1000-10000mg/kg干基，铁的含量为500-2000mg/kg干基，二价铁离子含量为200-500mg/kg干基，同时含有其他重金属如铜、汞、铅和镉复合矿物，其中铁硫氧化菌包括氧化硫硫杆(thiobacillus thiooxidans)、氧化亚铁硫杆菌(thiobacillus ferrooxidans和acidithiobacillus ferrooxidan)，铁硫氧化菌的总含量采用平板计数法测得为1
×
10
4-1
×
109个/g干基。
17.进一步地，灭菌期处理的具体步骤为：将硫铁矿山表层0-0.5m的土壤耕松，使孔隙度达到40-50％，喷洒沼液b，喷洒量为30-50l/m2，喷洒的同时进行翻混，使0.5m深度处的土壤含水率与0m处含水率一致，养护5-10d，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌计数相比于施用沼液前降低99％以上。
18.进一步地，耗氧期处理的具体步骤为：耕松0-0.3m的土壤，孔隙度达到40-50％，喷洒沼液b，喷洒量为10-20l/m2，喷洒的同时进行翻混，使0.3m深度处的土壤含水率与0m处含水率一致，自然养护20-30d，使0.3-0.5m深度处的土壤含氧量降低至5-10％，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌计数相比于施用沼液前降低99.99％以上。
19.进一步地，巩固期处理的具体步骤为：喷洒沼液a，喷洒量为5-10l/m2，之后在表层覆盖生物炭，自然养护30-60d，生物炭为沼渣所制生物炭，用量为0.5-2kg/m2，巩固期处理后，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌计数相比于施用沼液前降低99.99％以上，0-0.3m深度的ph值恢复至5-7，0-0.3m深度的土壤中挥发性脂肪酸含量降至5mg/kg干基及以下。
20.本发明的工作原理为：城市有机质厌氧消化的沼液中含有大量的氨氮和挥发性脂肪酸，这些物质在高浓度时对硫铁矿山土壤中的铁硫氧化菌具有细胞毒性，施用时可以杀灭铁硫氧化菌；同时，沼液中的挥发性脂肪酸可在土壤中大量消耗氧，可以营造低氧环境，抑制铁硫氧化菌的产硫酸代谢；利用此双重作用可抑制硫铁矿山土壤中铁硫氧化菌，阻断
amd的产生。一般的沼液中，氨氮和挥发性脂肪酸的浓度难以达到既能够杀灭铁硫氧化菌又适宜植物生长的范围，且含有臭味物质，直接施用于城市土壤则会烧苗、带来臭气污染，直接施用于矿山土壤又不足以抑制铁硫氧化菌的活性，因此本发明依据沼液特征进行一系列有针对性的处理，包括浓缩或稀释调质预处理、添加次氯酸钠、添加复配稳定剂等，以此来达成阻断amd、利用沼液中营养物质、避免沼液带来的污染、便于矿山复绿的目的。施入后覆盖一层生物炭，以锁住土壤中的氨与小分子营养物质，便于矿山土壤恢复肥力。
21.在制备复配药剂时，选择瓜尔胶、硼砂、二甲基吡唑磷酸盐或氮吡啶或双氰胺的混合物，其原理为采用瓜尔胶的目的是增加沼液的黏稠度，增加其在矿山土壤表面的附着能力，减少其通过表面径流、雨水冲沙等的溢散流失；采用硼砂的目的是在矿山土壤中防止虫害的生成，同时补充土壤中必须的硼元素；采用二甲基吡唑磷酸盐或氮吡啶或双氰胺的目的是作为硝化抑制剂，防止高浓度的氨氮施用后迅速硝化而降低氨氮浓度，降低其对铁硫氧化菌的杀灭能力。
22.本发明中，沼液预处理步骤中对沼液进行一系列预处理后所限定的沼液ph值，氨氮浓度、挥发性脂肪酸浓度、挥发酚的浓度、硫化氢的浓度、吲哚的浓度是沼液施用于硫铁矿山土壤中抑制铁硫氧化菌的关键参数。氨氮和挥发性脂肪酸浓度过低则无法对土壤中的铁硫氧化菌形成杀灭效果，过高则对沼液的浓缩要求高增加成本；挥发酚、硫化氢、吲哚的浓度过高则形成臭气污染，影响沼液的卫生化施用。
23.本发明中，灭菌期、耗氧期和巩固期中的沼液种类(a或者b)喷洒量和养护时间是沼液抑制铁硫氧化菌和沼液施用后矿山土壤质量改良的关键参数。杀菌期，喷洒沼液量大、深度大、添加复配稳定剂，养护时间短，以高效充分杀灭矿山土壤中的铁硫氧化菌；耗氧期，喷洒沼液量小，深度浅，添加复配稳定剂，养护时间延长，以充分消耗矿山表层土壤中的氧，进一步杀灭矿山土壤中的铁硫氧化菌，并抑制其氧化产酸活动；巩固期，喷洒沼液量小，表面喷洒，不添加复配稳定剂，养护时间更长，进一步巩固杀菌和耗氧效果，同时使沼液中的挥发性脂肪酸得到氧化去除，此时土壤中的好氧微生物得到重建，喷洒后覆盖生物炭，以锁住土壤中的氨与小分子营养物质，便于矿山土壤恢复肥力。
24.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
25.(1)本发明采用创新有机质沼液的预处理方法。厌氧消化产物经脱水得到的沼液通过浓缩或稀释调质预处理、添加次氯酸钠、添加复配药剂等手段控制其中挥发性脂肪酸、氨氮、挥发酚、硫化氢、吲哚的浓度，这一过程既控制了沼液的臭气，又使沼液具备了杀灭硫铁矿山土壤中铁硫氧化菌和营造低氧环境的特质，同时避免了施用的沼液通过表面径流、雨水冲沙等的溢散流失，避免其中的氨氮浓度通过硝化作用而降低。
26.(2)本发明中，在硫铁矿山土壤中所施用的沼液中氨氮与挥发性脂肪酸浓度远高于与沼液施用至农林业所需控制的氨氮和挥发性脂肪酸浓度(避免烧苗，对铁硫氧化菌无杀灭效果)，这一独特浓度可以在硫铁矿山土壤中同步杀灭铁硫氧化菌、阻断amd的产生、回收沼液中的资源，是区别于传统施用浓度的重大创新；
27.(3)本发明采用创新有机质沼液的施用方法。将沼液分三次施用，杀菌期，喷洒沼液量大、深度大、添加复配稳定剂，养护时间短，以高效充分杀灭矿山土壤中的铁硫氧化菌；耗氧期，喷洒沼液量小，深度浅，添加复配稳定剂，养护时间延长，以充分消耗矿山表层土壤中的氧，进一步杀灭矿山土壤中的铁硫氧化菌，并抑制其氧化产酸活动；巩固期，喷洒沼液
量小，表面喷洒，不添加复配稳定剂，养护时间更长，进一步巩固杀菌和耗氧效果，同时使沼液中的挥发性脂肪酸得到充分氧化去除，此时土壤中的好氧微生物得到重建，喷洒后覆盖生物炭，以锁住土壤中的氨与小分子营养物质，便于矿山土壤恢复肥力。三级施用可以高效的达到杀灭铁硫氧化菌、防止一次施用过多而溢散、消耗土壤表层中的氧、避免土壤中挥发性脂肪酸浓度过高的效果，并且该效果具有持久性。
具体实施方式
28.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
29.一种利用沼液杀灭硫铁矿山酸性土壤中铁硫氧化菌并重建矿山土壤微生物种群的方法，该方法包括以下步骤：
30.沼液预处理：将沼液进行除杂、除臭处理后，得到沼液a，再添加复配稳定剂，得到沼液b；沼液为城市有机质进行厌氧消化所得到的沼液，所述城市有机质包括市政污泥、餐厨垃圾、秸秆或畜禽粪便的单独基质或者混合基质。除杂的具体步骤为：在新鲜沼液中添加质量0.5-1％的胡敏酸，在50-100r/min的条件下进行搅拌30-60min，待沼液中出现絮状沉淀物，静置15-30min，取出上清液。除臭处理的具体步骤为：投加次氯酸钠粉末至次氯酸钠浓度为100-200mg/l，50-100r/min的条件下搅拌15-30min，使沼液a中挥发酚的浓度低于1mg/l，硫化氢的浓度低于0.01mg/l，吲哚的浓度低于0.1mg/l。除臭处理前进行低温浓缩或稀释沼液中的氨和挥发性脂肪酸，使沼液ph＝6-8，氨氮浓度为2500-4000mg/l，挥发性脂肪酸浓度为300-600mg/l，具体步骤为：对沼液的氨氮浓度和挥发性脂肪酸浓度进行分析，若沼液中氨氮和挥发性脂肪酸的浓度低于设定值，则采用低温浓缩机在60-70℃条件下进行浓缩，若若沼液中氨氮和挥发性脂肪酸的浓度高于设定值，则加水进行稀释。复配稳定剂的成分及配制的重量比如下：瓜尔胶、硼砂以及二甲基吡唑磷酸盐、氮吡啶或双氰胺＝1:(0.01-0.05):(0.01-0.05)，复配稳定剂的添加量为沼液a质量的0.1-1％。
31.灭菌期处理：将硫铁矿山表层的土壤耕松，喷洒沼液b，同时进行翻混，然后进行养护；硫铁矿山土壤的ph值范围为2-5，硫的含量为1000-10000mg/kg干基，铁的含量为500-2000mg/kg干基，二价铁离子含量为200-500mg/kg干基，同时含有其他重金属如铜、汞、铅和镉复合矿物，其中铁硫氧化菌包括氧化硫硫杆(thiobacillus thiooxidans)、氧化亚铁硫杆菌(thiobacillus ferrooxidans和acidithiobacillus ferrooxidan)，铁硫氧化菌的总含量采用平板计数法测得为1
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10
4-1
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109个/g干基。灭菌期处理的具体步骤为：将硫铁矿山表层0-0.5m的土壤耕松，使孔隙度达到40-50％，喷洒沼液b，喷洒量为30-50l/m2，喷洒的同时进行翻混，使0.5m深度处的土壤含水率与0m处含水率一致，养护5-10d，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌计数相比于施用沼液前降低99％以上。
32.耗氧期处理：再将硫铁矿山表层的土壤耕松，喷洒沼液b，同时进行翻混，然后自然养护；耗氧期处理的具体步骤为：耕松0-0.3m的土壤，孔隙度达到40-50％，喷洒沼液b，喷洒量为10-20l/m2，喷洒的同时进行翻混，使0.3m深度处的土壤含水率与0m处含水率一致，自然养护20-30d，使0.3-0.5m深度处的土壤含氧量降低至5-10％，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌计数相比于施用沼液前降低99.99％以上。
33.巩固期处理：喷洒沼液a，之后在表层覆盖生物炭，自然养护后，完成处理。巩固期处理的具体步骤为：喷洒沼液a，喷洒量为5-10l/m2，之后在表层覆盖生物炭，自然养护30-60d，生物炭为沼渣所制生物炭，用量为0.5-2kg/m2，巩固期处理后，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌计数相比于施用沼液前降低99.99％以上，0-0.3m深度的ph值恢复至5-7，0-0.3m深度的土壤中挥发性脂肪酸含量降至5mg/kg干基及以下。
34.实施例1
35.一种利用沼液杀灭硫铁矿山酸性土壤中铁硫氧化菌并重建矿山土壤微生物种群的方法，分以下步骤：
36.(1)取市政污泥厌氧消化的沼液，在新鲜沼液中添加沼液量0.5的胡敏酸，50转/分的条件下进行搅拌30min，沼液中出现絮状沉淀物，静置15min，取出上清液，沼液中氨氮和挥发性脂肪酸浓度分别为800mg/l和200mg/l；
37.(2)采用低温浓缩机在60-70℃条件下对上清液进行浓缩，使得到沼液的ph值为8，氨氮浓度为2000mg/l，挥发性脂肪酸浓度为300mg/l，之后投加氯酸钠至浓度为100mg/l，50转/分的条件下搅拌15min，使挥发酚的浓度低于1mg/l，硫化氢的浓度低于0.01mg/l，吲哚的浓度低于0.1mg/l，此时的沼液为沼液a。
38.(3)在沼液a中添加复配稳定剂，复配稳定剂的成分及配制的重量比如下：瓜尔胶：硼砂；二甲基吡唑磷酸盐或氮吡啶或双氰胺＝1：0.01：0.01，复配稳定剂的添加量为沼液质量的0.1％，搅拌均匀，得到沼液b；
39.(4)硫铁矿山土壤ph值为4，硫的含量为1000mg/kg干基，铁的含量为500mg/kg干基，二价铁离子含量为200mg/kg干基，同时含有其他重金属如铜、汞、铅、镉等复合矿物，铁硫氧化菌总含量为1
×
107个/g干基。灭菌期：将硫铁矿山表层0-0.5m的土壤耕松，孔隙度达到40％，喷洒沼液b，喷洒量为30l/m2，喷洒的同时进行翻混，使0.5m深度处的土壤含水率与0m处含水率一致，养护5d，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌相比于施用沼液前计数降低99.9％；
40.(5)耗氧期：步骤(4)结束后，耕松0-0.3m的土壤，孔隙度达到40％，喷洒沼液b，喷洒量为10l/m2，喷洒的同时进行翻混，使0.3m深度处的土壤含水率与0m处含水率一致，自然养护20d，使0.3-0.5m深度处的土壤含氧量降低至5％，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌相比于施用沼液前计数降低99.999％；
41.(6)巩固期：步骤(5)结束后，喷洒沼液a，喷洒量为5l/m2，之后在表层覆盖沼渣所制生物炭，用量为0.5kg/m2，自然养护30d。得到的硫铁矿山土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌相比于施用沼液前计数降低99.999％，0-0.3m深度的ph值恢复至7，0-0.3m深度的土壤中挥发性脂肪酸含量降至4mg/kg干基。
42.实施例2
43.(1)取畜禽粪便厌氧消化的沼液，在新鲜沼液中添加沼液1％的胡敏酸，100转/分的条件下进行搅拌60min，沼液中出现絮状沉淀物，静置30min，取出上清液，沼液中氨氮和挥发性脂肪酸浓度分别为6000mg/l和900mg/l。
44.(2)加水稀释，使得到沼液的ph值为6，氨氮浓度为4000mg/l，挥发性脂肪酸浓度为600mg/l，之后投加氯酸钠至浓度为200mg/l，100转/分的条件下搅拌30min，使挥发酚的浓度低于1mg/l，硫化氢的浓度低于0.01mg/l，吲哚的浓度低于0.1mg/l，此时的沼液为沼液a。
45.(3)在沼液a中添加复配稳定剂，复配稳定剂的成分及配制的重量比如下：瓜尔胶：硼砂；二甲基吡唑磷酸盐或氮吡啶或双氰胺＝1：0.05：0.05，复配稳定剂的添加量为沼液质量的1％，搅拌均匀，得到沼液b；
46.(4)硫铁矿山土壤ph值为2，硫的含量为10000mg/kg干基，铁的含量为2000mg/kg干基，二价铁离子含量为500mg/kg干基，同时含有其他重金属如铜、汞、铅、镉等复合矿物，铁硫氧化菌含量为1
×
109个/g干基。灭菌期：将硫铁矿山表层0-0.5m的土壤耕松，孔隙度达到50％，喷洒沼液b，喷洒量为50l/m2，喷洒的同时进行翻混，使0.5m深度处的土壤含水率与0m处含水率一致，养护10d，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌相比于施用沼液前计数降低99.2％；
47.(5)耗氧期：步骤(4)结束后，耕松0-0.5m的土壤，孔隙度达到50％，喷洒沼液b，喷洒量为20l/m2，喷洒的同时进行翻混，使0.5m深度处的土壤含水率与0m处含水率一致，自然养护30d，使0.3-0.5m深度处的土壤含氧量降低至10％，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌相比于施用沼液前计数降低99.992％；
48.(6)巩固期：步骤(5)结束后，喷洒沼液a，喷洒量为10l/m2，之后在表层覆盖沼渣所制生物炭，用量为2kg/m2，自然养护60d。得到的硫铁矿山土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌相比于施用沼液前计数降低99.995％，0-0.3m深度的ph值恢复至5，0-0.3m深度的土壤中挥发性脂肪酸含量降至4.8mg/kg干基及以下。
49.对比例1
50.与实施例1相比，区别在于，不采用预处理手段直接施用沼液，沼液的ph值为7，氨氮浓度为800mg/l，挥发性脂肪酸浓度为200mg/l，挥发酚的浓度为2.5mg/l，硫化氢的浓度为0.05mg/l，吲哚的浓度为0.3mg/l。第一次喷洒养护10d后，0.3-0.5m深度处的土壤含氧量为20％，第二次喷洒养护20d后，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌相比于施用沼液前计数降低40％，第三次喷洒养护60d后，0-0.3m深度的ph值为5，铁硫氧化菌相比于施用沼液前计数降低45％，0-0.3m深度的土壤中挥发性脂肪酸含量为4.5mg/kg干基。硫铁矿山土壤中的铁硫氧化菌未被杀灭，其ph值并未得到恢复，施用时散发大面积的臭味。
51.对比例2
52.与实施例1相比，区别在于，第一次喷洒量为20l/m2，喷洒后养护5d后，0.3-0.5m深度处的土壤含氧量为15％，第二次喷洒量为5l/m2，喷洒后养护5d后，土壤0-0.5m深度中铁硫氧化菌相比于施用沼液前计数降低10％，第三次喷洒量为5l/m2，喷洒后养护5d后，0-0.3m深度的ph值为4.5，0-0.5m深度中铁硫氧化菌相比于施用沼液前计数降低20％，0-0.3m深度的土壤中挥发性脂肪酸含量为10mg/kg干基。硫铁矿山土壤中的铁硫氧化菌未被杀灭，其ph值并未得到恢复，挥发性脂肪酸浓度也超出预期值。
53.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。