摘要
铜尾矿作为一种普遍存在的工业固废，其综合回收利用面临挑战。目前，利用废弃物改良剂对铜尾矿进行基质改良，不仅为废物资源化提供了途径，还显示出其在重金属污染修复中的应用潜力，该技术已成为解决这一问题的重要手段。因此，本研究将生物炭和有机废料制成生物炭基有机肥作为改良剂添入铜尾矿，研究改良后铜尾矿基质理化性质变化、重金属的固化/稳定化效果（包括重金属Cu总量及赋存形态变化），并探讨其中迁移转化机理，以探索生物炭基有机肥对铜尾矿改良的可行性与作用机制，提出一种成本低、效益高、操作简便且环境友好的尾矿改良新策略。研究主要获得以下结论： （1）本实验采用牛粪为主要原料制备有机肥，其富含腐殖质，高分子有机化合物，丰富的有机质和较高的阳离子交换量等，同时本身养分相当于缓释或缓效肥料，进行为期30 d的堆肥后，选择了符合《中华人民共和国农业行业标准有机肥料》（NY525-2021）标准的最优有机肥；实验制备了300~800℃的污泥生物炭，其呈多孔结构且有丰富的含氧官能团和多种矿物质组分，能吸附有机肥中的营养物质，防止水分淋溶，提高有机肥的利用率，促进有机质的分解，根据制备耗能及各项理化性质指标选择了两种温度的生物炭；生物炭基有机肥赋予了化肥养分的缓释性能，又弥补了生物炭养分不足的缺陷，实验将制备的两种较优污泥生物炭以5% 添入有机肥，制备成400℃生物炭基有机肥和700℃生物炭基有机肥，其pH、养分水平显著优于铜尾矿，并且重金属的总含量和生物可利用形态均低于铜尾矿，生物炭基有机肥具备较好的吸附与固化特性，具备改良铜尾矿的物质基础条件。 （2）根据改良前后铜尾矿的基本理化性质变化，可知，当施加了1%、5%和10%的两种生物炭基有机肥之后，铜尾矿pH增加了1.45-2.38，原因在于生物炭基有机肥施加到铜尾矿中会抑制酸根离子水解，有效缓解铜尾矿酸化；当添加10%400℃生物炭基有机肥时，改良效果最佳，水解性氮、有效磷、速效钾的质量分数分别达到了106.00、185.50、536.00 mg/kg，较原铜尾矿分别提高88.00、182.50、469.90 mg/kg。其原因可能是生物炭基有机肥本身含有的无机矿物和C、N和P等养分促进了指标的升高，除此之外，施加生物炭基有机肥提高了铜尾矿透气性，改变生物可利用性，提高其对碳源的利用，改善铜尾矿本身理化性质。 （3）在本研究中，通过向铜尾矿添加1%、5%、10%的生物炭基有机肥，铜尾矿中重金属Cu以总量来看，按照添加1%400℃炭基肥、5%400℃炭基肥、10%400℃炭基肥、1%700℃炭基肥、5%700℃炭基肥、10%700℃炭基肥的实验组别，进行实验前后，重金属总量较原铜尾矿依次降低了11.06%、12.78%、9.10%、6.39%、10.81%、6.63%；铜尾矿中重金属Cu以赋存形态含量来看，生物炭基有机肥的添加促进铜尾矿中重金属Cu从F1态（可交换态）和F2态（碳酸盐结合态）向更稳定的F3态（铁锰氧化物结合态）、F4态（有机质结合态）以及F5态（残渣态）转化，这一转化显著降低了铜的生物有效性与生物可利用性，其中，10%400℃生物炭基有机肥改良剂效果最优，重金属的有机态和残渣态比例分别从12%和7%提升到64%和22%。综合对比分析，生物炭基有机肥对铜尾矿改良的稳定化修复效果依次是：10%400℃生物炭基有机肥添加量＞10%700℃生物炭基有机肥添加量＞5 %700℃生物炭基有机肥添加量＞5 %400℃生物炭基有机肥添加量＞1%700℃生物炭基有机肥添加量＞1%400℃生物炭基有机肥添加量。 （4）对生物炭基有机肥改良后的样品进行X-射线衍射仪（XRD)、傅里叶红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）等分析后，基于实验结果，提出生物炭有机肥固化稳定化铜尾矿重金属可能的反应机制，生物炭基有机肥其含有的物质主要通过离子交换机理、表面络合作用、静电吸附作用和共沉淀作用等与重金属离子发生离子交换、进行配位络合、与带正电的重金属离子发生静电吸附，从而有效降低重金属迁移性，达到一定的钝化效果。 由此说明，生物炭基有机肥对铜尾矿的改良具有可行性，可以视作一种潜在的固废改良剂，将生物炭基有机肥添入铜尾矿不仅能改善其基本理化性质，还能固化/稳定化铜尾矿中的重金属，为后续相关研究提供了理论支撑。
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