Catena 148 (2017) 74–80

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Catena

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / c a t e n a

Technosols designed for rehabilitation of mining activities using mine spoils and biosolids. Ion mobility and correlations using

percolation columns

Manuel M. Jordaacute;n ^a, , Ernesto Garciacute;a-Saacute;nchez ^a, Maria Belen Almendro-Candel ^a, Francisco Pardo ^b, Ana Belen Vicente ^b, Teoacute;filo Sanfeliu ^b, Jaume Bech ^c

1. Department of Agrochemistry and Environment (GEA-UMH), University Miguel Hernaacute;ndez, Avda. de la Universidad, 03202 Elche, Alicante, Spain
2. Department of Agricultural and Environmental Sciences, Universitat Jaume I, Campus Riu Sec s/n, 12017 Castelloacute;n, Spain
3. University of Barcelona, Laboratory of Soil Sciences, Faculty of Biology, Plant Biology, Barcelona, Spain

a r t i c l e i n f o

Article history:

Received 11 December 2014

Received in revised form 20 January 2016 Accepted 28 February 2016

Available online 9 March 2016

Keywords:

Ion mobility

Irrigation

Quarry spoils

Sewage sludge

a b s t r a c t

The restoration technologies in areas degraded by extractive activities are more efficient under the use of their own spoils. Reducing deficiencies in physical properties, organic matter, and nutrients with a contribution of treated sewage sludge is proposed. This experiment was based on a controlled study using columns. The work was done with two limestone quarry spoils, both very rich in calcite. Two biosolid doses were undertaken (30,000 and 90,000 kg/ha of sewage sludge) in addition to different quarry spoils used as substrates. The water contribution was provided by a device simulating short duration rain. The leached water was collected 24 h after the last application. Nitrate, ammonium, phosphate, sulfate, and chloride ions were determined, as well as Ca, Mg, Na and K, the pH and electrical conductivity. The electrical conductivity limit value is b1000 mu;S/cm. These values will be met from the fourth irrigation application onward, while the values up to that point were far superior. Significant nitrate concentrations appeared that may pose an environmental con-tamination risk. A comparison between the concentrations of the chemical elements obtained in the leachates from our experiment and the established limit values for water of the third quality group has been performed. The electrical conductivity correlated well with the cations, with the exception of potassium. For sulfates, signif-icant correlations were obtained with the Mg² , Ca² , and K cations. The chlorides showed excellent correla-tion with the sodium. The good correlations obtained for some physical–chemical parameters can help to establish indicators of environmental quality of leachates over time.

copy; 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.

1. Introduction

The restoration of extensive areas degraded by mining activities re-quires the use or their own waste materials (Jordaacute;n et al., 1998, 2006; Tedesco et al., 1999; Ram et al., 2006; Almendro-Candel et al., 2014; Galaacute;n et al., 2014). These materials do not possess the necessary fertility to ensure a successful process of restoration (implementation of ade-quate plant cover). Therefore, it requires the addition of organic amend-ments to achieve efficient substrate (Jordaacute;n et al., 2008). The obligation to restore abandoned quarries and the correct application of biosolids is guaranteed by the legislation on waste management, biosolids and soil conservation (Jordaacute;n et al., 2008). Technosols are one of the latest additions to the World Reference Base for Soil Resources (FAO, 2006). This new reference soil group contains a large range of artifacts and materials of natural and anthropic origin. They include a variety of refuse-based soil-like quarry spoils, landfills, ashes, or sludges, whose

Corresponding author.

E-mail address: manuel.jordan@umh.es (M.M. Jordaacute;n).

http://dx.doi.org/10.1016/j.catena.2016.02.027 0341-8162/copy; 2016 Elsevier B.V. All rights reserved.

properties and pedogenesis are dominated by their technical origin (FAO, 2006). An adequate Technosol selection, based on its nature and intrinsic properties, can constitute a valuable and cost-effective solution for soil remediation and waste management (Novo et al., 2013). Sewage sludge application in restoration has demonstrated its efficiency in pre-vious studies using percolation columns (Clapp et al., 1986; Albiach et al., 2001; Pond et al., 2005; Jordaacute;n et al., 2008; Soriano-Disla et al., 2014). The use of treated sewage sludge can be a guarantee of success in the restoration of areas affected by mining activities, but it is impor-tant to preserve the conservation of the environment with less risk of contamination of surface and groundwater. Many physical and chemical properties in soils amended with sludge, such as water retention capac-ity, aggregate stability, contribution of N, P, and other nutrients to crop growth, depend, to some extent, upon the quantity of organic matter in the sludge that is added (Roldaacute;n et al., 1

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译文

矿山弃土的恢复技术

摘要

采掘活动退化的地区通过利用恢复技术，来使弃土恢复。本文提出了通过污泥的贡献等物理性质，研究矿山弃土中的有机物质和营养物质。本文对两个石灰石采石场弃置的地区进行研究，除了对不同采石场弃土来进行实验外，还进行了两次生物固体剂量的测定，测定了硝酸盐，铵，磷酸盐，硫酸盐和氯离子，以及Ca，Mg，Na和K，pH和电导率。最后结果表明研究出来的硝酸盐浓度可能造成环境污染风险。本文浸出液中获得的化学元素的浓度进行了比较。还检测了硫酸盐，与Mg2 ，Ca2 和K 阳离子，然后获得重要的实验数据。这些获得的数据可以帮助确定浸出液的环境质量指标。

关键词 离子、灌溉、采石场、污水污泥

1.介绍

　　对于采矿活动而退化的地方，想要大面积的恢复区，需要使用它们自己的废物材料。但是这些材料不具备必要的再生能力，无法确保成功的恢复（实施适当的植物来覆盖）。因此，它需要添加有机物以实现有效的恢复。废物管理，生物固体和土壤保持的立法保证了恢复废弃采石场的法律义务。本文用了世界土壤资源参考基准的最新增补来作为参考（粮农组织，2006年）。这个新的参考土壤组包含大范围的自然和人为来源的材料。它包括各种基于垃圾的土壤状采石场，垃圾填埋场，灰烬或淤泥，性质和成根由其技术起源（粮农组织，2006年）。基于其性质和固有性质，适当的技术溶液选择可以构成对土壤修复和废物管理的有价值且具有成本效益的解决方案（Novo等人，2013）。污水污泥在修复中的应用已经证明其在使用渗滤柱的先前研究中的效率。使用经处理的污水污泥可以成为恢复受采矿活动影响的地区的一种保证，但是保护环境，减少地表和地下水污染的风险是重要的。用污泥修正来检测土壤中的许多物理和化学性质，例如保水能力，聚集体稳定性，N，P和其它营养物对作物生长的贡献，在一定程度上取决于污泥中有机物质的量。有关污泥中有机物质量的知识可用于估算我们需要施用于土壤的量（Giovannini等，1985）。使用污水污泥和采石场建造代表了宕口生态恢复废物管理的创新战略，其应用促进物种生长和发展。获得由碎石灰石产生的干燥颗粒而产生的材料在修复中具有非常有限的结果，因为它们的化学和矿物学特性。由石灰石提取产生的材料，土壤泥泞性和低生育率提高通常用于恢复，效率取决于有机校正。本文研究区域的面积为8平方公里，最大高度为5ｍ。在地质上，发现它主要由碳酸盐岩组成。石灰石已经工作了数千年，最初用于建筑石材和农业石灰，最近用于广泛的建筑和工业用途。在过去，石灰石采石场是小型作业，生产有限，因为业务的劳动密集型特性和石材市场受限。采石场可以满足混凝土应用的需求。主要目的是评估填充有来自用生物固体修正的石灰石采石场的采石场弃土的柱中的离子迁移率和相关性。 基于柱的类似实验已经用相同材料的柱（Emmerich等人，1982）开发，以便评估金属在土壤中的潜在移动，其中污泥在土壤表面上施用。采用玻璃柱分析浸出液中有机物质的组成，而使用这种同时相同类型的柱来研究土壤中的水流。

2.材料和方法

2.1底物

　　使用两种不同石灰石的采石破坏场地进行实验。第一个采石场的采石破坏物质量差，是碎石灰石（Z）。它由粗糙的材料（高达75％重量）和砂子组成。其他测试的废物来自石灰石的提取。这种废物是由分散的非石灰石材料和剥离污物的残留物（D）形成的。这通常呈现更均衡的质地，但是具有升高的异向性土壤浑浊度（高达60重量％），并且粘土（约25重量％）更富集。分析参数根据ISRIC（1993）测定。通过湿氧化，使用Walkley和Black（1974）的方法，通过凯氏定氮法的总氮，在1:2.5土/水悬浮液中的pH，使用伯纳德计量器的CaCO₃当量，通过原子吸收（Ca ，Mg，Fe，Cu，Mn，Zn）和火焰原子发射光谱（Na，K）。通过移液管法测定粒度分布。

　　所使用的矿物基质的特征都很明显，有两种材料，这两种材料都用Alcantilde;iz等人的生物固体修正。这可以用来做采石场的恢复方法。

2.2 污水污泥

本实验中使用的生物固体来自位于阿斯佩（阿利坎特）附近的污水处理厂。 在堆肥过程之前，污泥需要与填充剂，要通风，吸收湿气，并进一步与有机物质混合。 切碎的干草和锯末用作填充剂，并且存在筒仓用于储存。 干草有利于通风，锯屑吸收湿气，并且两种材料是构成碳的来源。 污泥填充剂混合物的体积组成为50％污泥，而剩余的50％是1/4干草和3/4锯末。这种淤渣填充剂混合物通过堆肥隧道前进，并且通过转筒同时均化，其除了允许混合物的进行和均化之外，还促进其通气。在第一周期间，将混合物置于使用风扇或鼓风机连接到空气注射系统的多孔基底上，表格1是在实验中使用的基质的特性。

表1 基质的特性

　　其中Z代表石灰石弃土；D是指剥离土；DM是干物质。其保持不连续强制通气。之后，该过程是被动的和自然的。

　　对于生物固体分析，首先我们确定其金属的总含量，随后使用HNO₃通过微波消解并通过电感耦合等离子体质谱法分析。由此获得的溶液中，评价除氮以外的溶解元素。这通过凯氏定氮法测定，其量化样品中的有机氮和铵含量。通过硫族元素消化和随后用莫尔盐的评估来估计易氧化或有机碳，而通过将有机碳乘以1.72来计算容易氧化的有机物。 通过在马弗炉中在500℃下煅烧2-4小时获得总有机物质。

2.3 污水污泥组成

　　该实验基于使用柱的对照研究。 每个30cm高的十五柱（图1）由10.5cm内径的PVC管构成，其被切成两个15cm长度。 每个柱被分成两个不同的15cm切片，第一个为0至15cm，第二个为15至30cm。 对于每次处理，进行三次重复。表2显示了污水污泥组成。

　　 表2 污水污泥组成

2.4治疗施用两种处理和对照

　　治疗施用有两种含量（30，000kg / ha和90，000kg / ha），这取决于施用的污泥的量和实验设计。将污泥施加在表面上并与土壤混合，模拟犁耕或耕作动作，在土壤最高15cm内产生均匀的混合物。

2.5 灌溉

　　为了使实际条件与实验条件之间最接近，使用自来水对包含在柱中的土壤进行灌溉（八次施用）。 前五次灌溉每两周一次，最后三次灌溉每月一次。灌溉持续了六个月。在最后一次施用后24小时进行浸出水的收集。这种灌溉相当于每周100mm的降雨量（最大丰度期间的降雨条件）。水的贡献是通过模拟降雨量或灌溉系统覆盖表面然后渗透到土壤中的装置（Almendro-Candel等，2014）提供的。 它包括一个塑料容器，在底部打孔（图1）。得出污水污泥量（表3）。

表3 柱填充剥离的土壤污水污泥量

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