电解锰渣改良铅锌尾矿基质特性并促进植物定殖的机理与效应研究

为解决铅锌尾矿结构松散、养分匮乏及持水能力差等生态修复难题，研究人员开展电解锰渣（EMR）改良尾矿基质的研究。结果表明，1% EMR添加可显著提升尾矿团聚性、养分含量（如NH4+-N、Ca2+）及持水能力，促进黑麦草生长，且重金属淋溶风险低，为矿山生态修复提供“以废治废”新策略。

　　

铅锌尾矿作为采矿活动产生的固体废弃物，长期堆积不仅占用土地资源，还因结构松散、养分极度匮乏及持水能力差等问题，严重阻碍植被恢复。更严峻的是，尾矿中富含镉（Cd）、铅（Pb）、锌（Zn）等毒性元素，在雨水淋溶或酸性条件下易迁移扩散，对周边水体、土壤及生态系统构成持续威胁。传统处置方式面临技术、经济及市场等多重限制，因此，如何通过经济有效的策略改良尾矿基质特性，促进植被定殖，成为矿山生态修复的关键挑战。

在此背景下，一项发表于《Ecotoxicology and Environmental Safety》的研究提出了一种创新的“以废治废”思路：利用电解锰渣（Electrolytic Manganese Residue, EMR）这一富含黏土矿物、铵态氮（NH₄⁺-N）及硫酸钙（CaSO₄）的工业废渣，改良铅锌尾矿的物理结构和养分状况，从而提升其适植物性。

为系统评估EMR的改良效果与环境风险，研究团队开展了基质改良实验、淋溶实验、微观结构表征及植物栽培试验。关键方法包括：采集广西桂林某铅锌尾矿库的尾矿及平乐县的EMR样本，设计0.5%、1%、2%、4%四个EMR添加梯度；通过X射线计算机断层扫描（CT）和核磁共振（NMR）分析孔隙结构与水分状态；利用扫描电镜-能谱（SEM-EDS）和X射线衍射（XRD）表征微观形貌及矿物转化；通过柱淋溶实验评估重金属（Mn、Cd、Pb、Zn）释放风险；并以黑麦草（Lolium perenne L.）为模式植物进行盆栽试验，测定发芽率、生物量及生长指标。

3.1. Effects of EMR on physicochemical properties

EMR的添加显著降低了尾矿的pH值，同时提高了电导率（EC）及阳离子交换量（CEC）。关键养分如铵态氮（NH₄⁺-N）、有效钾（K）、交换性钙（Ca²⁺）及有效锰（Mn）浓度随EMR比例增加而显著上升，其中1% EMR处理使有效氮含量提升至对照的3.25倍，证实EMR有效缓解了尾矿的养分限制。

3.2. Effects of EMR on physical structure

EMR添加提高了尾矿中0.05–0.25 mm微团聚体的比例，并显著增加了容重。CT扫描显示，1% EMR处理使总孔隙率从4.46%降至2.76%，表明EMR通过填充颗粒间孔隙增强了结构稳定性。

3.3. Effects of EMR on leaching of toxic elements

淋溶实验表明，当EMR添加比例≤1%时，Mn、Cd、Pb、Zn的淋出浓度均低于中国地下水III类标准限值。但2%和4%处理则导致Mn、Pb超标，提示高比例EMR可能增加环境风险。

3.4. Effects of EMR on pore structure

CT三维重建证实EMR amendment减少了尾矿的大孔隙比例，促进了更致密的微观结构形成。

3.5. Effects of EMR on water retention capacity

NMR T₂弛豫谱分析表明，1% EMR处理使尾矿的束缚水比例从0.89%增至1.64%（提升84.3%），自由水相应减少，证明EMR显著增强了尾矿的持水能力。

3.6. Microscopic morphology and elemental distribution

SEM-EDS显示EMR添加后尾矿颗粒表面覆盖了大量碎片状黏土组分，粗糙度增加，比表面积提高。能谱分析进一步证实EMR引入了氮（N）、锰（Mn）、硫（S）、钙（Ca）等元素，其中表面氮含量从0%增至1.07%。

3.7. Solid-phase transformation

XRD谱图显示，EMR添加后尾矿中SiO₂和Al₂SiO₅的衍射峰减弱，而Ca₂(AlFe)(Si₂O₇)(SiO₄)O(OH)的峰强增强，推测EMR中的Ca²⁺与尾矿表面硅酸盐反应形成了类似水化硅酸钙凝胶的胶结物质，增强了颗粒间凝聚作用。

3.8. Plant growth

盆栽试验中，1% EMR处理使黑麦草发芽率提高15.8%，鲜重增加13.7%，株高和根长均显著优于对照，证实EMR改良有效提升了尾矿的植物适生性。

研究结论表明，EMR amendment通过物理填充、胶结作用及养分补充等多重机制，显著改善了铅锌尾矿的结构稳定性和肥力状况。1% EMR添加比例在提升植物生长表现的同时，控制了毒性元素淋溶风险，实现了改良效果与环境安全的平衡。该策略不仅为铅锌尾矿的生态修复提供了技术可行、经济高效的解决方案，更深化了“以废治废”在矿山环境治理中的应用范式，对推动工业固废资源化与生态修复协同发展具有重要意义。