礦物型土壤調理劑生產技術及應用效果*

付強強，沈彥輝，高璐陽,3

(1.金正大生態工程集團股份有限公司 山東臨沭 276700；2.金正大諾泰爾化學有限公司 貴州甕安 550400；3.廣東金正大生態工程有限公司 廣東英德 513000)

磷礦資源已經被我國定性為戰略性資源，據統計數據顯示，2017年國內75.6%的磷礦用于磷肥生產[1]。目前主流的濕法磷酸普遍采用硫酸萃取工藝生產，每生產1 t磷酸(以P2O5計)就會副產4.5～5.5 t磷石膏。據2019年工信部《財稅優惠政策加大力度助推磷石膏綜合利用》最新數據顯示，我國當前磷石膏年產生量約為75 000 kt，綜合利用率不足40%。大量磷石膏無序堆存除占用大量土地外，還可能帶來地下水和土壤污染等問題，成為制約磷肥行業綠色健康發展的一大瓶頸。針對我國磷石膏資源化利用的現狀，我國相繼出臺了一系列政策及措施。2016年11月，國務院印發的《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》提出要推動磷石膏等廢棄物的綜合利用。2018年4月，貴州省人民政府印發的《省人民政府關于加快磷石膏資源綜合利用的意見》提出磷石膏“以渣定產”，將磷石膏產生企業消納磷石膏情況與磷酸等產品生產掛鉤，倒逼企業加快磷石膏資源綜合利用，限制磷石膏的新增。

目前我國耕地質量不斷退化，土壤酸化嚴重，酸化面積達約2×108hm2，占全國耕地總面積的23%左右，主要分布在長江以南廣大地區[2-3]。我國相繼出臺了《土壤污染防治行動計劃》《關于加快轉變農業發展方式的意見》《耕地質量保護與提升行動方案》等與土壤改良修復相關的政策措施，鼓勵土壤修復及治理技術的發展及應用，遏制土壤的進一步退化。

針對上述問題，金正大生態工程集團股份有限公司(以下簡稱金正大公司)利用工業廢棄物磷石膏、鉀長石及磷尾礦為原料制備礦物型土壤調理劑，實現了磷石膏的資源化利用，同時解決了鉀長石利用難的問題，并將土壤調理劑應用于土壤修復，補充了土壤缺失的中微量元素，提高了土壤環境質量。

1 磷石膏制酸聯產硅鈣鉀鎂肥

1.1 反應機理

磷石膏在高溫條件下會分解生成二氧化硫和氧化鈣，經無煙煤還原，可降低分解溫度，產生的高溫二氧化硫煙氣經收集后制取硫酸。高溫同樣可破解鉀長石的穩定結構，使得鉀長石中的二氧化硅和氧化鉀得到有效活化，后期添加磷尾礦，可制得高活性硅鈣鉀鎂肥。

磷石膏的分解反應：

CaSO4+2C→CaS+2CO2

CaS+3CaSO4→4CaO+4SO2

制取硫酸的反應：

2SO2+O2→2SO3

SO3+H2O→H2SO4

硅鈣鉀鎂肥燒成反應：

K2O·Al2O3·6SiO2+CaO→硅鈣鉀鎂肥

1.2 工藝流程

磷石膏制酸聯產硅鈣鉀鎂肥工藝流程見圖1。

圖1 磷石膏制酸聯產硅鈣鉀鎂肥工藝流程

二水磷石膏首先送至錘式烘干機進行烘干得到半水石膏，再通過氣流輸送泵輸送至生料車間配料站；鉀長石和焦炭經過破碎料磨，達到一定細度的細粉儲存在生料車間配料站。半水石膏、鉀長石及焦炭按生產要求通過轉子秤計量控制比例，混合均勻后通過空氣輸送斜槽送入均化庫。

來自均化庫的生料經轉子秤計量，由提升機輸送至五級旋風預熱器，被來自回轉窯的煙氣預熱，預熱后的物料在回轉窯的旋轉下從窯尾行至窯頭(經歷預熱、分解、燒成等過程)。半水石膏在回轉窯內1 150～1 200 ℃高溫及還原劑存在的條件下，分解成氧化鈣和二氧化硫，生成的氧化鈣與配入生料中的鉀長石反應生成以硅酸一鈣為主的化合物，破解鉀長石的穩定結構，進而使鉀長石中的二氧化硅和氧化鉀得到釋放，制得高活性硅鈣鉀肥。燒成后的熟料進入篦冷機冷卻、破碎后，輸送至相應的熟料庫，再配以其他輔料生產出硅鈣鉀鎂肥。

回轉窯產生的含二氧化硫窯爐氣在窯尾經靜電除塵器除塵后，進入凈化設備洗滌除去固體物，然后進入干燥塔除去煙氣中的水分，再進入轉化器(兩轉兩吸)轉化成三氧化硫，最后進入干吸塔吸收，按生產要求產出相應濃度的硫酸。

1.3 技術優勢

(1)研發出以磷石膏、磷尾礦、鉀長石為主要原料，以非成型法、窯尾懸浮預熱、中和促解技術為核心的硅鈣鉀鎂肥生產工藝，實現廢棄資源的綜合利用，緩解資源緊缺，為解決磷石膏堆存提供了一條新的技術途徑。

(2)開發出焦炭配料還原技術，大大降低了石膏熱分解溫度，提高了不溶性鉀的熔出率；集成溫度控制技術并降低能耗，解決了高硫煙氣共同作用下旋風預熱器的結皮問題，提高了裝置運行的效率。

(3)研究了硅鈣鉀鎂肥改良酸性土壤的作用原理，制定了硅鈣鉀鎂肥在不同酸性土壤上高效施用的方法、技術規程，在提高土壤肥力、改善土壤微生物環境、提升作物產量等方面取得了顯著的應用效果。

2 硅鈣鉀鎂肥農用效果研究

硅鈣鉀鎂肥富含鈣、硅、鎂等中量元素以及其他微量元素，具備一定的堿性特點。自2013年以來，金正大公司聯合山東農業大學、浙江大學、內蒙古農業大學、山東農業廳果茶站和江西、安徽、廣東、福建、海南、山東等6省的農業科學院的專家，開展了硅鈣鉀鎂肥的長期定位試驗。試驗結果表明：施用硅鈣鉀鎂肥不僅可以補充農田土壤流失的礦質元素，還能夠調節土壤酸堿性[4-6]，在改良土壤結構、改善土壤微生態環境、增強土壤膠體性能、提高離子交換能力[7]、提升作物產量和品質[8-9]等方面效果顯著。

2.1 提高土壤養分含量

土壤養分含量直接影響作物的生長發育。通過連續3年的長期定位試驗，結果表明施用硅鈣鉀鎂肥能有效提高土壤中有效磷、速效鉀、交換性鈣和交換性鎂的含量。涂玉婷等對香蕉[4]，栗方亮等[5，8]對茄子、蜜柚，韓科峰等[6]對浙江水稻，高文勝等[10-11]對葡萄、甜櫻桃開展了試驗研究，施用硅鈣鉀鎂肥對土壤養分含量的影響見表1。

2.2 改良酸性土壤

硅鈣鉀鎂肥一方面可以調理酸性土壤，另一方面可以改善土壤結構，提高土壤滲透性和離子交換容量。韓科峰等[6]、冀建華等[7]對浙江水稻和江西水稻的長期定位試驗結果(見表2)表明：施用硅鈣鉀鎂肥可以改變土壤的酸堿度(pH提高0.3～0.7)，降低水稻土壤交換性H+、Al3+含量和鹽基飽和度，提高土壤的酸堿緩沖性能和保肥能力。

表1 施用硅鈣鉀鎂肥對土壤養分含量的影響

表2 硅鈣鉀鎂肥對水稻土壤長期定位試驗結果

2.3 提高作物產量和品質

硅鈣鉀鎂肥不僅含有農作物所需的大量元素，還富含多種中微量營養元素，可促進營養平衡，調理失衡的土壤養分體系，強化氮磷鉀和有機質等養分的供應，提高土壤保肥性，增加作物產量并改善作物品質。在不同作物上連續3年施用硅鈣鉀鎂肥，并對作物的產量和品質進行研究(表3)，結果表明硅鈣鉀鎂肥不僅能提高香蕉[4]、茄子[5]、蜜柚[8]、油菜[9]、葡萄[10]、甜櫻桃[11]、黃瓜[12]等作物的產量，而且還能改善上述作物的品質。

表3 連續3年施用硅鈣鉀鎂肥對部分作物產量和品質的影響

2.4 增加土壤微生物數量，提高酶活性

土壤微生物的種類和數量關系到土壤養分的有效性及肥力，是土壤健康的重要指標。金正大公司聯合山東省農業科學院在壽光市蔬菜大棚上進行長期定位試驗(表4)，結果表明：施用硅鈣鉀鎂肥后，連作大棚土壤微生物區系從“真菌型”向“細菌型”轉化，改善了設施土壤微生物環境，具有顯著的正效應。土壤培養試驗結果表明：硅鈣鉀鎂肥能提高土壤中微生物量碳、量氮和多酚氧化酶活性，對土壤的過氧化氫酶具有一定的抑制作用[13]，并能提高整個土壤體系微生物活性，具有改善土壤微生態環境、提高酸性土壤質量的作用。

表4 不同用量硅鈣鉀鎂肥對大棚黃瓜土壤微生物區系的影響(壽光黃瓜)

3 問題和討論

3.1 國家政策支持與引導

《土壤污染防治行動計劃》的發布，為土壤修復及改良開啟了新篇章。近年來，土壤調理劑行業發展迅速，截至2018年12月31日，我國登記的土壤調理劑產品有149個，生產企業數量有400多家，但總體上處于規模小、散亂和略顯無序的狀態。由于市場缺乏統一的產品標準及管理評價體系，導致產品類型不一，質量參差不齊，甚至有的商家以土壤修復改良炒作概念。土壤修復和改良是一個長期的過程，很難達到種植戶快速見效的預期，前期市場推廣有一定的難度。所以主管部門首先要規范市場，制定標準化產品準則，正確規范引導企業發展。政府聯合農資企業引導、指導種植戶對土壤修復和耕地質量提升產品進行選擇及應用；通過招投標建設政府工程示范區，推廣土壤修復及改良應用技術；加大對土壤調理劑產業的資金補貼、政策支持，制定土壤修復產品稅收優惠政策。

3.2 企業加強產品和技術創新

磷、鉀資源同屬我國緊缺性資源，科研人員一直在探索磷、鉀資源的高效開發與綜合利用。金正大公司研究開發了以磷石膏、鉀長石為原料制備土壤調理劑的生產技術，為磷石膏變廢為寶、發揮社會效益提供了思路，對磷化工企業的資源高效利用、清潔生產、節能減排等將起到積極的促進作用。當前我國土壤調理劑普遍存在產品同質化嚴重、技術單一、效果不佳等問題[14]，隨著市場競爭的加劇，該問題愈加凸顯。因此亟需研究開發能夠切實解決問題、有效的好產品，以滿足當前不同類型土壤改良的市場需求，真正打開市場發展空間。據統計，2015年我國土壤修復市場規模已超過400億元，到2020年將達到1 500億元[15]。土壤調理劑具有潛在的巨大經濟價值，市場需求量非常大，行業也具有廣闊的發展空間。企業唯有切實針對市場的實際需求，準確定位產品性能，避免產品單一化和同質化，加強研發及創新力度，才能真正發揮土壤改良的意義，推動行業發展。

3.3 完善技術標準體系

2018年，由上海化工研究院有限公司牽頭制定的國家標準《硅鈣鉀鎂肥》(GB/T 36207—2018)頒布實施，該標準規定了硅鈣鉀鎂肥的定義、試驗方法、檢驗規則等基本規則，但該類產品尚未納入農業農村部產品登記系列。另外，土壤調理劑的定義及分類目前還沒有統一的標準，相應的土壤調理劑配套體系建設較土壤調理劑產品和市場的快速發展來說仍顯滯后，尤其是產品作用效果評價體系尚未建立，已成為制約土壤調理劑產品發展的重要因素。當前，市場上的土壤調理劑產品質量參差不齊，因此亟需盡快完善標準、技術及評價體系，研究制定相關產品標準、檢驗方法標準、安全評價和應用技術規范等，以規范產品市場，正確引導行業發展，為耕地質量保護提供依據。

4 結語

目前，耕地質量下降、土壤退化已成為我國農業可持續發展面臨的重要問題，甚至關系到國家糧食安全。因此，障礙性土壤修復及改良將是我國農業領域長期重點研究的課題。硅鈣鉀鎂肥作為新型的土壤調理劑產品，不僅能夠改良障礙性土壤，而且可為作物提供必需的營養元素。

隨著土壤調理劑檢測和評價體系的逐步建立，土壤調理劑作為農田的基本投入品，其安全性、適用性和有效性將得到科學評價，尤其是能夠驗證長期使用的安全性，那么土壤調理劑產品的發展將逐漸步入一個科學、規范和快速發展的軌道。