CN100564326C - 双子叶杂草修复城市生活垃圾堆肥中重金属污染的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用双子叶杂草修复城市生活垃圾堆肥中重金属污染的方法，它是在堆肥基质上接种千分之零点五到千分之一的带有杂草繁殖体的土壤，进行杂草植被体系建植；待杂草生长45-90天，对杂草进行刈割，分根、茎、叶三部分再用去离子水冲洗，沥去水分后，放入烘箱中，烘至恒重；将烘干后的样品粉碎，测定杂草体内重金属Mn、Ni、Cu、Zn、Cd或Pb含量。本发明的处理方法可以将大量的重金属富集到杂草体中并运输到杂草的地上部位，通过收获杂草、焚烧后回收重金属，从而降低垃圾堆肥中重金属的含量，实现城市生活垃圾堆肥无害化利用的目的。

Description

双子叶杂草修复城市生活垃圾堆肥中重金属污染的方法

技术领域

本发明属于环境污染修复工程技术领域，涉及城市生活垃圾堆肥中重金属的修复方法。更具体的说是一种利用双子叶杂草修复城市生活垃圾堆肥中重金属污染的方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，城市环境问题已变得日益突出。生活垃圾作为城市环境污染非常突出的问题，成为困扰我国城镇经济持续发展、影响居民生活健康的一个主要方面。目前我国多数城市的生活垃圾产量不断增加。据统计，到1998年，我国已累积了60亿t的城市固体垃圾，侵占土地约5.4亿m²，约有200多座城市陷人垃圾包围之中，中国城市固体废弃物的产生量为世界总量的29％，全国城市垃圾年清运量高达14223万t，且每年约以10％速度递增，人均排放量1.56t/人.日。城市生活垃圾在侵占土地的同时，还造成土壤、水体、大气污染，严重影响环境卫生，对人体的健康构成潜在威胁。鉴于上述情况，采取相应的措施应对城市生活垃圾污染问题已是刻不容缓的摆在科技工作者面前的艰巨任务。

我国目前的城市生活垃圾处理处置技术最常用的是卫生填埋，其次是堆肥和焚烧。其中，卫生填埋占总处理量的70％以上，堆肥占20％以上，焚烧所占比例甚微。城市垃圾堆肥化(composting)处理技术实质是一个微生物处理过程，在一定的pH值下，通风供氧，利用好氧嗜温菌与嗜热菌对其中有机物进行生物化学分解，使之变成稳定的有机质，并利用发酵过程中产生的温度杀死有害微生物以达到无害化卫生指标的处理技术。在我国城市垃圾处理中，堆肥方式是最早也是在早期阶段使用最多的方式，当时大部分垃圾堆肥处理场采用敞开式静态堆肥。20世纪80年代以来，我国陆续开发了机械化程度较高的动态堆肥技术。我国各地区由于物料来源和特点差异，堆肥方式和品种很多，堆肥所采用的原料主要有生活垃圾、厩肥、人粪和污泥，产品可作肥料或土壤改良剂。

然而垃圾堆肥化技术在我国城市发展空间有局限，主要表现在：(1)长期以来堆肥化技术只是简单的使用，技术改进和发展不够，缺乏对堆肥过程中的微生物活动机理的深入研究；(2)我国城市垃圾未实行严格的分类收集，混合收集的垃圾杂质含量高，难以杜绝重金属等危险废物的混入；(3)由于未实行严格的垃圾分类，为保证产品质量采用复杂的分离过程，导致产品成本过高；(4)利用城市垃圾堆肥制造的复合肥，与一般化肥和有机复合肥的竞争中不占优势。但是由于堆肥中含有农作物生长所需的氮、磷、钾等元素，又含有农作物所需的硫、钙、镁、锌、铁等微量元素，还含有改善农作物品质的蛋白质、氨基酸等有机成份，同时堆肥还把大量的微生物和酶带入土壤，给土壤微生物环境提供了大量养分和丰富的酶促基质，改善了土壤结构，提高了土壤保水供肥能力。因此，堆肥施用可以促进农作物生长，提高农作物的产量，对改善农产品品质，保持其营养具有特殊作用。但是堆肥中肯定会伴有污染环境的重金属元素，土壤重金属污染主要是由人类活动引起的。例如在有色金属矿床开发、金属冶炼、城市化生活垃圾和固体废弃物堆置，以及为提高农业生产而施用化肥和农药。污水灌溉或者污泥农业应用的过程中，都可能使重金属在生态系统中得到较多的积累。这将会对社会以及环境造成极大的伤害，因此，有必要来研究一下堆肥中重金属的含量以及植物的富集作用。

植物修复技术是近年来发展起来的一种主要用于清除土壤重金属污染的绿色生态技术。重金属超富集植物(hyperaccumulator)及植物修复技术是当前学术界研究的热点领域，随着植物修复技术研究的深入，人们迫切希望能够找到生物量大、抗逆性强、生长迅速、对重金属富集能力强的修复植物。杂草是一类人为与自然选择下产生的高度进化的植物类群，它们生物量大、抗逆性强、生长迅速。长期以来，人们一直关注着其危害并加以防除，随着生物多样性、农业可持续发展等理论的研究，人们越来越认识到杂草在水土保持、土壤改良和农业生态系统中生物多样性的维持等方面起着重要的作用。

有关植物对土壤重金属的修复作用的研究已有大量的文献报道，但是关于如何清除生活垃圾堆肥中重金属污染的方法，文献报道的方法相对较少。本发明人多年致力于生活垃圾堆肥的修复研究工作，曾先后在CN1709834公开了增效草坪植物修复城市生活垃圾堆肥重金属复合污染方法，它是在播种时至草坪草刈割前的期间，将螯合剂施配到垃圾堆肥基质中，增加草坪草对城市生活垃圾堆肥基质中重金属的抽提作用，使草坪草所起的作用相当于重金属超富集植物的作用。在CN1962562公开了清除重金属修复生活垃圾堆肥的淋洗方法，它是通过添加化学淋洗剂对垃圾堆肥进行淋洗，降低生活垃圾堆肥中的重金属含量，修复生活垃圾堆肥污染。但其对生态环境会造成一定的风险。随着研究的不断深入，本发明人进一步的试验研究发现：将生物学应用到植物修复生活垃圾堆肥污染的技术中去，从杂草中筛选重金属超富集植物并加以有效利用，可以弥补现有物理、化学修复方法的不足。而有关此项的研究未见文献报道。

发明内容

本发明公开了一种利用双子叶杂草修复城市生活垃圾堆肥重金属的方法。本发明的目的是通过在生活垃圾堆肥上接种一定比例的带有杂草繁殖体的土壤，进行杂草植被体系建植，将重金属元素从生活垃圾堆肥中吸收积聚在杂草体内，通过收割杂草带走重金属，从而达到逐步清除生活垃圾堆肥中重金属元素的目地。鉴于上述设想完成了本发明的试验工作。

本发明的技术方案如下：

双子叶杂草修复城市生活垃圾堆肥中重金属污染的方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)对重金属污染的城市生活垃圾堆肥分选、过筛、备做双子叶杂草修复的基质；

(2)在堆肥基质上接种带有杂草繁殖体的土壤，进行杂草植被体系建植；其中杂草繁殖体土壤与堆肥基质的重量份数比为0.1-1∶1000份。

(3)堆肥基质杂草植被体系建植后；在杂草生长期间保持基质的水分充足；

(4)待杂草生长45-90天，对杂草进行刈割；分为根、茎、叶三部分再用去离子水冲洗，沥去水分后，放入烘箱中，烘至恒重；

(5)将烘干后的样品粉碎，测定杂草体内重金属含量，并对生活垃圾堆肥本底的重金属含量进行分析；

(6)将刈割下来的富含重金属的杂草晾干并集中焚烧，安全填埋或将重金属提取出来加以利用。

依分类学特点杂草可分为单子叶杂草和双子叶杂草两大类。本发明所述的杂草繁殖体土壤为含有双子叶杂草的土壤。包括：苋、马齿苋、灰菜、打碗花或窄叶苋，它们一般作为草坪种植的植物。

本发明所述的处理方法，其中所述的重金属为Mn、Ni、Cu、Zn、Cd或Pb。

本发明所述接种带有杂草繁殖体土壤与堆肥基质的重量份数比为0.1-1∶1000，优选0.5-1∶1000，更加优选为0.7-1∶1000。最佳的配比为接种带有杂草繁殖体土壤为千分之零点五到千分之一。

本发明对堆肥和杂草中的7种重金属元素含量进行测定和统计，其中的Cr未检出，实际检出的重金属为6种。结果表明，杂草体内不同器官6种重金属的平均含量由高到低为根＞叶＞茎。重金属在植物体内平均含量的分布为Zn＞Mn＞Cu＞Pb＞Ni＞Cd，富集系数由大到小为Pb＞Zn＞Cd＞Ni＞Mn＞Cu。从植物根、茎和叶对重金属的富集系数看，大多数植物表现为根的富集系数大于茎和叶。但也有一些例外。例如，窄叶苋对Mn的吸收，灰菜对Ni的吸收，马齿苋对Zn的吸收和苋对Mn、Zn、Cd的吸收，表现出地上部强于地下部的特点，这表明，重金属在这几种杂草体内有较高的迁移率。

本发明采用双子叶杂草修复重金属污染的城市生活垃圾堆肥的积极效果在于：

(1)本发明的处理方法可现场进行，减少了运输费用和人直接接触污染的机会，以原位方式进行可使对污染位点的干扰和破坏达到最小，而在修复时，场地还可照常用于生产。

(2)本发明的处理方法可以将大量的污染物吸收和富集到杂草体中并运输到杂草的不同部位，通过收获杂草、焚烧后回收重金属，从而降低垃圾堆肥中重金属的含量，实现城市生活垃圾堆肥废物利用的目的。

(3)本发明的处理方法投资和维护成本低，操作方便，不会造成二次污染，有潜在或显著的经济效益。

(4)本发明采用双子叶杂草修复重金属污染的城市生活垃圾堆肥的方法，为生活垃圾堆肥安全、有效、合理的使用提供了科学依据。

为了能更加清楚的说明本发明的种植方法，下面对本发明的试验方法做以详细的说明。

1实验材料与方法：

(1)材料采集：实验地设在天津师范大学六里台校区，以生活垃圾作为基质，在堆肥基质上接种带有杂草繁殖体的土壤(双子叶杂草土壤)进行杂草植被体系建植。其中优选的杂草繁殖体的土壤：堆肥基质的重量份数比为1∶1000份。

(2)实验步骤：将采集的杂草分别用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物，再分为根、茎、叶三部分，再用去离子水冲洗，沥去水分后，放入烘箱中，恒温80℃，烘至恒重。将烘干后的样品粉碎，备用。

(3)样品消化与测定：精确称量草样0.3g于烧杯中，分别加入10ml浓HNO₃于电热板上恒温140-160℃，反应一段时间后，再加入2ml HClO₄，消化过程中适量补加HNO₃至其成为无色透明溶液，升高温度，赶酸至溶液为近干，沉淀为乳白色，冷却后加入0.5mlHNO₃，稍加去离子水使其溶解，然后转移至10ml比色管中，用去离子水定容，贴上标签保存。以试剂空白作对照，应用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定杂草样品中Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 6种重金属离子的含量。

(4)堆肥的消化及测定：步骤同上，测定2个堆肥样品做空白对照。

2实验结果与分析：

不同杂草种类以及同一杂草的不同器官对重金属的吸收富集作用明显不同。植物器官重金属含量与土壤含量的比值即富集系数，更能够反映植物对重金属的富集能力，以下用BCF表示富集系数。

从表1可以看出苋、马齿苋、灰菜、打碗花、窄叶苋这5种杂草的根对Pb有较强的富集能力，其富集系数分别为1.6761、1.7930、2.0555、4.2935、2.6682。特别是打碗花和窄叶苋的根中Pb的含量分别达到21.8342、13.5688μg/g。

与植物对Pb的富集情况比较而言，这5种植物对Mn、Ni、Cu、Zn、Cd的富集能力比较弱，亦即植物体内重金属含量均未超过堆肥中重金属的浓度，其中对Mn富集系数最大的是打碗花，叶部富集系数为0.1453，对Ni的富集系数最大的是打碗花，根部富集系数为0.4097，对Cu的富集系数最大的是马齿苋，根部富集系数为0.1839，对Zn富集系数最大的是马齿苋，叶部富集系数为0.4388，对Cd富集系数最大的是马齿苋，根部富集系数为0.6446。

表1杂草体内重金属含量(μg/g)

表2为不同杂草的不同器官中6种重金属的平均含量及平均富集系数。从表2可见，杂草体内不同器官6种重金属的平均含量由高到低为根＞叶＞茎，重金属在植物体内平均含量的分布为Zn＞Mn＞Cu＞Pb＞Ni＞Cd，富集系数由大到小为Pb＞Zn＞Cd＞Ni＞Mn＞Cu。说明杂草对堆肥中的Pb具有较强的吸收和富集能力，对Cu和Mn的吸收和富集能力相对较弱。Pb在杂草根内的平均含量为12.6997μg/g，平均富集系数为2.4973。远远大于杂草茎、叶中的含量，说明Pb主要富集在杂草的根部。而Zn在杂草体内的分布则差别不大，说明Zn在杂草体内有较高的迁移率。

表2杂草不同器官中6种重金属元素的含量(μg/g)及富集系数

表3为杂草叶中的重金属含量及富集系数。从表3可见，苋、打碗花、窄叶花的叶对Pb具有较高的富集能力，富集系数均＞1。马齿苋对Zn的积累能力最强，达到了201.0806μg/g。5种杂草的叶对Mn、Ni、Cu的富集能力比较弱，灰菜对Ni的富集系数最大也仅为0.2313。苋对Cd的富集系数最大为0.4695。

表3杂草[叶]体内重金属含量(μg/g)

表4为杂草茎中的重金属含量及富集系数。从表4可以看出，打碗花的茎部对Pb的富集系数最大，为1.6820，马齿苋、灰菜的茎部对Pb无吸收，苋的茎部对Ni也无吸收。5种杂草的茎部对Mn、Ni、Cu的富集能力很弱，其中对Mn、Ni富集系数最大的是打碗花，富集系数分别为0.1027和0.1183，对Cu富集系数最大的是马齿苋，富集系数仅为0.0987。相对与Mn、Ni、Cu，茎部对Cd和Zn的富集能力较强，其中对Zn的富集系数最大的是马齿苋，富集系数为0.2844。对Cd的富集系数最大的是打碗花，富集系数为0.4136。

表4杂草[茎]体内重金属含量(μg/g)

表5是杂草根中重金属的含量及富集系数。从表5可知，打碗花的根部对Pb和Ni富集能力最强，富集系数分别达到了4.2935和0.4097，马齿苋的根部对Cd的富集系数最大为0.6446。打碗花根中Mn的含量为50.7694，富集系数也是最大0.1675。

表5杂草[根]体内重金属含量(μg/g)

3结论与讨论：

从植物根、茎和叶对重金属的富集系数看，大多数植物表现为根的富集系数大于茎和叶。这可能是大多数植物对重金属污染的普遍反应，也说明了从众多的植物中筛选重金属超富集植物绝非易事。只有那些地上部分重金属含量大于根部，且地上部分重金属含量大于土壤重金属浓度的少数植物对于重金属超富集植物的筛选可能更有意义。试验研究表明，陆生草本植物中，地上部分铅、镉的含量高于地下部分，锌、铜的含量是地下部分高于地上部分。这6种重金属元素在该5种杂草中的含量平均为根＞叶＞茎。一般来讲，重金属在植物体内的运转能力弱，根部吸收土壤中的重金属元素后，也容易积累于植物根部。另外杂草在重金属污染的环境中生长，不仅体内重金属含量上升，而且它们对重金属元素的富集系数也有提高。一般在杂草刹割几茬之后可逐步抽提生活垃圾堆肥中的重金属，起到利用双子叶杂草修复城市生活垃圾堆肥重金属的作用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述。

本实验选用我国北方常见的双子叶杂草作为草坪草种。生活垃圾堆肥来自天津市小淀堆肥厂，经过了预处理：分选、过筛，以去除堆肥中的水分备做杂草培植原料。实验地设在天津师范大学六里台校区，以生活垃圾作为基质，采集收获的双子叶杂草进行测定。

实施例1

(1)将小淀堆肥厂的含有重金属污染的城市生活垃圾堆肥分选、过筛去除堆肥中的水分备做杂草基质；

(2)常温下在天津师范大学堆肥基质实验基地里，接种带有杂草繁殖体的土壤，进行杂草植被体系建植；其中的土壤中含有苋、马齿苋、灰菜、打碗花、窄叶苋等种子。杂草繁殖体的土壤：堆肥基质的重量份数比为1∶1000份。

(3)在杂草生长期间保持基质的水分，每天统一定量给水，以保证实验地有良好的湿度；

(4)待杂草生长60天，对杂草进行刹割，然后用水冲洗去除粘附于杂草上的泥土和污物；再分为根、茎、叶三部分再用去离子水冲洗，沥去水分后，放入烘箱中，烘至恒重；

(5)将烘干后的样品粉碎，应用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定杂草样品中Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 6种重金属离子的含量。实验结果苋、马齿苋、灰菜、打碗花、窄叶苋这5种杂草的根对Pb有较强的富集能力，其富集系数分别为1.6761、1.7930、2.0555、4.2935、2.6682。特别是打碗花和窄叶苋的根中Pb的含量分别达到21.8342、13.5688μg/g，祥见表1-5。

(6)最后将刹割下来的富含重金属的子苋、马齿苋、灰菜、打碗花或窄叶苋草晾干并集中焚烧，安全填埋。

实施例2

(1)对重金属污染的城市生活垃圾堆肥分选、过筛去除堆肥中的水分备做杂草基质；

(2)常温下在堆肥基质实验基地里，接种带有杂草繁殖体的土壤，进行杂草植被体系建植；其中的土壤中含有苋、马齿苋、灰菜、打碗花、窄叶苋。杂草繁殖体的土壤：堆肥基质的重量份数比为0.5∶1000份。

(3)杂草播种后至杂草生长期间保持基质的水分，每天统一定量给水，以保证实验地有良好的湿度。

(4)待杂草生长90天，对杂草进行刹割，然后分别用自来水充分冲洗以去除粘附于植物样品上的泥土和污物；再分为根、茎、叶三部分再用去离子水冲洗，沥去水分后，放入烘箱中，烘至恒重；

(5)将烘干后的样品粉碎，应用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)测定杂草样品中Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 6种重金属离子的含量。Pb在杂草根内的平均含量为12.6997μg/g，平均富集系数为2.4973。远远大于杂草茎、叶中的含量，说明Pb主要富集在杂草的根部。实验结果见表1-5。

(6)将刹割下来的富含重金属的子苋、马齿苋、灰菜、打碗花或窄叶苋草晾干，用化学方法将重金属提取出来加以利用。

实施例3

对重金属污染的城市生活垃圾堆肥分选、过筛去除堆肥中的水分备做杂草基质；常温下在实验地里，在堆肥基质上接种带有杂草繁殖体的土壤，进行杂草植被体系建植；其中的土壤中含有苋、马齿苋、灰菜、打碗花、窄叶苋等种子。杂草繁殖体土壤：堆肥基质的重量份数比为0.7∶1000份。

播种后至杂草生长期间保持基质的水分，每天统一定量给水，以保证实验地有良好的湿度。待杂草生长90天，对杂草进行刹割，然后用水冲洗去除粘附于杂草上的泥土和污物；再分为根、茎、叶三部分再用去离子水冲洗，沥去水分后，放入烘箱中，烘至恒重；将烘干后的样品粉碎，应用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-ES)测定杂草样品中Mn、Ni、Cu、Zn、Cd、Pb 6种重金属离子的含量。实验结果：打碗花的根部对Pb和Ni富集能力最强，富集系数分别达到了4.2935和0.4097，马齿苋的根部对Cd的富集系数最大为0.6446。打碗花根中Mn的含量为50.7694，富集系数也是最大0.1675。最后将刹割下来的富含重金属的打碗花、马齿苋晾干并集中焚烧，安全填埋。

实施例4：比较性应用实施例

生活垃圾堆肥本底的重金属含量

(1)取实施例1处理过的城市生活垃圾堆肥，种植小番茄，加水量为配料总量的45％，种植30天，测定堆肥中重金属含量对小番茄的影响，其中的Pb为117.76±10.50(mg/kg^-1)。

(2)未经富集的城市生活垃圾堆肥种植小番茄，加水量为配料总量的45％，种植30天，测定堆肥中重金属Pb含量对小番茄的影响，其中的Pb为163.68±22.43cd(mg/kg^-1)。

结果表明：小番茄重金属残留实验(2)中Pb的含量要明显高于实验(1)中Pb的含量。

在详细说明的较佳实施例之后，熟悉该项技术人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡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、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。且本发明亦不受限于说明书中所举实例的实施方式。

Claims (3)

1、双子叶杂草修复城市生活垃圾堆肥中重金属污染的方法，其特征在于按如下步骤进行：

(1)对重金属污染的城市生活垃圾堆肥分选、过筛、备做双子叶杂草修复的基质；

(2)在堆肥基质上接种带有双子叶杂草繁殖体的土壤，进行双子叶杂草植被体系建植；其中双子叶杂草繁殖体土壤与堆肥基质的重量份数比为0.1-1∶1000份；

(3)堆肥基质双子叶杂草植被体系建植后；在双子叶杂草生长期间保持基质的水分充足；

(4)待双子叶杂草生长45-90天，对双子叶杂草进行刈割；分根、茎、叶三部分再用去离子水冲洗，沥去水分后，放入烘箱中，烘至恒重；

(5)将烘干后的样品粉碎，测定双子叶杂草体内重金属含量，并对生活垃圾堆肥本底的重金属含量进行分析；

(6)将刈割下来的富含重金属的双子叶杂草晾干并集中焚烧，安全填埋或将重金属提取出来加以利用；

其中所述的双子叶杂草为苋、马齿苋、灰菜、打碗花或窄叶苋；重金属为Mn、Ni、Cu、Zn、Cd或Pb。

2、如权利要求1所述的方法，其中所述接种带有双子叶杂草繁殖体土壤与堆肥基质的重量份数比为0.5-1∶1000份。

3、如权利要求1所述的方法，其中所述接种带有双子叶杂草繁殖体土壤与堆肥基质的重量份数比0.7-1∶1000份。