CN101596544B - 地肤对生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种植物——地肤(Kochiascoparia)对生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的修复方法，它包括：(1)在20-50cm厚的生活垃圾堆肥上，以20-40g/平方米播种地肤；(2)淋洗液的配制：25mmol/L-50mmol/L EDTA溶液∶1g/L(NH ₄) ₂SO ₄的重量体积比为1∶0.01-0.03；(3)然后将淋洗液分别沿选好的地肤植株根部进行浇灌，浇灌的速度10-50ml/分，以确保所浇灌的溶液都集中在植株的根部；(4)观察植株生长情况，20天后采集样品植株，放入烘箱中，80℃条件下烘干至恒重，最后称其重量，测定生活垃圾堆肥中Cr、Pb、Cd的含量，即可达到堆肥的修复效果。本发明通过施加不同浓度EDTA与(NH ₄) ₂SO ₄，技术地肤对堆肥中重金属的修复效应，为垃圾堆肥的重金属修复及其安全有效利用提供依据。

Description

地肤对生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的修复方法

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，涉及城市生活垃圾堆肥的修复方法。更具体的说是地肤对生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的修复方法。

背景技术

在城市中，每年都会产生大量的生活垃圾。对这些垃圾的一般处理方法主要为填埋和焚烧。但这样的处理不仅成本高，而且还会对环境造成二次污染。因此，近些年来，在一些城市出现了对城市垃圾进行堆肥处理方法。堆肥是目前广泛应用且能有效的处理城市生活垃圾和污泥的方法之一，国内外都提出垃圾处理要走资源化利用的道路。垃圾堆肥化在许多国家和地区得到了广泛的应用，特别是经济欠发达地区，经筛选后的以有机物为主的垃圾被用来进行堆肥。利用垃圾堆肥方法，它可将生活垃圾变成一种人工肥料或植物培养基质，来加以利用，以达到土壤的替代物来进行花卉、草坪等的种植。现今很多发达国家和发展中国家对城市生活垃圾的处理都在运用堆肥技术来处理。我国在观察发达国家城市生活垃圾处理技术的现状后，结合中国城市生活垃圾处理技术的发展经验，已基本上掌握了比较符合中国国情的、适用的垃圾推肥处理技术。堆肥能够对城市生活垃圾进行无害化、减量化和资源化处理，并能够达到工业化目标。由于垃圾堆肥中含有丰富的植物生长所需的N、P、K等营养元素，在过去的20年里，将垃圾堆肥作为有机肥料施入农田进行农作物生产，已成为垃圾资源化利用的一个重要途径。近些年来，人们开始意识到垃圾堆肥中含有大量重金属成分，通过作物富集，可进入食物链，最终危害人类健康。

植物修复就是筛选和培育特种植物，特别是对重金属具有超常规吸收和富集能力的植物，种植在污染的土壤上，让植物把土壤中的污染物吸收起来，再将收获植物中的重金属元素加以回收利用。植物修复包括植物提取、根际过滤、植物挥发等，其中植物提取受到广泛的关注。植物修复是一种利用植物净化污染环境的新兴绿色环保技术，具有成本低、使用范围广、环境友好等优点。

我国科学家正在研究一种绿色环保技术，用一些特殊植物吸收污染土壤中的高浓度重金属，以达到净化环境的目的。中国科学院地理科学与资源研究所陈同斌研究员主持的重金属污染土壤的植物修复技术课题得到国家“863”计划的资助。这项技术针对的重金属元素包括砷、铜和锌。陈同斌领导的研究小组在国际上率先开发出砷污染土壤的植物修复技术，并建立了第一个植物修复示范工程。他们的研究证实，在中国南方湖南、广西等地大面积分布的蕨类植物蜈蚣草对砷具有很强的超富集功能，其叶片含砷量高达千分之八，大大超过植物体内的氮磷养分含量。

在植物修复中，人们常常借助于施加人工合成的螯合剂来增加植物对土壤重金属的富集。螯合剂是指能够与多价金属化合物形成金属螯合物的一种化合物。在处理重金属污染中，由于其见效快，周期短而受到国内外的重视。利用螯合剂来活化土壤中重金属的研究，作为强化植物修复效果的辅助措施。通过施加螯合剂从而增加土壤溶液中重金属的浓度，强化重金属从根系向地上部运输，进而大幅度提高植物对重金属的吸收和富集能力，达到提高植物修复效果的目的。其中EDTA是最有效的一种螯合剂，它能与土壤的重金属形成螯合物，增加重金属在土壤中的溶解性，从而增加了它们的生物利用率。一些研究表明，EDTA和HEDTA能将植物地上部Pb含量提高100倍。这种将螯合剂用于植物修复的技术被称为螯合诱导修复技术，目前已成为植物修复发展的一个新方向，并取得了很大进展。由于目前所发现的超富集植物大多生长矮小，生物量低，而螯合剂对重金属的活化作用使得高生物量、低富集能力的作物用于植物修复成为可能。

地肤是一年生草本植物，原产欧洲、亚洲，我国各省区均有分布，多呈野生状态，山东、江苏、河南、河北、山西等地有人工栽培。地肤具有生物量大，适应性强，生长快，耐旱、耐涝、耐盐碱、耐贫瘠等特性。目前关于选用地肤作为研究对象，通过施加不同浓度EDTA与(NH₄)₂SO₄，研究地肤对生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的修复方法尚未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种地肤对生活垃圾堆肥中重金属的修复方法。通过选用实验地生活垃圾堆肥上自然生长的地肤作为研究对象，通过施加不同浓度EDTA与(NH₄)₂SO₄，测定地肤体内重金属Cu、Zn、Ni的含量与分布，来研究生活垃圾堆肥中重金属在地肤体内的富集情况，目的是为生活垃圾堆肥中重金属的修复提供依据。为实现上述目的，本发明公开一种地肤对生活垃圾堆肥中重金属的修复方法，其特征在于按如下的步骤进行：

地肤对生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的修复方法，其特征在于按如下的步骤进行：

(1)在20-50cm厚的生活垃圾堆肥上，以含有地肤繁殖体的少量耕层土壤建植地肤修复植被；

(2)淋洗液的配制：25mmol/L-50mmol/L EDTA溶液：1g/L(NH₄)₂SO₄的重量体积比为1∶0.01-0.03淋洗液；

(3)然后将淋洗液分别沿选好的地肤植株根部进行浇灌，浇灌的速度10-50ml/分，以确保所浇灌的溶液都集中在植株的根部；

(4)待地肤生长到60-120cm后，采集样品植株，放入烘箱中，80℃条件下烘干至恒重，最后称其重量，测定生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的含量变化。

本发明优选的淋洗液为25mmol/L EDTA溶液：1g/L(NH₄)₂SO₄的重量体积比为1∶0.01或50mmol/LEDTA溶液：1g/L(NH₄)₂SO₄重量体积比为1∶0.03。

本发明采用不同浓度EDTA-(NH₄)₂SO₄淋洗液浇灌地肤植株，地肤不同分段的Cu富集量不同，在根部有较高的富集量；根部在硫酸铵的协同作用下，Cu的含量增加更为明显，25mmol/L EDTA处理，加入硫酸铵后，增加了6.433μg/g(ug/g)；50mmol/LEDTA处理，加入硫酸铵后，增加了5.309μg/g(ug/g)3：地肤不同分段对元素Ni的富集量不同，根部的含量较大，加入EDTA后显著增加，尤其50mmol/L EDTA作用更加明显：高浓度的EDTA在硫酸铵的协同作用下，可以明显增加地肤对Zn的富集。本发明通过实验证明：地肤对堆肥中重金属有很好的富集效应。

具体实施方式

为了简单和清楚的目的，下文恰当的省略了公知技术的描述，以免那些不必要的细节影响对本技术方案的描述。以下结合实例对本发明做进一步的说明。

实施例1

(1)在20cm厚的生活垃圾堆肥上，以含有地肤繁殖体的少量耕层土壤建植地肤修复植被；

(2)淋洗液的配制：50mmol/L EDTA溶液：1g/L(NH₄)₂SO₄的重量体积比为1∶0.01淋洗液；

(3)然后将淋洗液分别沿选好的地肤植株根部进行浇灌，浇灌的速度10ml/分，以确保所浇灌的溶液都集中在植株的根部；

(4)待地肤生长到120cm后，采集样品植株，放入烘箱中，80℃条件下烘干至恒重，最后称其重量，测定生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的含量变化。具体见实施例3。

实施例2

(1)在50cm厚的生活垃圾堆肥上，以含有地肤繁殖体的少量耕层土壤建植地肤修复植被；

(2)淋洗液的配制：25mmol/L-50mmol/L EDTA溶液：1g/L(NH₄)₂SO₄的重量体积比为1∶0.03淋洗液；

(3)然后将淋洗液分别沿选好的地肤植株根部进行浇灌，浇灌的速度50ml/分，以确保所浇灌的溶液都集中在植株的根部；

(4)待地肤生长到80cm后，采集样品植株，放入烘箱中，80℃条件下烘干至恒重，最后称其重量，测定生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的含量变化。具体见实施例3。

实施例3

(1)实验材料

垃圾堆肥来自小淀垃圾处理厂，堆肥基质厚度为20cm，，实验地设在天津师范大学北院，于2004年进行草坪建植，地肤(Kochia scoparia L.)为2007年的杂草演替优势种。选取15株高度、大小相近的地肤植株作为实验对象。

(2)实验方法

实验共设5个处理：0mmol/L EDTA；25mmol/L EDTA；50mmol/L EDTA；25mmol/LEDTA+1g/L(NH₄)₂SO₄；50mmol/L EDTA+1g/L(NH₄)₂SO₄。分别配制上述溶液1L，沿植物根部浇灌，速度要慢，以保证溶液都集中到根部，实验为三次重复。20天后收获样品。

样品处理

将每株植株按根、0-30cm、30-60cm、60-90cm、90-120cm和120cm以上截成六段；自然风干后再在80℃条件下烘干至恒重，最后称其重量记录结果并粉碎样品。在实验地里随机采集3株地肤作为干鲜比测量用，称其重量并记录鲜重。在80℃条件下烘干至恒重，称重，计算出于鲜比。

样品消化

准确称取样品1克，放入50mL烧杯中，在向烧杯中加入10mL硝酸，放在电热板上加热，加热过程中注意补加硝酸，以防止样品碳化，同时注意溶液颜色的变化，直到溶液颜色澄清接近无色为止，然后加入2mL高氯酸继续加热到有的色烟雾出现，升高温度，赶出高氯酸至溶液近干，最后用1％硝酸溶解，并将样品定容至25mL容量瓶中。

(3)重金属含量的测定

用TAS-990原子吸收分光光度计测定样品中重金属Cu、Zn、Ni的含量。

(4)结果与讨论

地肤植株生物量

表1为地肤植株的鲜重、干重以及计算出的干鲜比，3植物平均干鲜比为0.382。

表1  地肤植物的干鲜比

样品编号	1号	2号	3号
				鲜重	118.60	49.00	186.64
干重	47.94	18.07	69.36
				干鲜比	0.404	0.369	0.372

表2为不同处理地肤植株各段的平均干重，由干鲜比可以计算出植株的鲜重

表2  不同处理地肤植株各段的平均生物量(g)

EDTA与(NH₄)₂SO₄对地肤富集Cu的影响

地肤植株各分段中Cu的含量与分布见表3。从数据中可以看出，地肤不同分段的Cu富集量不同，在根部有较高的富集量；植株地上部一般随着植株高度的增加，Cu的含量逐渐增加。加了鳌合剂EDTA后，根部Cu的含量增加最为明显，和对照相比，25mmol/L EDTA处理的Cu含量增加了87.84％，50mmol/L EDTA处理增加了94.28％。植株地上部只有在硫酸铵的协同作用下，Cu的含量增加才较为明显，尤其50mmol/LEDTA处理，在加入硫酸铵后，0-30cm、30-60cm、60-90cm、90-120cm、120cm以上分别增加为对照的2.7、4.6、3.3、1.2、1.2倍。根部在硫酸铵的协同作用下，Cu的含量增加更为明显，25mmol/L EDTA处理，加入硫酸铵后，增加了6.433μg/g(ug/g)；50mmol/L EDTA处理，加入硫酸铵后，增加了5.309μg/g(ug/g)。

以上数据表明，EDTA在硫酸铵的协同作用下，可以明显增加地肤对Cu的富集，EDTA和硫酸铵明显增加堆肥中Cu的生物有效性。吴龙华等发现，在印度芥菜收获前10天，向Cu污染的根际土壤中加入3.15mmol·kg^-1EDTA后，水溶态铜由对照土壤的0.18mg·kg^-1增加到22.5mg·kg^-1，增加幅度达125倍；土壤交换态Cu也增加10.9倍^[17]。

表3  地肤不同分段的Cu含量μg/g(ug/g)

EDTA与(NH₄)₂SO₄对地肤富集Zn的影响

地肤植株各分段中Zn的富集与分布见表4。从数据中可以看出，地肤不同分段的元素Zn富集量不同，在根部有较大的富集量；一般而言，植株地上部，从根部到顶部Zn含量呈现出增加的趋势，在50mmol/L EDTA+(NH₄)₂SO₄处理中，30-60cm、60-90cm、90-120cm、120cm以上各段Zn含量分别比0-30cm增加了29.967、41.425、59.875、64.869μg/g(ug/g)。高浓度的EDTA在硫酸铵的协同作用下，可以明显增加地肤对Zn的富集，在50mmol/L EDTA+(NH₄)₂SO₄处理中，30-60cm、90-120cm、120cm以上各段Zn含量分别比对照增加了9.14％、45.87％、57.95％；低浓度的EDTA及单独EDTA存在下作用不明显。

表4  地肤不同分段的Zn含量μg/g(ug/g)

EDTA与(NH4)2SO4对地肤富集Ni的影响

表5为地肤植株各分段中富集Ni的含量。从数据中可以看出，地肤不同分段对元素Ni的富集量不同，根部的含量较大，加入EDTA后显著增加，尤其50mmol/L EDTA作用更加明显，和对照相比，增加了2.6倍。植株地上部Ni的含量没有明显的规律性，EDTA在(NH₄)₂SO₄的协同作用下对Ni的含量的增加较为明显，尤其25mmol/LEDTA+(NH₄)₂SO₄处理，比25mmol/L EDTA单独作用，0-30cm、30-60cm、60-90cm、90-120cm、120cm以上各段Ni含量分别增加了20.309、0.65、5.641、19.35、9.05μg/g(ug/g)。以上数据表明在(NH₄)₂SO₄的协同作用下，EDTA的作用更加明显，这可能与(NH₄)₂SO₄降低堆肥pH值，活化堆肥中的Ni有关。

表5  地肤不同分段的Ni的含量μg/g(ug/g)

(5)技术发明结论

实验结果表明，加入EDTA后，地肤中重金属富集量有明显的增加，但因重金属的不同而异，这是因为施用螯合剂能大大增加土壤中可溶性重金属含量。而重金属被活化的程度与金属螯合物的稳定常数及可能存在的竞争有关，EDTA与Cu形成螯合物的稳定系数是18.7，而EDTA-Zn螯合物稳定系数为16.44，因此，从稳定常数来看，EDTA对提高Cu的富集效果会更好一些。

通过数据分析出，重金属在地肤体内的分布不同，因重金属的不同而异。一般而言，地肤根部对Cu、Zn、Ni三种重金属的富集较大；植株地上部对Cu、Zn的富集随着植株高度的增加而增加，说明Cu、Zn在植株地上部的迁移能力较强。EDTA的加入能明显增加植株各部位对Cu、Zn的富集，一般浓度越大，效果越明显，(NH₄)₂SO₄的协同作用在本研究也得到了体现，EDTA在(NH₄)₂SO₄的作用下能增加对重金属的富集。

实验证明，植物修复技术的成功与否依赖于重金属在土壤中的生物有效性及植物的生物量，向土壤中施加螯合剂(如EDTA、DTPA等)能够活化土壤中的重金属，提高重金属的生物有效性，促进植物吸收。地肤具有生长快，抗性强，生物量大等特点，因此，通过施加EDTA与(NH₄)₂SO₄增加对重金属的富集，达到修复堆肥及土壤重金属污染的目的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是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，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.地肤对生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的修复方法，其特征在于按如下的步骤进行：

(1)在20-50cm厚的生活垃圾堆肥上，以含有地肤繁殖体的少量耕层土壤建植地肤修复植被；

(2)淋洗液的配制：按25mmol/L EDTA+1g/L(NH₄)₂SO₄或50mmol/L EDTA+1g/L(NH₄)₂SO₄配制1L淋洗液；

(3)然后将淋洗液分别沿选好的地肤植株根部进行浇灌，浇灌的速度10-50ml/分，以确保所浇灌的溶液都集中在植株的根部；

(4)待地肤生长到60-120cm后，采集样品植株，放入烘箱中，80℃条件下烘干至恒重，最后称其重量，测定生活垃圾堆肥中Cu、Zn、Ni的含量变化。