CN101722182A - 一种快速原位修复重金属污染土壤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于重金属污染土壤原位修复技术领域，具体涉及一种原位治理和修复土壤重金属镉污染的方法。其特征在于，将含水量为5％的水稻秸秆粉碎至小于或等于2厘米的秸秆，将所述秸秆与所述受重金属污染的0-20cm的表层土壤混合处理90天，按污染土壤中镉含量为4.55mg/kg为标准，在种植白菜的地块秸秆使用量为15.4吨/公顷；在种植小麦的地块秸秆使用量为23.2吨/公顷。应用本发明技术处理三个月后的农田即可进行农业种植。本发明为受重金属镉污染的农田土壤提供了一种节能、快速、环境友好的原位修复方法。
Description
技术领域
本发明涉及污染土壤原位修复技术，具体涉及一种原位治理和修复土壤重金属镉污染的方法。本发明能够对污染土壤中的重金属镉进行原位钝化固定，降低土壤重金属的生物有效性，减少农作物和蔬菜对重金属的吸收积累，保障农产品安全。
技术背景
由于采矿冶炼、污水灌溉、农药化肥的大量施用等原因，导致我国大量耕地出现严重的重金属污染。土壤中重金属不经历微生物或化学降解过程，残留在土壤中的重金属元素可能渗漏到地下水中，污染人们的生活饮用水。同时也可能通过不同途径进入食物链，在食物链不同营养级中累积放大，这些重金属元素不但对土壤环境本身和农产品质量产生威胁，也极大地影响了人类和动物的健康。异位修复是将受污染的土壤转移集中处理，由于该类方法工程量大，处理成本高，不适合大面积重金属污染土壤修复。原位修复因其操作和成本上的优越性，在面源重金属污染治理中是首要选择。原位钝化技术通过添加外源物质改变土壤中重金属的存在形态，减少重金属的淋溶性和生物有效性，降低重金属的潜在生态危害性。传统的钝化剂主要以石灰、磷酸盐和生物固体为材料，不易获取且成本较高。并且传统的固定剂在单一重金属污染土壤修复中效果比较显著，而对几种重金属元素伴生污染土壤的处理效果并不突出。传统的固定剂在修复过程中也不能补充土壤养分。
秸秆通常指小麦、水稻、玉米、薯类、甘蔗和其它农作物在收获籽实后的剩余部分。秸秆富含氮、磷、钾、钙、镁和有机质等，是一种多用途、可再生的生物资源。中国每年生产5.541亿吨的秸秆，农民焚烧过剩秸秆带来严重的资源浪费和环境污染问题。在作物秸秆资源中，以水稻秸秆最多，达1.752亿吨，占秸秆总量的31.6％，从提供的N、P2O5、K2O养分看，水稻比例最大，分别为32.3％、33.3％、40.6％。秸秆还田后可使作物吸收的大部分营养元素归还给土壤，增加土壤有机质，对维持土壤养分平衡起着积极作用。同时还可改善土壤团粒结构和理化性状，增加土壤肥力，提高作物产量，节约化肥用量，促进农业可持续发展。秸秆含有大量的木质素和纤维素，施入重金属污染土壤后通过增加土壤有机质，特别是腐殖物质含量，通过吸附、络合等途径降低土壤中水溶性和可交换态重金属比例，降低重金属的生物有效性。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前重金属污染特别是镉污染土壤修复方法存在成本高、易造成二次污染和操作复杂的问题，开辟一条合理利用作物秸秆，减少资源浪费和环境污染，同时为重金属污染土壤的整治修复提供廉价高效且环保的原位固定技术。
本发明通过以下技术方案实现：
一种快速原位修复土壤重金属镉污染的方法，其要点是将含水量为5％的水稻秸秆粉碎至小于或等于2厘米的秸秆，将所述秸秆与所述受重金属污染的0-20cm的表层土壤混合处理(例如翻耕使秸秆与土壤混合)90天，按污染土壤中镉含量为4.55mg/kg为标准，在种植白菜的地块秸秆使用量为15.4吨/公顷；在种植小麦的地块秸秆使用量为23.2吨/公顷，处理90天后再种植农作物或蔬菜，就能达到修复重金属污染的目的。
本发明与其它重金属污染土壤修复剂相比具有如下特点和优势：1)原料取自稻草秸秆，以废治污，环境意义显著；2)原料取材方便，成本较低，适用于大面积重金属污染土壤修复；3)本修复剂组分为有机物，对环境友好，不会造成二次污染；4)本修复剂富含营养元素，可增加土壤肥力，提高作物产量，降低化肥施用量；5)修复效果好，对多种重金属离子具有同时固定的效果，降低重金属的生物有效性，减少农作物和蔬菜对重金属的吸收累积。
附图说明
图1、图2：是采用本发明技术，污染土壤中的水溶/可交换态和有机结合态铜、镉含量变化图。
图3、图4：利用本技术修复污染土壤后，收获的小麦籽粒中铜、镉含量(湖北，大冶有色金属公司冶炼厂附近，测定土壤全镉含量4.55mg/kg，全铜含量为289.9mg/kg)。
图5：采用本技术修复污染土壤后收获的小白菜产量。
图6、图7：采用本发明修复重金属污染土壤后，收获的小白菜地上部铜和镉的含量(试验地点选在湖北，大冶有色金属公司冶炼厂附近，测定土壤全镉含量4.55mg/kg，全铜含量为289.9mg/kg)。
具体实施方式
实施例1
试验地点选在湖北，大冶有色金属冶炼厂附近，土壤全镉含量4.55mg/kg，全铜含量为289.9mg/kg。将晾干的水稻秸秆(含水量为5％)采用机械方式粉碎，使其长度等于或小于2cm，作为修复被镉污染土壤的修复材料。修复材料的重金属固定效果采用田间试验方式验证。
将水稻秸秆施入污染土壤的表层(0-20cm)，施用量为0、5.2、7.7、10.3、15.4、23.2吨/公顷，三个月(即90天)后取土样分析。修复后的土壤pH、有机质和有效磷含量见表1。
表1 本发明修复后的土壤pH、有机质和有效磷含量测试
采用Sposito连续提取方法(Sposito G，Lund J L，Chang A C.Trace metal chemistry in arid-zone field soilsamended with sewage sludge：I.Fractionation of Ni，Cu，Zn，Cd，and Pb in solid phases.Soil Sci Soc Am J，1982，46：260-264)依次提取土壤中水溶/可交换态、有机结合态、无机结合态和残留态铜和镉，四种形态重金属的植物有效性依次降低，并以水溶态和可交换态的生物有效性最高，具体结果见图1、图2。
本发明的修复材料(秸秆)施用后土壤pH、有机质和有效磷的变化如表1所示。与对照相比，施用秸秆能显著提高土壤pH、有机质和有效磷含量，且随施用量增加而效果更加显著。土壤的pH最大提高了0.57个单位，有机质和有效磷最高分别增加了55.0％、73.6％。
水稻秸秆施入土壤后，土壤中的水溶/可交换态和有机结合态铜、镉含量变化见图1、图2所示。水稻秸秆施用可显著降低水溶/可交换态铜、镉含量，最大分别降低96.9％、99.0％。施用水稻秸秆能够明显提高土壤中有机结合态铜、镉含量，最大分别增加41％、163％。土壤无机结合态铜、镉含量随固定剂的施用量增加而提高，最大分别增加10.1％、100.8％。
实施例2
将所述的2cm水稻秸秆施入被镉污染土壤的表层(0-20cm)，混匀，施用量为0、7.7、15.4、23.2吨/公顷，三个月后播种小麦。待小麦成熟后收获籽粒。籽粒在65℃下烘干约48h，经不锈钢粉碎机粉碎，过60目尼龙筛。小麦籽粒中镉、铜测定采用硝酸-高氯酸消煮，原子吸收分光光度法测定。
土壤修复后种植收获的小麦籽粒中铜、镉含量见图3、图4，水稻秸秆的施用可显著降低小麦籽粒中铜、镉含量。籽粒中铜含量由对照处理的8.56mg kg-1降低到3.21mg kg-1，下降62.5％，达到无公害农产品要求的水平(参见图3)。籽粒中镉含量由对照处理的1.37mg kg-1降低到0.108mg kg-1，下降92.1％，接近无公害农产品要求的水平(参见图4)。
实施例3
将2cm长的水稻秸秆施入被镉污染土壤的表层(0-20cm)，混匀，施用量为0、5.2、10.3、15.4吨/公顷，三个月后播种小白菜。待小白菜成熟后收获地上部，并记录小白菜产量。植物样在65℃下烘干约48h，经不锈钢粉碎机粉碎，过60目尼龙筛。小白菜地上部中镉、铜测定采用硝酸-高氯酸消煮，原子吸收分光光度法测定。
修复土壤种植小白菜的产量如图5所示。施用水稻秸秆能明显提高小白菜产量，最大增产126.5％。小白菜地上部中铜、镉含量见图6、图7。施用水稻秸秆可显著降低小白菜地上部中铜、镉含量。小白菜地上部中铜含量由对照处理的7.23mg kg-1降低到3.05mg kg-1，下降57.8％，达到无公害农产品要求的水平(参见图6)。小白菜地上部中镉含量由对照处理的1.45mg kg-1降低到0.11mg kg-1，下降92.4％，达到无公害农产品要求的水平(参见图7)。
Claims (1)
1.一种快速原位修复土壤重金属镉污染的方法，其特征在于，将含水量为5％的水稻秸秆粉碎至小于或等于2厘米的秸秆，将所述秸秆与所述受重金属镉污染的0-20cm的表层土壤混合处理90天，以污染土壤中镉含量为4.55mg/kg为标准来计算，在作为种植白菜的地块秸秆使用量为15.4吨/公顷；在作为小麦种植的地块秸秆使用量为23.2吨/公顷。
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