CN102172162B - 一种利用桑树修复生活垃圾堆肥重金属Cd的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用桑树修复生活垃圾堆肥中Cd的方法。平铺厚度为20-50cm生活垃圾堆肥,通过镇压使堆肥变的结实平坦,作为修复工程用地;在工程用地上,培植桑树,并经生长4年后,用于生活垃圾堆肥中Cd的修复。将EDTA与(NH4)2SO4淋洗液沿选好的桑树植株根部进行浇灌,浇灌的速度10-50ml/分,以确保所浇灌的溶液都集中在植株根部,观察植株生长情况,20天后采集样品植株;经后处理后采用TAS-990原子吸收分光光度计测定桑树中Cd的含量。本发明的方法为桑树基质重金属修复及生活垃圾堆肥安全有效利用提供了依据。
Description
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治理及修复方法。更具体的说是一种利用桑树修复生活垃圾堆肥中Cd的方法。
背景技术
将城市生活垃圾收集成堆、保温储存、发酵,在人工控制条件下,利用微生物的生物化学作用,将垃圾中的有机物降解转化为稳定的类似腐殖质土壤物质的过程称为垃圾的堆肥处理。该处理过程将垃圾中的易腐有机物分解,转变成富含有机物和氮、磷、钾等营养元素的有机肥料,使垃圾又回到自然界的参与良性的物质循环,是经济有效处理和消纳城市垃圾的重要途径。就我国垃圾的具体情况来看,生活垃圾中的易腐有机物含量较高,采用堆肥技术可以达到较好的处理效果。
将生活垃圾进行堆肥化处理既可解决城市垃圾的出路问题,又可达到再资源化的目的,具有一定的经济效益和社会效益。并且目前,世界各国都把城市固体废弃物的“无害化、减量化、资源化”的“三化”方针作为综合解决城市垃圾的原则,从这一发展趋势上看,采用堆肥法处理城市垃圾符合这一方向,并被视为处理城市生活垃圾、下水污泥的一条值得重视的途径。
由于垃圾堆肥中还含有重金属、病原菌等物质,因此直接用于农业使人们担心会造成农产品品质不良,污染环境,危害健康的负效应,从而严重影响了其农用前景。李秀文等(2001)研究了连续施用堆肥对大白菜品质的影响,结果表明:连续使用堆肥后大白菜维生素C的含量降低,且堆肥使用量越多降幅越大,大白菜粗纤维含量各处理均比对照有明显下降。垃圾堆肥中的重金属污染问题具有最严重的负面效应,如何降低堆肥中重金属的毒害效应,完善和提高堆肥技术和质量已经成为近年来垃圾堆肥研究中的热点问题。Vincent(1999)在美国Calverton农场研究发现垃圾堆肥中重金属含量是农场土壤的3~20倍,随着垃圾堆肥施入量的增加(21~62 t/ha)土壤中重金属含量显著增加。Bhattacharyya等(2005)研究了施用垃圾堆肥对水稻(Oryza sativa L.)及土壤中Cu和Zn含量的影响,结果表明:Cu和Zn在水稻稻秆中的含量显著高于籽粒,同时垃圾堆肥明显地提高了土壤中可淋溶态Cu和Zn的含量。因此长期施用垃圾堆肥必须对植物和土壤中的重金属含量进行定期的监测以避免发生污染。
可见,垃圾堆肥是目前广泛应用且经济有效处理和消纳城市垃圾的重要途径之一。垃圾堆肥中含有丰富的N、P等有机养分,是发展农业、蔬菜、林木生产等方面的有效资源,它曾被当作有机肥料施入农田。但是近些年发现垃圾堆肥中重金属含量比较高,长期用于农田会导致土壤重金属污染,并在作物中富集,沿食物链对人体的健康构成威胁。因而如何降低垃圾堆肥中重金属的危害是一个重要的研究课题。
1983年,美国科学家Chaney提出了“植物修复(Phytoremediation)”的新概念,该思想旨在利用植物修复重金属污染的土壤和水体。用植物来修复土壤或水体重金属污染,成功与否取决于2个方面:植物体内重金属含量的高低和植物生物量的大小。Saifullah(2009)在文章中总结植物提取的成功与否取决于生物量大小,植物中重金属浓度大小以及根中重金属可利用部分多少。一般情况下,超积累植物都是低生物量,生长缓慢的植物。此外,超积累植物以草本植物居多,这些植物一旦没有得到及时收割,将会很快腐烂,这样重金属又将重新回到土壤中,这也是其不利条件之一。在此背景下,前人进行了深入研究后发现,利用一些螯合剂等可以活化土壤中的重金属,以促进其向植物地上部分运输,提高植物对重金属的富集程度。
木本植物以其特有的生物学特性,对土壤重金属具有一定的吸收蓄积能力,如刺槐(Robinia pseudoacacia L.)、毛白杨(Popul us tomentosa Carr.)等对重金属均有较强的抗性或吸收能力。因此,近些年来,一些研究者把木本植物作为研究对象,寻找能够富集重金属的品种。徐爱春等(2006)以柳树为研究对象,研究了柳树对Cd的吸收、积累以及耐受性,表明柳树对环境Cd污染具有一定的吸收蓄积能力,且具有较强的耐受性。
城市生活垃圾堆肥中含有许多重金属,能导致土壤的重金属污染,但同时它又含有植物生长所需的各种营养元素,因此,研究垃圾堆肥中重金属元素的植物修复,使其合理资源化具有重要的意义。这里需要进步支出的是:与草本植物相比,木本植物在基质重金属方面具有很大的优势,即木本植物可较长久地将重金属保持在体内。
虽然木本植物修复重金属方面研究受到肯定,相关系统的研究并多见;而关于桑树用于对生活垃圾堆肥中重金属富集的研究未见报道。
发明内容
本发明的目的在于以重金属污染的生活垃圾堆肥基质为修复基地实验地,其基质中Cd污染较为严重。实验以建植四年的木本植物桑树作为对象,通过施加不同浓度EDTA与(NH4)2SO4,旨在研究桑树对生活垃圾堆肥中重金属的富集效应,为桑树基质重金属修复及生活垃圾堆肥安全有效利用提供依据。为实现上述目标,本发明提供了如下的技术方案:
一种采用桑树修复生活垃圾堆肥重金属Cd的方法,其特征在于按如下的步骤进行:
(1)在桑树生长4年的实验地上,平铺厚度为20-50cm生活垃圾堆肥,通过镇压使堆肥变的结实平坦;
(2)淋洗液的配制:
1)50mmol/LEDTA或100mmol/LEDTA;或
2)1g/L(NH4)2SO4;或
3)50mmol/L-100mmol/L EDTA:1g/L(NH4)2SO4的重量体积比为1:0.01-0.03配制淋洗液;
(3)将上述淋洗液分别沿选好的桑树植株根部进行浇灌,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,观察植株生长情况,20天后采集样品植株;
(4)对采集的样品植株每一株都进行高度测量,再将其分为地上部分和地下部分,分别标号包裹起来,放入烘箱中,80℃条件下烘干至恒重,最后粉碎样品;
(5)准确称量每株植株的每一段粉碎样品三份,每份各0.2g,采用HNO3湿法并用微波消解仪进行消化,采用TAS-990原子吸收分光光度计测定其中Cd的含量。
本发明所述采用桑树修复生活垃圾堆肥重金属Cd的方法,其中地上部分和地下部分的分段指的是:按0-50cm茎、50-100cm茎、100-150cm茎、150cm、150cm以上叶或150cm以下叶进行分段。
本发明所述采用桑树修复生活垃圾堆肥重金属Cd的方法,其中的淋洗液为1g/L(NH4)2SO4。
本发明进一步公开了采用桑树修复生活垃圾堆肥重金属Cd的方法在富集生活垃圾堆肥重金属Cd方面的应用。
本发明更加详细的修复方法:
材料:于2004年建植,设在天津师范大学六里台校区,地理位置为北纬实验地设在天津师范大学校园内,地理位置为北纬39°13′、东经117°2′,属暖温带半湿润季风型气候,年平均气温12.3℃,平均降水量550~680mm。生活垃圾堆肥取自天津小淀垃圾堆肥处理厂,实验地面积为10×22 m2,充分整地后,将总重为50 t的生活垃圾堆肥平铺于试验地上,再通过镇压使堆肥变的结实平坦,堆肥基质平均厚度为20 cm。桑树在该实验地生长了4年。随机选取5株大小相似的桑树植株作为实验样品,分为5个处理。
化学协同方法
分别配制浓度为50mmol/L的EDTA、100 mmol/L的EDTA、50 mmol/L的EDTA +1 g/L(NH4)2SO4、100mmol/L的EDTA +1 g/L(NH4)2SO4的EDTA溶液各1L,并以0 mmol/L EDTA溶液为对照(CK)。把上述溶液分别沿选好的桑树植株根部进行浇灌,浇灌的速度要慢,以确保所浇灌的溶液都集中在植株的根部。观察植株生长情况,20天后采集样品植株。
样品前期处理
对采集的样品植株每一株都进行高度测量,再将其分为地上部分和地下部分,其中地上部分又按0-50 cm茎、50-100 cm茎、100-150cm茎、150cm以上茎、150 cm以上叶、150cm以下叶进行分段,分别标号包裹起来,放入烘箱中,80℃条件下烘干至恒重,最后粉碎样品。
指标测定
准确称量每株植株的每一段粉碎样品三份,每份各0.2 g,采用HNO3湿法并用微波消解仪进行消化。先将样品放入标准罐中,加入4mL HNO3,控制罐中加入6mL HNO3,调整消解条件,压强为20MPa,温度为180℃,时间4min,最后消化液用1%的HNO3溶解、定容到25 mL的容量瓶中,采用TAS-990原子吸收分光光度计测定其中Cd的含量。堆肥背景值测量方法同样品测量方法。
数据处理:实验结果为3 次重复,并利用SPSS进行数据统计,Excel进行图表制作。
研制结果分析
3.1 堆肥基质的重金属含量背景分
测得堆肥中三种重金属含量背景值如下表1,比较可以看出堆肥基质中的各种重金属的含量都比土壤中高出数百倍,因此,在作为土壤种植作物前有必要对堆肥重金属进行净化修复。
有研究发现,在印度芥菜的萌发和生长阶段没有发现金属毒害症状,但在EDTA添加2-4天后,植物叶片出现许多明显的斑点,然后整个叶片慢慢变黄死去。桑树植株上并未出现这些症状,在EDTA施加前后植物都没有表现出任何毒害症状。表2与表3为不同处理对桑树植株高度和生物量的影响,由表中可以看出EDTA和(NH4)2SO4似乎对桑树高度和没有什么影响。这可能说明施加EDTA对桑树植株生长影响不大,由于植株生长不可能完全一样,因此,测量出的结果有差别并不能说明EDTA和 (NH4)2SO4对桑树植株生长有影响。
表2 不同处理对桑树植株高度的影响(cm)
表3 不同处理对桑树植株生物量的影响(g)
桑树在EDTA与(NH4)2SO4作用下对Cd的富集
在EDTA与(NH4)2SO4作用下,桑树对堆肥中Cd的富集含量见图1,2。图1为桑树各器官中富集Cd的含量,图1为桑树各器官中富集Cd的总量。由图1,2中可以看出,对于不同处理,随着施加的EDTA浓度的增加,桑树植株地下部分富集Cd的量有显著的增加,CK的富集系数约为74.0%,加入50 mmol/L的EDTA后富集系数约为133.2%,而加入100 mmol/L时,富集系数增加至190.4%。施加(NH4)2SO4后,可以从图中明显的看出效果更明显, 50 mmol/L与1g (NH4)2SO4协同作用后,桑树地下部分对Cd的富集系数增至207.3%,与未加(NH4)2SO4的有显著差异;同样100 mmol/L与1g (NH4)2SO4 协同作用后富集系数增加至262.3%。从图2中的富集量上可以更明显的看出EDTA和(NH4)2SO4的效果,但是由于生物量的原因,从富集量上看,加入50和100mmol/L的EDTA后的这两结果相差无几。因此,加入(NH4)2SO4主要是调节了土壤的PH值,使土壤保持了一定的酸性,从而提高了桑树植株对重金属的吸收。对于植株地上各部分,无论是从富集系数还是富集量上考虑,都同样表现出与地下部分相类似的规律,这说明EDTA与(NH4)2SO4对重金属Cd都有一定的活化作用。
对于同一处理,从图1中可以明显看出,地上部分富集的Cd的含量即富集系数明显高于地下部分,在植株体内基本呈现由根到茎再到叶逐渐增加的趋势,且在叶中含量最高,具体为:叶>150cm以上的茎>0-150cm的茎>根,总体来说是叶>茎>根。0-50cm、50-100cm与100-150cm这三段茎相当于树干,其重金属Cd含量相当,差别较小。但是从图2中可以看出,由于根以及茎的生物量较大,所以导致Cd在整个植株各器官中的富集量还是根部与靠近根部的茎中的富集量较高。且随着EDTA浓度的增大,这种集中在根部的趋势越为明显,加入(NH4)2SO4后,可以发现根部以靠近根部的茎中Cd的富集量远远高于其他部位。而本实验结果略微有所不同,这说明桑树将Cd由根部向上转移的效率较高。
由于堆肥中重金属易被有机质、氧化物、黏土矿物复合或吸附,且易形成磷酸盐、碳酸盐沉淀,土壤重金属的溶解度及生物有效性很低,极大地限制了植物富集土壤重金属的能力。施用EDTA明显增加土壤水溶性重金属, 这种水溶性重金属主要以螯合物形式存在。EDTA加入土壤后,土壤中所有的矿质元素都有机会和EDTA形成络合物,至于哪一种元素最优先,取决于其总量及其与EDTA络合物的稳定性。蒋先军等实验结果表明,EDTA加入土壤后对印度芥菜吸收Cd的影响与土壤中Cd的处理浓度有关。在土壤添加Cd浓度较低时,EDTA加入土壤后,土壤溶液中Cd的浓度也急剧增加,但印度芥菜吸收的Cd并没有显著增加。说明EDTA络合态的离子是水溶性的,但相对自由离子而言,更难以被植物吸收。当土壤中Cd浓度比较高时,加入EDTA能显著增加了地上部Cd的浓度,Cd能够增加细胞膜的透性。所以在土壤中Cd浓度较高时,根细胞膜透性增加使得EDTA络合物能够穿过,运输到地上部的过程是由蒸腾作用控制的被动过程。土壤溶液中各种络合态离子浓度的增加从而导致了地上部Cd浓度的增加。因此,当土壤中的Cd含量很低时,即使施加EDTA也不能增加植物富集Cd的量。然而在本实验中,虽然堆肥土壤中Cd的含量不是很高,但是在添加EDTA后,植株富集重金属的含量还是有明显的提高。同时,从图中可以看出,在CK中,根部Cd的量远远小于植株的其他器官,随着添加EDTA浓度的增大,根部积累Cd的量增长最为明显,与其他器官中Cd含量的差距越来越小。这与上述结论是相一致的,即EDTA的加入增加了土壤溶液中Cd的量。(NH4)2SO4具有一定的酸性能维持土壤适度的酸性环境也有利于Cd从堆肥土壤中解析出来,促进桑树对Cd的吸收积累。
、研制结论
实验结果表明,加入EDTA能活化堆肥中的重金属,增加重金属的生物活性,有利于桑树植物对重金属的吸收修复,并且能促进重金属由根向地上部分转移。但是对Cr的影响不是很大。
从实验结果中可以看出EDTA和(NH4)2SO4对促进桑树富集Cd的效果比较明显。高浓度EDTA处理由于(1)成本高;(2)EDTA增加了土壤重金属的溶解性,被溶解的重金属存在向地下水渗漏及二次污染的风险;(3)EDTA生物降解率很低,EDTA残留会影响后季植物的正常生长,大田应用尚需斟酌。然而(NH4)2SO4是农田常用的作为肥料,桑树是多年生木本植物,抗逆性强,生长较快,生物量大,所以本发明人认为:可以在堆肥土壤上种植桑树植株,并长期使用 (NH4)2SO4作为肥料和弱提取剂促进植株吸收积累重金属来实现对堆肥土壤的修复净化,尤其是对Cd的吸收。
附图说明
图1, 图2为 Cd在桑树各器官中的分布图。
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)在桑树生长4年的实验地上,平铺厚度为40cm生活垃圾堆肥,通过镇压使堆肥变的结实平坦;
(2)淋洗液的配制:50mmol/L EDTA:1g/L(NH4)2SO4的重量体积比为1:0.01配制淋洗液;
(3)将上述淋洗液分别沿选好的桑树植株根部进行浇灌,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,观察植株生长情况,20天后采集样品植株;
(4)对采集的样品植株每一株都进行高度测量,再将其分为地上部分和地下部分,分别标号包裹起来,放入烘箱中,80℃条件下烘干至恒重,最后粉碎样品;
(5)准确称量每株植株的每一段粉碎样品三份,每份各0.2g,采用HNO3湿法并用微波消解仪进行消化,采用TAS-990原子吸收分光光度计测定其中Cd的含量。
实施例2
(1)在桑树生长4年的实验地上,平铺厚度为50cm生活垃圾堆肥,通过镇压使堆肥变的结实平坦;
(2)淋洗液的配制:100mmol/LEDTA;或1g/L(NH4)2SO4淋洗液;
(3)将上述淋洗液分别沿选好的桑树植株根部进行浇灌,浇灌的速度30ml∕分,以确保所浇灌的溶液都集中在植株的根部,观察植株生长情况,20天后采集样品植株;
(4)对采集的样品植株每一株都进行高度测量,再将其分为地上部分和地下部分,分别标号包裹起来,放入烘箱中,80℃条件下烘干至恒重,最后粉碎样品;
(5)准确称量每株植株的每一段粉碎样品三份,每份各0.2g,采用HNO3湿法并用微波消解仪进行消化,采用TAS-990原子吸收分光光度计测定其中Cd的含量。
Claims (2)
1.一种采用桑树修复生活垃圾堆肥重金属Cd的方法,其特征在于按如下的步骤进行:
(1)平铺厚度为20-50cm生活垃圾堆肥,通过镇压使堆肥变的结实平坦,作为修复工程用地;在工程用地上,培植桑树,并经生长4年后,用于生活垃圾堆肥中Cd的修复;
(2)淋洗液的配制:1g/L(NH4)2SO4;
(3)将上述淋洗液分别沿选好的桑树植株根部进行浇灌,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,观察植株生长情况,20天后采集样品植株;
(4)对采集的样品植株每一株都进行高度测量,再将其分为地上部分和地下部分,分别标号包裹起来,放入烘箱中,80℃条件下烘干至恒重,最后粉碎样品;
(5)准确称量每株植株的每一段粉碎样品三份,每份各0.2g,采用HNO3湿法并用微波消解仪进行消化,采用TAS-990原子吸收分光光度计测定其中Cd的含量。
2.权利要求1所述的方法,其中地上部分和地下部分指的是:按0-50cm茎、50-100cm茎、100-150cm茎、150cm、150cm以上叶或150cm以下叶进行分段。
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