CN102172164B - 一种采用桑树修复生活垃圾堆肥重金属Cr的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用桑树修复生活垃圾堆肥中Cr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Cr的含量。本发明的利用桑树修复生活垃圾堆肥中Cr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Cr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，使垃圾实现从自然界又回到自然界的良性循环，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是最严重的负效应，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（21～62t/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。EDTA是一种常用的螯合剂，不用或用低浓度EDTA处理，植物对土壤修复所需时间很长，
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。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草皮生产基地为实验地，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Cr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Cr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Cr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Cr方法在富集生活垃圾堆肥重金属Cr方面的应用。
研制材料
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550～680 mm。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Cr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。
有人研究发现，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。在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）
注： N代表1g/L的(NH4)2SO4，下同。
表3 不同处理对桑树植株生物量的影响 (g)
3.2桑树在EDTA与(NH4)2SO4作用下对Cr的富集
图1，2为桑树在EDTA与(NH4)2SO4协同作用下对堆肥中Cr的富集的影响。图1为桑树各器官中富集Cr的含量，图2为桑树各器官中富集Cr的总量。
对于不同处理，随着施加的EDTA浓度的增加，植株地下部分对Cr的富集系数有一定的增加趋势，(NH4)2SO4作为一种农田中常用的肥料能促进植物的生长和对Cr和Pb的富集，同时更重要的是其作为一种弱提取剂，可以提取水溶液中或者可交换部分的金属[14]。加入(NH4)2SO4后效果相对显著，即50 mmol/L > 25 mmol/L > CK；25 mmol/L+(NH4)2SO4 > 25 mmol/L； 50 mmol/L+(NH4)2SO4 > 50 mmol/L，但是富集系数都小于1，从图2中富集量上看效果也不是很明显，似乎EDTA对桑树富集Cr没有很大的促进作用，这说明EDTA的螯合作用对植物以及重金属都可能具有一定的选择性。桑树植株各器官中Cr的含量与堆肥中Cr的含量有一定的差距，但是由于桑树生物量大，也可以考虑利用桑树修复堆肥中的Cr。
同一处理，从富集系数上看，植株地上部分Cr的分布不像Cd那样具有明显的规律性，植株各部分的富集系数相差无几，由于植株下半部分生物量相对较大，因此，从富集量上看，Cr主要还是集中在地下部分和接近地下部分的茎中。
结果表明，加入EDTA明显降低了香蒲的高度和生物量，EDTA和柠檬酸增加了Cd，Pb和Cr的富集量，EDTA比柠檬酸更能提高植物地上部分Pb的富集量，但是Cr和Cd的增加量反而不及柠檬酸。
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，尤其是Cd和Pb，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Cr的效果较好。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，所以我认为：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。因此可以考虑利用桑树净化堆肥土壤。
附图说明
图1, 图2为Cr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Cr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Cr的含量。
Claims (4)
1.一种采用桑树修复生活垃圾堆肥重金属Cr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Cr的修复；
（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；
（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Cr的含量。
2.权利要求1所述采用桑树修复生活垃圾堆肥重金属Cr的方法，其中地上部分指的是：按0-50cm茎、50-100cm茎、100-150cm茎、150cm以上茎、150cm以上叶、150cm以下叶进行分段。
3.权利要求1所述采用桑树修复生活垃圾堆肥重金属Cr的方法，其中的淋洗液为1g/L(NH4)2SO4。
4.权利要求1所述方法在富集生活垃圾堆肥重金属Cr方面的应用。
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