CN102177801A - 臭椿在修复生活垃圾堆肥重金属方面的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了臭椿在富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用；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，培植臭椿为研制材料，通过对臭椿的根、茎、叶3部分重金属含量的分析，研究臭椿对垃圾堆肥中6种重金属（Cr、Cd、Zn、Ni、Cu、Pb）的富集作用。结果表明，重金属在臭椿体内的富集与分布因重金属的种类不同而有所差别。而且，臭椿幼苗的不同部位对重金属的富集量也不同，叶对Cr、Cu、Pb、Ni富集量要大些；茎对Cd的富集量要大些；根对Zn的富集量要大些。本发明为臭椿修复重金属的利用提供依据。

Description

臭椿在修复生活垃圾堆肥重金属方面的应用

 

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臭椿修复生活垃圾堆肥重金属的方法。

背景技术

人类在利用和改造环境的实践活动中取得了巨大成就，创造了日益丰富的物质文明与精神文明。但与此同时，随着经济的持续快速增长，城市化进程的不断加快，人类面临着日趋严重的环境问题，特别是城市垃圾的处理问题。处理垃圾的常用方法主要有：焚烧，填埋和堆肥。焚烧过程中产生大量的有毒气体和二氧化碳，污染环境，危害人类身体健康；填埋垃圾需要大量的土地，耗费大而且有时可能爆炸(由于垃圾成分复杂所至)，而且还会对大气、环境、地表水、地下水造成影响和潜在的危害。堆肥法是利用微生物对有机废物进行分解腐熟作用，将不稳定的有机质转变为稳定的有机质而形成肥料，并利用生物发酵过程产生的温度杀死有害微生物以达到无害化卫生标准的垃圾处理技术。堆肥产品中含有丰富的植物生长所需的N、P、K等营养元素，可作为施于农田、果园、苗圃的土壤改良剂从而改良贫瘠土地的土质。在过去的很多年里，人们将垃圾堆肥作为有机肥料施入农田促进农作物生产，已成为垃圾资源化利用的一个重要途径。近年来人们发现垃圾堆肥中含有很多重金属，进入土壤具有稳定、积累和不易消除等特点，并通过食物链富集，对人体产生一定的危害。因此，对堆肥中的重金属进行修复将具有重要意义。

“植物修复”(Phytoremediation) 是指将某种特定的植物种植在被重金属污染的土壤上，而该种植物对土壤中的污染元素具有特殊的吸收富集能力，将植物收获并进行妥善处理(如灰化回收)后即可将该种重金属移出土体，达到污染治理与生态修复的目的。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。植物提取是目前研究最多并且最有前景的方法。植物修复的对象是重金属、有机物或放射性元素污染的土壤及水体。研究表明，通过植物的吸收、挥发、根滤、降解、稳定等作用，可以净化土壤或水体中的污染物，达到净化环境的目的，因而植物修复是一种很有潜力、正在发展的清除环境污染的绿色技术。它具有成本低、不破坏土壤和河流生态环境、不引起二次污染等优点。自20世纪90年代以来，植物修复成为环境污染治理研究领域的一个前沿性课题。在我国，从1999年开始，在国家“863”计划、“973”计划和国家自然科学基金重点项目的支持下，地理科学与资源研究所环境修复中心研究员陈同斌带领的研究组筛选出一种砷超富集植物，解决了砷污染土地植物修复技术中的一系列关键难题，在国际上建立了第一个砷污染土地的植物修复示范工程，并先后在广西河池和云南红河州开始推广应用。利用超积累植物的根系从土壤中吸取重金属，并将其转移、贮存到植物的地上部分,然后收割地上部分，连续种植超积累植物即可将土壤中的重金属降到可接受水平。

1977年，Brooks 提出了超富集植物的概念。超富集植物是指能从土壤中超量富集重金属的植物。1999年陈同斌等首次发现了As的超富集植物蜈蚣草(Pteris vittata) ，其叶片含As可高达5000 mg/㎏。他们通过室内栽培研究发现，蜈蚣草羽片中最大含As量可达5070 mg/㎏。这些研究表明蜈蚣草具有特殊的耐As毒能力。李氏禾( Leersia Hexandra Swartz)是中国境内发现的第一种Cr超富集植物。通过水培实验，陈俊等评价了李氏禾对水中Cr、Cu、Ni的去除潜力。结果表明，李氏禾能够有效去除水体中的Cr、Cu、Ni污染物，重金属初始浓度分别为10和20mg/L的营养液，10天后Cr浓度降低到原子吸收分光光度法检出限以下，10天后Cu降低到1.02 mg/L和1.25 mg/L，10天后Ni浓度浓度降低到1.10 mg/L和2.14 mg/L。收获的植物根、茎、叶中重金属含量均较高，根中重金属含量显著高于茎、叶。目前已知的超富集植物普遍存在着生物量小、生长速度慢的特点，极大地限制了植物提取修复技术的实际应用。而且绝大部分超富集植物属于Ni超富集植物，其他重金属的超富集植物种类不多，能够应用的植物种质资源缺乏，进一步的筛选则需要很长的时间和大量资金。选择生物量大，富集浓度较高的非超富集植物能达到提高富集总量、提高植物修复效率的目的。对于堆肥而言，是一种复合的重金属污染体系，其修复将更加困难。本研究以此为目标展开实验，以期找到一种适宜修复堆肥重金属的植物。

臭椿是深根性树种，根系发达，根蘖性强，繁殖容易，落叶量多，具有改良土壤的作用，是我国黄土高原和华北石质山地造林的先锋树种；它适应性强，能适应微酸性、中性和石灰性土壤，能在堆肥中正常生长。

发明内容

本发明以生长在堆肥上的臭椿幼苗作为研究对象，通过与周边土壤上生长的臭椿幼苗进行对照，研究其对生活垃圾堆肥中重金属的富集作用，为垃圾堆肥的重金属修复提供理论依据。

为此，本发明公开了臭椿在富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用；其中所述的臭椿为在垃圾堆肥厚度为20-50cm，生长45-90天所获得的臭椿幼苗；所述的重金属为Zn、Pb、Cu、Cr、Ni、Cd。其中臭椿对Zn的富集能力最强。

本发明采集生长在堆肥上的臭椿幼苗为实验材料，并以生长在周边土壤上的臭椿幼苗为对照。通过对臭椿幼苗的根、茎、叶3部分重金属含量的分析，研究臭椿对垃圾堆肥中6种重金属（Cr、Cd、Zn、Ni、Cu、Pb）的吸收、富集和迁移作用。结果表明，重金属在臭椿幼苗体内的富集与分布因重金属的种类不同而有所差别。生长在堆肥上的臭椿幼苗的各部分对重金属的富集量要比生长在周边土壤上的大；尤其是对Zn的富集，堆肥上的臭椿幼苗对Zn的富集量为对照的3倍多，茎对Zn的富集量约为对照上的2倍，叶对Zn的富集量约为对照上的1.4倍。而且，臭椿幼苗的不同部位对重金属的富集量也不同，叶对Cr、Cu、Pb、Ni富集量要大些；茎对Cd的富集量要大些；根对Zn的富集量要大些，说明不同重金属在臭椿植株体内的迁移能力不同。

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。

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20 cm，实验地设在天津师范大学北院。选取了生长在堆肥上的臭椿幼苗作为实验材料，并以生长在周边土壤上的臭椿幼苗作为对照。臭椿在富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用；其中所述的臭椿为在垃圾堆肥厚度为20-50cm，生长45-90天所获得的臭椿幼苗；所述的重金属为Zn、Pb、Cu、Cr、Ni、Cd。

（2） 实验方法：将采集的样品进行分类整理，洗涤去除根部的少许泥土；将植株的根、茎、叶分别分开放置，并用纸包好，放在实验室中自然风干。实验前，在80℃条件下的烘箱中烘干至恒重；称各部分重量，记录结果并将样品粉碎。

：准确称取样品0.200 g放入反应罐中，而后移取浓硝酸4 mL，直接移取6 mL浓硝酸倒入反应罐中作为空白。将样品放入微波消解仪中进行消化（设定微波消解仪的各项性能参数，压强为800 Pa；温度为20℃；时间为4 min）。将样品放入微波消解仪中放置好后，把门关好，按下转盘按钮，观察其是否能正常旋转，若能，则可以按下启动按钮，进行消解，否则应将反应罐取出后重新装入，直到其能正常旋转为止。消解结束后，待其温度降到130℃左右时，打开仪器门，以此来加快仪器内部温度的下降的速度，降到80℃左右时将反应罐取出，在通风橱中将其打开，待二氧化氮排出完毕后而且温度降至室温。将消解后所得的样品，用吸管吸到容量瓶中，用1%的稀硝酸溶液定容至25 mL。采用TAS-990原子吸收分光光度计测定样品6种重金属Cr、Cd、Zn、Ni、Cu、Pb的含量。

实施例2实验结果

1） 臭椿植株生物量

通过对表中数据的分析我们发现，生长在堆肥上的臭椿幼苗与对照相比，植株相对比较矮小。对照上的根、茎的生物量分别为堆肥上4.1倍和1.4倍。这是因为植物生长除了对环境的要求外，还有对栽培土壤的物理、化学及生物学性质的要求。可能是堆肥中各种重金属的含量较高，从而抑制了植株的生长。

）臭椿幼苗的根对重金属的富集

生长在堆肥和对照上的臭椿幼苗的根中不同重金属的含量见表2。

由上表可知，两种生长环境下的臭椿幼苗的根对重金属的富集量不同，生长在堆肥上的臭椿幼苗的根对重金属的富集量要高于对照。堆肥是一种复合的重金属污染体系，其重金属含量一般要高于土壤，而臭椿幼苗对重金属有一定的富集能力，因此重金属的含量要高一些。通过对两组实验数据分析得出：臭椿幼苗的根对Cr、Cd、Ni、Cu、Pb的富集能力和对照相比没有明显差异，但是对Zn的富集能力却存在着很大的差异。堆肥上的臭椿幼苗对Zn的富集量大约为对照上的3倍，可知臭椿的根对Zn的富集能力较强。

）臭椿幼苗的茎对重金属的富集

生长在堆肥和对照上的臭椿幼苗的茎中不同重金属的含量见表3。

臭椿幼苗的茎对各种重金属的富集量不同，堆肥上的臭椿幼苗的茎中重金属的含量要明显高于对照。和对照相比，Cr的富集量大约为对照上的1.1倍；Cd的富集量大约为对照上的1.1倍；Cu的富集量大约为对照上的1.1倍；Pb的富集量大约为对照上的1.2倍；Ni的富集量大约为对照上的1.2倍；Zn的富集量大约为对照上的1.5倍。这6种重金属的富集量较高的是Cr和Pb，而且对Pb的富集的量表现为：茎>根。与一般植物对重金属的吸收规律有一定的差别，Pb一旦进入根系，可贮存在根部或运输到地上部分。从根表面吸收的Pb能横穿根的中柱，被送入导管，进入导管后随蒸腾流被动运输到地上部。铅在大多数植物中的含量分布，趋向于如下顺序：根> 叶> 茎> 花> 种子，但是，这个次序也因植物种类的不同而有可能发生改变。

生长在堆肥和对照上的臭椿幼苗的叶中不同重金属的含量见表4。

表4 臭椿幼苗的叶对重金属的富集含量(ug/g)

由上表可知，生长在堆肥上的臭椿幼苗的叶对重金属的富集含量比对照要大。通过对数据的分析我们发现：

1）无论是堆肥上生长的还是对照上生长臭椿幼苗对Cr的富集量都高于其它重金属。

2）对Cr的富集量表现为叶部的较大。这与古昌红等人的研究结果一致，植物对Cr的富集量一般情况下是叶部的较大。这与很多因素有关，植物叶子中Cr含量除受土壤铬污染影响外, 还受到铬渣飘尘较大的影响，飘尘飘落、附着到植株叶子表面上,通过叶面上气孔进入叶肉组织，所以植物的叶子Cr含量大于其它部位。

综合分析，我们发现，臭椿幼苗对Zn的富集量表现为：根>茎、叶。说明Zn被臭椿吸收以后，可能大部分停留在根部，少量向地上部分迁移。莫争等人的研究也表明，重金属在植物体内的分布规律是在新陈代谢旺盛的器官蓄积量较大，而营养储存器官，如果实、籽粒、茎、叶中的蓄积量则较少。Cu、Pb、Ni在叶中的含量要高于根和茎，而Cd在茎中的含量要高，不同重金属在植物体内的分布是不同的，这和重金属的特性及迁移能力有关。

研制结论

植物的不同部位对重金属的富集量是不同的，实验结果表明，臭椿在堆肥这样一重金属复合污染体系中能很好地生长。通过对重金属含量的分析显示，生长在堆肥上的臭椿幼苗的各器官对重金属的富集量比生长在周边对照土壤上的要大。生长在堆肥上的臭椿幼苗的根对Zn的富集量约为对照的3倍，茎对Zn的富集量约为对照上的2倍，叶对Zn的富集量约为对照上的1.4倍。而且臭椿幼苗的不同部位对重金属的富集量不同，叶对Cr、Cu、Pb、Ni富集量要大些；茎对Cd的富集量要大些；根对Zn的富集量要大些。臭椿幼苗对Cr、Pb的富集量比另外四种重金属的要大些。

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 (2)

1. 臭椿在富集生活垃圾堆肥重金属方面的应用；其中所述的臭椿为在垃圾堆肥厚度为20-50cm，生长45-90天所获得的臭椿幼苗；所述的重金属为Zn、Pb、Cu、Cr、Ni、Cd。

2.权利要求1所述的应用，其中臭椿幼苗在富集生活垃圾堆肥重金属Zn方面的应用。