CN102513341B - 一种化学—芦竹联合生态修复矿冶区多金属污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学-芦竹联合生态修复矿冶区多金属污染土壤的方法。该方法结合土壤化学改良剂，利用抗逆能力强、生长速度快、生物量大的芦竹的合理栽培技术，进行矿冶区多金属污染土壤生态修复。种植当年施入适量基肥促进芦竹种苗快速成活与繁殖，次年后芦竹自行生长繁殖并逐步形成稳定的生态系统。化学-芦竹联合生态修复多金属污染土壤后地下水中As、Cd、Cu、Pb和Zn浓度达到《地下水质量标准(GB/T14848-93)》III类标准；芦竹地上部分年生物量干重可达15000kg/ha；芦竹收获物经炭化或液化后可作为生物能源原料返回涉重金属工艺进行综合利用。

Description

一种化学—芦竹联合生态修复矿冶区多金属污染土壤的方法

技术领域

本发明属于环保技术利用领域，涉及一种矿冶区重金属污染土壤生态修复的方法。

背景技术

矿产资源对国民经济发展起重要推动作用的同时，其开采过程中也带来了严峻的环境污染问题。采矿、选别、冶炼活动导致矿冶区土壤、地表地下水重金属污染。重金属在土壤、包气带和地下水中富集、转化和迁移，或随着水循环由土壤迁移至地表水或地下水含水层进而污染水环境，直接或间接影响农作物减产和品质下降、土地退化，或通过不同途径进入食物链，在食物链中累积、放大，直接危及人体健康和生态安全。我国金属矿产共有大中型矿山9000多座、小型矿山26万座；矿业区周边农田、植被、水体等生态破坏和环境污染严重，严重影响矿产业的可持续发展。我国矿山废弃地面积达40000km²，且每年以330km²的速度增长；规模以上铅锌冶炼废渣堆场500个以上，面积达150万m²；除矿山废弃地和冶炼废渣堆场等严重污染土壤外，中度和轻度重金属污染的耕地面积近2000万hm²。矿冶区重金属特别是As、Cd、Cu、Pb、Zn等造成的土壤污染问题比较突出，若不能得到及时有效治理，将对环境造成持久、深远的影响。

矿冶区土壤重金属污染一般为多种重金属共存，开展矿冶区土壤中重金属污染的控制与治理已成为一个迫切需要解决的环境问题。目前重金属污染的治理途径分为物理修复、化学修复和生物修复三种途径。传统的物理、化学修复技术存在破坏土壤结构、改变其理化性质使污染土壤修复后难以利用，容易带来二次污染以及实施方式难以为公众所接受等不足，且不适于大面积实施。植物修复重金属污染土壤技术具有相对简单、操作容易、经济和技术上可行等优点而具有广阔的应用前景。但目前植物修复技术主要以超积累植物为目标植物，在实际应用中大多数超富集植物存在着生长缓慢、生物量较小等不足，而且通常一种植物只富集一种或几种重金属，对土壤中共存的其它金属忍耐能力差，从而限制了超富集植物修复技术在多金属污染土壤工程治理方面的应用。矿冶区重金属污染土壤面广量大，生态环境综合治理投入大、产出低，进行其污染土壤净化不现实，比较理想的途径就是对矿冶区土壤重金属污染进行控制，防止其污染扩散，同时适当进行净化和生态恢复。

芦竹(Arundo donax linn)为多年生草本植物，本课题组自2002年在有色金属矿冶区筛选出重金属耐性植物芦竹，2003-2005年在温室条件下开展了连续3年的盆栽试验。盆栽筛选试验结果表明，在As 40mg/kg、Cd 12.5mg/kg、Pb 250mg/kg的人为污染土壤上种植70天后，芦竹生长几乎没有受到影响，芦竹地上部分生物量干重达到18.8g/盆，与对照(19.7g/盆)没有显著差异；在As 320mg/kg、Cd 100mg/kg、Pb 2000mg/kg的污染土壤上，芦竹地上部分生物量干重仍能达到14.3g/盆，地上部分中As含量达到1.59mg/kg、Cd含量3.55mg/kg、Pb含量1.33mg/kg，芦竹表现为较强的耐受性能和抗逆能力(郭朝晖和苗旭峰，2010年)。2004年韩志萍等申请了“芦竹(Arundo donax Linn)植物修复湿地重金属污染技术”(200410055581.5)的专利，认为芦竹是一种修复汞和镉污染湿地的较理想植物。目前，还没有具体通过施用化学改良剂结合芦竹的合理栽培管理措施，实现矿冶区重金属污染土壤的大规模生态修复的公开文献报道。因此，本发明针对矿冶区土壤多金属污染特点，结合土壤化学改良材料，利用重金属抗逆能力强、生长速度快、生物量大的耐性植物芦竹的合理栽培技术进行矿冶区多金属污染土壤大规模生态修复。

发明内容

本发明的目的是针对有色金属矿冶区As、Cd、Cu、Pb、Zn等多金属污染土壤，提出了一种化学-芦竹联合大规模生态修复的方法。

本发明的目的是通过以下方式实现的：

一种化学-芦竹联合生态修复矿冶区多金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

1)将矿冶区多金属污染的土壤进行土地平整；

2)向土壤中施入土壤化学改良剂，所用的改良剂为钙镁磷肥、磷肥、海泡石、膨润土、赤泥、磷石膏、EDTA、柠檬酸、醋酸中的一种或几种，土壤化学改良剂的施入量为225-4500kg/ha；

3)选取大小一致的芦竹种苗、芦竹块根或芦竹茎芽，按照20-50cm×20-50cm的种植密度移栽到多金属污染土壤中；所述的芦竹种苗高30-50cm，所述的芦竹块根或茎芽长15-30cm；

4)在污染土壤施入含有氮肥的基肥，其中，氮肥占基肥的质量比例不低于70％；

5)多金属污染土壤上芦竹收获物作为生物能源原料进行综合利用。

所述的金属包括As、Cd、Cu、Pb、Zn中的两种或两种以上。

步骤1)所述的土地平整是对多金属污染土壤进行机械或人工平整形成平地、梯田、边坡、坡度小于25°的缓坡或土坑。

步骤3)所述的芦竹种苗从整株移栽、根状茎繁殖、腋芽生枝微繁和茎杆埋殖的任一途径获得；芦竹种苗移植土层深度为20-30cm。

步骤3)中芦竹种苗移栽时间选择在每年11-12月份或2-4月份。11-12月份移栽的，来年春季进期灌溉、施肥和喷洒农药，次年自行生长繁殖；2-4月份移栽的，直接定期灌溉、施肥和喷洒农药；次年自行生长繁殖。

步骤4)所述的氮肥为碳酸铵、尿素或含氨氮废水、废液中的一种或几种，基肥为钾肥、磷肥、钙镁磷肥、复合肥中的一种或几种。最好在春季施入含有氮肥的基肥。

步骤5)所述的收获方式为留茬5-10cm，在每年10-11月份收割1次芦竹；收获物进行炭化或液化后作为生物质能源进行综合利用。

技术效果：

1、本发明选用的土壤化学改良剂来源广、成本低廉，选用的芦竹对多种金属具有很强的耐受性能，且耐干旱、贫瘠，栽培管理容易、生长速度快，是一种很好的生物质能源植物。在修复矿冶区多重金属污染土壤、美化环境的同时，可以通过炭化或液化回收芦竹收获物获得生物质能源，具有良好的经济、环境和社会效益。

2、化学改良剂可以调控污染土壤中重金属的环境活动性，芦竹可以防止多种金属污染土壤因水土流失或风蚀而导致重金属污染物的迁移、扩散，同时可降低地下水受重金属污染的程度，促进污染土、水资源的生态可持续发展。

3、本发明采用化学-芦竹联合原位生态修复矿冶区多重金属污染土壤，待芦竹修复系统形成稳定的重建生态体系后，不需后续管理和投入，与传统的土壤修复方法相比，该技术成本低，工程量小，可操作性强，有助于我国大面积的矿冶区多金属污染土壤的生态恢复工程建设。

附图说明

图1为化学-芦竹联合生态修复多金属污染土壤的田间示范工程照片；

图2为本发明的生态修复工艺流程示意图。

具体实施方式

以下结合实施例旨在进一步说明本发明，而非限制本发明。

实施例1：化学改良剂强化芦竹修复重金属As、Cd、Pb污染土壤盆栽试验。将重金属含量分别为As 13.7mg/kg、Cd 1.07mg/kg、Pb 52.4mg/kgCd的自然风干供试土壤按4kg/盆装入试验用盆中。向每盆土中加入CO(NH₂)₂ 0.27g/kg，NH₄H₂PO₄ 0.05g/kg，KNO₃ 0.10g/kg土，充分混匀，再向每盆依次加入As 80mg/kg、Cd 10mg/kg、Pb 500mg/kg与土样充分混合，形成As、Cd和Pb多金属污染土壤。在各处理中加入海泡石4.0mg/kg土，加去离子水至70％的田间持水量。平衡15d后，每盆移栽大小一致、长度为15-20cm的芦竹根2株。所有处理重复3次，植物生长期间保持田间持水量的70％。在芦竹培养90d后收获芦竹地上部分。

分析结果表明，

1)与对照相比，添加4.0mg/kg海泡石处理下，芦竹生物量比对照增加了10％以上，芦竹地上部中As浓度提高3.1倍，Cd浓度提高2.1倍，Pb浓度提高1.2倍。

2)土壤改良剂海泡石明显提高芦竹地上部重金属累积量。在添加4.0mg/kg海泡石处理下，芦竹地上部As累积量比对照增加1.2倍，Cd累积量比对照增加2.5倍，Pb累积量比对照增加5.0倍。

本发明实施例2和3采用以下方式构建生态修复系统：

1)采用机械进行土地平整，创造阻隔矿冶区多金属污染土壤水土流失的有利条件；

2)在矿冶区多金属污染土壤中施入钙镁磷肥，通过土地平整过程与表层污染土壤混和，形成芦竹在矿冶区多金属污染土壤中快速适应的微生态环境；

3)将大小基本一致，高30-50cm的芦竹种苗，或长15-30cm的芦竹茎芽按照30-40cm×30-40cm种植密度移栽到多金属污染土壤中；

4)在污染土壤施入适量以尿素为主的基肥，形成芦竹在矿冶区多金属污染土壤中快速适应的微肥力环境；

5)按照一般农作物管理措施进行矿冶区多金属污染土壤化学-芦竹联合原位修复的田间管理，促进矿冶区多金属污染土壤上修复系统生态稳定性的快速形成；在11-12月份移栽的，来年春季定期灌溉、施肥和喷洒农药，次年自行生长繁殖；

6)多金属污染土壤上芦竹于每年10-11月份收割1次，收获方式为留茬5-10cm；收获物进行炭化或液化后送涉重金属工艺作为生物质能源进行综合利用。

实施例2：在某冶炼区冶炼废水污染的废弃农田土壤上，选择面积为100平方米的田块，开展化学-芦竹联合生态修复田间试验，同时，选择一面积为100平方米、相距10m、污染情况相似、生长自然植被的田间土壤作为对照。田间试验点污染土壤中As、Cd、Pb、Zn含量分别为53.2、31.9、728、968mg/kg。田间试验于2005年11月开始布置，施入钙镁磷肥22.5kg，进行污染土壤耕翻、平整；同时，进行芦竹种苗移栽，种植深度为20cm，种植密度为30-40cm×30-40cm。于2006年3月除草2次，在100平方米的田间试验田上施用以氮肥为主的基肥(1.5kg)，喷洒农药一次。于2006年11月收获芦竹，田间试验结果表明，供试污染土壤上芦竹根全部成活且生长良好，株高达1.4-2.5m，芦竹地上部分生物量干重达到0.3kg/m²。于2007年12月化学-芦竹联合生态修复试验区土壤不同深度(25、50、75、100cm)处分别埋入4个渗滤柱(直径为50mm的PVC管，管长依次为40、65、90、115cm)进行修复系统地下水水质田间动态监测，经过1年多连续动态监测结果表明，对照体系渗漏水中As、Cd、Pb浓度劣于《地下水质量标准(GB/T14848-93)》V类标准，Zn浓度劣于《地下水质量标准(GB/T14848-93)》IV类标准，而化学-芦竹联合修复体系渗漏水中As、Cd、Pb和Zn浓度达到《地下水质量标准(GB/T14848-93)》III类标准。

实施例3：在实施例1的某冶炼区冶炼废水污染农田土壤100平方米田间试验点基础上，于2007年12月将田间试验面积扩大到350平方米，建立化学-芦竹联合生态修复示范工程(图1)，于2009年11月收获芦竹。示范结果表明，修复系统形成稳定的生态局域体系，污染土壤上芦竹株高达2.0-2.5m，芦竹地上部分生物量干重达到4500kg/ha，芦竹地上部中As、Cd、Pb、Zn含量分别达到2.5-5.5mg/kg、3.0-17.4mg/kg、13.6-33.8mg/kg和83-178mg/kg。为进一步检验芦竹修复生态修复体系的稳定性，2010年没有对芦竹进行收割，而于2011年11月再次进行芦竹收割，示范结果表明，芦竹连续两年生长后，修复区域植被覆盖率达到100％，芦竹株高3.0-4.0m，茎杆粗约0.5-2.0cm，地上部分年均生物量干重达到15000kg/ha。化学-芦竹联合生态修复体系渗漏水中As、Cd、Pb和Zn浓度达到《地下水质量标准(GB/T14848-93)》III类标准。

Claims (1)

1.一种化学—芦竹联合生态修复矿冶区多金属污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将矿冶区多金属污染的土壤进行土地平整；

2）在土壤中施入土壤化学改良剂，所用的改良剂为钙镁磷肥、海泡石、膨润土、赤泥、磷石膏、磷肥、EDTA、柠檬酸、醋酸中的一种或几种，土壤化学改良剂的施入量为225-4500kg/ha；

3）选取大小一致的芦竹种苗、芦竹块根或芦竹茎芽，按照20-50cm×20-50cm的种植密度移栽到多金属污染土壤中；所述的芦竹种苗高30-50cm，所述的芦竹块根或茎芽长15-30cm；

4）春季在污染土壤施入含有氮肥的基肥，其中，氮肥占基肥的质量比例不低于70%；

5）多金属污染土壤上芦竹收获物作为生物能源原料进行综合利用；

所述的多金属包括As、Cd、Cu、Pb、Zn中的两种或两种以上；

步骤1）所述的土地平整是对多金属污染土壤进行机械或人工平整形成平地、梯田、边坡、坡度小于25°的缓坡或土坑；

步骤3）所述的芦竹种苗从整株移栽、根状茎繁殖、腋芽生枝微繁和茎杆埋殖的任一途径获得；芦竹种苗移植土层深度为20-30cm；

步骤3）中芦竹种苗移栽时间选择在每年11—12月份或2—4月份；11—12月份移栽的，来年春季开始定期灌溉、施肥和喷洒农药，次年后自行生长繁殖；2-4月份移栽的，直接定期灌溉、施肥和喷洒农药，次年后自行生长繁殖；

步骤4）所述的氮肥为碳酸铵、尿素或含氨氮废水废液中的一种或几种，基肥为钾肥、磷肥、钙镁磷肥、复合肥中的一种或几种；

步骤5）的芦竹的收获方式为留茬5-10cm，在每年10-11月份收割1次芦竹；收获物进行炭化或液化后作为生物质能源进行综合利用。

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