CN102640646A

CN102640646A - 采用高羊茅协同nta修复堆肥淋洗液重金属的方法

Info

Publication number: CN102640646A
Application number: CN2012101348395A
Authority: CN
Inventors: 赵树兰; 多立安; 贾丽娜
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin Normal University
Priority date: 2012-05-04
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN102640646B

Abstract

本发明公开了一种采用高羊茅协同NTA修复堆肥淋洗液重金属的方法，它是取10mmol·kg^-1堆肥的NTA，加入到1500g垃圾堆肥中，用3000ml自来水浸泡72h，然后制成25-100％堆肥淋洗液；高羊茅种子浸在培养皿中进行，待植物萌发后测定株高，水培30天后，刈割植物测得植物干重；利用TAS-990原子吸收分光光度仪测定其重金属Cu、Ni、Zn、Cr的含量变化。实验结果表明：用生活垃圾堆肥淋洗液培植无土草皮，加入螯合剂的垃圾堆肥经淋洗后的淋溶液中含有有机质、氮、磷及其它营养元素，能够充分满足草坪植物生长需要，解决了垃圾堆肥淋洗液的再利用和安全排放。

Description

采用高羊茅协同NTA修复堆肥淋洗液重金属的方法

技术领域

本发明属于垃圾堆肥在城市草坪建植技术领域中的应用，涉及一种采用高羊茅协同NTA修复堆肥淋洗液重金属的方法。

背景技术

近年来，由生活垃圾引发的环境污染问题已成为社会广泛关注的焦点之一。随着我国人民生活水平的日趋提高，城市生活垃圾产生量也随之增加。将生活垃圾堆肥用作草坪基质，不但可以避开食物链，同时又解决了垃圾的出路问题。

园林绿地中的草坪植物具有生长快的特点，其多用于观赏和净化环境，若将垃圾堆肥作为草坪植物的生长基质，草坪植物会将其中的重金属吸收富集，达到减少堆肥中重金属污染深层土壤和地下水。垃圾堆肥具有良好的理化性质、丰富的养分，是替代土壤作为草坪基质的较理想材料。在我国人口众多，土地资源相对贫乏，以垃圾堆肥用作草坪基质更具有现实意义。一些草坪植物能够在重金属污染较重的基质中生长，且生长速度快、再生能力强，在化学方法和生物方法协同修复垃圾堆肥重金属中具有较大的应用价值。因此垃圾堆肥作为草坪基质的同时，其重金属又能得到草坪植物的修复，这样既增加了垃圾堆肥的应用潜力又提高了其使用的安全性。目前，我国已初步展开了将生活垃圾堆肥用于园林绿地基质或肥料的科研工作，垃圾堆肥通常以肥料的形式加入土壤，可以改善土壤性质，提高草坪草生物量、叶绿素含量等。但垃圾堆肥中含有高浓度的重金属，在其改善土壤、土壤植物和微生物的同时，也对它们产生危害。所以，提出若想将垃圾堆肥应用于实际必须去除其中的重金属的想法。垃圾堆肥施用过程中，如何防止或者减少重金属进入土壤和地下水产生，已成为要解决的一大问题。

螯合诱导修复技术”(chelate-induced phytoremediation)，即通过人工外加螯合剂使被土壤固相结合的重金属重新释放并进入到土壤中。目前常用的螯合剂可以分为3大类：一是人工合成多羧基氨基酸类螯合剂，如EDTA、DTPA、CDTA等；二是天然多羧基氨基酸类螯合剂，如EDDS、NTA；三是天然有机螯合剂，如一些小分子有机酸，包括柠檬酸、苹果酸、组氨酸、草酸等；四是无机络合剂，主要包括硫氰化物、氯化物等。

现有技术研究表明添加EDTA可以显著提高重金属在供试草坪植物中的富集量。但利用EDTA协同植物修复的同时，由于EDTA以及EDTA与重金属螯合形成的复合物具有很强的溶解性和生物毒性，且在土壤中很难被光、化学物质以及生物降解，所以很可能会引起污染深层土壤及地下水污染等环境问题。但是NTA （Nitrilotriacetic acid）氨三乙酸钠盐（氨羧螯合剂），在过去50年一直被应用于除垢剂，在分析化学中用作配位滴定剂和掩蔽剂，在催化动力学分析中常作为活化剂。尽管NTA螯合能力比EDTA要弱，但是和低分子量的有机酸（柠檬酸、苹果酸等）相比，仍是一种较强的螯合剂。

因此，用生活垃圾堆肥淋洗液培植无土草皮，加入螯合剂的垃圾堆肥经淋洗后的淋溶液中含有有机质、氮、磷及其它营养元素，能够充分满足草坪植物生长需要，解决了垃圾堆肥淋洗液的再利用和安全排放。

发明内容

本发明公开了一种采用高羊茅协同NTA修复堆肥淋洗液重金属的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

(1) 实验材料：选用我国北方多年生高羊茅（Festuca arundinacea L.）为试验材料；实验用垃圾堆肥取自天津市小淀堆肥厂，经风干后过2 mm筛备用；

（2）试验方法

1）取10mmol·kg^-1堆肥的NTA（氨三乙酸钠盐），加入到1500g垃圾堆肥中，用3000ml自来水浸泡72h，然后制成25-100％堆肥淋洗液；

2）将高羊茅种子浸在堆肥淋洗液中，在直径为9.4cm的培养皿中进行，培养皿底部垫一层滤纸为培养基底，试验期间光照强度为600~800μmolm^-2s^-1；根据蒸发量每天添加堆肥淋洗液5-15ml，保证每个培养皿加入的堆肥淋洗液体积相等，培养期间环境的平均温度为29-30℃，平均湿度为53-55%；

3）待植物萌发后每5d取三株最好的植株测定一次株高，水培30天后，刈割植物的地上部分，分别将地上部分和地下部分烘干，测得植物干重；

4）利用TAS-990原子吸收分光光度仪测定其重金属Cu、Ni、Zn、Cr的含量变化。

本发明进一步公开了所述方法在促进草坪植物生物量积累、富集重金属方面的应用，其中的堆肥淋洗液为取10mmol·kg^-1堆肥的NTA，加入到1500g垃圾堆肥中，用3000ml自来水浸泡72h，制成的50%堆肥淋洗液。

本发明的试验结果表明：用生活垃圾堆肥淋洗液培植无土草皮，加入螯合剂的垃圾堆肥经淋洗后的淋溶液中含有有机质、氮、磷及其它营养元素，能够充分满足草坪植物生长需要，解决了垃圾堆肥淋洗液的再利用和安全排放。

本发明更加详细的制备方法如下：

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

本试验选用我国北方比较常见的多年生高羊茅（Festuca arundinacea L.）为试验材料。生活垃圾堆肥来自天津市小淀堆肥厂，其基本理化性质为：pH 7.62，有机质含量12.12%，全氮5.18%，有效磷77.92 mg·Kg^-1，全钾50.83 g·Kg^-1，饱和含水量0.76 ml/g，容重0.85 g·ml^-1。其重金属Cd，Cr，Cu，Pb，Zn背景值分别为1.97，67.00，238.73，172.11，496.38 μg·g^-1。

Hoagland’s营养液组成：母液1：Ca(NO₃)₂·4H₂O 118 g/L；母液2：KNO₃50.5 g/L；KH₂PO₄13.6 g/L；母液3：MgSO₄·7H₂O 24.6 g/L；母液4：H₃BO₃3.09 g/L；MnCl₂·4H₂O 0.9 g/L；ZnSO₄·7H₂O 1.1 g/L；CuSO₄·5H₂O 7.5 mg/L；(NH₄)₂MoO₄124 mg/L；母液5：EDTA-Na₂ 3.72 g/L；FeCl₃·6H₂O 2.70 g/L。母液配好后，倒入贴有各自标签的瓶中，放入冰箱中保存备用。营养液现用现配，配制时分别取母液1、2、3各 10mL，母液4、5取各1mL，混合然后用蒸馏水定容至1000mL。

1.2 实验方法

（1）垃圾堆肥淋洗液的制备

取10mmol·kg^-1堆肥的NTA，加入到1500g垃圾堆肥中，用3000ml自来水浸泡72h，堆肥淋洗液浸种浓度共设5个处理：0％(Hoagland’s营养液，CK)、25％、50％、75％及100％(即原浓度淋洗液)，实验为3次重复。

（2）淋洗装置的设计及形态指标的测定

浸种培养在直径为9.4cm的培养皿中进行，培养皿底部垫一层滤纸为培养基底。试验期间光照强度为600~800μmolm^-2s^-1。培养皿置于实验室中靠近窗户的实验台上，并且经常更换烧杯的摆放位置以保证每个烧杯是在均匀、一致的光照条件下生长，根据蒸发量每天添加营养液5-15ml。

保证每个培养皿加入的营养液体积相等，培养期间环境的平均温度为29.5℃，平均湿度为53.2%。待植物萌发后每5d取三株最好的植株测定一次株高，取平均。水培30天后，刈割植物的地上部分，分别将地上部分和地下部分烘干，测得植物干重。

（3）堆肥淋洗液的背景值

表1为施加NTA的堆肥的淋洗液的矿质营养和重金属含量，与浸泡相同时间的堆肥的淋洗液（多立安，2007）相比，所有元素含量均有增加，这说明施加NTA后，增加了重金属和矿质营养元素的溶出。

表1堆肥淋洗液的背景值分析（μg/ml）

根据国家标准关于地下水质量标准（GB/T14848-93）中的规定，Ⅰ类主要反映地下水化学组分的天然低背景含量，适用于各种用途；Ⅱ类主要反映地下水化学组分的天然背景含量，适用于各种用途；Ⅲ类以人体健康基准值为依据，主要适用于集中式生活饮用水水源及工、农业用水；Ⅳ类以农业和工业用水要求为依据，除适用于农业和部分工业用水外，适当处理后可作生活饮用水；Ⅴ类不宜饮用，其他用水可根据使用目的选用。其中关于重金属含量的要求标准如下：

表2地下水质量关于重金属含量的分类指标

由表1和2可知，施加NTA的堆肥的淋洗液中重金属均属于V类水，垃圾堆肥中重金属随淋洗液溶出，参照表2国家关于地下水质量的标准，以施加NTA再淋洗法去除生活垃圾堆肥中的重金属的方法，其淋洗液中四种重金属含量均超标，因此淋洗液若不经过处理直接排放到环境中去的话，势必会对地下水和深层土壤造成污染。

（3）重金属含量的测定

淋洗液的消化用HNO₃和HCLO₄在120-140℃下消化，所得溶液用蒸馏水定容到50 ml；草样称取0.2 g用HNO₃和HCLO₄在120-140℃下消化，所得溶液用蒸馏水定容到25 ml，最后利用TAS-990原子吸收分光光度仪测定其重金属含量

1.3 数据处理

数据分析采用Excel 2003和SPSS 14.0统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物生物量的影响

用施加NTA的堆肥的淋洗液作为营养液培养草坪植物，从3可以看出，施加低浓度的淋洗液会增加其地上部干重，淋洗液浓度的50%可最显著（p<0.05）提高高羊茅地上生物量，比对照提高了11.85%，此后随着淋洗液浓度的增加，高羊茅地上生物量产生显著的抑制作用，淋洗液浓度越高，抑制作用越明显。

表3中还可以看出施加NTA的堆肥的淋洗液作为营养液对草坪植物根部生物量的影响。从表中可看出高羊茅根部最大生物量为，淋洗液25%的处理，比对照高出了31.40%，当淋洗液浓度再增加，根部干重呈下降趋势，当浓度为淋洗液100%时，显著抑制高羊茅根部的生长。

表3 不同比例的施加NTA的堆肥的淋洗液对草坪植物生物量的影响

2.2 不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物株高的影响

表4是不同比例的堆肥淋洗液对高羊茅株高的影响。对于高羊茅来说随着淋洗液比例的增加，高羊茅株高逐渐降低，当淋洗液为75%和100%时，其株高显著（p<0.05）低于对照，分别比对照低了5.5%和7.6%。

表4 不同比例的施加NTA的堆肥的淋洗液对草坪植物株高的影响

2.3 不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物地上部富集重金属的影响

不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液做营养液，高羊茅对Cd的富集如表5。从中可以看出随着淋洗液比例的增加，Cd在草坪植物地上部的浓度增加。对高羊茅来说，在100%淋洗液时，Cd的浓度达最高，是对照的2.02倍，25%、50%、75%和100%淋洗液处理时，其在高羊茅地上部的富集量分别是对照的1.30、1.67、1.62和1.72倍。相同浓度的淋洗液下，高羊茅地上部对Cd的富集能力强。

5不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物地上部富集Cd的影响

Figure 2012101348395100002DEST_PATH_IMAGE005

Cu在高羊茅中的浓度和富集量，见表6。从表6中可以看出随着淋洗液比例的增加，Cu在草坪植物地上部的浓度增加。Cu在高羊茅地上部富集浓度，差异显著（p<0.05），淋洗液浓度的25%、50%、75%和100%在高羊茅地上部的浓度分别是对照的1.46、1.74、2.35和2.49倍，其富集量分别是对照的1.48、1.95、2.12和2.11倍。

6不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物地上部富集Cu的影响

表7为Ni在高羊茅地上部的浓度和富集量，对高羊茅来说施加淋洗液的实验组与对照相比，其在高羊茅地上部的浓度和富集量均显著高于对照（p<0.05），淋洗液浓度的25%、50%、75%和100%在高羊茅地上部的浓度分别是对照的3.85、3.61、4.69和4.84倍，其富集量分别是对照的3.89、4.04、4.22和4.10倍，随着淋洗液浓度比例的增加，Ni在高羊茅地上部的富集，在淋洗液75%达最大，淋洗液比例浓度再增加，虽然，Ni在高羊茅体内的浓度会增加，但是其富集量会降低，这是因为高浓度比例的淋洗液抑制了高羊茅的地上生物量使其富集量减少。

7不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物地上部富集Ni的影响

Pb在草坪植物的地上部的浓度和富集量见下表，随着堆肥淋洗液浓度比例的增加，Pb在草坪植物地上的浓度也随之增加，且与对照相比，显著差异（p<0.05）。淋洗液浓度的25%、50%、75%和100%在高羊茅地上部富集量分别是对照的1.96、2.97、4.30和4.49倍。

8不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物地上部富集Pb的影响

2.4 不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物根部富集重金属的影响

不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液做营养液，高羊茅根部对Cd的富集如表9。从中可以看出随着淋洗液比例浓度的增加，Cd在草坪植物根部的浓度增加。对高羊茅来说，对Cd的富集，在100%淋洗液时，Cd的浓度达最高，是对照的2.23倍，25%、50%、75%和100%淋洗液处理时，其在高羊茅地根部的富集量分别是对照的1.61、1.85、1.69和1.67倍。

表9不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物根部富集Cd的影响

Cu在高羊茅中的浓度和富集量，见表10。从表10中可以看出随着淋洗液比例的增加，Cu在两种草坪植物根部的浓度均呈上升趋势。对高羊茅来说，其浓度和富集规律为，淋洗液浓度的25%、50%、75%和100%在高羊茅地上部的浓度分别是对照的3.37、5.80、6.83和8.24倍，其富集量分别是对照的4.38、7.35、6.18和6.08倍，在随着随着淋洗液浓度比例的增加，Cu的富集量显著降低（p<0.05），浓度比例过高的淋洗液会降低高羊茅根部的干重，从而影响了Cu的富集量。

10不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物根部部富集Cu的影响

表11为Ni在高羊茅地上部的浓度和富集量，对高羊茅来说施加不同浓度比例的淋洗液的组与对照组相比，各个处理在高羊茅部部的浓度和富集量均高于对照，淋洗液浓度的25%、50%、75%和100%在高羊茅地上部的浓度分别是对照的1.77、1.93、2.06和4.86倍，其富集量分别是对照的2.31、2.45、1.88和1.84倍，随着淋洗液浓度比例的增加，Ni在高羊茅地上部的富集，在淋洗液50%达最大，淋洗液比例浓度再增加，虽然，Ni在高羊茅体内的浓度会随之增加，但是高羊茅根部对Ni的富集量会降低，这是因为高浓度比例的淋洗液抑制了高羊茅的根部的生长，使其生物量降低，从而减少了Ni的富集量。

11不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物根部富集Ni的影响

Figure 2012101348395100002DEST_PATH_IMAGE011

Pb在草坪植物的地上部的浓度和富集量见表12，随着堆肥淋洗液浓度比例的增加，Pb在草坪植物地上的浓度也随之增加，淋洗液浓度大于50%淋洗液， Pb在草坪植物根部的浓度与对照相比差异显著（p<0.05）。淋洗液浓度的25%、50%、75%和100%在高羊茅根部富集量分别是对照的1.65、3.76、2.95和2.91倍。可以看出淋洗液50％时，Pb在高羊茅根部富集的最多，随着淋洗液的浓度比例增加，其富集量随之降低。

12不同比例的NTA的垃圾堆肥淋洗液对草坪植物根部富集Pb的影响

3 结论

本研究中，利用NTA作为螯合剂，淋洗修复堆肥中的重金属，并将淋洗液作为营养液培植草坪植物。多立安等（2007）以生活垃圾堆肥淋洗液培植无土草皮，结果表明，垃圾堆肥淋洗液中有机质、全氮、有效磷及其它营养元素含量显著高于对照土壤淋洗液，能够充分满足草坪植物生长需要。从本实验堆肥淋洗液（表1）的各重金属和矿质营养元素含量可以看出，施加NTA后的堆肥的淋洗液其含有植物所需的丰富的矿质营养，但是其重金属也随之溶出。与对照相比50%淋洗液，能显著提高高羊茅地上部的生物量；25%和50%淋洗液，能显著提高草坪植物根部生物量。随着淋洗液浓度比例的再增加，生物量随之降低，当100%淋洗液处理草坪植物时，显著抑制草坪植物的生长。但是任何比例的淋洗液处理高羊茅都会抑制高羊茅株高的生长。可见低浓度的施加NTA的堆肥的淋洗液可以促进草坪植物的生长，浓度过高会抑制其生长。

在草坪植物对淋洗液中重金属的富集能力来看，对Cd的富集，随着淋洗液浓度的增加，重金属在草坪植物的地上部和根部的富集量均随之增加，在100%淋洗液时，富集量最大，但是Cd的富集量的增加，随着淋洗液浓度比例的增加，而增加比例减少。草坪植物地上部对Cu的富集，趋势和对Cd的富集相似，但是根部对Cu的富集，都是在50%淋洗液时最大，随着淋洗液浓度比例增高，其富集量随之降低。但高羊茅地上部和根部对Ni的富集在75%和50%淋洗液时达最高。高羊茅对Pb的富集量，除了高羊茅地上部在100%淋洗液时对其富集量最大，高羊茅根部对Pb的富集，在50%淋洗液时达到最大。

从不同浓度比例的堆肥淋洗液对高羊茅的生物量、株高和重金属的富集来看50%淋洗液既能促进草坪植物生物量的积累又能最大程度上富集重金属，且对株高的抑制作用不明显。

具体实施方式

下面结合实施例说明本发明，这里所述实施例的方案，不限制本发明，本领域的专业人员按照本发明的精神可以对其进行改进和变化，所述的这些改进和变化都应视为在本发明的范围内，本发明的范围和实质由权利要求来限定。所用到的试剂有市售。

实施例1

（2）试验方法

1）取10mmol·kg^-1堆肥的NTA，加入到1500g垃圾堆肥中，用3000ml自来水浸泡72h，然后分别制成25%、50%、75%、100％堆肥淋洗液；

2）将高羊茅种子浸在堆肥淋洗液中，直径为9.4cm的培养皿中进行，培养皿底部垫一层滤纸为培养基底，试验期间光照强度为600μmolm^-2s^-1；根据蒸发量每天添加堆肥淋洗液15ml，保证每个培养皿加入的堆肥淋洗液体积相等，培养期间环境的平均温度为29℃，平均湿度为53%；

4）利用TAS-990原子吸收分光光度仪测定其重金属Cu、Ni、Zn、Cr的含量变化。实施例2

（2）试验方法

2）将高羊茅种子浸在堆肥淋洗液中，直径为9.4cm的培养皿中进行，培养皿底部垫一层滤纸为培养基底，试验期间光照强度为800μmolm^-2s^-1；根据蒸发量每天添加堆肥淋洗液15ml，保证每个培养皿加入的堆肥淋洗液体积相等，培养期间环境的平均温度为30℃，平均湿度为55%；

Claims

1. 一种采用高羊茅协同NTA修复堆肥淋洗液重金属的方法，其特征在于按如下的步骤进行：

(1) 实验材料：选用我国北方多年生高羊茅（Festuca arundinacea L.）为试验材料；实验用垃圾堆肥取自天津市小淀堆肥厂，经风干后过2 mm筛备用；

（ 2 ）试验方法

1）取10mmol·kg^-1堆肥的NTA，加入到1500g垃圾堆肥中，用3000ml自来水浸泡72h，然后制成25-100％堆肥淋洗液；

2.权利要求 1所述的方法，其中NTA指的是氨三乙酸钠盐。

3.权利要求 1所述方法在促进草坪植物生物量积累、富集重金属方面的应用，其中的堆肥淋洗液为取10mmol·kg^-1堆肥的NTA，加入到1500g垃圾堆肥中，用3000ml自来水浸泡72h，制成的50%堆肥淋洗液。