CN103143557A

CN103143557A - 一种用于稻田土壤的铅镉复合改良剂及其制备和应用方法

Info

Publication number: CN103143557A
Application number: CN2013101065437A
Authority: CN
Inventors: 廖柏寒; 周航; 曾敏; 周歆; 吴燕明; 曾卉; 邱琼瑶
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: CN103143557B

Abstract

本发明公开了一种用于稻田土壤的铅镉复合改良剂及其制备和应用方法，该改良剂由以下质量分数的原料组成：碳酸钙，30%~50%；羟基磷灰石，5%~10%；海泡石，20%~30%；沸石，20%~30%；制备包括以下步骤：按照所述铅镉复合改良剂成分的质量百分比称取各种原料；在搅拌装置中将各种原料持续搅拌至少30min，充分搅拌混匀；应用方法包括以下步骤：1）分析稻田中铅、镉总量及交换态铅、镉含量；2）应用评价模型，确定稻田土壤污染程度；3）根据稻田中的铅、镉污染程度施入铅镉复合改良剂，在轻微污染水稻田中施入100-150kg/亩，轻度污染水稻田中施入150-300kg/亩，中度污染水稻田中施入300-600kg/亩，平衡稳定10~15日；4）分析测定稻田中交换态铅、镉含量，若固定率低于90%，则补施入100~150kg/亩。

Description

一种用于稻田土壤的铅镉复合改良剂及其制备和应用方法

技术领域

本发明涉及铅镉污染稻田的稻米安全生产技术，特别地涉及一种用于稻田土壤的铅镉复合改良剂及其制备和应用方法。

背景技术

分布于工矿区周围的农田土壤，正面临着越来越严峻的环境问题，其中稻田中重金属的污染很严重，尤其是工矿业废水灌溉稻田，造成稻田土壤有毒重金属过量累积，其中，以铅、镉污染程度最高，这些重金属极易通过食物链进入人体内，对人体带来严重的健康风险。化学改良技术是一种原位的固定修复技术，是目前当前土壤重金属污染治理的最有效的方法之一，即在重金属污染土壤中施用改良剂，改变土壤的理化性质，通过吸附、沉淀等作用降低土壤中重金属的迁移能力和生物有效性。常用的改良剂有石灰、磷酸盐、堆肥、硫磺、高炉渣、铁盐、硅酸盐、沸石等。国内外研究表明，磷酸盐对铅污染土壤的固化效果显著，石灰对镉污染土壤的固化修复效果也很明显。显然，对于不同污染类型的土壤，选择合适的改良剂是化学改良技术的关键，然而对于复合污染的土壤，单一的改良剂无法达到同时固定多种重金属的要求。

因此，针对目前稻田重金属复合污染的状况，提供一种能同时有效地固定土壤中铅、镉的复合改良剂及其制备和应用方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。然而当前利用石灰石、海泡石、羟基磷灰石、沸石，组配制成混合改良剂，能同时有效地固定土壤中铅、隔的研究尚未见报道。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的一个目的在于提出一种用于稻田土壤并能同时固定土壤中铅和镉的复合改良剂，本发明的另一个目的是提供上述铅镉复合改良剂的制备方法，本发明还有一个目的是提供使用上述铅镉复合改良剂进行稻田土壤改良的方法。

为达此目的，本发明提供一种用于稻田土壤的铅镉复合改良剂，由以下质量分数的原料组成：碳酸钙，30%~50%；羟基磷灰石，5%~10%；海泡石，20%~30%；沸石，20%~30%。

优选地，所述碳酸钙为轻质碳酸钙，该轻质碳酸钙的白度≥90，粒度≥200目。

优选地，所述羟基磷灰石中钙含量为22%~27%，磷含量为9%~12%，且粒度≥200目。

本发明还提供一种上述铅镉复合改良剂的制备方法，包括以下步骤：

a、按照所述铅镉复合改良剂成分的质量百分比称取各种原料；

b、在搅拌装置中将各种原料持续搅拌至少30min，充分搅拌混匀。

优选地，在步骤b中，搅拌过程为干拌，避免加入水。

本发明还提供一种上述铅镉复合改良剂用于稻田土壤改良的方法，包括以下步骤：

1）分析稻田中铅、镉总量，分析铅、镉交换态含量；

2）应用评价模型，确定稻田土壤污染程度；

3）根据稻田中的铅、镉污染程度施入铅镉复合改良剂，在轻微污染水稻田中施入100-150 kg/亩，轻度污染水稻田中施入150-300 kg/亩，中度污染水稻田中施入300-600 kg/亩，平衡稳定10~15日；

4）分析测定稻田中交换态铅、镉含量，若固定率低于90%，则补施入100~150Kg/亩

优选地，步骤3）中施用铅镉复合改良剂分为2次进行：在稻田翻耕之前，将稻田上部积水排除，将一半施用量的铅镉复合改良剂抛洒在稻田表面，再进行稻田的翻耕；在翻耕后的稻田表面，将另一半施用量的铅镉复合改良剂抛洒在稻田表面，再进行一次翻耕；根据铅镉复合改良剂与土壤的混合程度，继续翻耕，直至铅镉复合改良剂与土壤混合均匀。

优选地，步骤3）中铅镉复合改良剂施用后在平衡稳定期间，保持稻田含水率在60%~70%。

优选地，步骤1）中分析稻田中铅镉含量的方式为：按梅花型布设5个采样点，采集0-20 cm表层土壤，混合均匀；土壤进行自然风干，去除杂物，压碎后采用0.149 mm尼龙筛进行筛选；铅、镉总量采用HCl-HNO₃-HClO₄湿法消解，交换态含量用MgCl₂提取，用原子吸收光度计测定土壤中铅、镉含量，同时全程做空白实验。

优选地，步骤2）中，应用评价模型，确定稻田土壤污染程度的方式为：

通过公式确定稻田土壤污染指数，其中式中P_综为某稻田土壤综合污染指数，P_max为P_Pb和P_Cd中最大的那个数值，

为P_Pb和P_Cd的平均值，P_Pb和P_Cd的计算公式为：

；；式中C_Pb和C_Cd为采样点土壤中Pb、Cd元素含量。综合污染物指数分级标准共5个等级，分别为P_综≤0.7为清洁，0.7＜P_综≤1 为轻微污染，1＜P_综≤2 为轻度污染，2＜P_综≤3 为中度污染，P_综＞3 重度污染。

与现有技术相比，本发明具备如下有益效果：

（1）控制了土壤中重金属铅、镉的活性，显著的降低了水稻对铅、镉的吸收，使稻米中铅、镉的含量达到国家食品污染物限量标准（< 0.2 mg/kg）；

（2）具有一定的肥力作用，能显著促进水稻的生长，提高水稻的产量；

（3）对稻田土壤以及水稻生长无副作用，不会对环境产生危害，对稻田四周环境影响小；

（4）相比较其他土壤重金属治理技术，成本低廉，适用于大面积重金属铅、镉污染稻田的修复；

（5）制备简单，适应于工业化生产，周期短，施用简单，操作效率高。

附图说明

图1 某土壤中改良剂添加量与土壤铅镉交换态含量固定率图；

图2 某土壤中改良剂添加量与水稻大米中铅镉含量关系图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种能同时固定土壤中铅和镉的复合改良剂，以及该铅镉复合改良剂的制备方法和应用方法。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面通过具体实施方式对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

实施例中百分比均为质量百分比。

实施例1

称取下列质量的原料；

碳酸钙，30%；羟基磷灰石，10%；海泡石，30%；沸石，30%；其中，碳酸钙为轻质碳酸钙，白度 > 90，粒度 > 200目，沉降体积(2.4-2.8 mL/g)；羟基磷灰石成分中钙含量22%-27%，磷含量9%-12%，粒度 > 200目；海泡石成分>80%，沉降值800-850，水分 < 1.5%，粒度 > 200目；沸石为人造沸石，粒度 > 200目；

在搅拌装置中将上述原料持续搅拌30min，搅拌时避免加入水，制成铅镉复合改良剂；

按梅花型布设5个采样点，采集0-20cm表层土壤，混合均匀；土壤进行自然风干，去除杂物，压碎后采用0.149 mm尼龙筛进行筛选；铅、镉总量采用HCl-HNO₃-HClO₄湿法消解，交换态含量用MgCl₂提取，用原子吸收光度计测定土壤中铅、镉含量，同时全程做空白实验，从而获得稻田中铅镉总量及交换态含量；

根据稻田中的铅镉总量，应用评价模型，确定稻田土壤污染程度，方式为：通过公式

确定稻田土壤污染指数，其中式中P_综为某稻田土壤综合污染指数，P_max为P_Pb和P_Cd中最大的那个数值，

为P_Pb和P_Cd的平均值，P_Pb和P_Cd的计算公式为：

；

；式中C_Pb和C_Cd为采样点土壤中Pb、Cd元素含量。综合污染物指数分级标准共5 个等级，分别为P_综≤0.7为清洁，0.7＜P_综≤1 为轻微污染，1＜P_综≤2 为轻度污染，2＜P_综≤3 为中度污染，P_综＞3 重度污染；

根据稻田中的铅、镉污染程度施入铅镉复合改良剂，分2次施用150~600Kg/亩的上述铅镉复合改良剂，平衡稳定15日，第一次施用是在稻田翻耕之前，将稻田上部积水排除，将一半施用量的铅镉复合改良剂均匀抛洒在稻田表面，再进行稻田的第一遍翻耕，第二次施用为在翻耕后的稻田表面，将另一半施用量的铅镉复合改良剂均匀抛洒在稻田表面，进行第二遍翻耕；根据铅镉复合改良剂与土壤的混合程度，继续翻耕，直至铅镉复合改良剂与土壤混合均匀；平衡稳定15日期间保持稻田含水率在60%~70%；

分析测定稻田中交换态铅、镉含量，若固定率低于90%，则补施入100~150Kg/亩上述铅镉复合改良剂。

在制备的铅镉复合改良剂中，碳酸钙所起的作用为提高土壤pH值，使土壤溶液中OH^-增加，使重金属铅、镉形成氢氧化物沉淀，降低土壤中铅、镉的生物活性，同时，碳酸钙中包含的Ca²⁺对铅、镉离子具有拮抗作用，参与竞争水稻根系上的吸收位点，抑制水稻对重金属的吸收，减缓了铅、镉对水稻的毒害作用；羟基磷灰石所起的作用为提高土壤pH值，使土壤溶液中OH^-增加，使重金属铅、镉形成氢氧化物沉淀，降低土壤中铅、镉的生物活性，同时，羟基磷灰石中包含的Ca²⁺对铅、镉离子具有拮抗作用，参与竞争水稻根系上的吸收位点，抑制水稻对重金属的吸收，减缓了铅、镉对水稻的毒害作用，另外，磷酸根能与土壤中的铅离子结合形成特别稳定的铅磷酸盐（Pb₁₀(PO₄)₆(OH)₂）；海泡石是一种晶体属斜方(正交)或单斜晶系的层链状硅酸盐矿物，比表面大，吸附性强，所起的作用为吸附土壤中的离子态铅、镉，使其进入海泡石层状结构内部，减少水稻根系对铅、镉的吸收，同时海泡石改善土壤的通透性，提高化肥的有效性；沸石具特征笼状晶体结构、含沸石水的铝硅酸盐矿物，所起的作用为进行阳离子的交换，其成分中的钠、钙等离子可与水溶液中的铅、镉离子交换，降低土壤中铅、镉的生物活性。

经上述方式对稻田进行改良后，能使稻田土壤中重金属铅、镉的交换态含量分别降低95%、91%；能使稻米中重金属铅、镉含量分别降低26%、30%；能使水稻产量显著增加26%。

实施例2

本实施例与实施例1相比，区别在于，各原料质量为：

碳酸钙，50%；羟基磷灰石，5%；海泡石，20%；沸石，25%；

对稻田进行改良后，能使稻田土壤中重金属铅、镉的交换态含量分别降低97%、94%；能使稻米中重金属铅、镉含量分别降低30%、32%；能使水稻产量显著增加30%。

实施例3

本实施例与实施例1相比，区别在于，各原料质量为：

碳酸钙，40%；羟基磷灰石，10%；海泡石，30%；沸石，20%；

对稻田进行改良后，能使稻田土壤中重金属铅、镉的交换态含量分别降低99%、97%；能使稻米中重金属铅、镉含量分别降低45%、36%；能使水稻产量显著增加35%。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括哪些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于稻田土壤的铅镉复合改良剂，其特征在于，由以下质量分数的原料组成：碳酸钙，30%~50%；羟基磷灰石，5%~10%；海泡石，20%~30%；沸石，20%~30%。

2.根据权利要求1所述的铅镉复合改良剂，其特征在于，所述碳酸钙为轻质碳酸钙，该轻质碳酸钙的白度≥90，粒度≥200目。

3.根据权利要求1所述的铅镉复合改良剂，其特征在于，所述羟基磷灰石中钙含量为22%~27%，磷含量为9%~12%，且粒度≥200目。

4.一种如权利要求1-3任一项所述的用于稻田土壤的铅镉复合改良剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的用于稻田土壤的铅镉复合改良剂的制备方法，其特征在于，在步骤b中，搅拌过程为干拌，避免加入水。

6.一种将如权利要求1-3任一项所述的铅镉复合改良剂用于稻田土壤改良的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）分析稻田中铅、镉元素总量及交换态铅、镉含量；

2）应用评价模型，确定稻田土壤污染程度；

4）分析测定稻田中交换态铅、镉含量，若固定率低于90%，则补施入100~150Kg/亩。

7.根据权利要求6所述的铅镉复合改良剂用于稻田土壤改良的方法，其特征在于，步骤3）中施用铅镉复合改良剂分为2次进行：在稻田翻耕之前，将稻田上部积水排除，将一半施用量的铅镉复合改良剂抛洒在稻田表面，再进行稻田的翻耕；在翻耕后的稻田表面，将另一半施用量的铅镉复合改良剂抛洒在稻田表面，再进行一次翻耕；根据铅镉复合改良剂与土壤的混合程度，继续翻耕，直至铅镉复合改良剂与土壤混合均匀。

8.根据权利要求6所述的铅镉复合改良剂用于稻田土壤改良的方法，其特征在于，步骤3）中铅镉复合改良剂施用后在平衡稳定期间，保持稻田含水率在60%~70%。

9.根据权利要求6所述的铅镉复合改良剂用于稻田土壤改良的方法，其特征在于，步骤1）中分析稻田中铅镉总量的方式为：按梅花型布设5个采样点，采集0-20 cm表层土壤，混合均匀；土壤进行自然风干，去除杂物，压碎后采用0.149 mm尼龙筛进行筛选；铅镉总量采用HCl-HNO₃-HClO₄湿法消解，交换态采用MgCl₂提取，用原子吸收光度计测定土壤中铅、镉含量，同时全程做空白实验。

10.根据权利要求6所述的铅镉复合改良剂用于稻田土壤改良的方法，其特征在于，步骤2）中，应用评价模型，确定稻田土壤污染程度的方式为：

通过公式

为P_Pb和P_Cd的平均值，P_Pb和P_Cd的计算公式为：

；

；式中C_Pb和C_Cd为采样点土壤中Pb、Cd元素含量；综合污染物指数分级标准共5个等级，分别为P_综≤0.7为清洁，0.7＜P_综≤1 为轻微污染，1＜P_综≤2 为轻度污染，2＜P_综≤3 为中度污染，P_综＞3 重度污染。