CN103143559A - 一种修复重金属污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种修复重金属污染土壤的方法，所述方法的整体过程如下：首先在土壤上繁育藻类，随后利用藻类能够吸收重金属离子的特性，让藻类在生长过程中大量吸附重金属离子，当藻类生长较为旺盛之后养殖蚯蚓，蚯蚓喜食土壤中的有机物，藻类成为蚯蚓进食的首选，这样藻类携带着重金属离子便被蚯蚓吞食，重金属离子随着藻类有机质一起被蚯蚓的消化系统吸收，因此重金属在蚯蚓体内富集。最后通过收获蚯蚓的方式将重金属从土壤系统中移除出去。

Description

一种修复重金属污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及一种修复重金属污染土壤的方法。

背景技术

土壤是地球表面具有肥力、能生长植物的疏松表层，它是人类赖以生存发展所必需的生产资料，也是人类社会最基本、最重要、不可替代的自然资源，因此对土壤环境的保护已引起广泛关注。在土壤的污染物中，重金属污染是一类典型的优先控制污染物。许多环境公害事件，如日本的骨痛病(1931～1972)等均由于重金属污染造成，对重金属污染土壤的修复至关重要。目前，全世界平均每年排放的数万吨汞、数百万吨铜、铅、数千万吨锰都将以各种方式进入土壤，我国受镉、砷、铬、铅等重金属污染的耕地面积已占总耕地面积的1/5，涉及11个省25个地区，每年因此造成的经济损失达300多亿元。这种普遍存在的土壤污染，需要经济、安全的生态修复技术才能予以广泛解决。

现有的重金属污染土壤修复技术主要包括化学法(化学固定化和稳定化、化学还原)、隔离包埋法、热冶分离法、电修复法、微生物修复法、植物修复法、吸附法和清洗法等，但这些方法均存在一定的局限性。但是，目前的土壤修复技术一般都存在成本高、二次污染严重、操作复杂、修复周期长的缺陷。化学法改变土壤的性质，处理费用高，且存在二次污染，隔离包埋法仅将重金属进行了隔离，对土壤生态仍存在潜在危险；电修复法技术较不成熟；热冶分离法不适合现场操作，处理费用高、适用范围窄；微生物修复法利用的载体是微生物活体，污染物的非连续分布会隔断微生物运动，因此处理周期长，且与土著微生物竞争有机营养物作底物，容易失去活性；植物修复法修复周期长(几十年甚至几百年)，存在植物的后续处理问题；电修复只适用于小面积污染，现场操作难度大；吸附法存在易饱和、成本高、效率低的缺点；相对于上述其他方法，清洗法具有周期短，成本低的优点，但当采用化学试剂时，容易影响土壤环境，造成二次污染。

发明内容

本发明提供了一种全新的修复重金属污染土壤的方法，该方法主要包括如下两个步骤：

(1)将重金属从土壤团聚体中分离出来并进行富集；

(2)将步骤(1)中获得的重金属富集体从土壤环境中移除。

具体地来说，上述步骤(1)中将重金属从土壤团聚体从分离并富集的方法是通过在土壤中接种具有吸收、富集重金属的藻类进行的，具体包含如下步骤：

A、获取微藻并将其在液体培养液中进行培养，将处于对数生长期的微藻培养液进行稀释，用培养液将藻类细胞密度稀释至10³-10⁴/L^-1；

B、将步骤A中获得的稀释后的含藻类培养液喷洒到目标土壤上，喷洒时日平均温度不低于15摄氏度，喷洒后如果土壤比较干燥，则对土壤进行浇灌，至土壤含水量达到10％(重量)以上；

C、保持土壤湿度，使其藻类能正常生长，20～40天后即可采取下一步措施。

上述步骤A中提到的微藻包括但是不限于小球藻属(chlorella sp)，筒柱藻属(cylindrothecasp.)，硅藻(diatom)，菱形藻(Nitzschia sp.)，裂壶藻(schizochytrium sp.)，杜氏藻属(dunaliella)，栅藻(Scenedesmus sp.)，微绿球藻(Nannochloris sp.)，衣藻属(chlamydomonas sp.)，扁藻(Tetraselmis sp.)，空球藻属(Eudorina sp.)等。步骤A中提到的培养液包括但不限于BG-11培养基、F/2培养基、walne培养基、TAP培养基以及其他任何经过修改的微藻培养基。

优选地，上述步骤A中使用的微藻是从尾矿场的尾矿表面生物结皮中获取的微藻。具体地说包含以下步骤。

b、铲取尾矿表面的生物结皮，将其轻轻揉碎，并将其过60～100目筛，这样能去除大部分尾矿砂，获得结皮中的藻类及苔藓的混合物；

b、将步骤a中获得的藻类及苔藓混合物置于常规藻类液体培养基中培养，培养方法按常规藻类培养方法进行，随后对藻类进行分离，获得可使用的含藻类的培养液。

上面提到的尾矿是指矿山企业在选矿完成后排放的废渣矿渣，一般会由于长时间积累而形成尾矿库，一般尾矿中都含有较高含量的重金属，其含有的主要重金属种类根据矿藏种类的不同而不同，常见的其所含有的重金属有铜，铁，锌，镉，铬，铅等。

上面提到的尾矿表面的生物结皮是指，在尾矿表面由细菌、真菌、藻类、苔藓植物等生命有机体与表层尾矿共同形成的复合体。藻类和苔藓作为最早定居的先锋植物，在生物结皮中占主要部分，而且有很多研究表明，结皮中的藻类一方面对重金属有着高耐受度，在高重金属浓度下仍具有较强生命力，另一方面结皮中的藻类具有较好的吸附重金属的能力。

具体地来说，上述步骤(2)中将步骤(1)中获得的重金属富集体从土壤环境中移除的方法是指通过在经过步骤(1)处理过的土壤中养殖并收获蚯蚓而完成的。

上述养殖的蚯蚓包括但不限于：背暗异唇蚓、赤子爱胜蚓、红正蚓、直隶环毛蚓、秉氏环毛蚓、参环毛蚓、微小双胸蚓、爱胜双胸蚓、威廉环毛蚓、微小双胸蚓、杜拉蚓、通俗环毛蚓、湖北环毛蚓和双颐环毛蚓。

在选择养殖的蚯蚓种类时需要考虑土壤环境，例如，微小双胸蚓、爱胜双胸蚓等适于在PH3.7-4.7的酸性土壤中生活，而且耐寒、喜水，因此可用来改造北方土壤偏酸、含水量大、阴凉的泥炭地。背暗异唇蚓、威廉环毛蚓、微小双胸蚓和通俗环毛蚓喜水，适于在地下水位高或江、湖、水库、河沟等水边潮湿土壤中生活。那些水位低的干旱地区，可以考虑饲养耐旱的杜拉蚓。在砂质土壤地区，可养殖喜欢砂居的湖北环毛蚓和双颐环毛蚓。

根据土壤情况，有时需要在投放蚯蚓之前对土壤进行处理。当土壤不够松软，有板结情况时需要进行松土操作。投放蚯蚓后需要注意不能让土壤过于干燥，必要时需对土壤进行浇灌。

当蚯蚓数量达到饱和时，就可以收获一部分蚯蚓，收获的蚯蚓可以根据其种类加以利用，但是在利用时需要注意这些蚯蚓体内具有较高重金属含量。

本发明所述方法的整体过程如下：首先在土壤上繁育藻类，随后利用藻类能够吸收重金属离子的特性，让藻类在生长过程中大量吸附重金属离子，当藻类生长较为旺盛之后养殖蚯蚓，蚯蚓喜食土壤中的有机物，藻类成为蚯蚓进食的首选，这样藻类携带着重金属离子便被蚯蚓吞食，重金属离子随着藻类有机质一起被蚯蚓的消化系统吸收，因此重金属在蚯蚓体内富集。最后通过收获蚯蚓的方式将重金属从土壤系统中移除出去。

本发明具有以下几个特点：

1、采用生物材料进行重金属去除，没有二次污染的风险，而且藻类与蚯蚓均属于生长快速的生物，整个处理修复的周期相较其他生物修复要短得多。

2、选材简单且易于获得，成本低廉，易于操作，非专业人士亦可使用该法对土壤进行修复。

3、在修复土壤的过程中能获得副产品(蚯蚓)，可以带来一定的经济利益，另外在移除重金属的过程中，由于蚯蚓的活动，也可以对土壤的其他性状带来改善，为土壤的再利用，尤其是农业方面的再利用提供了良好的基础。

本发明也有自身的局限性，一方面由于藻类的生长不可能深入土壤，蚯蚓也一般仅限土壤表层活动，因此本方法一般仅对表层20厘米左右的土壤具有良好的重金属去除作用，而对深层土壤的重金属去除无能为力。另一方面，由于藻类的生长需要一定的环境，尤其是其对重金属的耐受和吸附有一定的限度，因此本方法仅对重金属污染程度不高的土壤具有良好的修复作用，而对重金属重度污染的土壤的修复效果一般。

具体实施方式

下面结合具体实施例对上述发明内容做进一步阐述。下面提到的土壤重金属含量是通过王水提取法结合原子吸收分光光度法测定的，所采集土壤样品为土壤表面至15厘米深的柱状样品。蚯蚓体内重金属含量的测定，首先将活的蚯蚓置于培养皿中吐泥3天，用蒸馏水洗净，冷冻致死，于烘箱中105摄氏度烘4小时，取出冷却后研磨过20目筛，随后取蚯蚓粉末与烧杯中，用浓硝酸与高氯酸进行消化处理，随后用原子吸收分光光度法测定。具体每种重金属元素的分光光度法测定条件不再一一赘述。

实施例1

江苏省宜兴市某村，其一块农业用地被某企业长期堆放铁矿渣，在环境整治过程中铁矿渣被去除，但是表层土壤已受到重金属污染，该土壤属于砂黄壤。

2012年5月，将土壤进行松土，松土深度约为10-20厘米，使用来自安徽铜陵铁尾矿上生物结皮中提取的藻类，将其培养至对数生长期，随后将其稀释成10³/L^-1喷洒至土壤中。一个多月之后，肉眼可见土壤表面以及土壤内部已经长了很多绿色以及褐色藻类。随后投放蚯蚓，投放蚯蚓的种类为湖北环毛蚓。投放蚯蚓后两个多月可见蚯蚓数量显著增加，收获大约半数的蚯蚓，收获的蚯蚓作为鱼饵销售。在两个月之后再次收获大部分蚯蚓，并出售。

表1显示了修复前、修复中、修复后土壤以及投放的和收获的蚯蚓体内的重金属含量。修复中的数据是在第一次收获蚯蚓时测定。

表1

	铜(mg/kg)	镉(mg/kg)	铬(mg/kg)	铅(mg/kg)
					修复前土壤	354.1	17.4	221.6	180.9
修复中土壤	190.2	9.1	176.1	124.3
					修复后土壤	115.6	2.1	104.2	68.5
投放的蚯蚓	131.5	3.6	126.2	64.6
					收获的蚯蚓	17573.2	1265.2	7507.2	5364.1

可以看到，土壤中的重金属含量显著减少，蚯蚓体内的重金属含量显著增加，本发明所述方法取得良好的土壤修复效果。

实施例2

江苏省金坛市某村，其一块农业用地因某企业私排污水而造成重金属污染，该重金属污染以镉污染为主，该土壤属于砂黄壤。

2012年5月，将土壤进行松土，松土深度约为20厘米，使用来自安徽铜陵铜尾矿上生物结皮中提取的藻类，将其培养至对数生长期，随后将其稀释成10⁴/L^-1喷洒至土壤中。一个多月之后，肉眼可见土壤表面以及土壤内部已经长了很多绿色以及褐色藻类。随后投放蚯蚓，投放蚯蚓的种类为湖北环毛蚓。投放蚯蚓后两个多月可见蚯蚓数量显著增加，收获大约半数的蚯蚓，收获的蚯蚓作为鱼饵销售。在两个月之后再次收获大部分蚯蚓，并出售。

表2显示了修复前、修复中、修复后土壤以及投放的和收获的蚯蚓体内的重金属含量。修复中的数据是在第一次收获蚯蚓时测定。

表2

	铜(mg/kg)	镉(mg/kg)	铬(mg/kg)	铅(mg/kg)
					修复前土壤	251.6	35.1	264.6	163.2
修复中土壤	164.3	16.1	165.8	104.4
					修复后土壤	123.4	6.1	114.9	54.2
投放的蚯蚓	131.5	3.6	126.2	64.6
					收获的蚯蚓	14870.5	1653.9	5902.5	5981.3

可以看到，土壤中的重金属含量显著减少，蚯蚓体内的重金属含量显著增加，本发明所述方法取得良好的土壤修复效果。

实施例3

江苏省宜兴市某村，其一块农业用地因某企业私排污水而造成重金属污染，该重金属污染以铅污染为主，该土壤属于砂黄壤。

2012年5月，将土壤进行松土，松土深度约为20厘米，使用来自安徽铜陵铜尾矿上生物结皮中提取的藻类，将其培养至对数生长期，随后将其稀释成10⁴/L^-1喷洒至土壤中。一个多月之后，肉眼可见土壤表面以及土壤内部已经长了很多绿色以及褐色藻类。随后投放蚯蚓，投放蚯蚓的种类为湖北环毛蚓。投放蚯蚓后两个多月可见蚯蚓数量未见增加，反而有明显减少，取出土壤和蚯蚓作为测试样品，在两个月之后再次取出蚯蚓和土壤作为测试样品。

表3显示了修复前、修复中、修复后土壤以及投放的和收获的蚯蚓体内的重金属含量。修复中的数据是在第一次收获蚯蚓时测定。

表3

	铜(mg/kg)	镉(mg/kg)	铬(mg/kg)	铅(mg/kg)
					修复前土壤	1215.2	74.1	1671.6	5321.2
修复中土壤	1144.5	66.1	1335.8	5013.5
					修复后土壤	1087.1	64.0	1164.9	4918.3
投放的蚯蚓	131.5	3.6	126.2	64.6
					收获的蚯蚓	20870.5	2053.9	7902.5	6881.3

可以看到，土壤中的重金属含量并没有显著减少，虽然蚯蚓体内的重金属含量显著增加，但是由于重金属浓度过高，蚯蚓种群非但没有增殖，反而日益减少，因此本发明所述方法未取得良好的土壤修复效果。这说明本发明所述的方法不适用于重金属重度污染的土壤。

对比试验

本发明的创新点在于将藻类对重金属的吸附作用以及蚯蚓对藻类的采食有机地结合起来，从而对土壤中的重金属起到良好的去除效果。事实上蚯蚓对重金属的去除作用早有研究，因此发明人还做了一系列对比试验，以观察本发明的效果。

以实施例1中的土壤为样本，在进行实施例1的同时，开辟了一小块样地用于对照试验，该对照组不进行含藻类培养液的喷洒，也就是不投放藻类，但投放蚯蚓以及后续管理与实施例1相同。表4是对照样地的相关数据，将表4和表1比较，对照与实施例1之间的差异非常明显。蚯蚓富集重金属的能力显著下降，尤其以金属铅和铜最为明显。这充分说明了将藻类的投放与蚯蚓的投放结合起来对修复重金属污染的土壤的积极作用。

表4

	铜(mg/kg)	镉(mg/kg)	铬(mg/kg)	铅(mg/kg)
					修复前土壤	354.1	17.4	221.6	180.9
修复中土壤	330.6	14.1	204.4	175.2
					修复后土壤	308.4	9.3	186.2	169.7

投放的蚯蚓	131.5	3.6	126.2	64.6
					收获的蚯蚓	1456.2	650.1	1542.7	130.1

本领域技术人员可以根据本发明公开的内容和所掌握的本领域技术对本发明内容作出替换或变型，但是这些替换或变型都不应视为脱离本发明构思的，这些替换或变型均在本发明要求保护的权利范围内。

Claims (5)

1.一种修复重金属污染土壤的方法，该方法包括如下两个步骤：

(1)将重金属从土壤团聚体中分离出来并进行富集；

(2)将步骤(1)中获得的重金属富集体从土壤环境中移除。

2.权利要求1中所述的修复重金属污染土壤的方法，其特征在于：

其中步骤(1)中将重金属从土壤团聚体从分离并富集的方法是通过在土壤中接种具有吸收、富集重金属的藻类进行的，具体包含如下步骤：

A、获取微藻并将其在液体培养液中进行培养，将处于对数生长期的微藻培养液进行稀释，用培养液将藻类细胞密度稀释至10³-10⁴/L^-1；

B、将步骤A中获得的稀释后的含藻类培养液喷洒到目标土壤上，喷洒时日平均温度不低于15摄氏度，喷洒后如果土壤比较干燥，则对土壤进行浇灌，至土壤含水量达到10％(重量)以上；

C、保持土壤湿度，使其藻类能正常生长，20～40天后即可采取下一步措施；

而且上述步骤A中提到的微藻包括但是不限于小球藻属(chlorella sp)，筒柱藻属(cylindrotheca sp.)，硅藻(diatom)，菱形藻(Nitzschia sp.)，裂壶藻(schizochytrium sp.)，杜氏藻属(dunaliella)，栅藻(Scenedesmus sp.)，微绿球藻(Nannochloris sp.)，衣藻属(chlamydomonas sp.)，扁藻(Tetraselmis sp.)，空球藻属(Eudorina sp.)等；步骤A中提到的培养液包括但不限于BG-11培养基、F/2培养基、walne培养基、TAP培养基以及其他任何经过修改的微藻培养基。

3.权利要求2中所述的修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，

其中步骤A中使用的微藻是从尾矿场的尾矿表面生物结皮中获取的微藻，具体地说包含以下步骤：

a、铲取尾矿表面的生物结皮，将其轻轻揉碎，并将其过60～100目筛，去除大部分尾矿砂，获得结皮中的藻类及苔藓的混合物；

b、将步骤a中获得的藻类及苔藓混合物置于常规藻类液体培养基中培养，培养方法按常规藻类培养方法进行，随后对藻类进行分离，获得可使用的含藻类的培养液。

4.权利要求1或2中所述的修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，

其中步骤(2)中将步骤(1)中获得的重金属富集体从土壤环境中移除的方法是指通过在经过步骤(1)处理过的土壤中养殖并收获蚯蚓而完成的，上述养殖的蚯蚓包括但不限于：背暗异唇蚓、赤子爱胜蚓、红正蚓、直隶环毛蚓、秉氏环毛蚓、参环毛蚓、微小双胸蚓、爱胜双胸蚓、威廉环毛蚓、微小双胸蚓、杜拉蚓、通俗环毛蚓、湖北环毛蚓和双颐环毛蚓，根据土壤情况，有时需要在投放蚯蚓之前对土壤进行处理，当土壤不够松软，有板结情况时需要进行松土操作，投放蚯蚓后需要注意不能让土壤过于干燥，必要时需对土壤进行浇灌。

5.权利要求4中所述的修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，当蚯蚓数量达到饱和时，就可以收获一部分蚯蚓，收获的蚯蚓可以根据其种类加以利用，但是在利用时需要注意这些蚯蚓体内具有较高重金属含量。