CN103788958A - 以活性污泥为原料的污染土壤顶层修复材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种以活性污泥为原料的污染土壤顶层修复材料，包括粉煤灰、活性污泥、蚯蚓粪、缓冲剂、蛭石，其中粉煤灰、活性污泥、蚯蚓粪、缓冲剂、蛭石占原料总重量的重量百分比分别为20-40%、35-55%、20-40%、0.2-10%、4-5%。上述修复材料的制备方法：（1）将不同粒径的粉煤灰进行混合，之后添加配方量的蛭石并充分混合；（2）将步骤（1）中得到的混合物与配方量的污泥、蚯蚓粪和缓冲剂混合，在混合过程中添加水；（3）将步骤（2）中得到的混合物中加入水进行发酵处理；（4）将发酵后所得的混合物磨细过筛，形成与壤土组成粒径相似的材料。本发明制得的产品成本低、效果好，工艺简单，适合于大面积的污染土壤的修复和改良。
Description
技术领域
本发明涉及一种污染土壤顶层修复材料的配制原料和配制方法，属于环境修复领域。
背景技术
污染土壤顶层修复材料是指在污染土壤的顶层铺设5-10cm的修复材料，在修复材料中种植特定植物，通过修复材料中化学元素、微生物以及植物的吸附作用，将污染土壤中的重金属、有机物等有害物质钝化、去除，以达到修复污染土壤的目的。污染土壤顶层修复材料中不仅富含确保植物生长的水、肥、气等因子，而且含有能钝化污染土壤重金属生物有效性的作用，在进行修复的过程中，能利用植物的富集作用去除重金属，同时可以钝化污染土壤中游离的重金属元素，使有害物质不进入到人和动物的代谢圈。
在环境修复方面，我国已有一定程度的研究，但是总体上修复方式和修复效果有待于进一步完善。目前污染土壤的修复主要有物理方法、化学方法和生物方法。
物理方法：包括排土克土法和电动修复发。因为土壤中重金属主要集中在表层中，采用排土（挖去污染土壤）、客土（用非污染土壤覆盖于污染土壤之上），可以获取理想的改良效果。但此方法耗费大量的劳动力，并需要找到大量的客土来源，排出的污染土壤还需要妥善处理，以防止造成二次污染，因此这种方法只适于小面积的污染土地。电动修复法指的是在土壤上施加直流电压，导致土壤中的污染物在电场作用下进行电迁移、电渗流和电泳等，通过电场在电极附近由溶液导出污染物，并与离子交换、生物降解等方法结合，以实现污染土壤的修复。但是这种方法只能去除离子态和胶体态的重金属离子，效果不佳，同时需要耗费大量的资源，修复费用高，不适用于大面积的土壤污染。
化学方法：化学修复是通过向土壤中加入固化剂、有机质、化学试剂等，改变土壤的PH和Eh等理化性质，经还原、沉淀、吸附、螯合络合等作用来使污染物毒性去除或降低的修复技术。化学方法可以改变有毒物质在土壤中的迁移方向，，使其被淋洗或转化为难溶物质，减少被作物析出的机会。这种方法能在较短的时间内取得效果，但是因为加入一些化学物质，有可能造成二次污染，而且这种方法只能将有害物质钝化，很难将其去除，此外随着外界环境的变化，其稳定有待于进一步考证。
生物方法：生物修复是利用生物的生命代谢活动减少土壤环境中有毒有害物质浓度或使其无害化，从而使污染了的土壤环境能够部分或完全的恢复到原始状态的过程。通常包括植物吸附、微生物降解、动物降解等。生物方法因为其取得效果好，且经济、绿色、清洁及不会造成二次污染，受到人们的青睐，但是生物修复所需要的周期较长。
因此，需要一种新的污染土壤顶层修复材料。
发明内容
本发明的目的提供一种以活性污泥为原料的污染土壤顶层修复材料及其制备方法，本发明将物理方法、化学方法、生物方法有效的结合起来，配制一种污染土壤的顶层修复材料，利用当地的粉煤灰和污泥等废弃物，结合理化性质非常优良的蚯蚓粪进行不同比例的混合，同时加入一定量的缓冲剂，之后保持一定的含水率和温度范围进行发酵，最终配制成与成熟土壤理化性质相似、适合植物生长、具有土壤修复功能的新型材料，综合修复污染土壤，以达到去除、钝化有害物质的目的，配制过程简便，修复成本低。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种以活性污泥为原料的污染土壤顶层修复材料，包括粉煤灰、活性污泥、蚯蚓粪、缓冲剂、蛭石，其中粉煤灰、活性污泥、蚯蚓粪、缓冲剂、蛭石占粉煤灰、活性污泥、蚯蚓粪、缓冲剂、蛭石总重量的重量百分比分别为20-40%、35-55%、20-40%、0.2-10%、4-5%。
上述以活性污泥为原料的污染土壤顶层修复材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将不同粒径的粉煤灰进行混合，之后添加配方量的蛭石并充分混合；
（2）将步骤（1）中得到的混合物与配方量的活性污泥、蚯蚓粪和缓冲剂混合，在混合过程中添加水，并在混合的过程中用力挤压使其充分混匀；
（3）将步骤（2）中得到的混合物中加入水，保持含水率在50-80%之间，保持温度在15-40℃之间，进行发酵处理，发酵时间为30-60天；
（4）将发酵后所得的混合物磨细过筛，形成与壤土组成粒径相似的材料，最终形成与成熟土壤理化性质相似的污染土壤顶层修复材料。
进一步地，步骤（1）所述粉煤灰的粒径为1-5mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
①蚯蚓粪理化性质优良，可显著增强修复效果。蚯蚓粪的颗粒均匀、无味卫生、保水透气能力比一般土壤高3倍，其中包含18种氨基酸，含有机质42.2%，有益菌达每克20万～2亿个。蚯蚓在消解禽畜粪便的过程中会分泌出大量的酶类物质，有益菌与酶类物质的共同作用会有效的分解污染土壤中难以分解的有毒物质，且消解速度也会有相应的提高。因此，蚯蚓粪的加入使修复材料的性能大大提升，修复效果和修复速度也显著提高。
②具有成熟壤土的机械结构，易于污染修复。土壤中是由粘粒、粉粒和砂粒组成的，并根据三种粒径的不同比例组成不同质地的土壤。污泥属于粘粒，粉煤灰根据不同的粒径有粉粒和砂粒两种粒径，本发明根据壤土的机械组成进行不同原料的配比，使修复材料具有壤土的机械组成。这样，修复材料更易与污染土壤进行扩撒和融合，更好的钝化和吸附污染土壤中的有毒物质，使污染土壤更快的得以修复。
③粉煤灰具有很好的空隙结构，为微生物的大量繁殖提供场所。粉煤灰内部疏松多孔，是一种比表面积很大的材料，在井陉原材料的混合时，用力挤压，污泥中的粘粒充分与粉煤灰结合起来，污泥中大量的微生物进入到粉煤灰的孔径中去，这就为微生物的大量繁殖提供了有力的场所。微生物的大量繁殖，为钝化、吸收污染土壤中的有毒物质具有积极作用，提高修复效果。
④新型修复材料具有很强的缓冲性能。本发明中加入了一定量的缓冲剂，一方面可以缓解粉煤灰的碱性对修复植物的抑制，一方面可以增加新型修复材料的缓冲性能，使其能适应较大酸碱范围污染土壤的修复。污染土壤可能是酸性的也可能是碱性的，缓冲剂的加入可以使其具有更广泛的应用范围，在不同酸碱度的土壤上发挥更大的中作用。同时，可以缓解降水、酸雨等对土壤酸碱度的冲击，增强修复效果和应用范围。
⑤养分全面，安全稳定。污染土壤顶层修复材料中具有成熟土壤是理化性质，富含植物生长所需的各种营养物质，满足植物生长所需的水、肥、气、热等条件，确保植物能稳定生长。同时，粉煤灰具有固定污泥中重金属元素的功能，两者经过较长时间的发酵后，已形成了按全稳定的环境修复材料，其可被生物利用的重金属含量已经降低到农用标准值以下，因此新型材料的安全性完全可靠。
⑥加强固体废弃物的资源化利用。粉煤灰和污泥都是发电厂和污水处理厂的主要副产物，每年都要排放出大量粉煤灰和污泥。据不完全统计，2009 年中国产生的粉煤灰达 3.75 亿吨，相当于目前中国城市生活垃圾总量的两倍多，是中国工业固体废物的最大单一排放源，对我国的环境治理形成了极大的挑战。同时，近年来污泥每年的排放量为550～600万吨，并且还在快速增长，在一些大、中型城市污泥的出路问题已经十分突出。关于粉煤灰和污泥的资源化利用途径也进行了不同领域的研究，但是其资源化利用水平与国外相差甚远，且利用途径中的消解量也受到制约。本发明将两种废弃物综合起来利用，不仅能提供两种废弃物资源新型的利用途径，而且能大量消解两种废弃物，提供了其有效资源化利用的去向。因此，本发明技术能较好的将废弃物资源化利用。
⑦养分全面，安全稳定。污染土壤顶层修复材料中具有成熟土壤是理化性质，富含植物生长所需的各种营养物质，满足植物生长所需的水、肥、气、热等条件，确保植物能稳定生长。同时，粉煤灰具有固定污泥中重金属元素的功能，两者经过较长时间的发酵后，已形成了安全稳定的环境修复材料，其可被生物利用的重金属含量已经降低到农用标准值以下，因此新型材料的安全性完全可靠。
⑧因地制宜，综合修复污染土壤。在使用污染土壤顶层修复材料时，可根据原来土壤的性质，进行原材料不同配比，得到适合当地土壤性质的顶层修复材料，真正实现因地制宜。使用时，将污染土壤修复材料铺在污染土壤上，厚度为5-10cm左右，在修复材料上种植上具有特定吸附作用的草类植物，所种植物为园艺植物，不进入食物链。污染土壤顶层修复材料中富含多种微生物和化学元素，因此新材料综合土壤修复的物理方法、化学方法和生物方法，利用微生物和化学物质将有害物质钝化，转化为稳定状态，使其不随着降雨而进入到水环境中，利用植物的富集作用，将有害物质转移到植物体内，再通过植株处理将土壤中的有害物质彻底清除。这样通过钝化和去除将污染土壤进行改良修复，效果显著。
⑨配制过程简便，修复成本低。污染土壤顶层修复材料利用固体废弃物资源——粉煤灰和污泥，其廉价易得，且数量巨大。蚯蚓粪可利用蚯蚓处理禽畜粪便产生，既可以消除禽畜粪便的二次污染的作用，也可以的得到一种养分充足、富含有益微生物、疏松多孔的绿色肥料，也是一种广泛是肥料资源。在配制和发酵过程中，工艺简单，且基本上能实现无动力发酵。因此，污染土壤顶层修复材料成本低、效果好，适合于大面积的污染土壤的修复和改良。
具体实施方式
一种以活性污泥为原料的污染土壤顶层修复材料，包括粉煤灰、活性污泥、蛭石，其中粉煤灰、活性污泥、蚯蚓粪、缓冲剂、蛭石占粉煤灰、活性污泥、蚯蚓粪、缓冲剂、蛭石总重量的重量百分比分别为20-40%、35-55%、20-40%、0.2-10%、4-5%。
上述以活性污泥为原料的污染土壤顶层修复材料的制备方法，包括如下步骤：
（1）将不同粒径的粉煤灰进行混合，之后添加配方量的蛭石并充分混合；
（2）将步骤（1）中得到的混合物与配方量的污泥、蚯蚓粪和缓冲剂混合，在混合过程中添加水，并在混合的过程中用力挤压使其充分混匀；
（3）将步骤（2）中得到的混合物中加入水，保持含水率在50-80%之间，保持温度在15-40℃之间，进行发酵处理，发酵时间为30-60天；
（4）将发酵后所得的混合物磨细过筛，形成与壤土组成粒径相似的材料，最终形成与成熟土壤理化性质相似的污染土壤顶层修复材料。
步骤（1）粉煤灰的粒径为1-5mm。
实施例一
1 材料与方法
1.1 实验设计
实验于2013年7月18日—2013年10月30日在扬州大学环境学院实验室进行。试验中所用的材料为污泥、粉煤灰和蛭石，污泥取自汤汪污水处理厂，粉煤灰取自扬州华电发电厂，蛭石买自石家庄灵寿县。按照成熟土壤的机械组成进行试验方案的配比，具体的试验配比如下表1和表2。
表1 粉煤灰的配比组成
| 二级灰 | 三级灰 | 蛭石 | |
| 比例（%） | 30 | 60 | 10 |
表2 新成土的原料配比
| 处理 | 污泥（%） | 粉煤灰（%） | 蚯蚓粪（%） |
| TA | 10 | 80 | 10 |
| TB | 20 | 60 | 20 |
| TC | 30 | 40 | 30 |
| TD | 40 | 20 | 40 |
| TE | 50 | 30 | 20 |
| TH | 60 | 20 | 20 |
方案中的百分比按照重量配比，每个配比中添加相同质量的缓冲剂（2%乙酸铵），将所有配方量的材料混合均匀，放入21cm*16cm*7cm的盒子中，每个处理三个重复，含水率控制在70%-80%之间，在盒子上面附上一层保鲜膜进行发酵处理，发酵时间为80天。发酵稳定后，每盆技术新成土中播入2g黑麦草种子，黑麦草生长两周后进行测量。
1.2 取样与分析
取样采用多点取样法，已消除其个体差异。
1.2.1 黑麦草长势分析 包括株高、茎粗、生物量、叶绿素含量。株高采用直尺测量，测量其地上部分到达植株生长最高点的长度；茎粗采用游标卡进行测量；生物量采用称重法，对第一次收割后黑麦草地上部分全部进行称重测量；叶绿素含量主要采用酒精浸提-分光光度法测量。
1.2.2 黑麦草根系分析 主要包括根长、根表面积、根直径、根体积。利用根系扫描仪进行测量。
1.2.3黑麦草的养分含量分析 主要包括植株中氮磷钾的含量。测量的是鲜样，全氮采用H2SO4-H2O2消煮-靛酚蓝比色法；全磷采用H2SO4-H2O2消煮-钼锑抗比色法；全钾采用H2SO4-H2O2消煮-火焰光度计法。
1.2.4 数据分析 采用Word Office 2003软件和SPSS18.0软件对实验数据进行整理和统计分析。
2结果与分析
2.1不同配比技术新成土对黑麦草长势的影响
在试验中，于2013年10月8日进行播种，2013年10月23日进行测量，主要测量株高、茎粗、生物量、叶绿素含量，其具体数据如表3所示。
表3 黑麦草生物量、株高、茎粗、叶绿素数据
由表3中的数据可以看出，地上鲜重、株高、茎粗、叶绿素含量随着污泥添加百分比的增加呈现出先增加后减少的趋势，其中地上鲜重在污泥添加量为40%时达到最大值，是最小值的1.41倍，；株高、茎粗、叶绿素含量均在污泥添加量为50%时达到最大值，与最小值相比，其分别增加了52.5%、58.7%和78.4%，效果十分显著。叶绿素含量与污泥和粉煤灰的添加量都有显著的相关性，相关系数分别为0.861**和-0.830**。
2.2 不同配比技术新成土对黑麦草根系生长的影响
黑麦草经过15天的生长后，对其根系进行扫描，其数据如表4所示。
表4 黑麦草根长、根表面积、根直径和根体积数据
| 样品 | 根长（cm） | 根表面积（cm2） | 根直径（mm） | 根体积（cm3） |
| TA | 21.56±9.288ab | 2.76±1.205ab | 0.41±0.002c | 0.028±0.013ab |
| TB | 16.43±1.621a | 1.71±0.093a | 0.33±0.015ab | 0.014±0.000a |
| TC | 23.27±5.146ab | 2.08±0.521ab | 0.28±0.008a | 0.015±0.004a |
| TD | 45.09±9.544c | 5.22±1.176c | 0.32±0.017ab | 0.041±0.008b |
| TE | 30.35±7.630ab | 2.88±0.410ab | 0.31±0.027ab | 0.022±0.001a |
| TH | 25.30±2.785ab | 2.93±0.383ab | 0.37±0.010bc | 0.027±0.004ab |
由表4中的数据可以看出，根长、根表面积、根直径、根体积随着污泥添加量的增加没有明显的变化规律，其中TB处理是各项指标的最小值，TD处理达到根长、根表面积和跟体积的最大值，根直径在TA处达到最大值。蚯蚓粪的添加量与根长、根表面积、根直径有显著相关性，相关系数分别为0.651*、0.624*、-0.617*，根系生长情况与蚯蚓粪的添加量有很大的影响。
2.3 不同配比技术新成土对黑麦草养分含量的影响
在黑麦草生长15天后，对黑麦草鲜样中的全氮、全磷、全钾含量进行了测定，其鲜样中全氮、全磷、全钾含量随着污泥添加的百分比的变化趋势如表5所示。
表5 黑麦草鲜样中全氮、全磷、全钾含量数据
由表5可以看出，全钾含量随着污泥添加量的增加呈现出现增加后减少的趋势，在TD处理时达到最大值，与最小值相比增加了55.2%；全磷含量随着污泥添加量的增加整体上成递增的趋势，在污泥添加量为60%时达到最大值，与最小值相比分别增加了57.1%，全氮含量在不同处理之间没有规律性的变化，在TF处取得最大值，与最小值相比，全氮含量增加了42.6%。其中粉煤灰的添加量与全钾、全磷、全氮含量成极显著的负相关性，相关系数分别为-0.761**、-0.822**、-0.494*；污泥的添加量与全钾、全磷、全氮含量成极显著的正相关性，相关系数分别为0.622**、0.929**、0.586*；全钾含量与蚯蚓粪的添加量由显著的相关性，相关系数为0.605*，这说明三种原材料均对植株中的养分含量造成了显著的影响。
3小结
通过实验数据可以看出，不同配比的污染土壤顶层修复材料对黑麦草的生长有很大的影响。污泥中含有植物生长所需的营养元素和微生物，充当土壤中有机成分；粉煤灰是一种疏松多孔的矿物质，含有丰富的金属元素和微量元素，充当土壤中的无机成分；蚯蚓粪中养分含量充足，疏松多孔，友谊微生物种类繁多，并含有大量刺激植物生长的酶类物质，是一种优良的肥料；同时，粉煤灰多孔的性质可以为微生物的生长提供较好的环境，污泥和粉煤灰按照不同比例混合，可以配比出不同质地的污染土壤顶层修复材料，可根据修复土壤的质地来选择不同的原料配比，因地制宜的进行环境修复。因此，本发明具有很强的创新性。
从黑麦草的长势来看，污泥添加量为40%时，黑麦草的地上鲜重、根长、根表面积、根体积、全钾值均达到最高点，污泥添加量为50%时株高、茎粗、叶绿素达到最大值，污泥添加量为60%时，根直径、全磷、全氮达到最大值。综合判断黑麦草的各项指标，可以得出污泥添加量在40-60%，粉煤灰添加量在20-40%之间，蚯蚓粪添加量在20-40%之间时，黑麦草的生长很好。因此，污染土壤顶层修复材料能促进植物生长，达到环境修复的效果。
Claims (3)
1. 一种以活性污泥为原料的污染土壤顶层修复材料，其特征是，包括粉煤灰、活性污泥、蚯蚓粪、蛭石，其中粉煤灰、活性污泥、蚯蚓粪、缓冲剂、蛭石占粉煤灰、活性污泥、蚯蚓粪、缓冲剂、蛭石总重量的重量百分比分别为20-40%、35-55%、20-40%、0.2-10%、4-5%。
2. 如权利要求1所述的以活性污泥为原料的污染土壤顶层修复材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）将不同粒径的粉煤灰进行混合，之后添加配方量的蛭石并充分混合；
（2）将步骤（1）中得到的混合物与配方量的污泥、蚯蚓粪和缓冲剂混合，在混合过程中添加水，并在混合的过程中用力挤压使其充分混匀；
（3）将步骤（2）中得到的混合物中加入水，保持含水率在50-80%之间，保持温度在15-40℃之间，进行发酵处理，发酵时间为30-60天；
（4）将发酵后所得的混合物磨细过筛，形成与壤土组成粒径相似的材料，最终形成与成熟土壤理化性质相似的污染土壤顶层修复材料。
3. 根据权利要求2所述的以活性污泥为原料的污染土壤顶层修复材料的制备方法，其特征是，步骤（1）所述粉煤灰的粒径为1-5mm。
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