CN103817145B - 一种镉污染农田土壤的治理方法 - Google Patents

Abstract

本发提供了一种综合防渗隔离、化学稳定化处理、植物修复等技术措施的镉污染农田土壤原位治理方法，包括采样检测、划定修复范围、理顺水系、剥离表土、碾压底层、铺填粘土、铺设防渗隔离膜、回填表土并加入化学稳定剂、植物种植及收割、焚烧灰化、灰分稳定化及固化处理、终端处置等技术步骤。具有就地处理，流程简单，便于施工，见效快，效率高，成本低等优点，推广应用前景广阔。

Description

一种镉污染农田土壤的治理方法

技术领域

本发明提供了一种镉污染农田土壤的治理方法，尤其涉及一种综合防渗隔离、化学稳定化处理、植物修复等技术措施的镉污染农田土壤原位治理方法。

背景技术

镉是人体非必需元素，在自然界中常以化合物状态存在，一般含量很低，正常环境状态下，不会影响人体健康。当环境受到镉污染后，镉可在生物体内富集，通过食物链进入人体引起慢性中毒。镉的毒性较大，被镉污染的空气和食物对人体危害严重，日本曾因镉中毒出现“骨痛病”。

我国受镉污染的土壤较多，导致湖南、广东、江西等一些地区屡屡出现镉米，引起了民众的广泛关注和对食品安全的忧虑。因镉不能被土壤中微生物降解、半衰期长、生物迁移性强，极易被植物吸收并累积，超过一定限度不仅严重影响作物的产量、品质，且可食部分极易通过食物链在人体内积累并危害人体健康。因此，研究镉污染土壤的治理方法与技术是十分必要的。

关于镉土壤污染的治理，目前主要采用农业生态修复法、原位植物修复法、异位化学稳定法等。农业生态修复法、原位植物修复法等都是利用植物持续吸收、耗竭的方式来降低土壤中的镉含量，虽有原位修复模式本身所具有的优点，但也存在治理周期较长，见效较慢等缺点；异位化学稳定法因要长距离运输和异地处理、终端处置等，存在过程长，环节多，管控难，成本高等缺陷，不利于处理大规模的镉面源污染土壤。

为此，本发明提供一种兼具农业生态修复法、原位植物修复法和异位化学稳定法的优点，又能避免长距离运输、异地处理等难题的镉污染土壤治理方法，具有就地处理，流程简单，便于施工，见效快，效率高，成本低等优势，推广应用前景看好。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能综合农业生态修复法、原位植物修复法和异位化学稳定法的优点，又能规避其缺陷的镉污染土壤治理方法。

为了达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案和步骤：

1、现场调研镉污染农田的土壤条件，采集不同深度的土壤样品，检测采集污染土壤中的镉含量，分析表层20～40cm土壤样品。这样做的理由是，所有修复工程都需要首先进行现场调查和勘验，以便划定修复的横向范围和纵向深度，为制定合理的修复方案提供第一手资料，也为后期评估治理效果奠定基础。重点分析表层20-40cm土壤样品，是因为农作物的根系较浅，一般只是分布在表层20～40cm的土壤内，同时，这也是本发明重点治理的目标土层。

2、按治理场地地形特点及土壤中镉的浓度分布，设置治理单元，并理顺每个治理单元的水系，主要措施为：沿场地治理单元四周深挖截水沟，阻拦治理场地外的来水，避免进入治理场地，场地内设置合理的防渗疏导及拦蓄设施，避免治理过程中污染元素镉随水外流。这样做的理由是：水系紊乱可能造成治理区水土流失及镉元素随水迁移而扩大污染范围，降低治理效果和效率。阻截治理区外的来水及治理区内的雨水外流，则可避免这种情况。

3、剥离表层20～40cm的土壤另放，然后碾压底层土壤(1)，直到不沉降为止。这样做的理由是，表层土是植物能够生长的熟化土壤，是重要的资源，也是治理的重点对象；碾压底层土壤(1)，则是为了最大程度地封闭底层土壤空隙及毛管，避免底层水分轻易地向上运移。

4、在碾压过的底层土壤(1)上铺填粘土层(2)，厚度10～20cm，清除其中的硬物，压实、压平，保持湿润、光滑。这样做的理由是，粘土层(2)作为隔离防渗膜(3)的垫层，要求平整、光滑、湿润、无硬块，这样才能使膜与垫层紧密粘结。

5、在粘土层(2)上铺设防渗隔离膜(3)。这样做的有益效果是，可以阻断膜上下层土壤之间的水盐交换，阻止表层土壤中镉离子向膜下的底层土壤(1)移动；同时，还可以减少土壤矿质营养元素的盐基离子随水淋失，提高肥料利用率。

6、根据检测数据，向表土中加入与镉离子等摩尔量的化学稳定剂硫化钠、碳酸氢铵、过磷酸钙、磷铵中的任何一种或多种的水溶液，混合均匀后回填，要求敲碎表土中的板结块，保持疏松。

这样做的理由是：

(1)加入化学稳定剂可使土壤溶液中的镉离子从活化游离态回归到钝化稳定状态，转变成极难溶解的化合物，具有极低的溶度积常数，大多是岩石的成分，即使这些元素沿土壤形成演变过程相反的方向回归到岩石钝化状态，从而达到治理镉污染土壤和恢复生态或耕作的目的。具体说明如下：

①加入硫化钠，可使土壤溶液中的镉离子转化成硫化镉。化学反应方程式如下：

Cd²⁺+S^2-＝CdS↓

CdS非常稳定，溶度积系数为3.6×10^-29。在自然界中，以CdS形式存在的镉极为稀少，只存于镉矿中，并只能在强酸作用下才能释放出游离态镉。可见，通过硫化钠稳定化处理游离态镉是可靠的。

②加入碳酸氢铵，可使土壤溶液中的镉离子最终转化成碳酸镉，其溶度积常数为5.2×10^-12，也是非常稳定的状态。同时，碳酸氢铵是一种氮肥，置换下来的NH₄ ⁺本身就是植物生长所需要的，相当于施底肥，具有双重功效。

③加入过磷酸钙或磷铵，都可使土壤溶液中的镉离子最终转化成磷酸镉，其溶度积常数为2.5×10^-33，是极其稳定的化合物；同时，磷铵还可释放出N素，亦相当于施底肥。

(2)敲碎表土板结块，保持疏松，可加快土壤溶液中游离的镉离子与所加入的化学稳定剂水溶液的反应进程，提升化学稳定化的效果。

7、在表土层(4)上种植植物，进行植物修复；在植物生长过程中，采用处理单元拦蓄的水进行灌溉。这样做的有益效果是：利用植物根系进一步吸收土壤中游离的镉离子，以便快速降低其含量。

具体作用与原理如下：

(1)步骤6所加入的化学稳定剂在土壤中同样存在运移的过程，需要与镉离子完全接触后才能完成反应。这个过程需要的时间与土壤质地等状况有关，种植植物可充分利用植物修复快速降低土壤中的游离态镉的含量。

(2)植物吸收一部分镉离子后，先前加入进去的硫化钠、碳酸氢铵、过磷酸钙、磷铵等化学稳定剂就存在一定程度的过量，这恰好相当于施肥，对提高土壤肥力有好处。

比如用硫化钠做化学稳定剂，因植物吸收Cd²⁺而使S^2-过量了，则相当于施硫肥，硫是植物生长所必须的中量元素，在土壤中也是很缺乏的矿质营养。很多地方的土壤都曾缺硫素，需要补施硫肥。

同样，用碳酸氢铵做化学稳定剂，则相当于施氮肥；

用过磷酸钙做化学稳定剂，因植物吸收Cd²⁺而过量了，则相当于施磷肥；

用磷铵做化学稳定剂，因植物吸收Cd²⁺而过量了，则相当于施磷肥和氮肥。

(3)采用处理单元拦蓄的水进行灌溉可以保证处理单元内地表因雨水淋洗而流失的游离态镉重新回到处理系统而被转化或提取。

8、定期收割植物地上部，进行焚烧灰化处理。这样做的理由是：通过植物富集、收割的方式，将土壤中的镉提取出来，并进行后续固定化处理。

9、取样检测灰分中的镉含量，并向灰分中加入等摩尔量的过磷酸钙水溶液，充分搅拌混合，搁置30分钟以上，再加入大于或等于灰分质量的水泥，调整水分，将混合物压成球状或块状，风干后填埋或堆存在隔绝雨水的地方。这样做的理由是，同步骤6一样，进行化学稳定化处理，使灰分中的镉转化成极难溶解的磷酸镉，回归到岩石稳定状态。同时，加入的水泥凝固后对磷酸镉还有进一步的封闭和包裹作用，并保持较强的碱性条件，使镉元素更加不易释放出来。

本发明较好的技术方案可以是，步骤5所述的防渗隔离膜(3)采用高密度聚乙烯(HDPE)膜。这样做的有益效果是，HDPE膜具有较高的强度和良好的延展性，不易划破，不易老化，经久耐用。

本发明较好的技术方案也可以是，步骤7种植植物时，先种植镉超富集或富集植物东南景天、印度芥菜、宝山堇菜、小白酒花、蒲公英、龙葵、天蓝遏蓝菜、三叶鬼针草中的一种或多种，待土壤游离态镉的含量完全降至安全标准后，再改种农作物。

这样做的理由是，镉超富集植物同时具备以下特征：①以干重计，植物地上部茎或叶的重金属含量超过临界标准100mg/kg；②植物地上部镉含量大于土壤中镉的含量；③植物地上部镉含量大于根部镉含量；④植物的生长没有表现出明显的镉毒害症状。

镉富集植物具备以下特征：①植物地上部镉含量大于根部镉含量；②植物的生长没有表现出明显的镉毒害症状；③植物地上部镉含量大于土壤中镉的含量，但以干重计,还没有达到镉超富集植物所要求的100mg/kg临界标准。

种植镉超富集或富集植物，可加快植物修复的进程，缩短治理周期，尽可能在较短的时间内使土壤回归正常，以提高土地的生产力。目前常用的镉超富集或富集植物主要有东南景天、印度芥菜、宝山堇菜、小白酒花、蒲公英、龙葵、天蓝遏蓝菜、三叶鬼针草等。可根据治理场地的土壤条件及气候环境选择合适的超富集植物进行种植。

从作用机理上讲，本发明包括了以下技术手段：

(1)物理阻隔手段：如布设防渗隔离膜(3)和处理单元内的雨水拦蓄及回灌；

(2)化学固定手段：如土壤和灰分中加入化学稳定剂；

(3)植物修复手段：如表层土(4)种植超富集植物或农作物。

上述技术手段的综合利用，使本发明既能综合农业生态修复法、原位植物修复法和异位化学稳定法的优点，又能规避这些方法的缺陷，具有就地处理，流程简单，便于施工，见效快，效率高，成本低等优势，推广应用前景广阔。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式进行更详细的说明。

图1是本发明治理镉污染土壤的剖面结构示意图。图中，1是底层土壤，2是粘土层，3是防渗隔离膜，4是表土层，5是植物。

图2是本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

实施例1

本发明首次在湖南某地镉污染农田进行测试，原为水稻田，后因镉污染而停种，供试治理面积为1500m²。

试验情况如下：

(1)现场调研镉污染农田的土壤条件，采集不同深度的土壤样品，重点采集表层30cm的土壤样品，检测其镉含量，平均达为15.6mg/kg，严重超过国家《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)中规定的农业用地中水田镉最高允许含量0.5mg/kg的标准。

(2)根据治理场地地形特点及土壤中镉的浓度分布，设置1个治理单元，理顺该治理单元的水系，主要措施为：沿场地治理单元四周深挖截水沟，阻拦治理场地外的来水，避免进入治理场地，场地内设置合理的防渗疏导及拦蓄设施，避免治理过程中污染元素镉随水外流。

(3)剥离表层30cm的土壤另放，然后碾压底层土壤(1)，直到不沉降为止。

(4)在碾压过的底层土壤(1)上铺填粘土层(2)，厚度15cm，清除其中的硬物，压实、压平，保持湿润、光滑。

(5)铺设防渗隔离膜(3)——HDPE膜。

(6)根据检测数据，向剥离的表土中加入与镉离子等摩尔量的化学稳定剂碳酸氢铵水溶液，混合均匀后回填，敲碎表土中的板结块，保持疏松。

(7)在表土层(4)上以间作的方式种植镉富集植物东南景天和宝山堇菜。在植物生长过程中，采用处理单元拦蓄的水进行灌溉。

(8)定期收割植物地上部，进行焚烧灰化处理。

(9)检测植物中的镉含量，在焚化灰分中加入等摩尔的硫化钠水溶液，充分搅拌混合，搁置30分钟以上，再加入大于或等于灰分质量的水泥，调整水分，将混合物压成球状或块状，风干后填埋或堆存在隔绝雨水的地方。

在种植了1茬镉富集植物东南景天和宝山堇菜后，经采集土样检测，土壤中的镉的含量已低于GB15618-2008中规定的农用水田最高限值0.5mg/kg，已可以进行正常的农作物种植了。

实施例2

本发明在江西赣州某镉污染旱作耕地进行测试，供试面积为2000m²。

试验情况如下：

现场调研镉污染农田的土壤条件，采集不同深度的土壤样品，重点采集表层20cm的土壤样品，检测分析其镉含量，平均达到25.6mg/kg，严重超标。

本实施例其余步骤与实施例1基本相同，所不同的是，设置了2个治理单元，向剥离的表土中加入的化学稳定剂是磷酸二氢钙和磷铵按等摩尔量混配的组合，在表土层(4)上以轮作的方式分别种植龙葵和天蓝遏蓝菜。

在分别种植了2茬龙葵和天蓝遏蓝菜后，经采集土样检测，土壤中的镉的含量低于GB15618-2008中规定的农用旱地0.45mg/kg的最高限值，已完全恢复到污染前的水平了，体现出了良好的治理效果。

Claims (3)

1.一种镉污染农田土壤的治理方法，其特征在于，包括以下技术步骤：

(1)、现场调研镉污染农田的土壤条件，采集不同深度的土壤样品，检测采集污染土壤中的镉含量，分析表层20～40cm土壤样品；

(2)、按治理场地地形特点及土壤中镉的浓度分布，设置治理单元，并理顺每个治理单元的水系，主要措施为：沿场地治理单元四周深挖截水沟，阻拦治理场地外的来水，避免进入治理场地，场地内设置合理的防渗疏导及拦蓄设施，避免治理过程中污染元素镉随水外流；

(3)、剥离表层20～40cm的土壤另放，然后碾压底层土壤(1)，直到不沉降为止；

(4)、在碾压过的底层土壤(1)上铺填粘土层(2)，厚度10～20cm，清除其中的硬物，压实、压平，保持湿润、光滑；

(5)、在粘土层(2)上铺设防渗隔离膜(3)；

(6)、根据检测数据，向表土中加入与镉离子等摩尔量的化学稳定剂硫化钠、碳酸氢铵、过磷酸钙、磷铵中的任何一种或多种的水溶液，混合均匀后回填，要求敲碎表土中的板结块，保持疏松；

(7)、在表土层(4)上种植植物，进行植物修复；在植物生长过程中，采用治理单元拦蓄的水进行灌溉；

(8)、定期收割植物地上部，进行焚烧灰化处理；

(9)、取样检测灰分中的镉含量，并向灰分中加入等摩尔量的过磷酸钙水溶液，充分搅拌混合，搁置30分钟以上，再加入大于或等于灰分质量的水泥，调整水分，将混合物压成球状或块状，风干后填埋或堆存在隔绝雨水的地方。

2.根据权利要求1所述的一种镉污染农田土壤的治理方法，其特征在于，步骤5所述的防渗隔离膜(3)采用高密度聚乙烯膜。

3.根据权利要求1所述的一种镉污染农田土壤的治理方法，其特征在于，先种植镉超富集或富集植物东南景天、印度芥菜、宝山堇菜、小白酒花、蒲公英、龙葵、天蓝遏蓝菜、三叶鬼针草中的一种或多种，待土壤游离态镉的含量完全降至安全标准后，再改种农作物。