CN105170621B

CN105170621B - 一种活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法

Info

Publication number: CN105170621B
Application number: CN201510635198.5A
Authority: CN
Inventors: 马新攀
Original assignee: Henan Hang Zhi Patent Services Co Ltd
Current assignee: Baohe Construction Engineering Shandong Co ltd
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2018-07-10
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: CN105170621A

Abstract

本发明提供一种活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：（1）向重金属污染土壤中添加活化剂，翻耕均匀，活化10～20天；（2）在活化后的土壤中接种复合微生物，然后种植1～2个周期的蓖麻，以1年为一个周期；（3）将步骤（2）中的蓖麻从土壤中整体移除，添加活化剂，活化10～20天；（4）在步骤（3）中活化后的土壤中种植2～3个周期的龙葵，以1年为一个周期；（5）将步骤（2）和步骤（3）中的蓖麻和龙葵中的重金属进行回收；（6）循环步骤（1）～（5），直到土壤中重金属含量达标。本发明的修复重金属污染土壤的方法能够活化土壤，改良土壤，成本低、污染少而且高效的除去土壤中的重金属。

Description

一种活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法

技术领域

本发明涉及污染土壤治理领域，特别涉及一种活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法。

背景技术

土壤重金属污染是人类所面临的重大生态环境问题，重金属在土壤中滞留时间长，很难被植物、微生物降解，而且容易在农作物的可使用部位积累后通过食物链传递给人，给人类健康造成极大的危害。导致土壤污染的重金属主要包括As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn等，土壤重金属污染的主要来源是人类在生活以及工农业生产中排放的废弃物，如生活污水和生活垃圾中所含的重金属渗入土壤，农业中农药和化肥的滥用以及不合理的灌溉，工业上采矿、冶炼以及化工行业废弃物的排放等，都加重了土壤重金属污染的现状。

重金属进入土壤之后，都会与土壤中的有机态和无机态等组分持续发生作用，比如溶解-沉淀、吸附-解吸、络合-离解等作用，从而产生空间位置的迁移和存在形态的转化。目前治理土壤重金属污染主要采用物理化学方法和植物修复方法，根据其作用过程和机理，物理化学技术主要包括化学固化法、土壤淋洗法以及电化学修复法；植物修复主要包括植物稳定法、植物挥发法以及植物提取法。使用化学固化方法只能暂时将重金属固定在土壤中，减少重金属通过植物进入人体，但是不能彻底将重金属从土壤中清除掉，还存在隐患；土壤淋洗法可以减少重金属的植物可利用性，但是同时会使土壤中损失大量的营养成分，同时使用化学淋洗的方法还有可能会导致土壤的酸化或者是碱化；而电化学修复的成本比较高，实施条件比较苛刻；而采用植物修复的方法是通过植物系统吸取、积累、挥发而将重金属从土壤中除去从而来减少重金属污染，该方法的成本比较低廉，而且绿色环保；根据植物对土壤中的重金属吸收的难易程度，将土壤中的重金属分为可吸收态、交换态和难吸收态，处于难吸收状态的重金属是不能被植物吸收，而且不同的植物对不同的重金属有不一样的积累量。因此如何改善土壤性质，将土壤中的重金属转换成可吸收态，而且在不污染环境的情况下增加植物对土壤中重金属的积累量是一个亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种能够活化土壤，改良土壤，成本低、污染少而且高效的除去土壤中的重金属的活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案是：

一种活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法，包括以下步骤：

（1）向重金属污染土壤中添加活化剂，翻耕均匀，活化10～20天；

（2）在活化后的土壤中添加复合微生物，然后种植1～2个周期的蓖麻，

以1年为一个周期；

（3）将步骤（2）中的蓖麻从土壤中整体移除，添加活化剂，活化10～20天；

（4）在步骤（3）中活化后的土壤中种植2～3个周期的龙葵，以1年为一个周期；

（5）将步骤（2）和步骤（3）中的蓖麻和龙葵中的重金属进行回收；

（6）循环步骤（1）～（5），直到土壤中重金属含量达标；

所述步骤（1）和步骤（3）中的活化剂包括以下重量份的原料：果蔬废弃物30～50份，风化煤30～50份和有机肥20～30份。

优选的，所述步骤（1）和步骤（3）中活化剂的添加量15～25g/m²。

优选的，所述步骤（2）中的复合微生物为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌和假单胞菌按重量比2～3：2～3：1～2：0.5～1混合而成。

优选的，所述步骤（2）中的复合微生物的添加量为1.5～3g/m²。

优选的，所述活化剂的制备方法包括以下步骤：

称取果蔬废弃物和风化煤，在温度为20～30℃，水分含量为50～60%的条件下沤制20～30天后，干燥至含水量为10%～15%，粉碎后过30～50目筛，与有机肥混合均匀，即制备得到活化剂。

优选的，所述有机肥为畜禽粪便经沤制制成的有机肥。

优选的，所述步骤（2）中种植蓖麻的方法为幼苗栽种，将幼苗埋入土壤表层20~35cm，株距为30~40cm，行距为50~60cm。

优选的，所述步骤（4）中种植龙葵的方法为幼苗栽种，埋入土壤表层20～30cm，株距25～30cm，行距30～35cm。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法，首先使用活化剂将土壤中的重金属活化，改良土壤环境，然后接种复合微生物，之后采用轮流种植的方式栽种植物蓖麻和龙葵，通过蓖麻和龙葵对土壤中重金属进行吸收，可将土壤中的重金属转移到蓖麻和龙葵上，移除蓖麻和龙葵即可将土壤中的重金属除去。

重金属进入土壤之后，都会与土壤中的有机态和无机态等组分持续发生作用，比如溶解-沉淀、吸附-解吸、络合-离解等作用，从而产生空间位置的迁移和存在形态的转化，土壤的酸碱性质、氧化还原性质、胶体的含量和组成以及气候、水文、生物等条件是土壤中重金属存在形态的重要影响因素，因此需要活化剂来活化土壤中的重金属，并对土壤的理化性质进行改良。本发明中使用的活化剂是采用果蔬废弃物和风化煤沤制后与有机肥混合而成的，果蔬废弃物是使用日常生活中的水果和蔬菜的废弃物，如苹果、柠檬、葡萄以及橙子等的果皮以及蔬菜的废弃物，这些果蔬废弃物中含有大量的有机质，纤维素以及N、P、K等元素，而且是无毒无害的；风化煤中则含有大量的腐植酸；将果蔬废弃物和风化煤沤制发酵之后，风化煤中的腐植酸将会被活化，而腐植酸是土壤的调理剂，可以改善土壤的理化性质，增加土壤养肥，活化土壤中的金属元素；而发酵后的果蔬废弃物中含有大量的有机酸，而有机酸可以在土壤中解离成质子和低分子的有机酸根，质子能引起环境中的pH值以及氧化还原电位的变化，促进土壤中重金属原生矿物的风化溶解过程。而活化剂中使用的有机肥是畜禽粪便经沤制制成的有机肥，该有机肥中含有多种有机酸、肽类以及包括氮、磷、钾在内的丰富的营养元素，不仅能为农作物提供全面营养，而且肥效长，可增加和更新土壤有机质，促进微生物繁殖，改善土壤的理化性质和生物活性。因此本发明中使用的活化剂可以活化土壤中的重金属，增加和更新土壤有机质，促进微生物的繁殖，改善土壤的理化性质和土壤活性，加速土壤中重金属的释放，提高植物修复的效率。

本发明中使用的复合微生物为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌和假单胞菌混合而成的，微生物的活性较高，能够释放土壤中难溶矿质中的营养元素，提高植物的抗逆性，降解污染物，改良土壤，促进植物的生长。

发明中使用的植物为蓖麻和龙葵，蓖麻作为重要的经济作物，种植难度低，适用于大面积种植，作为非食用性植物用于修复土壤有效避免了污染物再次进入食物链，所得蓖麻种子可以生产工业用油，且蓖麻生长较快，生物量较大，对重金属具有很强的富集作用，龙葵具有较强的抗逆境能力和较强的争光、争水、征肥力的能力，而且生物量大、适应性强、生长迅速，对重金属特别是Cd具有很强的富集作用。

对富集重金属的蓖麻和龙葵进行回收，高温后通过化学方法即可分离出其中的重金属，重金属可以循环利用，即解决了污染问题又节约了资源。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的描述。

实验区域选自矿区附近被重金属污染的一块耕地，污染物包括Cd，Hg，As，Cu，Pb，Zn。将该耕地分为8块区域，每块区域20×20m，分别标号1#，2#，3#，4#，5#，6#，7#，8#，每块区域设置4个采样点，采集重金属污染土壤中0～20cm的土样总32个，混合均匀后，按照GB5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》中列出的方法对土壤中的重金属含量进行测定。经检测，该重金属污染的土壤中Cd，Hg，As，Cu，Pb，Zn的浓度分别为：24.8mg/kg，25.8mg/kg，100.9 mg/kg，460.8 mg/kg，300.2mg/kg，540.5 mg/kg，pH值为7.8。

根据GB15618-2008《国家土壤环境质量标准》中土壤无机污染物的环境质量第二级标准值，农业旱地pH＞7.5时Cd，Hg，As，Cu，Pb，Zn的二级标准值分别为0.8，1.5，25，100，80，300mg/kg，因此，该块耕地存在比较严重的重金属污染。

实施例1

（1）向1#区域土壤中添加10kg活化剂，将表层土壤翻耕均匀，活化10天；

（2）在活化后的土壤中接种0.6kg复合微生物，复合微生物中使用的枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌以及假单胞菌均为市售的产品，其中枯草芽孢杆菌（500亿cfu /克），地衣芽孢杆菌（200亿cfu /克），酵母菌（70 亿cfu /克）和假单胞菌（5亿cfu /克）按重量比2：2：1：0.5混合而成，然后种植1个周期的通蓖6号蓖麻，蓖麻采用幼苗种植，种植时间为3月中旬，种植深度为20cm，株距为40cm，行距为50cm，以1年为一个周期；

（3）将步骤（2）中的蓖麻从土壤中整体移除，添加6kg活化剂，活化20天；

（4）在步骤（3）中活化后的土壤中种植3个周期的龙葵，龙葵的种植采用幼苗栽种，种植时间为3月中旬，埋入土壤表层20cm，株距为30cm，行距为35cm，以1年为一个周期；

（5）将步骤（2）和步骤（3）中的蓖麻和龙葵在300℃的条件下碳化，然后用0.5mol/L的HCl的浸1h，之后从HCl溶液中回收重金属，而碳化的植物样品经蒸馏水洗涤至中性后可以作为肥料使用；

（6）循环步骤（1）～（5），直到土壤中重金属含量达标；

所述步骤（1）和步骤（3）中的活化剂包括以下重量份的原料：果蔬废弃物30份，风化煤50份，有机肥20份。

其中活化剂的制备方法包括以下步骤：

称取30重量份的果蔬废弃物和50重量份的风化煤，在温度为20℃，水分含量为50%的条件下沤制20天后，干燥至含水量为10%，粉碎后过30目筛，与20重量份的有机肥混合均匀，即制备得到活化剂。

其中有机肥的制备方法为：将鸡粪、猪粪以及牛粪，在25～35℃下水分含量为40%条件下沤制30天，干燥至含水量为10%，粉碎后过30目筛，即制备得到有机肥。

循环一次后，检测土壤中Cd，Hg，As，Cu，Pb，Zn的含量分别为0.32mg/kg，0.51 mg/kg，24.5 mg/kg，60.8 mg/kg，36.9mg/kg，100.2mg/kg，pH值为7.3，土壤中的重金属的含量达到农业用地环境质量第二级标准值。

实施例2

（1）向2#区域土壤中添加9.2kg活化剂，将表层土壤翻耕均匀，活化14天；

（2）在活化后的土壤中接种0.8kg复合微生物，复合微生物中使用的枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌以及假单胞菌均为市售的产品，其中枯草芽孢杆菌（500亿cfu /克），地衣芽孢杆菌（200亿cfu /克），酵母菌（70 亿cfu /克）和假单胞菌（5亿cfu /克）按质量比2：3：2：1混合而成，然后种植2个周期的通蓖5号蓖麻，蓖麻采用幼苗种植，种植时间为3月中旬，种植深度为25cm，株距38cm，行距54cm，以1年为一个周期；

（3）将步骤（2）中的蓖麻从土壤中整体移除，添加7.2kg活化剂，活化17天；

（4）在步骤（3）中活化后的土壤中种植2个周期的龙葵，龙葵的种植采用幼苗栽种，埋入土壤表层26cm，株距为25cm，行距为32cm，以1年为一个周期；

（5）将步骤（2）和步骤（3）中的蓖麻和龙葵在350℃的条件下碳化，然后用0.5mol/L的HNO₃的浸1h，之后从HNO₃溶液中回收重金属，而碳化的植物样品经蒸馏水洗涤至中性后可以作为肥料使用；

（6）循环步骤（1）～（5），直到土壤中重金属含量达标；

所述步骤（1）和步骤（3）中的活化剂包括以下重量份的原料：果蔬废弃物38份，风化煤35份和有机肥25份。

其中活化剂的制备方法包括以下步骤：

称取38重量份的果蔬废弃物和35重量份的风化煤，在温度为24℃，水分含量为60%的条件下沤制28天后，干燥至含水量为12%，粉碎后过40目筛，与25重量份的有机肥混合均匀，即制备得到活化剂。

其中有机肥的制备方法为：将鸡粪、猪粪以及牛粪，在25～35℃下水分含量为45%条件下沤制28天，干燥至含水量为12%，粉碎后过40目筛，即制备得到有机肥。

循环一次后，检测土壤中Cd，Hg，As，Cu，Pb，Zn的含量分别为0.2mg/kg，0.36mg/kg，15.0 mg/kg，40.3mg/kg，21.6mg/kg，87.2mg/kg，pH值为7.1，土壤中的重金属的含量达到农业用地环境质量第二级标准值。

实施例3

（1）向3#区域土壤中添加7.2kg活化剂，将表层土壤翻耕均匀，活化17天；

（2）在活化后的土壤中接种1kg复合微生物，复合微生物中使用的枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌以及假单胞菌均为市售的产品，其中枯草芽孢杆菌（500亿cfu /克），地衣芽孢杆菌（200亿cfu /克），酵母菌（70 亿cfu /克）和假单胞菌（5亿cfu /克）按重量比3：3：1：0.5混合而成，然后种植1个周期的哲蓖1号蓖麻，蓖麻采用幼苗种植，种植时间为3月中旬，种植深度为30cm，株距为34cm，行距为57cm，以1年为一个周期；

（3）将步骤（2）中的蓖麻从土壤中整体移除，添加9.2kg活化剂，活化14天；

（4）在步骤（3）中活化后的土壤中种植3个周期的龙葵，龙葵的种植采用幼苗栽种，种植时间为3月中旬，埋入土壤表层28cm，株距为28cm，行距为34cm，以1年为一个周期；

（5）将步骤（2）和步骤（3）中的蓖麻和龙葵在400℃的条件下碳化，然后用0.5mol/L的HNO₃的浸1h，之后从HNO₃溶液中回收重金属，而碳化的植物样品经蒸馏水洗涤至中性后可以作为肥料使用；

（6）循环步骤（1）～（5），直到土壤中重金属含量达标；

所述步骤（1）和步骤（3）中的活化剂包括以下重量份的原料：果蔬废弃物45份，风化煤45份和有机肥20份。

其中活化剂的制备方法包括以下步骤：

称取45重量份的果蔬废弃物和45重量份的风化煤，在温度为28℃，水分含量为55%的条件下沤制30天后，干燥至含水量为14%，粉碎后过45目筛，与20重量份的有机肥混合均匀，即制备得到活化剂。

其中有机肥的制备方法为：将鸡粪、猪粪以及牛粪，在25～35℃下水分含量为50%条件下沤制24天，干燥至含水量为14%，粉碎后过45目筛，即制备得到有机肥。

循环一次后，检测土壤中Cd，Hg，As，Cu，Pb，Zn的含量分别为0.34mg/kg，0.56 mg/kg，30.1mg/kg，70.3mg/kg，40.1mg/kg，90.6mg/kg，pH值为7.2，土壤中的重金属的含量达到农业用地环境质量第二级标准值。

实施例4

（1）向4#区域土壤中添加6kg活化剂，将表层土壤翻耕均匀，活化20天；

（2）在活化后的土壤中接种1.2kg复合微生物，复合微生物中使用的枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌以及假单胞菌均为市售的产品，其中枯草芽孢杆菌（500亿cfu /克），地衣芽孢杆菌（200亿cfu /克），酵母菌（70 亿cfu /克）和假单胞菌（5亿cfu /克）按质量比3：2：2：1混合而成，然后种植2个周期的哲蓖4号蓖麻，蓖麻采用幼苗种植，种植时间为3月中旬，种植深度为35cm，株距30cm，行距60cm，以1年为一个周期；

（3）将步骤（2）中的蓖麻从土壤中整体移除，添加10kg活化剂，活化10天；

（4）在步骤（3）中活化后的土壤中种植2个周期的龙葵，龙葵的种植采用幼苗栽种，种植时间为3月中旬，埋入土壤表层30cm，株距26cm，行距30cm，以1年为一个周期；

（5）将步骤（2）和步骤（3）中的蓖麻和龙葵在500℃的条件下碳化，然后用0.5mol/L的HNO₃的浸1h，之后从HNO₃溶液中回收重金属，而碳化的植物样品经蒸馏水洗涤至中性后可以作为肥料使用；

（6）循环步骤（1）～（5），直到土壤中重金属含量达标；

所述步骤（1）和步骤（3）中的活化剂包括以下重量份的原料：果蔬废弃物50份，风化煤30份，有机肥30份。

其中活化剂的制备方法包括以下步骤：

称取50重量份的果蔬废弃物和30重量份的风化煤，在温度为30℃，水分含量为50%的条件下沤制26天后，干燥至含水量为15%，粉碎后过50目筛，与30重量份的有机肥混合均匀，即制备得到活化剂。

其中有机肥的制备方法为：将鸡粪、猪粪以及牛粪，在25～35℃下水分含量为48%条件下沤制20天，干燥至含水量为15%，粉碎后过50目筛，即制备得到有机肥。

循环一次后，检测土壤中Cd，Hg，As，Cu，Pb，Zn的含量分别为0.41mg/kg，0.49mg/kg，25.7mg/kg，60.8mg/kg，51.3mg/kg，120.4mg/kg，pH值为6.9，土壤中的重金属的含量达到农业用地环境质量第二级标准值。

对比例1

采用与实施例2相同的条件在5#区域修复重金属污染的土壤，不同之处在于不添加活化剂，种植2个周期的通蓖5号蓖麻之后种植2个周期的龙葵，4个周期后对土壤中的重金属含量进行检测。

对比例2

采用与实施例2相同的条件在6#区域修复重金属污染的土壤，不同之处在于不添加复合微生物，4个周期后对土壤中的重金属含量进行检测。

对比例3

采用与实施例2相同的条件在7#区域修复重金属污染的土壤，不同之处在于不采用蓖麻与龙葵轮流种植的方式，而是连续种植4个周期的通蓖5号蓖麻，4个周期后对土壤中的重金属含量进行检测。

对比例4

采用与实施例2相同的条件在8#区域修复重金属污染的土壤，不同之处在于不采用蓖麻与龙葵轮流种植的方式，而是连续种植4个周期的龙葵，4个周期后对土壤中的重金属含量进行检测。

重金属污染土壤的修复效果

对本发明实施例1～4以及对比例1～4的修复效果从修复后土壤的pH值以及土壤中Cd，Hg，As，Cu，Pb，Zn的最终的含量这两个方面进行评价，检测结果如表1所示。

表1 土壤中重金属含量以及pH值检测结果

由表1可以看出，实施例1～4中采用活化剂和微生物协同蓖麻和桑树轮流种植的方式对重金属污染的土壤进行修复，修复后土壤的pH值在6.9～7.3，根据GB15618-2008《国家土壤环境质量标准》中土壤无机污染物的环境质量第二级标准值，农业旱地pH6.5～7.5时Cd，Hg，As，Cu，Pb，Zn的二级标准值分别为0.45，0.7，30，100，80，250mg/kg，因此，经过一次循环4个周期的修复，土壤中重金属的含量达到二级标准。而对比例1中没有使用活化剂，对比例2中没有使用微生物，对比例1和对比例2经过一次循环4个周期的修复，土壤中的重金属含量没有达到标准，说明活化剂和微生物都可以活化土壤中的重金属，并且能够改良土壤的理化性质，从而促进植物对土壤中重金属的积累量，而且活化剂和微生物之间有协同作用。对比例3和对比例4没有采用蓖麻和龙葵轮流种植的方式，经过一次循环4个周期的修复，土壤中的重金属含量没有达到农业用地的环境质量二级标准，说明不同的植物对不同重金属的积累量不一样，植物轮流种植的方式有利于全面修复重金属污染的土壤。

Claims

1.一种活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：

以1年为一个周期；

（6）循环步骤（1）～（5），直到土壤中重金属含量达标；

所述步骤（1）和步骤（3）中的活化剂包括以下重量份的原料：果蔬废弃物30～50份，风化煤30～50份和有机肥20～30份；

所述活化剂的制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（1）和步骤（3）中活化剂的添加量15～25g/m²。

3.根据权利要求1所述的活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的复合微生物为枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、酵母菌和假单胞菌按重量比2～3：2～3：1～2：0.5～1混合而成。

4.根据权利要求3所述的活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（2）中的复合微生物的添加量为1.5～3g/m²。

5.根据权利要求1所述的活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述有机肥为畜禽粪便经沤制制成的有机肥。

6.根据权利要求1所述的活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（2）中种植蓖麻的方法为幼苗栽种，将幼苗埋入土壤表层20~35cm，株距为30~40cm，行距为50~60cm。

7.根据权利要求1所述的活化剂和微生物强化植物修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，所述步骤（4）中种植龙葵的方法为幼苗栽种，埋入土壤表层20～30cm，株距25～30cm，行距30～35cm。