CN105623670B

CN105623670B - 一种重金属钝化剂及其应用

Info

Publication number: CN105623670B
Application number: CN201510964820.7A
Authority: CN
Inventors: 沈玉君; 赵立欣; 孟海波; 程红胜; 宋立秋; 周海宾
Original assignee: Chinese Academy of Agricultural Engineering CAAE
Current assignee: Chinese Academy of Agricultural Engineering CAAE
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2015-12-21
Publication date: 2019-07-09
Anticipated expiration: 2035-12-21
Also published as: CN105623670A

Abstract

本发明公开了一种重金属钝化剂。所述重金属钝化剂由下述质量份的组分组成：秸秆56～77、生物炭15～33和生物腐殖酸6～18。本发明金属钝化剂由秸秆、生物炭和生物腐植酸组成，其组分均具有提升堆肥品质、改良土壤的效果，因此，相对于现有的化学钝化剂、物理钝化剂等，能够较好的提升土壤质量，保护土壤环境。本发明金属钝化剂用于对畜禽粪便中的重金属在堆肥过程中进行钝化，同时钝化后的堆肥施入土壤中能够使土壤中的重金属进一步钝化，有利于肥‑土重金属阻控体系的建立。

Description

一种重金属钝化剂及其应用

技术领域

本发明涉及一种重金属钝化剂及其应用，属于土壤肥料技术领域。

背景技术

我国8个地区农田土壤中部分重金属含量统计分析表明，大部分地区重金属含量高于其土壤环境背景值。对全国24个省市，320个严重污染区，约548×10⁴hm²的土地调查显示，农产品重金属超标是农产品污染物超标的主要问题。2006年，我国对农田保护区进行了抽测，重金属的超标率在抽测样品中高达12.1％。北京市(2005-2009年)连续5年的土壤样品分析结果表明，土壤出现了不同程度的Cd、Pb和Hg污染。在农业活动中，畜禽粪便经发酵生产有机肥，畜禽粪便中含有重金属，长期施用导致土壤重金属污染也越来越严重。在畜禽养殖过程中，含重金属Cu、Zn、As、Cd、Cr、Pb和Hg的添加剂被应用于饲料中调查显示，饲料中重金属含量较高会导致其对应的畜禽粪便中重金属含量也会较高。英国学者Nicholson等测定了部分地区畜禽饲料和其对应的动物粪便中重金属含量指出，猪在不同的生长阶段所食用的猪饲料中重金属Cu和Zn的含量有所差别，因此猪在不同生长阶段的粪便中的重金属含量也不相同，且猪粪中Cu和Zn的限制值比其它动物粪便的限制值高。农田土壤长期施用畜禽粪便，其土壤剖面中重金属的含量要高于未施用畜禽粪便的土壤对照，且Zn、Cu含量远超过对照组。重金属元素通过饲料添加-禽畜吸收-禽畜排泄-生产有机肥-施入土壤-作物吸收这种途径进入人类食物链进而影响人类健康，已逐渐引起社会重视。

重金属钝化剂主要包括物理钝化剂、化学钝化剂、生物钝化剂等。物理钝化剂利用吸附吸附能力大的硅酸盐物质，如活性炭、沸石等较丰富的孔径及比表面积，依据其本身的静电引力作用和较高的离子交换性能吸附固定重金属，重金属活性得到有效降低。物理吸附剂较容易获得，钝化重金属的机理较为简单，可操作性较强，其不足之处在于吸附剂与堆肥产品分离较困难，对重金属钝化效果尚不高。因此，未来研究应进一步拓宽高效钝化剂的筛选范围，并且需完善分离技术，注重废弃物资源再利用材料的应用。

化学钝化剂主要是通过络合、沉淀和离子交换作用，使重金属形态降至活性较低的形态。钙镁磷肥和粉煤灰等含有碱性物质较高，通过改变堆肥物料的酸碱水平，提高物料pH值，重金属经反应生成金属沉淀物使重金属本身活性得到抑制。化学钝化剂的钝化作用较好，但化学钝化剂本身往往对环境存在污染，因此，化学钝化剂存在二次污染风险。

生物钝化剂的钝化作用一方面可能是由于添加的部分微生物菌剂影响物料中微生物活性，提高微生物对重金属离子的富集，另一方面则可能是由于微生物活性的增强，较强的微生物代谢生成大量腐殖酸类大分子物质，将重金属离子转化为不易被植物吸收的形态或积累在微生物体内，降低其移动性。目前，生物钝化剂种类及钝化机理的研究尚不足，仍需进一步探索和完善。

钝化剂种类的差异对重金属活性抑制作用不同，不同钝化剂优化组合对重金属形态影响也很大。龚浩如等研究证明，在猪粪堆肥中通过添加不同钝化剂及其组合可降低重金属的有效性，且混合钝化剂处理对重金属的钝化效果优于单一钝化剂处理。目前对于重金属钝化剂材料的研究仍有限，主要集中在物理和化学钝化剂材料的筛选上，所以应扩展重金属钝化剂材料的研究范围，为解决畜禽粪便有机肥中重金属的污染问题提供参考。另一方面，目前的钝化剂都是针对堆肥或者土壤等一种介质中的重金属钝化，考虑到有机肥和土壤均存在重金属污染问题，筛选重金属钝化剂对堆肥和土壤重金属钝化均有作用，对有效治理土壤污染问题提供支撑。

发明内容

本发明的目的是提供一种重金属钝化剂及其应用，本发明提供的重金属钝化剂可用于畜禽粪便中的重金属在堆肥过程中进行钝化，同时钝化后的堆肥施入土壤中使土壤中重金属进一步钝化。

本发明所提供的重金属钝化剂，它由下述质量份的组分组成：

秸秆56～77、生物炭15～33和生物腐殖酸6～18。

上述的重金属钝化剂中，所述秸秆可为玉米秸秆、麦秸或稻草秸秆；

所述秸秆的质量含水率低于20％，具体可为5％～15％、5％、10％或15％；

所述秸秆的粒径可为1～5cm，具体可为1cm、3cm或5cm；

所述生物炭可为秸秆炭、花生壳炭、木屑炭或生物质颗粒炭；

所述生物炭的质量含水率低于10％，具体可为5％～10％、5％、8％或10％。

上述的重金属钝化剂中，所述秸秆、所述生物炭与所述生物腐殖酸的质量比可为10：2～6：1～3，具体可为10：2：1、10：3：2、10：4：3、10：5：1或10：6：2。

本发明提供的重金属钝化剂可用于钝化堆肥或土壤中的重金属，如Cu和Cd。

所述重金属钝化剂用于钝化堆肥中重金属的步骤如下：

将所述重金属钝化剂与畜禽粪便混合后进行堆肥，所述堆肥在好氧堆肥的条件下进行即可；

所述畜禽粪便的质量含水率可为75％～85％，具体可为80％。

所述重金属钝化剂与所述畜禽粪便的质量比可为1：7～9，具体可为1：9。

所述重金属钝化剂用于钝化土壤中重金属的步骤如下：

将所述重金属钝化剂与畜禽粪便混合堆肥后的产品施入土壤中；

所述重金属钝化剂与畜禽粪便混合堆肥后的产品的施入量为1500kg～2000kg/亩土壤；

所述畜禽粪便的质量含水率为75％～85％；

所述重金属钝化剂与所述畜禽粪便的质量比为1：7～9。

所述混合堆肥可按照有氧堆肥的常规条件进行。

本发明所使用的生物腐殖酸为由生物质生物发酵的固体产物，如由餐厨垃圾为原料发酵得到的生物腐植酸或由畜禽粪便为原料发酵得到的生物腐植酸等。

本发明金属钝化剂具有如下优点：

1、本发明金属钝化剂由秸秆、生物炭和生物腐植酸组成，其组分均具有提升堆肥品质、改良土壤的效果，因此，相对于现有的化学钝化剂、物理钝化剂等，能够较好的提升土壤质量，保护土壤环境。

2、本发明金属钝化剂用于对畜禽粪便中的重金属在堆肥过程中进行钝化，同时钝化后的堆肥施入土壤中能够使土壤中的重金属进一步钝化，有利于肥-土重金属阻控体系的建立。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

下述实施例中所使用的生物腐植酸购买自北京嘉博文生物科技有限公司。

下述实施例中各离子形态的测定方法如下：

堆肥前后分别采集堆肥样品，在发酵罐中间处按高、中、低三层分别取样，样品混合均匀自然风干。重金属各形态采取BCR连续提取法(如表1中所示)，采用ICP-OES(Optima5300DV,Perkin-Elmer)进行测定。

表1堆肥重金属形态分级的连续提取法

实施例1、制备重金属钝化剂

准确称取玉米秸秆(质量含水率为15％，粒径为3cm)10kg、玉米秸秆炭(质量含水率为10％)2kg和生物腐植酸1kg，混匀，即得到本发明重金属钝化剂。

实施例2、制备重金属钝化剂

准确称取玉米秸秆(质量含水率为10％，粒径为5cm)10kg、玉米秸秆炭3kg(质量含水率为5％)和生物腐植酸2kg，混匀，即得到本发明重金属钝化剂。

实施例3、制备重金属钝化剂

准确称取玉米秸秆10kg(质量含水率为5％，粒径为1cm)、玉米秸秆炭4kg(质量含水率为8％)和生物腐植酸3kg，混匀，即得到本发明重金属钝化剂。

实施例4、制备重金属钝化剂

准确称取玉米秸秆10kg(质量含水率为5％，粒径为1cm)1、玉米秸秆炭5kg(质量含水率为5％)和生物腐植酸1kg，混匀，即得到本发明重金属钝化剂。

实施例5、制备重金属钝化剂

准确称取玉米秸秆10kg(质量含水率为5％，粒径为1cm)、玉米秸秆炭6kg(质量含水率为10％)和生物腐植酸2kg，混匀，即得到本发明重金属钝化剂。

实施例1-5制备的重金属钝化剂用于钝化畜禽粪便堆肥过程中的Cu和Cd。

堆肥过程为：将将实施例1-5制备的重金属钝化剂与猪粪(质量含水率为80％)混合后进行堆肥，重金属钝化剂与猪粪的质量比为1：9，将准备好的物料进行有氧发酵，期间对堆体采取强制通风的方式进行堆肥，通风速率设置为1.0m³·min^-1·m^-3。通风间隔依堆体温度进行通风，通风方式如表2中所示。

表2堆肥中强制通风方式

检测堆肥前畜禽粪便中和堆肥后得到的堆肥中可交换态Cu和可交换态Cd的浓度、分配率和分配率降幅，结果如表3中所示，CK表示堆肥过程中不加重金属钝化剂。

表3堆肥过程中可交换态重金属浓度分配率降幅

由表3中的数据可以看出，针对重金属Cu，CK处理可交换态分配率由堆肥前的7.73％上升到堆肥后的8.02％，呈现了活化趋势。实施例1-5可交换态Cu分配率降幅分别为11.36％、8.09％、12.03％、14.49％和7.44％，实现了可交换态Cu的钝化。针对重金属Cd，CK处理可交换态分配率由堆肥前的8.17％降低到堆肥后的5.2％，分配率降幅为2.97％。实施例1-5可交换态Cd分配率降幅分别为3.82％、5.92％、8.83％、13.36％和19.77％，与CK相比，提升了堆肥中Cd的钝化效果。

实施例1-5制备的重金属钝化剂用于钝化土壤中的Cu和Cd。

将上述实施例1-5制备的重金属钝化剂与猪粪堆肥后的产品施入土壤中，重金属钝化剂与猪粪堆肥产品的施入量为1500kg/亩。

重金属钝化剂对土壤中重金属钝化的影响需排除植物对土壤中可交换态吸收对分析结果的干扰，故本发明采用油菜种植前后土壤中不易被植物吸收利用的残渣态和氧化态之和分布变化来检验钝化剂对土壤中重金属的钝化。结果如表4中所示，CK表示向土壤中施入不加钝化剂的堆肥产品。

表4土壤中残渣态和氧化态重金属浓度分配率升幅

由表4中的数据可以看出，针对重金属Cu，CK处理残渣态和氧化态分配率由种植油菜前的82.61％降低到种植后的81.2％，土壤中重金属呈现了活化趋势。实施例1-5残渣态和氧化态Cu分配率升幅分别为0.77％、4.43％、4.79％、4.26％和5.59％，实现了可交换态Cu的进一步钝化。针对重金属Cd，CK处理残渣态和氧化态分配率由种植油菜前的62.28％降低到种植后的59.62％，分配率降幅为2.66％，土壤中重金属呈现了活化趋势。实施例1-5残渣态和氧化态Cd分配率升幅分别为7.47％、3.42％、1.87％、2.75％和8.94％，与CK相比，实现了土壤中Cd的进一步钝化。

Claims

1.一种重金属钝化剂在钝化土壤中重金属中的应用，其特征在于步骤如下：将所述重金属钝化剂和畜禽粪便混合后进行堆肥，将所述重金属钝化剂和畜禽粪便混合堆肥后的产品的施入土壤中，所述重金属钝化剂和畜禽粪便混合堆肥后的产品的施入量为1500kg~2000kg/亩土壤；

所述畜禽粪便的质量含水率为75%~85%；

所述重金属钝化剂与所述畜禽粪便的质量比为1：7~9；

所述重金属为Cu和Cd；

所述重金属钝化剂由秸秆、生物炭和生物腐殖酸组成；

所述秸秆、所述生物炭与所述生物腐殖酸的质量比为10：6：2。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于：所述秸秆为玉米秸秆、麦秸或稻草秸秆；

所述秸秆的质量含水率低于20%；

所述秸秆的粒径为1~5cm；

所述生物炭为秸秆炭、花生壳炭、木屑炭或生物质颗粒炭；

所述生物炭的质量含水率低于10%。