CN106180164A - 一种用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体，所述螯合剂缓释体整体外形为褶皱多边形柱状结构，所述螯合剂缓释体包括由外向内依次设置的肥料结构层、PHA结构层、生物炭结构层。本发明用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体利用园林废弃物腐熟物、氮磷钾复合肥提升重金属污染土壤肥力的同时释放少量螯合剂活化重金属供植物幼苗吸收利用，之后再利用较多螯合剂活化重金属供成熟植物吸收利用、最后利用生物炭固定、吸附重金属的特点，对受污染土壤分阶段、分层次进行净化，形成环境友好型的环保处理系统。

Description

一种用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体
技术领域
本发明涉及土壤修复领域，特别是涉及一种用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体，适合重金属污染土壤的修复。
背景技术
土壤重金属污染的“植物修复”是指将绿色植物种植在被污染的土壤中，通过该植物对土壤中重金属元素或有机物质的特殊吸收、富集能力来去除环境中的污染物，或消除污染物的毒性。但是目前最具有推广价值的超积累植物植株矮小、生物量低、生长缓慢和生活周期长，因而修复效益低。利用生长速度快、生物量大的普通植物借助其它技术辅助的联合植物修复便成了有效可行的替代途径，如金属螯合剂强化的化学-植物联合修复。
许多研究表明，向污染土壤中施加螯合剂后，可以有效提高普通植物吸收利用重金属的量。但是也存在一些问题，如在螯合剂辅助植物修复土壤重金属污染治理中，将螯合剂配成一定含量溶液后再施入土壤，在极短的时间内通过络合作用使土壤中重金属的活性迅速增加，而在一定时间内植物只能吸收土壤中很少一部分的重金属，其它未被植物吸收的大量活化了的重金属仍残留在土壤中，并且由于重金属的移动性，也导致了这些残留重金属随时间逐渐下移，污染地表水或地下水，对生态环境和人体健康构成严重的潜在危害。
发明内容
本发明的目的是针对螯合剂快速释放到土壤后对土壤造成二次污染及普通植物因土壤肥力不足导致吸收重金属效率较低的问题，提出一种用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体，提升了土壤肥力，改善重金属污染治理的效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体，所述螯合剂缓释体整体外形为褶皱多边形柱状结构，所述螯合剂缓释体包括由外向内依次设置的肥料结构层、PHA结构层、生物炭结构层，所述肥料结构层由园林废弃物腐熟物、氮磷钾复合速效肥、EDTA混合后通过水溶性粘合剂粘合后压制成型，所述生物炭结构层由生物炭通过水溶性粘合剂粘合后包裹PHA膜制成，所述PHA结构层由填充在所述肥料结构层与生物炭结构层之间的PHA模块形成，所述PHA模块包括长方体型的PHA外壳以及填充在所述PHA外壳内的EDDS固体颗粒和PHA颗粒的混合物。
优选地，所述螯合剂缓释体长度30～50cm，宽度为15～20cm，高度为25～50cm，厚度为6～11cm。
优选地，所述螯合剂缓释体一端为楔形，另一端为横切平面。
优选地，在所述肥料结构层中，所述园林废弃物腐熟物与氮磷钾复合速效肥的体积比为(85～95)：(5～15)，所述EDTA添加量为每千克肥料结构层中含30～292mg。
优选地，在所述PHA模块中，所述PHA外壳的厚度0.012～0.1mm，所述PHA外壳的长度为1～2cm，所述PHA外壳的宽度和高度均为0.5～1cm。
优选地，在所述PHA模块中，所述EDDS固体颗粒与PHA颗粒的体积比为(6～10)：1。
优选地，所述肥料结构层的厚度为1～2cm，所述生物炭结构层的厚度为2～3cm。
基于上述技术方案，本发明的优点是：
本发明的用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体利用园林废弃物腐熟物、氮磷钾复合肥提升重金属污染土壤肥力的同时释放少量螯合剂活化重金属供植物幼苗吸收利用，之后再利用较多螯合剂活化重金属供成熟植物吸收利用、最后利用生物炭固定、吸附重金属的特点，对受污染土壤分阶段、分层次进行净化，形成环境友好型的环保处理系统。与土壤修复方法相比，本发明的螯合剂缓释体避免了螯合剂一次大量进入土壤后对土壤造成的二次污染，提升了土壤肥力，改善重金属污染治理的效果。
本发明的螯合剂缓释体实现了重金属螯合剂伴随植物生长并缓慢释放的目的，提高了植物提取重金属的效率，通过利用生物和化学方式综合治理重金属污染土壤，避免了活化重金属对土壤造成的二次污染，同时以园林废弃物的腐熟物作为有机肥料，在提升土壤肥力的同时实现了资源的再利用，符合可持续发展模式。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体横截面结构示意图；
图2为用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体纵截面示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种由外层肥料结构层、中层PHA结构层和内层生物炭结构层组成的用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体，如图1、图2所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。
具体地，如图所示，所述螯合剂缓释体整体外形为褶皱多边形柱状结构，所述螯合剂缓释体包括由外向内依次设置的肥料结构层1、PHA结构层2、生物炭结构层3，所述肥料结构层1由园林废弃物腐熟物、氮磷钾复合速效肥、EDTA混合后通过水溶性粘合剂粘合后压制成型，所述生物炭结构层3由生物炭通过水溶性粘合剂粘合后包裹PHA膜制成，所述PHA结构层2由填充在所述肥料结构层1与生物炭结构层3之间的PHA模块形成，所述PHA模块包括长方体型的PHA外壳以及填充在所述PHA外壳内的EDDS固体颗粒和PHA颗粒的混合物。
本发明所述螯合剂缓释体为褶皱多边形柱状结构，横截面为褶皱形(如锯齿形、波浪形等)，所述螯合剂缓释体长度30～50cm，宽度为15～20cm，高度为25～50cm，厚度为6～11cm。所述螯合剂缓释体一端为楔形，便于插入土壤，另一端为横切平面，其高度为从楔形顶端开始到横切面的距离，可从25cm至50cm不等，以供草本、灌木等不同植物根系分布层选择使用。
该缓释体是由园林废弃物腐熟物、速效氮磷钾复合肥、重金属螯合剂EDTA(乙二胺四乙酸)、EDDS(乙二胺二琥珀酸)、PHA(聚羟基脂肪酸酯)、生物炭组成的3层式结构，外层为封闭的中空结构，将中层、内层结构包裹在内。
具体地，所述肥料结构层1由园林废弃物腐熟物、市售氮磷钾复合速效肥、重金属螯合剂-EDTA组成，所述园林废弃物腐熟物与氮磷钾复合速效肥的体积比为(85～95)：(5～15)，所述EDTA添加量为每千克肥料结构层1中含30～292mg，用淀粉等水溶性粘合剂将上述三者粘合后，倒入模型，经高强度机械压制而得，所述肥料结构层1的厚度为1～2cm。
外层肥料结构层1用于植物生长初期。所述肥料结构层1由水溶性淀粉等粘合剂粘合，进入土壤10～15天就崩解，其中园林废弃物腐熟物、市售氮磷钾复合速效肥为植物提供所需的营养物质，促进植物生长发育。
EDTA重金属螯合剂是一种多齿配体，它的分子能够与单独的金属离子形成很多配位基，所形成的螯合物能够阻止金属的沉淀与吸附，并且可以被植物吸收利用。本发明因为要与含微生物种类丰富的园林废弃物腐熟物结合，所以肥料结构层1选用非生物降解的EDTA作为重金属螯合剂。由于肥料结构层1中的EDTA的用料得到严格控制，含量保持在每千克肥料结构层1中含30～292mg的最佳浓度，保证了EDTA与土壤中重金属螯合后就被植物有效利用，而不会形成大量的螯合物富集在土壤中而造成土壤的二次污染。
进一步，所述PHA结构层2由填充在所述肥料结构层1与生物炭结构层3之间的PHA模块形成。PHA是一种可完全生物降解的生物基高分子材料，其制品在土壤、污水、河水、海水中经3～6个月可被微生物分解成CO2和H2O，绿色环保。
本发明的PHA模块采用PHA吹膜制造，形成中空的长方体型的PHA外壳，所述PHA外壳的厚度0.012～0.1mm，所述PHA外壳的长度为1～2cm，所述PHA外壳的宽度和高度均为0.5～1cm。PHA长方体中装有EDDS固体颗粒与PHA颗粒的均匀混合物，二者体积比为(6～10)：1，并且混合物充分填满中空的长方体型的PHA外壳，这可以让EDDS充分填满整个PHA模块，待模块降解后EDDS可以与土壤充分接触，利于与重金属螯合，。所述PHA结构层2随机填充于所述肥料结构层1内壁与生物炭结构层3外壁之间，形成中层的PHA结构层2。
所述PHA结构层2应用于植物生长旺盛期。在外层的肥料结构层1崩解后，中层的PHA结构层2就暴露在土壤中开始被分解，历时3个月左右被完全分解，随着包裹EDDS固体颗粒螯合剂的PHA外壳降解后破裂，PHA长方体结构中的EDDS重金属螯合剂逐步被释放到土壤中，并与土壤中的重金属形成螯合物。而此时植物也处于旺盛生长期，可以大量吸收利用重金属螯合物，从而使得土壤中的重金属含量显著降低。所述EDDS为可生物降解的螯合剂，即使其没有与土壤中的重金属螯合，也会在土壤中自然降解，不会对土壤造成二次污染。
更进一步，所述生物炭结构层3为厚度在2～3cm的生物炭板结构，其外形与外层的所述肥料结构层1的褶皱一致，所述生物炭结构层3由生物炭通过淀粉等水溶性粘合剂粘合后包裹一层PHA膜制成，所述PHA膜厚0.15～0.2mm，包裹生物炭的PHA膜的降解时间为5～6个月。
在外层肥料结构逐渐崩解后，内层的生物炭结构层3也逐渐暴露在土壤中，包裹生物炭的PHA膜也开始被降解。由于所述PHA膜比中层的所述PHA模块的PHA外壳厚度大，完全降解的时间也要相对滞后，因此生物炭释放到土壤中的时间要滞后于中层PHA模块中的EDDS，这样就可以使植物充分利用吸收EDDS与重金属的螯合物。而生物炭表面分布大量孔隙，可以吸附、钝化重金属，能够有效避免活化后的重金属下沉污染地下水。
本发明的用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体利用园林废弃物腐熟物、氮磷钾复合肥提升重金属污染土壤肥力的同时释放少量螯合剂活化重金属供植物幼苗吸收利用，之后再利用较多螯合剂活化重金属供成熟植物吸收利用、最后利用生物炭固定、吸附重金属的特点，对受污染土壤分阶段、分层次进行净化，形成环境友好型的环保处理系统。与土壤修复方法相比，本发明的螯合剂缓释体避免了螯合剂一次大量进入土壤后对土壤造成的二次污染，提升了土壤肥力，改善重金属污染治理的效果。
本发明的螯合剂缓释体分为3层，随着植物的生长发育，螯合剂缓释体被分时间、分层次释放到土壤中与土壤中重金属螯合后被植物吸收利用，其原理为：
植物生长初期，所述缓释体外层肥料结构层释放有机肥、速效肥和少量的重金属螯合剂—EDTA于土壤中，促进植物生长，同时EDTA螯合少量重金属形成螯合物被植物吸收利用；随着植物生长到旺盛时期，中层PHA结构层中大量的重金属螯合剂—EDDS被释放到土壤中与土壤中重金属螯合，此时植物可大量吸收利用重金属螯合物，这样就降低了土壤中重金属的含量；在植物生长后期，内层生物炭结构中生物炭被释放到土壤中吸附活化后没有被植物利用的重金属，避免活化后重金属下沉污染地下水。
进一步，本发明的螯合剂缓释体可参照如下方法进行使用：
1、在植物种植时期：
在需要放置螯合剂缓释体的地方，根据螯合剂缓释体的规格，用专用的工具挖沟，沟的深度要高于螯合剂缓释体高度3～5cm。将所述螯合剂缓释体楔形一端朝下垂直施放到沟里并填埋后，于地面上种植植物，种植时避免碰坏所述螯合剂缓释体。其中，所述螯合剂缓释体施用量一般可选择每2平方米使用1根。
种植植物后除进行常规的种植养护外，应避免对所述螯合剂缓释体设置点进行翻耕，同时要少量多次的浇水，利于螯合剂缓释体的肥料结构层崩解，从而释放有机肥和速效肥到土壤中，促进植物的生长发育，同时少量EDTA也被释放到土壤中与重金属螯合，重金属螯合物随着植物根系的生长被吸收利用。
2、在植物生长旺盛时期：
在植物生长旺盛期要勤浇水，使得中层PHA结构层中的EDDS被释放到土壤中，勤浇水有助于固体EDDS溶于水后与土壤中的重金属结合形成螯合物，且有利于旺盛生长时期的植物根系大量吸收利用螯合物，并将螯合物运输到地上部分，达到显著降低土壤中重金属含量的目的。
3、在植物生长后期：
植物生长后期，则要少浇水，如果雨水较多，则要进行遮蔽处理，因为此时土壤中的重金属被大量活化，水太多不利于生物炭吸附活化后的重金属，易造成重金属下沉而污染地下水系统。
本发明的螯合剂缓释体实现了重金属螯合剂伴随植物生长并缓慢释放的目的，提高了植物提取重金属的效率，通过利用生物和化学方式综合治理重金属污染土壤，避免了活化重金属对土壤造成的二次污染，同时以园林废弃物的腐熟物作为有机肥料，在提升土壤肥力的同时实现了资源的再利用，符合可持续发展模式。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种用于重金属土壤修复的螯合剂缓释体，其特征在于：所述螯合剂缓释体整体外形为褶皱多边形柱状结构，所述螯合剂缓释体包括由外向内依次设置的肥料结构层(1)、PHA结构层(2)、生物炭结构层(3)，所述肥料结构层(1)由园林废弃物腐熟物、氮磷钾复合速效肥、EDTA混合后通过水溶性粘合剂粘合后压制成型，所述生物炭结构层(3)由生物炭通过水溶性粘合剂粘合后包裹PHA膜制成，所述PHA结构层(2)由填充在所述肥料结构层(1)与生物炭结构层(3)之间的PHA模块形成，所述PHA模块包括长方体型的PHA外壳以及填充在所述PHA外壳内的EDDS固体颗粒和PHA颗粒的混合物。
2.根据权利要求1所述的螯合剂缓释体，其特征在于：所述螯合剂缓释体长度30～50cm，宽度为15～20cm，高度为25～50cm，厚度为6～11cm。
3.根据权利要求1所述的螯合剂缓释体，其特征在于：所述螯合剂缓释体一端为楔形，另一端为横切平面。
4.根据权利要求1所述的螯合剂缓释体，其特征在于：在所述肥料结构层(1)中，所述园林废弃物腐熟物与氮磷钾复合速效肥的体积比为(85～95)：(5～15)，所述EDTA添加量为每千克肥料结构层(1)中含30～292mg。
5.根据权利要求1所述的螯合剂缓释体，其特征在于：在所述PHA模块中，所述PHA外壳的厚度0.012～0.1mm，所述PHA外壳的长度为1～2cm，所述PHA外壳的宽度和高度均为0.5～1cm。
6.根据权利要求1所述的螯合剂缓释体，其特征在于：在所述PHA模块中，所述EDDS固体颗粒与PHA颗粒的体积比为(6～10)：1。
7.根据权利要求1所述的螯合剂缓释体，其特征在于：所述肥料结构层(1)的厚度为1～2cm，所述生物炭结构层(3)的厚度为2～3cm。
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