CN106269829A - 一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法。该方法通过对受污染农田土壤进行翻耕、筑垄、灌水浸泡、可移动式吸附模块吸附、浸泡水内循环、土壤稳定增肥等步骤，实现对受重金属污染农田土壤的原位无损修复、稳定和增肥，该方法无需外加添加剂，不破坏土壤结构和组成，能实现多种类、多形态重金属的深度高效净化，具有应用范围广、工程量小、治理周期短、成本低等优点，非常适合受重金属污染的农田土壤治理。

Description

一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法
技术领域
本发明属于污染土壤修复技术领域，具体涉及一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法。
背景技术
目前我国耕地受重金属污染形势严峻，全国有约六分之一的耕地受到不同程度的重金属污染。其中Cd、Ni、Pb等是污染耕地的主要重金属。上述重金属主要通过污水灌溉、工业三废排放、农药化肥过度使用等途径进入耕地，造成土壤重金属污染。耕地重金属污染会造成农作物减产和重金属超标，进而威胁人们身体健康。近年来我国土壤重金属污染事件频发，由此引发的镉米、砷毒、血铅等污染事件时有报道，严重影响社会稳定。目前，土壤重金属污染已经成为我国主要的环境污染问题之一，受到政府和公众的重点关注。因此，控制和修复土壤重金属污染，保障食物安全和群众健康，是目前我国重大环保需求之一，也是科研工作者需要重点关注和解决的问题。
针对污染土壤修复，目前国内外常用的修复技术主要有物理修复、化学修复、生物修复等。物理修复法主要包括客土法、换土法、隔离包埋法、热力恢复法等，但上述方法存在投资运行成本高、工程量大等缺陷。化学修复法主要采用外加化学添加剂，通过改变土壤中重金属存在形态，降低其生物有效性，从而减少其毒性和植物累积性，目前常用的方法包括化学改良剂法、化学栅法、化学淋洗法等。但加入化学物质一定程度上会破坏土壤结构和组成、改变土壤酸碱性、降低土壤肥力，同时使用不当还会造成二次污染。生物修复是利用植物、动物、微生物的方法吸附/吸收重金属，实现土壤修复目的。但生物修复技术周期较长，且生物修复技术(主要是植物修复技术)往往对某一种类重金属修复效果较好，对受多种重金属污染的土壤无法治理到符合标准。
在上述污染治理技术基础上，我国科技工作者开展了较为深入的土壤重金属污染治理研究，并申请了系列发明专利。其中，发明专利(申请号201410358118.1)采用灌水浸泡、土壤重金属解吸剂(有机络合剂)解析土壤重金属、凹凸棒吸附、电分离法分离凹凸棒等步骤治理重金属，治理效果铜去除率约82％、铅约55％；同时在土壤中加入人造有机络合剂、凹凸棒粉等，其中有机络合剂无法回收残留在土壤中，部分凹凸棒粉可通过电分离法回收但土壤中仍会残留，上述物质一方面会破坏土壤组成和性质；另一方面加入的化学物质的环境生态风险未进行评估，存在土壤新污染的趋势；此外，该方法工程量大，同时采用电分离法回收凹凸棒不仅使用成本高，且存在安全风险。发明专利(申请号201410285259.5、201510186798.8)采用取样、分析、除草浸泡、活化、置换吸附、搅拌磁吸、集中收集等步骤治理农田重金属；但该方法在土壤中加入人造解胶剂、聚合置换剂等，且不进行回收，全部残留在土壤中，上述物质的加入一方面会破坏土壤组成和结构，改变土壤微生态系统，另一方面加入的化学物质的环境生态风险未进行评估，存在土壤新污染的趋势，土壤原有功能能否恢复值得商榷；此外，该方法的工程量大。发明专利(申请号201410240226.9)采用改性秸秆绳从土壤吸附去除重金属；但该方法仅能吸附去除部分水溶态和离子交换态重金属，对土壤中占大部分的碳酸盐结合态、铁锰氧化态、有机结合态等重金属几乎没有去除作用，而后面几种形态重金属在土壤pH、氧化还原电位发生改变是会析出重新污染土壤。而受限于改性秸秆绳的物理机械性能，该技术只能用在pH为6-7的土壤，而在酸性或碱性土壤中秸秆绳易腐蚀分解，起不到治理作用。同时上述四项发明专利只能吸附去除土壤中可溶态、离子交换态重金属，对碳酸盐结合态和铁锰氧化态重金属几乎没有去除作用，无法做到土壤重金属高效深度净化。
因此，针对现有农田重金属污染特征，开发出一种经济、快速、高效、无损、广适的重金属污染农田土壤修复技术并推广应用，对改善我国农田重金属污染状况，促进农作物增收和保护人民身体健康具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法。该方法以物理修复法为基础，通过对受污染农田土壤进行翻耕、筑垄、灌水浸泡、可移动式吸附模块吸附、浸泡水内循环、土壤稳定增肥等步骤，实现对受重金属污染农田土壤进行原位无损修复、稳定和增肥，该方法无需外加添加剂，不破坏土壤结构和组成，能实现多种类、多形态重金属的深度高效净化，具有应用范围广、工程量小、治理周期短、成本低等优点，非常适合受重金属污染的农田土壤治理。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，包括如下步骤：
步骤一，将受重金属污染农田的表层土壤进行翻耕，并修筑成田垄；
步骤二，以当地水源为灌溉水，调节灌溉水pH值成弱酸性，用其灌溉受污染农田，淹没田垄，浸泡一定时间；
步骤三，在每条田沟之间均匀布置可移动式吸附模块，同时启动农田浸泡水内循环，使浸泡水呈缓慢流动状态，动态吸附一定时间；
步骤四，排除农田浸泡水，重新对土壤进行翻耕，并修筑成田垄，直接以当地水源为灌溉水，对土壤浸泡一定时间，随后在每条田沟之间重新均布可移动式吸附模块，启动农田浸泡水内循环，继续吸附一定时间；此步骤运行工艺参数与第一次灌溉、浸泡、吸附相同；
步骤五，排除农田浸泡水，暴晒一定时间，重新对土壤进行翻耕，翻耕同时撒入一定量的土壤稳定增肥剂，实现受重金属污染农田修复、稳定和增肥。
本发明所述的表层土壤翻耕厚度为30-40cm，田垄深30cm，宽40cm，田沟宽30cm。
本发明所述的调节灌溉水pH值为4.0-6.0，所用酸为磷酸；浸泡水浸没田垄高度为10cm，浸泡时间3-7天。
本发明所述的可移动式吸附模块由支撑绳、固定环和可拆卸式吸附胶囊组成，可拆卸式吸附胶囊通过固定环固定在支撑绳上，可拆卸式吸附胶囊安装在每条田沟间，在水面下15cm处，安装间隔为1m。
本发明所述的可拆卸式吸附胶囊由吸附剂和纱网袋组成，高性能的吸附剂填装在纱网袋内，吸附剂装填重量为1Kg/纱网袋。
本发明所述的吸附剂为中微孔吸附剂，要求比表面积≥500m2/g，粒径0.5-3mm，优选的吸附剂为活性炭和/或活性炭纤维。
本发明所述的农田浸泡水内循环由可移动潜水泵、循环水沟和田沟组成，要求控制水流速度在0.05-0.1m/s之间。
本发明所述的可移动式吸附模块吸附时间为7-12天；所述的暴晒时间为3-5天。
本发明所述的土壤稳定增肥剂由石灰、农林废物焚烧灰、碳酸氢铵、磷酸二氢钾组成，各成分质量比例为石灰：农林废物焚烧灰：碳酸氢铵：磷酸二氢钾＝5:3:1:1。撒入的土壤稳定增肥剂量为80-150Kg/每亩农田。
本发明的基本原理在于：通过对农田进行翻耕、修筑田垄，使土壤表面充分暴露，随后通过偏酸性水对农田土壤进行充分浸泡，使得存在于土壤表面或结构中的离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态等生物有效态重金属充分转变成水溶态重金属，释放到水中，然后通过吸附剂对水中重金属离子进行吸附去除。启动农田浸泡水内循环的目的是促进农田内重金属的扩散，强化重金属的吸附作用。再次以普通水浸泡的目的一方面是调节土壤pH值，一方面是进一步促进土壤中重金属的释放；同时再次吸附的目的是为了进一步吸附去除重金属。当农田土壤经过两轮翻耕、灌溉、浸泡、吸附之后，绝大部分生物有效态重金属被去除。随后撒入土壤稳定增肥剂，进一步固化未吸附的可溶态重金属，同时调节土壤pH值和增加土壤肥力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)多污染物深度高效净化：本发明将土壤中离子交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化态等生物有效态重金属转变为可溶态重金属，结合移动式吸附胶囊吸附，实现对Cd、Ni、Pb等多种类、多形态重金属的深度高效净化，可实现土壤中各重金属的总去除率≥80％，净化后土壤重金属满足国内排放标准要求。该方法克服了传统原位固定-钝化技术仅仅降低重金属可迁移性，而重金属仍然留存于土壤，环境生态风险仍然存在的缺点；克服了传统吸附法只能吸附去除水溶态和离子交换态重金属，无法做到多形态重金属深度净化的缺点。
(2)原位无损修复：该方法无需移动受污染土壤，无需外加人造添加剂，不破坏土壤结构，不存在残留物的二次污染等环境风险；该方法能在保护土壤性质的基础上增加土壤肥力，进一步固化重金属，是一种环保的原位无损修复技术。克服了现有物理、化学法工程量大、投资高、改变土壤结构和性质等缺点。
(3)经济、安全：该方法实施过程中无大型机械设备，工程量小，投资运行成本低，且实施过程安全可靠。
(4)简单、快速：该方法工艺、设备简单，实施周期短(1-2个月)，克服了植物修复法耗时长(几年)，重金属去除单一，土地闲置时间长的缺点。
(5)适用范围广：该方法可应用于酸性、中性、碱性土壤重金属治理，尤其适合南方地区受重金属污染农田耕地的原位修复，具适用范围广的优点。
附图说明
图1是本发明一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法系统图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
步骤一，将受重金属污染农田的表层土壤进行翻耕，翻耕深度30cm，并修筑成田垄，田垄深30cm，宽40cm，田沟宽30cm；
步骤二，以当地水源为灌溉水，采用磷酸调节灌溉水pH值为4.0，用其灌溉受污染农田，淹没田垄高度10cm，浸泡3天；
步骤三，在每条田沟内每隔2m布置一个可移动式吸附模块，可移动式吸附模块由支撑绳、固定环、可拆卸式吸附胶囊组成，可拆卸式吸附胶囊由粒径为0.5mm、比表面积≥1000m2/g活性炭和纱网袋组成，可拆卸式吸附胶囊安装深度距水面15cm，同时启动农田浸泡水内循环，使浸泡水呈缓慢流动状态，控制水流速度为0.05m/s，动态吸附7天；
步骤四，排除农田浸泡水，重新对土壤进行翻耕，并修筑成田垄，直接以当地水源为灌溉水，对土壤浸泡3天，随后在每条田沟之间每隔1m重新均布可移动式吸附模块，启动农田浸泡水内循环，继续吸附7天；
步骤五，排除农田浸泡水，暴晒3天，重新对土壤进行翻耕，翻耕同时以150Kg/每亩的标准撒入土壤稳定增肥剂。最终监测农田中Cd、Ni、Pb的去除率分别为93％、89.53％、91.93％，同时各有效态重金属大幅度减小。达到土壤环境质量标准(GB 15618-2008)规定的农业用地(土壤pH＝6.5-7.5)Cd、Ni、Pb含量分别≤0.5、90、80mg/Kg的要求。具体见表1。
表1土壤治理前后重金属含量
实施例2
步骤一，将受重金属污染农田的表层土壤进行翻耕，翻耕深度35cm，并修筑成田垄，田垄深30cm，宽40cm，田沟宽30cm；
步骤二，以当地水源为灌溉水，采用磷酸调节灌溉水pH值为5.0，用其灌溉受污染农田，淹没田垄高度10cm，浸泡5天；
步骤三，在每条田沟内每隔2m布置一个可移动式吸附模块，可移动式吸附模块由支撑绳、固定环、可拆卸式吸附胶囊组成，可拆卸式吸附胶囊由粒径为1mm、比表面积≥1500m2/g活性炭纤维和纱网袋组成，可拆卸式吸附胶囊安装深度距水面15cm，同时启动农田浸泡水内循环，使浸泡水呈缓慢流动状态，控制水流速度为0.08m/s，动态吸附10天；
步骤四，排除农田浸泡水，重新对土壤进行翻耕，并修筑成田垄，直接以当地水源为灌溉水，对土壤浸泡5天，随后在每条田沟之间每隔1m重新均布可移动式吸附模块，启动农田浸泡水内循环，继续吸附10天；
步骤五，排除农田浸泡水，暴晒4天，重新对土壤进行翻耕，翻耕同时以100Kg/每亩的标准撒入土壤稳定增肥剂，实现受重金属污染农田修复、稳定和增肥。最终监测农田中Cd、Ni、Pb的去除率分别为91.60％、85.64％、90.23％，同时各有效态重金属大幅度减小。达到土壤环境质量标准(GB 15618-2008)规定的农业用地(土壤pH＝6.5-7.5)Cd、Ni、Pb含量分别≤0.5、90、80mg/Kg的要求。具体见表2。
表2土壤治理前后重金属含量
实施例3
步骤一，将受重金属污染农田的表层土壤进行翻耕，翻耕深度40cm，并修筑成田垄，田垄深30cm，宽40cm，田沟宽30cm；
步骤二，以当地水源为灌溉水，采用磷酸调节灌溉水pH值为6.0，用其灌溉受污染农田，淹没田垄高度10cm，浸泡7天；
步骤三，在每条田沟内每隔2m布置一个可移动式吸附模块，可移动式吸附模块由支撑绳、固定环、可拆卸式吸附胶囊组成，可拆卸式吸附胶囊由粒径为3mm、比表面积≥500m2/g活性炭和纱网袋组成，可拆卸式吸附胶囊安装深度距水面15cm，同时启动农田浸泡水内循环，使浸泡水呈缓慢流动状态，控制水流速度为0.10m/s，动态吸附12天；
步骤四，排除农田浸泡水，重新对土壤进行翻耕，并修筑成田垄，直接以当地水源为灌溉水，对土壤浸泡7天，随后在每条田沟之间每隔1m重新均布可移动式吸附模块，启动农田浸泡水内循环，继续吸附12天；
步骤五，排除农田浸泡水，暴晒5天，重新对土壤进行翻耕，翻耕同时以80Kg/每亩的标准撒入土壤稳定增肥剂，实现受重金属污染农田修复、稳定和增肥。最终监测农田中Cd、Ni、Pb的去除率分别为88.24％、80.88％、81.95％，同时各有效态重金属大幅度减小，达到土壤环境质量标准(GB 15618-2008)规定的农业用地(土壤pH＝6.5-7.5)Cd、Ni、Pb含量分别≤0.5、90、80mg/Kg的要求。具体见表3。
表3土壤治理前后重金属含量
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，将受重金属污染农田的表层土壤进行翻耕，并修筑成田垄；
步骤二，以当地水源为灌溉水，调节灌溉水pH值成弱酸性，用其灌溉受污染农田，淹没田垄，浸泡一定时间；
步骤三，在每条田沟之间均匀布置可移动式吸附模块，同时启动农田浸泡水内循环，动态吸附一定时间；
步骤四，排除农田浸泡水，重新对土壤进行翻耕，并修筑成田垄，直接以当地水源为灌溉水，对土壤浸泡一定时间，随后在每条田沟之间重新均布可移动式吸附模块，启动农田浸泡水内循环，继续吸附一定时间；此步骤运行工艺参数与第一次灌溉、浸泡、吸附相同；
步骤五，排除农田浸泡水，暴晒一定时间，重新对土壤进行翻耕，翻耕同时撒入土壤稳定增肥剂，实现受重金属污染农田修复、稳定和增肥。
2.根据权利要求1所述的一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，其特征在于，所述表层土壤翻耕厚度为30-40cm，田垄深30cm，宽40cm，田沟宽30cm。
3.根据权利要求1所述的一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，其特征在于，所述调节灌溉水pH值为4.0-6.0，所用酸为磷酸；浸泡水浸没田垄高度为10cm，浸泡时间3-7天。
4.根据权利要求1所述的一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，其特征在于，所述可移动式吸附模块由支撑绳、固定环和可拆卸式吸附胶囊组成，可拆卸式吸附胶囊安装在每条田沟间，在水面下15cm处，安装间隔为1m。
5.根据权利要求4所述的一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，其特征在于，所述可拆卸式吸附胶囊由吸附剂和纱网袋组成，吸附剂填装在纱网袋内，装填重量为1Kg/纱网袋。
6.根据权利要求5所述的一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，其特征在于，所述吸附剂为中微孔吸附剂，比表面积≥500m2/g，粒径为0.5-3mm；优选的吸附剂为活性炭和/或活性炭纤维。
7.根据权利要求1所述的一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，其特征在于，所述农田浸泡水内循环由可移动潜水泵、循环水沟和田沟组成，控制水流速度在0.05-0.1m/s之间。
8.根据权利要求1所述的一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，其特征在于，所述可移动式吸附模块吸附时间为7-12天；所述的暴晒时间为3-5天。
9.根据权利要求1所述的一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，其特征在于，所述土壤稳定增肥剂由石灰、农林废物焚烧灰、碳酸氢铵和磷酸二氢钾组成，各成分质量比例为石灰：农林废物焚烧灰：碳酸氢铵：磷酸二氢钾＝5:3:1:1。
10.根据权利要求1所述的一种广适高效无损原位修复受重金属污染农田的方法，其特征在于，所述土壤稳定增肥剂撒入量为80-150Kg/每亩农田。
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