CN106929022A - 一种降低水稻糙米中重金属Cd含量的土壤调理剂和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于稻田重金属污染治理技术领域，具体涉及一种降低水稻糙米中重金属Cd含量的土壤调理剂和方法。本发明所提供的土壤调理剂包含生物炭基和碱化剂，该土壤调理剂对稻田土壤重金属Cd污染修复效果显著，能明显降低水稻糙米中重金属的土壤调理剂，原料来源广泛、生产工艺简单，绿色环保，而且可以增加重金属污染土壤的土壤碳汇，改善土壤板结，减少温室气体的排放，在应用过程中避免产生二次污染。

Description

一种降低水稻糙米中重金属Cd含量的土壤调理剂和方法
技术领域
本发明属于稻田重金属污染治理技术领域，具体涉及一种降低水稻糙米中重金属Cd含量的土壤调理剂和方法。
背景技术
随着我国城市化及工业化进程的加快，矿山、冶炼、电镀和印染等工业“三废”的排放日益增多，使得重金属通过各种不同的途径进入土壤。加上农业生产中含有重金属的农药、化肥的不合理施用等，稻田土壤酸化程度不断加重，土壤中重金属溶出率增加，土壤中重金属被活化而显著增加其生物有效性。
据2015环境保护部和国土资源部联合颁布的《全国土壤状况调查公报》指出，目前农田土壤重金属超标达19.4％，且污染面积逐年增加。由于水稻对土壤中的Cd等重金属有吸收累积作用，导致稻米中Cd等重金属含量超标现象不时见诸报端，严重威胁稻作区粮食安全和食物链上的人畜健康。因此，如何有效地治理修复受重金属污染的稻田土壤，降低稻米中重金属含量，使稻米达到安全的食用水平，维持稻田土壤的可持续利用，已成为我国大部分粮食生产区亟需解决的资源与生态环境问题。
目前受重金属污染的土壤修复技术主要有原位修复和异位修复两种模式，其中原位修复由于非破坏性，具有经济性和可操作性的优势，是受到了人们的广泛关注和普遍采用的方法。近年来，有些地方采用粉煤灰、矿渣粉、钢渣粉等经过处理，当作为治理修复的原材料，通过翻耕、搅拌等方式将稻田表层土壤与修复材料均匀混合，以期达到物理和化学修复污染的目的。然而，这些治理修复物质均属于工业废弃物，成分复杂，处理成本高，还存在二次污染的风险，难以大规模推广应用。此外，长期大量地单一使用这些碱性物质容易引起土壤板结而破坏土壤的理化性状，甚至导致土壤中Ca、Mg、K等营养元素的平衡失调，稻田土壤重金属污染修复效果不够稳定、持续时间不长，并不能达到真正恢复土地生产力的效果。
因此，寻找一种降低稻米中重金属Cd含量的土壤调理剂，用于解决现有技术中存在的处理成本高、效果不稳定、二次污染和土壤板结等技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种降低水稻糙米中重金属Cd含量的土壤调理剂和方法，用于解决现有重金属污染土壤治理修复技术中存在的处理成本高、效果不稳定、二次污染和土壤板结的技术缺陷。
本发明提供了一种土壤调理剂，包括：生物炭基剂和碱化剂；
所述生物炭基剂的原材料为生物废弃物的二次炭化产物；
所述碱化剂为氧化钙和/或氧化镁。
优选的，按重量份计，所述生物炭基剂10～20份，更优选为12～18份，最优选为14～16份。
优选的，按重量份计，所述碱化剂1～3份，更优选为1～2份。
优选的，所述生物废弃物选自棕榈丝、椰壳、木屑、锯末、花生壳、作物秸秆、谷壳、中药渣和园林绿化废弃物中的一种或多种。
优选的，所述生物炭基剂由所述生物废弃物经二次炭化后进行粉碎得到。
优选的，所述生物炭基剂的比表面积大于500m2/g。
优选的，所述生物炭基剂和碱化剂为粉状物；所述粉状物的粒径为60～100目。
优选的，所述碱化剂的pH为10～13。
本发明还提供了一种降低水稻糙米中重金属Cd含量的方法，将上述土壤调理剂和重金属污染的土壤混合，得到混合土壤；
在所述混合土壤中种植水稻。
综上所述，本发明通过将生物炭基剂和碱化剂混合得到一种能够有效降低水稻糙米中重金属Cd含量的土壤调理剂。生物炭基剂为生物废弃物的炭化产物，经过二次炭化进行活化处理后，其吸附活性较现有生物炭基好，其表面结构疏松多孔、比表面积大、活性基团丰富和吸附能力强等特性，能够长效、稳定钝化农田土壤中的重金属Cd，降低其生物有效性。生物炭基剂结合活化处理后的碱化剂，复配后能显著提高污染稻田土壤的pH值，为土壤提供大量的[OH-]根，使Cd2+离子沉淀而大大降低毒性，从而减少污染土壤中重金属Cd向水稻植株地上部的吸收转移，降低重金属Cd在水稻糙米中的累积量，使稻米中重金属Cd含量达到安全食用水平。同时，施用本发明的生物炭基土壤调理剂可增加土壤中钙、镁等营养元素含量，进而改善土壤理化性状，恢复土壤肥力，营造有利于水稻生长的土壤环境，提高土壤养分的利用率，达到综合改良重金属Cd污染稻田土壤的效果。经试验证明，经上述土壤调理剂改良后的耕层土壤的pH值有效降低，改善了重金属污染土壤的酸度，而且由其种植得到的水稻的重金属Cd含量显著降低。解决了现有稻田重金属污染土壤修复技术中存在的处理成本高，土壤板结，效果不稳定、持续时间不长和易造成二次污染等技术难题。具有效果显著、成本低廉、制备工艺简单、能耗低以及环境友好等优点。
因此，通过本发明技术方案得到了一种对稻田土壤重金属Cd污染修复效果显著，能明显降低水稻糙米中重金属Cd含量的土壤调理剂，其原料来源广泛、生产工艺简单，绿色环保，而且可以增加重金属污染土壤的土壤碳汇，改善土壤板结，减少温室气体的排放，在应用过程中避免产生二次污染。
具体实施方式
下面将结合本发明说明书优选实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域技术人员应当理解，对本发明的具体实施例进行修改或者对部分技术特征进行同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神，均应涵盖在本发明保护的范围中。
为了更详细地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明所提供的一种降低水稻糙米中重金属Cd含量的土壤调理剂和方法，进行具体地描述本发明技术方案。
实施例1
称取1000kg椰壳，将其烘干后置入厌氧炭化炉中，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min的加速度升温至220℃，停留30min，然后以2℃/min的加速度升温至550℃后，保温3小时，得到中间炭化产物1。
将中间炭化产物1加入立式反应器内，向反应器内通入氮气用于驱赶其中空气，30分钟后开始加热，以10℃/min的速度升温至900℃；然后，以气流量为0.45L/min通入水蒸气进行活化，在900℃活化1小时后停止加热，将气流切换为氮气，在氮气保护下降至室温，再在120℃真空干燥8小时。冷却后取出研磨，过60-100目筛，得到生物炭基剂1。
称取100kg氧化钙，烘干后研磨过60-100目筛，制得碱化剂。
将以上制得的1000kg生物炭基剂1与100kg氧化钙碱化剂充分混合均化，制得土壤调理剂1。
实施例2
称取1000kg棕榈丝和1000kg锯末，两者烘干后置入厌氧炭化炉中，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min的加速度升温至220℃，停留30min，然后以2℃/min的加速度升温至550℃后，保温3小时，得到中间炭化产物2。
将中间炭化产物2加入立式反应器内，向反应器内通入氮气用于驱赶其中空气，30分钟后开始加热，以10℃/min的速度升温至900℃；然后，以气流量为0.45L/min通入水蒸气进行活化，在900℃活化1小时后停止加热，将气流切换为氮气，在氮气保护下降至室温，再在120℃真空干燥8小时。冷却后取出研磨，过60-100目筛，得到生物炭基剂2。
称取200kg氧化镁，烘干后研磨过60-100目筛，制得碱化剂。
将以上制得的2000kg生物炭基剂2与200kg氧化镁碱化剂充分混合均化，制得土壤调理剂2。
实施例3
称取1000kg花生壳和1000kg谷壳，两者烘干后置入厌氧炭化炉中，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min的加速度升温至220℃，停留30min，然后以2℃/min的加速度升温至550℃后，保温3小时，得到中间炭化产物3。
将中间炭化产物3加入立式反应器内，向反应器内通入氮气用于驱赶其中空气，30分钟后开始加热，以10℃/min的速度升温至900℃；然后，以气流量为0.45L/min通入水蒸气进行活化，在900℃活化1小时后停止加热，将气流切换为氮气，在氮气保护下降至室温，再在120℃真空干燥8小时。冷却后取出研磨，过60-100目筛，得到生物炭基剂3。
称取200kg氧化钙，烘干后研磨过60-100目筛，制得碱化剂。
将以上制得的2000kg生物炭基剂3与200kg氧化钙碱化剂充分混合均化，制得土壤调理剂3。
实施例4
称取2000kg玉米秸秆，将其烘干后置入厌氧炭化炉中，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min的加速度升温至220℃，停留30min，然后以2℃/min的加速度升温至550℃后，保温3小时，得到中间炭化产物4。
将中间炭化产物4加入立式反应器内，向反应器内通入氮气用于驱赶其中空气，30分钟后开始加热，以10℃/min的速度升温至900℃；然后，以气流量为0.45L/min通入水蒸气进行活化，在900℃活化1小时后停止加热，将气流切换为氮气，在氮气保护下降至室温，再在120℃真空干燥8小时。冷却后取出研磨，过60-100目筛，得到生物炭基剂4。
称取150kg氧化钙和150kg氧化镁均匀混合，烘干后研磨过60-100目筛，制得氧化钙/氧化镁碱化剂。
将以上制得的2000kg生物炭基剂4与300kg氧化钙/氧化镁碱化剂充分混合均化，制得土壤调理剂4。
实施例5
称取2000kg中药渣，将其烘干后置入厌氧炭化炉中，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min的加速度升温至220℃，停留30min，然后以2℃/min的加速度升温至550℃后，保温3小时，得到中间炭化产物5。
将中间炭化产物5加入立式反应器内，向反应器内通入氮气用于驱赶其中空气，30分钟后开始加热，以10℃/min的速度升温至900℃；然后，以气流量为0.45L/min通入水蒸气进行活化，在900℃活化1小时后停止加热，将气流切换为氮气，在氮气保护下降至室温，再在120℃真空干燥8小时。冷却后取出研磨，过60-100目筛，得到生物炭基剂5。
称取50kg氧化钙和150kg氧化镁，均匀混合烘干后研磨过60-100目筛，制得氧化钙/氧化镁碱化剂。
将以上制得的2000kg生物炭基剂5与200kg氧化钙/氧化镁碱化剂充分混合均化，制得土壤调理剂5。
实施例6
称取1500kg水稻秸秆，将其烘干后置入厌氧炭化炉中，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min的加速度升温至220℃，停留30min，然后以2℃/min的加速度升温至550℃后，保温3小时，得到中间炭化产物6。
将中间炭化产物6加入立式反应器内，向反应器内通入氮气用于驱赶其中空气，30分钟后开始加热，以10℃/min的速度升温至900℃；然后，以气流量为0.45L/min通入水蒸气进行活化，在900℃活化1小时后停止加热，将气流切换为氮气，在氮气保护下降至室温，再在120℃真空干燥8小时。冷却后取出研磨，过60-100目筛，得到生物炭基剂6。
称取100kg氧化钙和50kg氧化镁，均匀混合烘干后研磨过60-100目筛，制得氧化钙/氧化镁碱化剂。
将以上制得的1500kg生物炭基剂6与150kg氧化钙/氧化镁碱化剂充分混合均化，制得土壤调理剂6。
实施例7
称取2000kg木屑，将其烘干后置入厌氧炭化炉中，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min的加速度升温至220℃，停留30min，然后以2℃/min的加速度升温至550℃后，保温3小时，得到中间炭化产物7。
将中间炭化产物7加入立式反应器内，向反应器内通入氮气用于驱赶其中空气，30分钟后开始加热，以10℃/min的速度升温至900℃；然后，以气流量为0.45L/min通入水蒸气进行活化，在900℃活化1小时后停止加热，将气流切换为氮气，在氮气保护下降至室温，再在120℃真空干燥8小时。冷却后取出研磨，过60-100目筛，得到生物炭基剂7。
称取300kg氧化镁，烘干后研磨过60-100目筛，制得碱化剂。
将以上制得的2000kg生物炭基剂7与300kg氧化镁碱化剂充分混合均化，制得土壤调理剂产品7。
实施例8
称取2000kg园林绿化废弃物，将其烘干后置入厌氧炭化炉中，抽真空后通入氮气作为保护气体，以6℃/min的加速度升温至220℃，停留30min，然后以2℃/min的加速度升温至550℃后，保温3小时，得到中间炭化产物8。
将中间炭化产物8加入立式反应器内，向反应器内通入氮气用于驱赶其中空气，30分钟后开始加热，以10℃/min的速度升温至900℃；然后，以气流量为0.45L/min通入水蒸气进行活化，在900℃活化1小时后停止加热，将气流切换为氮气，在氮气保护下降至室温，再在120℃真空干燥8小时。冷却后取出研磨，过60-100目筛，得到生物炭基剂8。
称取150kg氧化钙和50kg氧化镁，混合均匀烘干后研磨过60-100目筛，制得氧化钙/氧化镁碱化剂。
将以上制得的2000kg生物炭基剂8与200kg氧化钙/氧化镁碱化剂充分混合均化，制得土壤调理剂8。
实施例9早造水稻试验
试验地点设于广东省韶关市仁化县，选择典型的酸性土壤且受Cd重金属污染的稻田。
土壤取样测定结果：pH 5.54；Cd含量为3.16mg/kg。根据土壤环境质量标准(GB15618-1995)判定，其污染水平超过土壤环境质量二级标准，属重金属Cd重度污染土壤。
供试作物：五丰优516(已鉴定为该地区当家杂优水稻品种)。
实施田间小区试验共分成四个组别，具体如下。
组别1：空白对照(CK)；
组别2：生物炭基剂30t/hm2；
组别3：碱化剂3t/hm2；
组别4：实施例1提供的土壤调理剂33t/hm2。
每个组别3次重复，随机区组排列，每个小区面积为4m×12.5m＝50m2。
在水稻移栽前，将各组别改良剂与表层土壤翻耕、耙匀后平衡3天，然后插秧，整个生育期各处理的NPK常规施肥量，以及其他田间管理措施一致。至水稻成熟收获后，采集各处理组小区的稻谷样和耕层(0-20cm)土壤，分析土壤pH以及稻谷糙米中重金属Cd含量，结果见表1。
表1早造水稻试验结果
从上表可以看出，施加生物炭基剂组别2和碱化剂组别3均可提高土壤的pH值，分别比对照组别增加了0.07和0.50个单位；而生物炭基复混土壤调理剂组4别应用效果最好，其组别土壤pH值比对照组1增加了0.53个单位。上表结果还显示，单施生物炭的组别2或单施碱化剂的组别3均能显著降低水稻糙米中的重金属Cd含量，分别降低了11.10％和58.33％。而施用土壤调理剂1的组别4的效果最佳，其水稻糙米中重金属Cd含量比对照组1降低了69.44％，水稻糙米中Cd含量为0.11mg/kg，明显低于《GB2715-2005粮食卫生标准》中所规定的0.2mg/kg的限量值，达到了安全的食用标准。
实施例10晚造水稻试验
试验地点设于广东省韶关市仁化县，选择典型的酸性土壤且受Cd重金属污染的稻田。
土壤取样测定结果：pH 5.06。Cd含量为3.16mg/kg。根据土壤环境质量标准(GB15618-1995)判定，其污染水平超过土壤环境质量二级标准，属重金属Cd重度污染土壤。
供试作物：五丰优516(已鉴定为该地区当家杂优水稻品种)。
实施田间小区试验共分成四个组别，具体如下。
组别1：空白对照(CK)；
组别2：生物炭基剂30t/hm2；
组别3：碱化剂3t/hm2；
组别4：实施例8提供的土壤调理剂33t/hm2。
每个组别3次重复，随机区组排列，每个小区面积为4m×12.5m＝50m2。
在水稻移栽前，将各组别改良剂与表层土壤翻耕、耙匀后平衡3天，然后插秧，整个生育期各处理的NPK常规施肥量，以及其他田间管理措施一致。至水稻成熟收获后，采集各处理组小区的稻谷样和耕层(0-20cm)土壤，分析土壤pH以及稻谷糙米中重金属Cd含量，结果见表2。
表2晚造水稻试验结果
从上表可以看出，晚造水稻实验结果中，施加土壤调理剂8的组别4与组别1(CK)比较，土壤pH值增加了0.28个单位。上表结果还显示，施用土壤调理剂8的组别4的效果最佳，其水稻糙米中重金属Cd含量比对照组1降低了50.00％，水稻糙米中Cd含量为0.05mg/kg，远远低于《GB2715-2005粮食卫生标准》中所规定的0.2mg/kg的限量值，达到了安全的食用标准。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种降低水稻糙米中重金属Cd含量的土壤调理剂，其特征在于，包括：生物炭基剂和碱化剂；
所述生物炭基剂为生物废弃物的二次炭化产物；
所述碱化剂为氧化钙和/或氧化镁。
2.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，按重量份计，所述生物炭基剂10～20份。
3.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，按重量份计，所述碱化剂1～3份。
4.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述生物废弃物选自棕榈丝、椰壳、木屑、锯末、花生壳、作物秸秆、谷壳、中药渣和园林绿化废弃物中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述生物炭基剂由所述生物废弃物经二次炭化后进行粉碎得到。
6.根据权利要求5所述的土壤调理剂，其特征在于，所述生物炭基剂的比表面积大于500m2/g。
7.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述生物炭基剂和碱化剂为粉状物；
所述粉状物的粒径为60～100目。
8.根据权利要求1所述的土壤调理剂，其特征在于，所述碱化剂的pH为10～13。
9.一种降低水稻糙米中重金属Cd含量的方法，其特征在于，将权利要求1至8任意一项所述的土壤调理剂和重金属污染的土壤混合，得到混合土壤；
在所述混合土壤中种植水稻。
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CN110149833A (zh) * 2019-06-04 2019-08-23 阜阳师范学院 一种施用生物炭改良土壤的方法
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