CN107138511A - 一种联合修复重金属污染土壤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位淋洗‑深层固定‑植物提取联合修复重金属镉污染土壤的方法，经过表层原位淋洗重金属随淋洗液下渗至深层，在深层固定，然后施加有机肥后种植重金属富集植物柳树，进一步除去残留重金属、恢复土壤功能；本发明将耕作层重金属淋洗至深层，降低农作物对重金属的吸收，淋洗至深层的重金属被固定，不污染地下水，进一步通过植物修复去除残留重金属、恢复土壤功能。发明所用的含铁化合物，不破坏土壤结构、可作为稻田土壤改良剂；较之植物修复提高了修复效率，较之淋洗修复减少挖方、搅拌、分离等步骤；本发明提供的修复方法时间短、成本低、效率高，在大规模重金属污染农田的修复领域中具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及土壤重金属污染治理领域，特别是涉及一种重金属污染土壤的原位淋洗-深层固定-植物修复联合方法。
背景技术
在过去几十年，因选矿业、冶炼业的发展及环保法律、环保意识的欠缺，造成我国大面积土壤被重金属污染(如镉、汞、砷、铜、铅、铬、锌等)，《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国16.1％的土壤被污染，耕地土壤污染达到19.4％，其中镉污染最为突出，超标率为7％。重金属不被生物降解、毒性强，易于在农作物中积累，进入食物链，造成粮食减产和危害人体健康。而我国人与耕地矛盾突出，改良污染农田的质量显得尤为迫切。2016年国务院印发的《土壤污染防治行动计划》(“土十条”)，对于污染土壤的安全利用提出了明确的目标。因此如何高效的修复如此大面积污染土壤，实现“土十条”提出的目标尤为重要。
目前，重金属污染农田的修复技术主要是钝化，即将钝化材料如石灰、生物炭等材料施加到土壤中，提高土壤的酸度和对重金属的吸附能力，降低重金属的活性，减少农作物对重金属的吸收。但重金属仍然留在耕作层，而且农作物根部产生的小分子有机酸，重新活化重金属。因此钝化修复往往不能取得长效的效果。植物修复是一种廉价的修复技术，通过积累植物将重金属富集至地上部，收割地上部植物减少土壤中的重金属含量。但植物修复效率却不能令人满意，往往需要十几乃至数十年。土壤淋洗修复技术是利用化学淋洗剂，如有机酸，螯合剂、无机酸等化合物，将重金属从污染土壤中洗脱下来，达到修复目的。目前，土壤淋洗修复主要应用于工业场地的修复，对于大面积污染农田修复土壤淋洗修复，工程量大，泥水分离困难等问题。本发明旨在解决大面积污染的农田高效修复问题难题，创新地将原位淋洗、深层固定、植物修复结合在一起，解决了淋洗的高成本、钝化不彻底、植物修复效率低的问题。
发明内容
针对目前重金属修复技术存在的问题，提供一种原位淋洗-深层固定-植物修复联合修复重金属污染土壤修复方法，本发明是这样实现的：
一种联合修复重金属污染土壤的方法，其具体步骤如下：
1)污染农田挖50-60cm深沟，沟宽5～10cm，沟间距为0.5m～1m，向沟内加入固定剂，再回填土壤；然后向土壤表面施加淋洗剂，灌溉水；
2)施入有机肥，扦插种植柳树，恢复土壤功能，进一步去除残留重金属，柳树种植1～2年后可以将柳树轮伐，2～3年后，收割柳枝，即完成对金属污染土壤的修复。
进一步，本发明所述联合修复重金属污染土壤的方法中，步骤1)所用的固定剂为具有土壤改良作用的石灰，固定剂施入量为耕作层土壤干重质量的2％。进一步，本发明所述联合修复重金属污染土壤的方法中，步骤1)所使用的淋洗剂为不产生二次污染且具有土壤改良作用的三氯化铁，淋洗剂施入量为耕作层土壤干重质量的0.5～2.0％。
进一步，本发明所述联合修复重金属污染土壤的方法中，步骤2)所述柳树为济价值较强、富集效率高的金丝垂柳或柳785。
进一步，本发明所述联合修复重金属污染土壤的方法中，步骤1)所述灌溉水是指：向土壤表层灌水至水面高于土壤表层10cm，利用水耙搅拌混合土壤，静置，待水渗入土壤后，再重复灌溉至少两次；重金属随淋洗剂下渗到农田深层(约距土壤表层50-60cm)，重新在深层固定，不污染地下水，
进一步，本发明所述联合修复重金属污染土壤的方法中，步骤2)所述有机肥的施入量为耕种层土壤干重的0.5～1％，恢复淋洗后土壤中流失的营养元素、有机质。
进一步，本发明所述联合修复重金属污染土壤的方法中，步骤2)扦插种植柳树的种植间距为1m×30cm。
本申请中，技术术语“耕作层”是指距表层0-20cm的土壤层。
本发明中，携带重金属的淋洗剂下渗至深层，深层的固定剂石灰成碱性，与酸性淋洗剂反应，提高土壤pH，石灰与三氯化铁反应生成具有絮凝作用的氢氧化铁，从而使重金属在深层固定下来。
本发明的有益效果体现在：
1、本发明所选淋洗剂不破坏土壤结构、可作为稻田土壤改良剂的三氯化铁，淋洗剂环境友好，不产生二次污染。
2、相对常规淋洗技术，本发明省去搅拌、泵提、泥水分离等过程，操作过程简便，成本降低。
3、与现有钝化技术相比，本发明将耕作层重金属淋洗固定至根系活动较少深层，降低耕作层重金属的含量，防止钝化的重金属重新活化，减少农作物的吸收。
4、施加有机肥并进行植物修复后，土壤营养元素、有机质、pH、微生物种群等都不同程度恢复，克服淋洗带来的土壤结构破坏、营养流失的问题。
5、本发明选用的植物为重金属积累的金丝垂柳或柳785，金丝垂柳耐干旱、水涝，抗胁迫性强，且金丝垂柳为常见的绿化树种；柳785既能够对土壤中镉起到富集作用，同时实现重金属镉主要富集于枝干及枝条中，统一收割，可省去因处理富集镉的落叶而耗费的大量人力物力。修复后的柳树以苗木出售，产生经济价值，实现边生产边修复，树苗种植于未污染区，体内重金属浓度随植株的生长而降低，不产生新的环境风险；
附图说明
图1为不同比例淋洗剂对污染土壤的淋洗效果示意图；
图2为原位淋洗后不同深度Cd浓度变化示意图；
图3为改良前后柳树地上部器官每株生物量示意图；
图4为改良前后柳树地上部组织重金属Cd含量及土壤中Cd有效态含量示意图；
图5柳785生长三年后茎、叶生物量及富集系数。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述，但本发明并不限于下述实施例。实施例1重金属污染土壤原位淋洗-深层固定
表1土壤基本性质
本实施例修复工程位于江苏省宜兴某污染农田，该农田土壤属于黄棕壤，酸性，土壤性质见表1，镉含量为6.32mg/kg，超过我国《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)二级标准十倍以上，严重威胁当地生态环境及人类健康。
本实施例土壤原位淋洗-深层固定步骤如下：
1.将污染农田平整后，周围夯实田埂，田埂高15cm；
2.在污染农田内挖50～60cm深沟，沟宽5～10cm，沟间距为0.5m～1m；
3.在深沟内施加石灰，按照耕作层(距表层土壤0-20cm内的土壤)土壤干重的2％施加，约4.8kg/m2，然后回填污染土壤；
4.在土壤表层均匀施加淋洗剂三氯化铁，三氯化铁施加量以耕作层土壤(距表层土壤0-20cm内的土壤)干重的质量比施加：
分为四个处理：a)不施加淋洗剂，b)施加占耕作层土壤干重质量比0.5％的FeCl3；c)施加占耕作层土壤干重质量比1％FeCl3；d)施加占耕作层土壤干重质量比2％FeCl3；上述四组依次编号CK、1、2、3；
5.农田灌水，灌水后保持水面高于地面10cm，利用水耙混合搅拌土壤，待水完全下渗后，再次灌水，重复两次；
6.当水完全下渗后，分层取样分析土壤重金属的含量及耕作层土壤的基本理化性质。
图1为不同比例淋洗剂对污染土壤的淋洗效果，由图1可见，在施加淋洗剂三氯化铁后，不同比例的淋洗剂对污染耕作层土壤中的重金属去除效果不同，当加入质量比分别为0.5％、1％、2％的FeCl3时，土壤中剩余Cd的量分别为4.29mg/kg、2.08mg/kg、1.02mg/kg，去除率分别为36.35％、69.14％、84.87％；有效态的含量分别为1.68mg/kg、0.94mg/kg、0.58mg/kg，去除率分别为24.93％、58.29％、74.40％。可见，原位施加三氯化铁可有效淋洗耕作层土壤的重金属，且随施加量的增加，淋洗效率增加。
图2为原位淋洗后不同深度Cd浓度变化，由图2可见，淋洗后，耕作层土壤(0-20cm)及20-40cm土壤中重金属Cd的浓度明显降低，耕作层土壤(0-20cm)重金属去除率高于20-40cm。重金属淋洗后，在深层固定下来，40-60cm深度土壤中Cd的浓度增加明显，分别增加到原来的1.94、2.18、2.84倍。而在更深层的60-80cm土壤中重金属Cd的浓度无明显变化，说明耕作层淋洗下来的重金属在深层固定，没有进一步向下淋洗，污染地下水，淋洗灌溉后再次检测耕作层土壤性质，结果如表2所示：
表2淋洗前后耕作层土壤理化性质的变化
由表2可见，经三氯化铁淋洗后，耕作层土壤pH降低，这是因为FeCl3在土壤中水解产生H+，酸化土壤。淋洗剂三氯化铁的施加，不仅土壤中重金属被去除，部分营养物质也被洗脱下来、造成土壤性质恶化，需进行土壤改良。在土壤中施加改良剂是一种简便可行的方法，但随着土壤的酸化，土壤中的微生物种群结构被破坏，而单纯施加改良剂仅能恢复土壤理化性质，仍需进一步种植抗性强的植物恢复土壤功能。
实施例2土壤有机肥改良-植物修复重金属污染土壤
实施例1中按耕作层土壤干重的2％施加三氯化铁(组3)，土壤中重金属去除率最好，但土壤酸化和营养损失最为严重。本实施例将对此土壤进行改良和植物修复。操作步骤如下：
1.淋洗后施加市售有机肥于土壤表面，施加量为耕种层土壤干重的1％(具体施加比例也可参照有机肥说明书)，旋耕混匀。
2.选取0.5-1.5cm粗细的金丝垂柳枝条，除去细枝，剪成约15cm左右长的插条，柳树插条制备过程中，尽量减少伤口面积。
3.以插条形式扦插种植金丝垂柳，种植间距为1m×30cm，种植密度为3.3株/m2，正常田间管理。柳树生长八个月后，取样分析土壤重金属的含量、耕作层的基本理化性质、柳树植株内不同部分的生物量及重金属Cd的含量，检测结果如表3所示：
表3土壤改良植物修复前后耕作层土壤理化性质的变化
表3中，未处理组为原始土壤；土壤改良前组是指按照实施例1组3方法淋洗后未做其他处理的土壤；土壤改良-植物修复后组是指经本实施例上述施加有机肥并扦插柳树后的土壤。
由表3可见，土壤pH从4.63恢复到6.19，土壤有机质和速效氮、速效磷等土壤理化指标与基本淋洗前基本一致。
在污染农田原位淋洗修复后，土壤酸化、营养元素流失，土壤微生物结构改变，柳树的生物量受到极大的抑制，图3为土壤有机肥改良前后柳树地上部组织重示意图，图3中，未淋洗组是指原始土壤生长的柳树，未改良组是指按照实施例1组3方法淋洗后未做其他处理土壤的柳树；改良组是指按照实施例1组3方法淋洗后并施加有机肥土壤的柳树。
由于淋洗剂的活化、酸化作用，淋洗后耕作层土壤中仍残留部分重金属，且有效态所占比例较大。在土壤有机肥改良-植物修复后，由于改良后土壤pH和有机质的恢复，已经柳树地上部的富集作用，耕作层土壤中的有效态重金属含量由淋洗后的0.57mg/kg降低至0.34mg/kg(图4)。
实施例3柳785修复重金属Cd污染土壤
本实施例地位于江苏省常熟市某公园，其土壤为湖底清淤污泥，土壤中Cd浓度为0.93mg/kg，超过了我国土壤环境质量二级标准农田土壤中污染物镉的最高容许含量0.6mg/kg，会对农业生产，以及人体健康构成很大危害，因此该地区土壤亟待修复。本实施例步骤如下：
1、将该处土壤平整后，挖50～60cm深沟，沟宽5～10cm，沟间距为0.5m～1m；
2、在深沟内施加石灰，按照耕作层(距表层土壤0-20cm内的土壤)土壤干重的2％施加，约4.8kg/m2，然后回填污染土壤；
3、在土壤表层均匀施加淋洗剂三氯化铁，三氯化铁施加量以耕作层土壤(距表层土壤0-20cm内的土壤)干重的质量比2％施加：；
4、灌水，灌水后保持水面高于地面10cm，利用水耙混合搅拌土壤，待水完全下渗后，再次灌水，重复两次；
5、淋洗后施加市售有机肥于土壤表面，施加量为耕种层土壤干重的1％，旋耕混匀；
6、选取0.5-1.5cm粗细的柳785枝条，除去细枝，剪成约15cm左右长的插条，柳树插条制备过程中，尽量减少伤口面积；
7、以插条形式扦插种植柳785，种植间距为1m×30cm，种植密度为3.3株/m2，正常田间管理。
柳树生长三年后，取样分析柳树植地上部组织生物量及重金属Cd的含量，检测结果如图5所示：柳785茎的生物量远远大于叶的生物量，生长三年后茎、叶的生物量分别为1.12kg/株、0.54kg/株。并且，茎、叶中重金属Cd富集系数分别为9.3、5.8，茎富集系数大于叶。重金属Cd更多的富集在枝干及枝条中，减少随落叶返回土壤中重金属的量，提高植物修复效率。计算发现，三年后，在不添加任何化学药剂的情况下，柳属无性系785对土壤中镉的去除率达到22.5％，对土壤中金属镉具有较好的去除效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些改进都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）污染农田挖50-60cm深沟，沟宽5~10cm，沟间距为0.5m~1m，向沟内加入固定剂，再回填土壤；然后向土壤表面施加淋洗剂，灌溉水；
2）施入有机肥，扦插种植柳树，2~3年后，收割柳枝，即完成对金属污染土壤的修复。
2.根据权利要求1所述联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，步骤1）所述固定剂为石灰，固定剂施入量为耕作层土壤干重的2%。
3.根据权利要求1所述联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，步骤1）所述淋洗剂为三氯化铁，淋洗剂施入量为耕作层土壤干重的0.5~2.0%。
4.根据权利要求1所述联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，步骤2）所述柳树为金丝垂柳或柳785。
5.根据权利要求1-4任意所述联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，步骤1）所述灌溉水是指：向土壤表层灌水至水面高于土壤表层10cm，搅拌混合土壤，静置，待水渗入土壤后，再重复灌溉至少两次。
6.根据权利要求5所述联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，步骤2）所述有机肥的施入量为耕种层土壤干重的0.5~1%。
7.根据权利要求5所述联合修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，步骤2）扦插种植柳树的种植间距为1m×30cm。
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