CN107931321A

CN107931321A - 一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法

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Publication number: CN107931321A
Application number: CN201711075670.XA
Authority: CN
Inventors: 舒月红; 蒋少军; 刘峻光; 贾珍珍; 黄仁龙
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2018-04-20

Abstract

本发明公开了一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法。这种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，是先将待修复的重金属污染矿区农田土壤和未污染土壤混合，然后向混合土壤中加入生物炭固化剂，混合均匀，进行修复。本发明将荔枝木生物炭重金属固化剂结合客土修复方法修复矿区农田土壤，可同时实现土壤中重金属的稳定化修复以及提升农田作物产量。通过本发明物理和化学修复相结合的复合型修复方法进行重金属污染矿区农田土壤的修复，应用简单、成本低廉、高效环保。

Description

一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法

技术领域

本发明涉及一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法。

背景技术

现有耕地的环境保护和可持续利用在当前生态文明建设工作中具有极其重要的意义。加快农业环境突出问题的治理，为我国今后生态农业的发展指明了道路。随着我国矿产资源的开采使用原有的地球化学环境条件发生改变，导致矿山周边水土环境严重污染并导致重金属在农田土壤中积累，从而出现农田土壤重金属污染问题。农田土壤重金属污染较为突出的区域主要存在于采矿区、冶炼区周边和大中城市群郊区，部分地区的污染程度严重，超过国家土壤环境质量标准Ⅱ/Ⅲ级标准(GB15618-1995)。农田重金属污染会对农产品质量与人体健康产生影响，相关研究表明，绝大多数情况下重金属污染农田土壤会对作物的生长发育及产量产生显著负面影响，在影响作物的生长发育和产量的同时，也会影响作农产品的品质；农田土壤中的重金属可以通过食物链进行传递和富集，最终到达人体，导致多种病症的发生。因此，农田土壤重金属污染的修复刻不容缓。

目前，针对矿区污染农田的修复技术有：选育低累积农作物品种、水肥管理、物理方法(电动修复、电热修复、热解吸法)、化学方法(固化稳定化、土壤淋洗)、生物修复(植物提取、植物-微生物联合修复)等。但上述部分方法在实施过程中存在着工程浩大、修复价格昂贵、土壤破坏严重等问题。联合修复技术，通过汲取两种或者多种修复方法的优势并相互结合，目前研究较多的联合修复技术包括生物联合技术、物理化学联合技术等。

其中，物理化学联合技术中的化学原位固化技术修复效果好，是目前比较常用的重金属污染土壤修复技术，但常用的固化剂成本较高，并且容易破坏土壤结构，对土壤造成二次污染，因此寻找一种价廉易得、对土壤危害小或无危害的固化剂就成为急需解决的问题。生物炭是近年发现的一种富含有机碳的新型环保功能材料，因其具有多孔结构、巨大的比表面积和较多活性官能团，对重金属离子具有较强的吸附能力，可以有效地降低土壤重金属的生物有效性。所以，生物炭已被作为修复和固定土壤重金属的理想材料。以生物炭作为固化剂的同时结合客土修复技术，降低矿区农田土壤重金属含量，同时改善土壤的结构以利于农作物的生长。如何寻找一种价廉易得、对土壤修复处理表现出经济、高效、绿色的重金属稳定剂，在稳定固化矿区农田土壤中重金属的同时，改善土壤营养状况，增强土壤肥力，成为了本行业关注的重点。

发明内容

本发明的目的在于寻找一种价廉易得、对土壤修复处理表现出经济、高效、绿色的重金属稳定剂，在稳定固化矿区农田土壤中重金属的同时，改善土壤营养状况，增强土壤肥力，进而提出一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，是先将待修复的重金属污染矿区农田土壤和未污染土壤混合，然后向混合土壤中加入生物炭固化剂，混合均匀，进行修复。

修复方法中，未污染土壤的加入量占待修复的重金属污染矿区农田土壤质量的20％～50％。

修复方法中，待修复的重金属污染矿区农田土壤为矿区农田表层0～20cm的重金属污染土壤。

修复方法中，生物炭固化剂的加入量为混合土壤质量的1％～5％。

修复方法中，混合土壤的含水率为45wt％～50wt％。

修复方法中，修复的时间为15～20天。

修复方法中，生物炭固化剂为荔枝木生物炭固化剂。

荔枝木生物炭固化剂由粒径为10～100目的荔枝木生物炭组成。

荔枝木生物炭是由荔枝树枝通过限氧裂解的方法制备得到的。

限氧裂解的方法具体为：将荔枝树枝在550℃～650℃下炭化1.5h～2.5h，裂解的过程中通入氮气或惰性气体。

本发明的有益效果是：

本发明将荔枝木生物炭重金属固化剂结合客土修复方法修复矿区农田土壤，可同时实现土壤中重金属的稳定化修复以及提升农田作物产量。通过本发明物理和化学修复相结合的复合型修复方法进行重金属污染矿区农田土壤的修复，应用简单、成本低廉、高效环保。

具体而言：

本发明公开了一种在土壤修复处理时表现出经济、高效、绿色的重金属稳定剂，在稳定固化矿区农田土壤中重金属的同时，改善土壤营养状况，增强土壤肥力。本发明的重金属稳定剂结合客土修复方法可有效的降低矿区农田的利用风险，提升农产品质量，保障矿区开采区域的粮食安全。

附图说明

图1是不同修复处理土壤盆栽试验的农作物生物量图。

具体实施方式

优选的，修复方法中，未污染土壤的加入量占待修复的重金属污染矿区农田土壤质量的20％～50％，折算为土方用量为600t/ha～1500t/ha。

优选的，未污染土壤的重金属含量不高于土壤环境质量标准Ⅱ级标准(GB15618-1995)。

优选的，修复方法中，待修复的重金属污染矿区农田土壤为矿区农田表层0～20cm的重金属污染土壤。

优选的，修复方法中，生物炭固化剂的加入量为混合土壤质量的1％～5％。

优选的，修复方法中，混合土壤的含水率为45wt％～50wt％。

优选的，修复方法中，修复的时间为15～20天。

优选的，修复方法中，生物炭固化剂为荔枝木生物炭固化剂。

优选的，荔枝木生物炭固化剂由粒径为10～100目的荔枝木生物炭组成；进一步优选的，荔枝木生物炭固化剂由粒径分别为100目、60目和10目的荔枝木生物炭按质量比2:3:5组成。

优选的，荔枝木生物炭是由荔枝树枝通过限氧裂解的方法制备得到的。

优选的，限氧裂解的方法具体为：将荔枝树枝在550℃～650℃下炭化1.5h～2.5h，裂解的过程中通入氮气或惰性气体；进一步优选的，限氧裂解的方法具体为：将荔枝树枝在580℃～620℃下炭化1.8h～2.2h，裂解的过程中通入氮气。

以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。

实施例1：

1、生物炭固化剂的制备

荔枝树枝取自广东省广州市增城区某荔枝果园修剪果木树枝，荔枝生物炭的制备采用限氧裂解法，于600℃在气氛保护箱式电炉中炭化2h，整个裂解过程持续通入100mL/min的N₂，冷却至室温后取出，研磨分别过10目、60目、100目标准筛，储存于干燥器中备用。

在制备荔枝生物炭的过程中得到三种不同粒径的生物炭材料，为了保证重金属固化稳定效应的长期效果，可以针对不同污染土壤将不同粒径的生物炭材料进行配比混合。所选用荔枝果木制备生物炭其优势在于：果木生物炭能够在自然条件下长期稳定的存在并发挥相关的生态修复效应，有别于秸秆、牛粪等生物质材料制备的生物炭。荔枝果木制备生物炭的产率达到47.64％、零电点(PZC)为5.10高于其他类型生物质炭，羟基等含氧官能团相比于其他生物质材料较有优势由于其(O+N)/C为0.43，且荔枝木生物炭π–共轭芳香结构含量相对丰富，整体而言生物炭在修复重金属方面具有较好的生态环境优势。

在本实施例中，将100目、60目、10目三种粒径的荔枝生物炭材料并按照质量比W_100目:W_60目:W_10目＝20％:30％:50％进行混合，制成荔枝木生物炭固化剂。

2、联合修复方法

采集矿区农田0-20cm表层的重金属土壤，同区域同方法采集未污染土壤，于自然条件状态下风干处理，风干处理后进行合适的矿区农田土壤和未污染土壤进行部分客土修复拟合，拟合的两种土壤配比分别为0％、20％、35％、50％，不同客土修复比例处理组分别记为S0、S20、S35、S50。表1为供试土壤基本理化性质及重金属含量。根据矿区农田土壤的重金属污染程度添加合适的生物炭固化稳定剂，对经过客土修复处理得到的S20、S35、S50三个处理中添加生物炭的添加量为处理土壤的质量3％，记为处理组S20BC、S35BC、S50BC，得到S0、S20BC、S35BC、S50BC四个处理组。生物炭和处理土壤充分搅拌均匀后，加入一定量的去离子水，保持处理土壤的含水率为45％-50％。

经过修复处理15天时间后，检测修复处理土壤S0、S20、S35、S50处理组中重金属的浸出浓度，按照HJ/T300-2007标准操作，其中浸提液固比20:1(L/Kg)。取用S0、S20BC、S35BC、S50BC修复处理组土壤测定修复处理土壤的基本理化性质，具体指标包括土壤的pH、土壤水溶性有机碳、土壤保水性能、土壤阳离子交换量，其结果分别见表2～6。表2所示为联合修复方法对矿区农田的土壤重金属浸出量的影响，表3所示为联合修复方法对矿区农田土壤pH值的影响，表4所示为联合修复方法对矿区农田土壤水溶性有机碳的影响，表5所示为联合修复方法对矿区农田土壤保水性能的影响，表6所示为联合修复方法对矿区农田土壤阳离子交换量的影响。

取用S0、S20BC、S35BC、S50BC四个经过联合修复处理土壤的进行盆栽试验，盆栽试验采用直径25cm、高18cm的塑料盆进行，以四个经联合修复处理组5kg土壤作为盆栽供试土壤，每个处理组进行3个平行试验，进行盆栽种子播种，每盆播种20颗苋菜种子，15天后对盆栽处理组进行合理间苗，盆中保留三株生长较为旺盛苋菜。种植期间浇灌去离子水以保持土壤湿度，保证作物的健康生长，土壤湿度达到田间持水量的60％。盆栽试验肥料采用无机肥尿素(46％N)，过磷酸盐(12％P₂O₅)和硫酸钾(50％K₂O)供给氮(N)、磷(P)、钾(K)。所有处理均施N 200mg/kg，P₂O₅100mg/kg，K₂O 150mg/kg。N、P、K分别以尿素、磷酸二氢铵、氯化钾为肥源。栽培种植45天全部采收，测定植株的生长指标，植株在105℃下杀酶15min，在60℃下烘干至恒质量。不同修复处理土壤盆栽试验的农作物生物量图如附图1所示。

表1客土修复方法供试土壤基本理化性质及重金属含量

表2联合修复方法对矿区农田的土壤重金属浸出量的影响(mg/kg)

表3联合修复方法对矿区农田土壤pH值的影响

处理组	S0	S20BC	S35BC	S50BC
					pH	4.05±0.036	5.02±0.045	5.41±0.040	5.57±0.035

表4联合修复方法对矿区农田土壤水溶性有机碳的影响

处理组	S0	S20BC	S35BC	S50BC
					水溶性有机碳(mg/kg)	237.6	387.05	472.8	516.13

表5联合修复方法对矿区农田土壤保水性能的影响

处理组	S0	S20BC	S35BC	S50BC
					土壤保水性能(L/kg)	0.455	0.54	0.57	0.625

表6联合修复方法对矿区农田土壤阳离子交换量的影响

处理组	S0	S20BC	S35BC	S50BC
					CEC(cmol/kg)	9.7±0.27	10.3±0.12	10.7±0.41	11.3±0.34

实施例2：

根据国家土壤环境质量标准(GB15618-1995)并结合矿区农田土壤的污染程度，在矿区农田土壤加入荔枝木生物炭固化剂(同实施例1制备所得的生物炭固化剂)，固化剂的加入量为污染土壤质量1％～5％，同期结合部分客土修复方法，转运未污土壤至矿区农田场地，客土量为600t/ha～1500t/ha。为使修复效应的经济最优化，用于部分客土修复得农用土原则在20km范围内。通过对矿区农田实施联合修复方法，进行翻地旋地使固化稳定剂与土壤充分混合均匀。经过固化修复15天后，检测修复农田土壤浸出重金属的浓度，按照HJ/T300-2007标准操作，其中浸提液固比20:1(L/Kg)。矿区农田在修复处理后进行农田耕作，结合低累积蔬菜或者粮食作物并联合此种修复方法，以确保农产品安全生产。肥料采用无机肥尿素(46％N)，过磷酸盐(12％P₂O₅)和硫酸钾(50％K₂O)供给氮(N)、磷(P)、钾(K)。N、P、K肥料用量分别为255kg N/hm²，120kg P₂O₅/hm²和195kg K₂O/hm²。农田耕作方式采用耕作-休耕-耕作的种植模式，以确保重金属的稳定化。

Claims

1.一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，其特征在于：先将待修复的重金属污染矿区农田土壤和未污染土壤混合，然后向混合土壤中加入生物炭固化剂，混合均匀，进行修复。

2.根据权利要求1所述的一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，其特征在于：未污染土壤的加入量占待修复的重金属污染矿区农田土壤质量的20％～50％。

3.根据权利要求2所述的一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，其特征在于：待修复的重金属污染矿区农田土壤为矿区农田表层0～20cm的重金属污染土壤。

4.根据权利要求1所述的一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，其特征在于：生物炭固化剂的加入量为混合土壤质量的1％～5％。

5.根据权利要求4所述的一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，其特征在于：混合土壤的含水率为45wt％～50wt％。

6.根据权利要求1所述的一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，其特征在于：修复的时间为15～20天。

7.根据权利要求4所述的一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，其特征在于：生物炭固化剂为荔枝木生物炭固化剂。

8.根据权利要求7所述的一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，其特征在于：荔枝木生物炭固化剂由粒径为10～100目的荔枝木生物炭组成。

9.根据权利要求8所述的一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，其特征在于：荔枝木生物炭是由荔枝树枝通过限氧裂解的方法制备得到的。

10.根据权利要求9所述的一种重金属污染矿区农田土壤的修复方法，其特征在于：限氧裂解的方法具体为：将荔枝树枝在550℃～650℃下炭化1.5h～2.5h，裂解的过程中通入氮气或惰性气体。