CN109174957B - 一种重金属镉污染耕地土壤的修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重金属镉污染耕地土壤的修复方法，包括：(1)采用重金属活化复合肥对镉污染耕地土壤进行重金属活化处理，得到重金属活化土壤层；(2)在重金属活化土壤层上依次铺设无纺布层和吸附垫层，然后在所述吸附垫层上播撒能够吸附镉污染耕地土壤中镉的草被植物的草茎或草种，经养护得到草被植物层；(3)带土移除所述草被植物层。本发明的重金属镉污染耕地土壤的修复方法将耕地土壤中的重金属镉源源不断的吸收，并转运、富集至草被植物层和吸附垫层，以达到减少耕地土壤中重金属镉的含量，高效修复镉污染耕地土壤的目的，且不会对生态安全造成危害，经济效益较高。
Description
技术领域
本发明涉及土壤生态修复技术领域，具体而言，涉及一种重金属镉污 染耕地土壤的修复方法。
背景技术
当前镉污染耕地土壤修复主要采用以客土、深耕、淋洗等为主的物理 修复方法和以施用螯合剂、钝化剂、改良剂等为主的化学固定修复方法， 但物理、化学修复方法存在严重的二次污染问题，相对而言，植物修复方 法更安全可靠。已有研究采用超富集植物对耕地土壤重金属污染修复进行 了尝试，并取得了一定的成效。但现有的超富集植物经济效益低，对土壤 重金属的整体修复效率相对不高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的一种重金属镉污染耕地土壤的修复方法，更 好的克服了上述现有技术存在的问题和缺陷，本发明采用重金属活化复合 肥对镉污染耕地土壤进行重金属活化处理，得到重金属活化土壤层，再在 重金属活化土壤层上依次铺设无纺布层和吸附垫层，并在吸附垫层上种植 草被植物层，通过重金属活化土壤层为草被植物层内种植的草被植物提供 营养，促进草被植物的根系与其缠结使整个草被植物层、吸附垫层和无纺布层形成草皮卷，吸附垫层既可吸附部分镉污染耕地土壤中的重金属镉， 也能促进草被植物的生长，草被植物的根系主要扎根于耕地土壤中，将耕 地土壤中的重金属镉源源不断的吸收，并转运、富集至草被植物层和吸附 垫层，以达到减少耕地土壤中重金属镉的含量，高效修复镉污染耕地土壤 的目的，且经济效益较高。
一种重金属镉污染耕地土壤的修复方法，包括以下步骤：
(1)采用重金属活化复合肥对镉污染耕地土壤进行重金属活化处理， 得到重金属活化土壤层；
(2)在重金属活化土壤层上依次铺设无纺布层和吸附垫层，然后在所 述吸附垫层上播撒能够吸附镉污染耕地土壤中镉的草被植物的草茎或草 种，经养护得到草被植物层；
(3)移除由所述草被植物层、吸附垫层和无纺布层组成的草皮卷。
进一步地，步骤(1)中，先向所述镉污染耕地土壤表层施加重金属活 化复合肥，然后对镉污染耕地土壤进行灌水至水面距镉污染耕地土壤表层 的高度为3～5cm，再通过翻耕和农机打浆，使所述重金属活化复合肥与所 述镉污染耕地土壤混合得到重金属活化土壤层，所述重金属活化土壤层的 厚度为8～12cm。
进一步地，步骤(1)中，所述重金属活化复合肥的施用量为200～400kg/ 亩。
进一步地，步骤(1)中，所述重金属活化复合肥为掺有重金属活化剂 的生物菌肥，所述重金属活化剂在生物菌肥中的配比浓度为：0.4～ 1.0mmol/kg；所述重金属活化剂为柠檬酸、乙二胺四乙酸、草酸和表面活性 剂中的一种。
进一步地，步骤(2)中，所述吸附垫层的材料包括生物炭、沸石粉、 膨润土、改性硅微粉、砻糠灰、粉煤灰、生物菌肥和细沙中的至少两种的 混合物。
进一步地，步骤(2)中，所述草茎为狗牙根的根茎、伴矿景天的无性 繁殖茎和东南景天的无性繁殖茎中的至少一种；在播种所述草茎前，先将 所述草茎切成若干长度为5～10cm的茎段，所述草茎的种植密度为50～100 个茎段/m2。
进一步地，步骤(2)中，所述草种为黑麦草种；在播种所述草种前， 先将所述草种进行浸泡催芽处理，所述草种的种植密度为10～15g/m2。
进一步地，步骤(2)中，所述养护过程包括：挖排水沟、浇水、施肥 和修剪，所述养护的时间为50～70天。
进一步地，所述施肥的肥料采用尿素或复合肥，所述复合肥中含N、P 和K元素；所述施肥量为每次5～10kg/亩。
进一步地，在步骤(3)之后还包括：重复步骤(2)和步骤(3)，重 新种植草被植物层，将所述草被植物移除，重复进行，直至镉污染耕地土 壤的镉含量达到粮食生产的标准。
与现有技术相比，本发明的一种重金属镉污染耕地土壤的修复方法的 有益效果是：
(1)本发明采用重金属活化复合肥对镉污染耕地土壤进行重金属活化 处理，得到重金属活化土壤层，再在重金属活化土壤层上依次铺设无纺布 层和吸附垫层，并在吸附垫层上种植草被植物层，通过重金属活化土壤层 为草被植物层内种植的草被植物提供营养，促进草被植物的根系与其缠结 使整个草被植物层、吸附垫层和无纺布层形成草皮卷，吸附垫层既可吸附 部分镉污染耕地土壤中的重金属镉，也能促进草被植物的生长，草被植物的根系主要扎根于耕地土壤中，将耕地土壤中的重金属镉源源不断的吸收， 并转运、富集至草被植物层和吸附垫层，以达到减少耕地土壤中重金属镉 的含量，高效修复镉污染耕地土壤的目的。
(2)本发明得到的草皮卷产品，是矿山修复、边坡修复、园林绿化的 常用材料，每年可产出2～4季，经济效益高，农民参与种植的积极性强， 推广性好，且不会对生态安全造成危害。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实 施例，作详细说明如下。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合实施例的方式对本发明的技术方案做 详细说明，在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。
但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技 术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下 面公开的具体实施的限制。
除非另有限定，本文使用的所有技术以及科学术语具有与本发明所属 领域普通技术人员通常理解的相同的含义。当存在矛盾时，以本说明书中 的定义为准。
如本文所用之术语：
本文中所用的术语“包含”、“包括”、“具有”、“含有”或其任 何其它变形，意在覆盖非排它性的包括。例如，包含所列要素的组合物、 步骤、方法、制品或装置不必仅限于那些要素，而是可以包括未明确列出 的其它要素或此种组合物、步骤、方法、制品或装置所固有的要素。
连接词“由……组成”排除任何未指出的要素、步骤或组分。如果用 于权利要求中，此短语将使权利要求为封闭式，使其不包含除那些描述的 材料以外的材料，但与其相关的常规杂质除外。当短语“由……组成”出 现在权利要求主体的子句中而不是紧接在主题之后时，其仅限定在该子句 中描述的要素；其它要素并不被排除在作为整体的所述权利要求之外。
当量、浓度、或者其它值或参数以范围、优选范围、或一系列上限优 选值和下限优选值限定的范围表示时，这应当被理解为具体公开了由任何 范围上限或优选值与任何范围下限或优选值的任一配对所形成的所有范 围，而不论该范围是否单独公开了。例如，当公开了范围“1～5”时，所 描述的范围应被解释为包括范围“1～4”、“1～3”、“1～2”、“1～2和4～5”、“1～3和5”等。当数值范围在本文中被描述时，除非另外 说明，否则该范围意图包括其端值和在该范围内的所有整数和分数。
“和/或”用于表示所说明的情况的一者或两者均可能发生，例如，A 和/或B包括(A和B)和(A或B)。
本发明提供了一种重金属镉污染耕地土壤的修复方法，包括以下步骤：
(1)采用重金属活化复合肥对镉污染耕地土壤进行重金属活化处理， 得到重金属活化土壤层。
优选地，步骤(1)中，先向所述镉污染耕地土壤表层施加重金属活化 复合肥，然后对镉污染耕地土壤进行灌水至水面距镉污染耕地土壤表层的 高度为3～5cm，再通过农用旋耕机进行翻耕和农用打浆机进行打浆，使所 述重金属活化复合肥与所述镉污染耕地土壤充分混合，得到重金属活化土 壤层，所述重金属活化土壤层的厚度为8～12cm。
优选地，所述重金属活化复合肥的施用量为200～400kg/亩，如200kg/ 亩、250kg/亩、300kg/亩、350kg/亩或400kg/亩等。需要说明的是，上述重 金属活化复合肥的施用量可根据土壤pH值适当增减，以将重金属活化土壤 层的pH值调节至5.0～5.5左右为最佳。
优选地，步骤(1)中，所述重金属活化复合肥为包括重金属活化剂的 生物菌肥，重金属活化剂在生物菌肥中的配比浓度为：0.4～1.0mmol/kg， 如0.4mmol/kg、0.5mmol/kg、0.6mmol/kg、0.7mmol/kg、0.8mmol/kg、 0.9mmol/kg或1.0mmol/kg等；更优地，重金属活化剂在生物菌肥中的配比 浓度为浓度为0.8mmol/kg。所述重金属活化剂为柠檬酸、乙二胺四乙酸 (EDTA)、草酸和表面活性剂中的一种。
(2)在重金属活化土壤层上依次铺设无纺布层和吸附垫层，然后在所 述吸附垫层上播撒能够吸附镉污染耕地土壤中镉的草被植物的草茎或草 种，然后用横梯或木板轻微压实，使草茎或草种与吸附垫层相贴合，再经 养护得到草被植物层。
需要说明的是，上述重金属活化土壤层，可为草被植物层内种植的草 被植物提供营养，草被植物的根系主要扎根于耕地土壤中，将耕地土壤中 的重金属镉源源不断的吸收，并转运、富集至草被植物层和吸附垫层。
上述无纺布层为单层或双层可降解无纺布，其能促进草被植物的根系 与其缠结使整个草被植物层、吸附垫层和无纺布层形成草皮卷，可防止后 续移除该草皮卷时漏土。无纺布层虽使得吸附垫层与重金属活化土壤层相 分离，但并不影响重金属在其中的运输转移。
上述吸附垫层采用可吸附重金属尤其对镉吸附能力较强的垫料铺设， 优选地，所述吸附垫层的材料包括生物炭、沸石粉、膨润土、改性硅微粉、 砻糠灰、粉煤灰、生物菌肥和细沙中的至少两种的混合物。更优地，所述 吸附垫层的材料为生物菌肥、生物炭、沸石粉和改性硅微粉的混合物或生 物菌肥、砻糠灰、膨润土及改性硅微粉的混合物。所述生物菌肥、生物炭、 沸石粉和改性硅微粉的体积比为(4～7)：(2～3)：(1～2)：(0.5～1) 如5：2.5：1.5：0.5、4：3：1：1或7：3：2：0.8等；生物菌肥、砻糠灰、 膨润土及改性硅微粉的体积比为(4～7)：(2～3)：(1～2)：(0.5～1) 如5：2.5：1.5：0.5、4：3：1：1或7：3：2：0.8等。
该吸附垫层不仅可以有效辅助草被植物吸附部分镉污染耕地土壤中的 重金属镉，而且能够促进草被植物的生长，利于草被植物层的形成，优选 地，所述吸附垫层的厚度为1～2cm。
优选地，所述草茎为狗牙根的根茎、伴矿景天的无性繁殖茎和东南景 天的无性繁殖茎中的至少一种；在草茎播撒前，先将所述草茎切成若干长 度为5～10cm的茎段，所述草茎的种植密度为50～100根茎段/m2。优选地， 所述草种选自综合筛选出的强重金属耐性和富集性黑麦草的草种；黑麦草， 适宜在北方或冬季种植，在草种播撒前，先将所述草种进行浸泡催芽处理， 所述草种的种植密度为10～15g/m2。所述狗牙根、伴矿景天、东南景天、 黑麦草等，均采用经过筛选的、具有强重金属耐性和富集性的品种。
上述草被植物层既可吸附耕地土壤中的重金属镉，还可阻止吸附垫层 内吸附的镉向下淋溶。
优选地，所述养护过程包括：挖排水沟、浇水、施肥和修剪，所述养 护的时间为50～70天如50天、55天、60天、65天或70天等。
上述通过在耕地四周和内部纵向挖排水沟，及时排出田中多余水分， 避免暴雨时雨水不能及时渗透，影响草被植物的生长。通过适时的浇水和 施肥，定期对长得较高的草被植物进行适当修剪，并长期保持耕地内排水 通畅，促进草被植物的生长，由草被植物根系源源不断地将耕地土壤中的 重金属镉吸收和富集到其根茎叶中。
优选地，所述施肥的肥料采用尿素或复合肥，所述复合肥中含N、P和 K元素，其中N、P和K元素的含量比为1：0.1：0.5。所述施肥量为每次 5～10kg/亩，每月施肥一次。
(3)移除所述草被植物层、吸附垫层和无纺布层。所述草被植物层、 吸附垫层和无纺布层整体形成草皮卷，为便于该草皮卷彻底被移除和便于 判断耕地土壤表层中重金属镉的含量，可以带土一起铲去吸附有重金属镉 的草皮卷，带土厚度可为1.5～3cm。
需要说明的是，上述带土草皮卷修复效果及生态安全性评价如下：将 上述草皮卷的土壤和草被植物相分离，分别测定土壤中镉的吸附量和草被 植物根茎中镉的富集量，以此确定上述草皮卷对的耕地土壤中重金属镉修 复效果。上述被移除的草皮卷应用于城市园林和生态护坡等工程项目中， 通过收集径流和对比径流水质中重金属含量，对其应用的生态安全性进行 评价。上述草皮卷还可用于矿山、边坡等生态修复过程，不再进入食物链，生态安全性高。
优选地，在所述步骤(3)之后还包括：重复上述步骤(2)和步骤(3)， 重新铺设无纺布层和吸附垫层及种植草被植物层，再将得到的整个草皮卷 移除，重复进行上述操作，直至镉污染耕地土壤的镉含量达到粮食生产的 标准。
需要说明的是，上述狗牙根、伴矿景天、东南景天和黑麦草等草被植 物除对镉污染耕地土壤有较强的修复效果，对铅、铜、锌等其他重金属污 染耕地土壤也有较好的修复效果；且一年可种植3-4次，因此，一年可进行 3-4次耕地土壤的修复，每次可修复去除耕地重金属镉的量约为77.5mg/m2， 可获得约2万元/亩的经济效益，能充分调动农民参与的积极性，带动农民 增收致富。按中度镉污染耕地土壤中镉含量为2mg/kg以上计算，2年内重复种植6次草皮卷即可完成修复，不仅大大缩短了修复周期，提高了重金 属污染耕地土壤修复效率，且本发明的管理种植成本低，无需进行生物质 处理，经济效益显著。
为了便于理解本发明，下面结合实施例来进一步说明本发明的技术方 案。申请人声明，本发明通过下述实施例来说明本发明的详细工艺设备和 工艺流程，但本发明并不局限于下述详细工艺设备和工艺流程，即不意味 着本发明应依赖下述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的 技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替 换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
实施例
本实施例试验位于湖南省浏阳市永和镇佳成村，该村耕地土壤受上游 矿区矿渣及废水多年排放的影响，耕地土壤镉污染严重，该耕地土壤镉含 量为1.8±0.2mg/kg。
针对该村镉污染耕地土壤的修复方法，包括以下步骤：
(1)在镉污染耕地土壤表层按300kg/亩施用量施加重金属活化复合肥 (采用含草酸0.8mmol的生物菌肥)，对镉污染耕地土壤进行灌水至水面 距镉污染耕地土壤表层的高度为3～5cm，然后通过农用旋耕机进行翻耕和 农用打浆机进行打浆，使重金属活化复合肥与镉污染耕地土壤(约10cm厚) 充分混合，促进耕地土壤中重金属活化，得到重金属活化土壤层。
(2)待重金属活化土壤层水分蒸发或排干后，于重金属活化土壤层表 面铺设一层无纺布层；然后铺设一层1～2cm的吸附垫层(采用的吸附垫料 按细沙：生物菌肥：生物炭：膨润土：改性硅微粉＝4：3：1：1：1(体积 比)混合配制)。再在该吸附垫层上播撒狗牙根草茎段(先将狗牙根草茎 切成若干长度为5～10cm的茎段，狗牙根草茎段的种植密度为50～100根 茎段/m2)，用木板轻微压实，使狗牙根草茎段与吸附垫层相贴合，以利于 着根生长，最后，喷洒狗牙根专用封闭除草剂，减少杂草萌生，待狗牙根 生长2周芽齐整后，扦插东南景天的无性繁殖茎和伴矿景天的无性繁殖茎 (扦插东南景天的无性繁殖茎和伴矿景天的无性繁殖茎事先采用生根粉浸 泡，以利生根)。
(3)在耕地四周和内部纵向挖排水沟，及时排出田中多余水分，长期 保持耕地内排水通畅；适时浇水、喷药，浇水、喷药均采用喷头洒施，喷 药主要在前期进行，喷施低毒杀菌剂和杀虫剂，并适时施肥，每月施用一 次，主要采用尿素和复合肥，施用量为6.5kg/亩，促进狗牙根、东南景天和 伴矿景天的生长，使狗牙根、东南景天和伴矿景天根系源源不断地将耕地 土壤的重金属镉吸收和富集到其根茎叶中。
(4)经步骤(3)生产养护70天，当狗牙根、东南景天和伴矿景天高 度高于10cm时及时进行修剪，修剪高度遵循1/3原则，修剪的草屑立即回 收并进行生物质无害化处理；狗牙根、东南景天和伴矿景天草被植物层、 吸附垫层和无纺布层形成草皮卷，当草皮卷成坪后，带土一起铲去吸附有 重金属镉的草皮卷，带土厚度为1.5～3cm。
对上述实施例中被移除的草皮卷重金属镉修复效果及生态安全性评价
1、将上述被移除的草皮卷中的土壤和草被植物相分离，分别检测其中 土壤中的镉吸附量和草被植物根茎叶器官中的镉富集量，检测结果如下表1 所示。
2、本实施例将被移除的草皮卷应用于矿山边坡修复，设置对照组(未 覆盖草皮卷)、普通草皮卷覆盖修复和本实施例中获得的草皮卷覆盖修复 三组进行收集径流，并检测三组收集的径流水中镉含量，检测结果如下表2 所示。
表1
表2
由上表1结果，发现针该镉污染耕地土壤的修复方法效果显著，生产 一次草皮卷可去除该耕地土壤中镉的量为77.5mg/m2。
由上表2结果，通过对比径流水中镉含量，发现应用本实施例被移除 的草皮卷进行修复后的矿山边坡集水径流内的重金属镉含量减少了78.8％， 与应用普通草皮卷进行修复后的矿山边坡集水径流内的重金属镉含量并无 明显差别，说明本实施例被移除的草皮卷并不会对矿山生态安全产生不利 影响，相反有利于矿山修复，减少矿山裸露对下游水质及农田土壤质量安 全的影响。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领 域的技术人员来说，本发明配方及制备工艺可以有各种更改和变化。凡在 本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包 含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种重金属镉污染耕地土壤的修复方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)采用重金属活化复合肥对镉污染耕地土壤进行重金属活化处理，得到重金属活化土壤层；所述重金属活化复合肥为包括重金属活化剂的生物菌肥，所述重金属活化剂在生物菌肥中的配比浓度为：0.4～1.0mmol/kg，所述重金属活化剂为柠檬酸、乙二胺四乙酸、草酸和表面活性剂中的一种；
(2)在重金属活化土壤层上依次铺设无纺布层和吸附垫层，然后在所述吸附垫层上播撒能够吸附镉污染耕地土壤中镉的草被植物的草茎或草种，经养护得到草被植物层；所述吸附垫层的材料为生物菌肥、生物炭、沸石粉和改性硅微粉的混合物或生物菌肥、砻糠灰、膨润土及改性硅微粉的混合物；
(3)移除由所述草被植物层、吸附垫层和无纺布层组成的草皮卷。
2.根据权利要求1所述的重金属镉污染耕地土壤的修复方法，其特征在于：步骤(1)中，先向所述镉污染耕地土壤表层施加重金属活化复合肥，然后对镉污染耕地土壤进行灌水至水面距镉污染耕地土壤表层的高度为3～5cm，再通过翻耕和农机打浆，使所述重金属活化复合肥与所述镉污染耕地土壤混合得到重金属活化土壤层，所述重金属活化土壤层的厚度为8～12cm。
3.根据权利要求2所述的重金属镉污染耕地土壤的修复方法，其特征在于：步骤(1)中，所述重金属活化复合肥的施用量为200～400kg/亩。
4.根据权利要求1所述的重金属镉污染耕地土壤的修复方法，其特征在于：步骤(2)中，所述草茎为狗牙根的根茎、伴矿景天的无性繁殖茎和东南景天的无性繁殖茎中的至少一种；在播种所述草茎前，先将所述草茎切成若干长度为5～10cm的茎段，所述草茎的种植密度为50～100个茎段/m2。
5.根据权利要求1所述的重金属镉污染耕地土壤的修复方法，其特征在于：步骤(2)中，所述草种为黑麦草种；在播种所述草种前，先将所述草种进行浸泡催芽处理，所述草种的种植密度为10～15g/m2。
6.根据权利要求1所述的重金属镉污染耕地土壤的修复方法，其特征在于：步骤(2)中，所述养护过程包括：挖排水沟、浇水、施肥和修剪，所述养护的时间为50～70天。
7.根据权利要求6所述的重金属镉污染耕地土壤的修复方法，其特征在于：所述施肥的肥料采用尿素或复合肥，所述复合肥中含N、P和K元素；所述施肥量为每次5～10kg/亩。
8.权利要求1所述的重金属镉污染耕地土壤的修复方法，其特征在于：在步骤(3)之后还包括：重复步骤(2)和步骤(3)，重新种植草被植物层，将所述草被植物移除，重复进行，直至镉污染耕地土壤的镉含量达到粮食生产的标准。
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