CN109550773A - 适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法 - Google Patents

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Abstract

适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，涉及重金属土壤修复技术领域，向待修复土壤中添加生物炭，稳定一周后翻耕土壤加入蚯蚓食物，投放威廉环毛蚓，投放60天后采用野外法收集蚯蚓，再投入一定比例的蚯蚓，而后喷播营养基质层，种植重金属富集作物，待植株生长成熟，即生长6‑8个月，清除植株，实现重金属镉污染土壤修复。本发明提供的方法从本质上改善了土壤的化学成分和物理结构，大大提高土壤中重金属元素的生物有效性，促进植物富集吸收重金属。

Description

适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法
技术领域
本发明涉及重金属土壤修复技术领域，具体是适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法。
背景技术
过去数十年间，城市与现代工业快速发展，土壤重金属污染日益严重。重金属可以通过植物的吸附作用进入植物体内，还可能通过径流和淋洗等作用污染地表水和地下水，最终通过食物链或直接接触等途径危害人们身体健康。
当前很多领域的技术人员针对重金属修复技术做了很多研究，目前一般是通过固化作用、活化提取两种方式对土壤中的重金属污染去除。固化主要是利用物理、化学等方法来稳定土壤中重金属的状态，使其不易被生物吸收，降低其在生物之间的循环利用性，并降低土壤中重金属的毒性，固化方法治理效果好、历时短，存在成本很高，有可能破坏土壤原来的理化性质的问题。固化方法只适用于小范围的土壤中重金属污染物的治理。活化提取是借助生物修复土壤中的重金属，利用可以吸附重金属污染物的植物将土壤中的重金属提取出来，达到降低土壤中重金属浓度的目的。虽然利用植物修复，存在治理周期长、植物生物量小的缺陷，但由于其具有成本低、对环境的影响小、便于实施等优点，生物修复已经引起了各学者的广泛关注。
生物修复技术主要分为植物修复、动物修复及微生物修复三种，人们多采用一种或几种联用。人们对重金属污染土壤的植物修复研究得比较多，植物修复主要是针对不同的重金属污染土壤筛选出目标植物吸附重金属，最终达到降低土壤中重金属浓度的目的；动物修复中蚯蚓的研究占较大比例。蚯蚓喜阴暗，活动区域主要在土壤表层以下，若单独使用蚯蚓来进行重金属污染土壤修复，往往导致表层土壤的重金属偏高，鉴于此，我们将植物根系吸收重金属与蚯蚓在地下对重金属进行修复两种方式联合起来，对目的污染区域的重金属进行修复。
发明内容
本发明提供适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，解决了现有技术中单独使用植物系/蚯蚓修复重金属污染土壤效果较差的技术问题。
本发明是这样实现的：步骤如下：
(1)在待修复重金属污染区域开挖，挖出深度35cm的土壤，将挖出土壤与生物炭混合后填回开挖区域，所述生物炭添加量为挖出土壤质量的7％，所述生物炭为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆制成；
(2)稳定一周后，步骤(1)的土壤进行简单翻耕，加入适量的蚯蚓食物，投放蚯蚓，所述蚯蚓是威廉环毛蚓，投放密度为1.2kg/m3；
(3)60天后，采用野外法收集，将部分土壤与蚯蚓取出，再将土壤回填，并投入一定比例的威廉环毛蚓，投放密度为0.8kg/m3；
目的是将体内有重金属的蚯蚓取出，以免由于蚯蚓的死亡将吸附的重金属重新释放到土壤中，实现对土壤中重金属预吸附的作用。取出前一批次的蚯蚓后，再投加新的蚯蚓，可以继续对土壤中的重金属进行吸附，且土壤中的蚯蚓活动可以增加土壤的松散度，排出的蚯蚓粪便增加土壤中有机质含量，更有利用植物的生长。
(4)在处理后的土壤表层进行团粒喷播营养基质；
(5)待植株生长成熟，即生长6-8个月，清除植株。
作为一种优选的实施方案，所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为0.7-1.2:0.5-1:0.8-1.2:2-4:5-8。
作为一种优选的实施方案，所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为1:0.8:1:3:7。
作为一种优选的实施方案，所述生物炭是利用板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆，在目标温度560℃，升温速率14℃/min，停留时间2.5h，进风量2600m3/h，在氮气条件下，马弗炉中热解制备而成。
作为一种优选的实施方案，所述营养基质包括以下组分及其与干土重量配比：壤土15-29％、干化污泥8-20％、草木灰13-18％、硫酸亚铁8-15％、海泡石2-4％、磷矿粉1-3％、团粒剂0.35-0.38％、植物种子0.5-5％、有机肥2-4％、清水26-38％。
作为一种优选的实施方案，所述植物种子为白三叶、沙打旺、苦马豆、马棘的种子。
作为一种优选的实施方案，所述草木灰为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆燃烧得到。
本发明的有益效果：
(1)本发明使用团粒喷播技术，修复面积较大时利用团粒喷播可以提高工作效率，在立地条件差的区域可以给植物提供一个良好的环境，提高前期植物的存活率。
(2)本发明利用板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆制成的生物炭它作为一种钝化剂，可以先稳定土壤中的一部分活性状态下的重金属，降低重金属污染物的生物可利用性；可通过提高土壤pH值和土壤有机质含量，改变土壤氧化还原电位及土壤微生物群落组成，从而降低重金属生物有效性，减少对植物的毒性。
(3)蚯蚓在本发明重金属污染土壤修复中的作用，主要体现在以下两个方面：一蚯蚓自身对重金属的耐性及富集吸收，二蚯蚓活动可活化土壤重金属。蚯蚓活动可使土壤疏松，促进植物残枝落叶的降解，促进有机物质的分解和矿化，甚至死亡的蚯蚓也能为土壤提供大量的氮磷养分，促进土壤中硝化细菌的活动，从本质上改善土壤的化学成分和物理结构。同时蚯蚓的生命活动和蚯蚓粪能够通过钝化作用或活化作用机制，大大提高土壤中重金属元素的生物有效性，进而促进植物吸收。
具体实施方式
下面将结合本发明的具体实施例对本发明的技术方案进行清楚，完整地描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，步骤如下：
(1)在待修复重金属污染区域开挖，挖出深度35cm的土壤，将挖出土壤与生物炭混合后填回开挖区域，所述生物炭添加量为挖出土壤质量的7％，所述生物炭为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆制成；
(2)稳定一周后，步骤(1)的土壤进行简单翻耕，加入适量的蚯蚓食物，投放蚯蚓，所述蚯蚓是威廉环毛蚓，投放密度为1.2kg/m3；
(3)60天后，采用野外法收集，将部分土壤与蚯蚓取出，再将土壤回填，并投入一定比例的威廉环毛蚓，投放密度为0.8kg/m3；
(4)在处理后的土壤表层进行团粒喷播营养基质；
(5)待植株生长成熟，即生长6-8个月，清除植株。
进一步地，所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为0.7-1.2:0.5-1:0.8-1.2:2-4:5-8。
进一步地，所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为1:0.8:1:3:7。
进一步地，所述生物炭是利用板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆，在目标温度560℃，升温速率14℃/min，停留时间2.5h，进风量2600m3/h，在氮气条件下，马弗炉中热解制备而成。
进一步地，所述营养基质包括以下组分及其与干土重量配比：壤土15-29％、干化污泥8-20％、草木灰13-18％、硫酸亚铁8-15％、海泡石2-4％、磷矿粉1-3％、团粒剂0.35-0.38％、植物种子0.5-5％、有机肥2-4％、清水26-38％。
进一步地，所述植物种子为白三叶、沙打旺、苦马豆、马棘的种子。
进一步地，所述草木灰为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆燃烧得到。
实施例1
适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，步骤如下：
(1)在待修复重金属污染区域开挖，挖出深度35cm的土壤，将挖出土壤与生物炭混合后填回开挖区域，所述生物炭添加量为挖出土壤质量的7％，所述生物炭是利用板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆，在目标温度560℃，升温速率14℃/min，停留时间2.5h，进风量2600m3/h，在氮气条件下，马弗炉中热解制备而成；所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为0.7:1:0.9:4:5。
(2)稳定一周后，步骤(1)的土壤进行简单翻耕，加入适量的蚯蚓食物，投放蚯蚓，所述蚯蚓是威廉环毛蚓，投放密度为1.2kg/m3；
(3)60天后，采用野外法收集，将部分土壤与蚯蚓取出，再将土壤回填，并投入一定比例的威廉环毛蚓，投放密度为0.8kg/m3；
(4)在处理后的土壤表层进行团粒喷播营养基质，所述营养基质包括以下组分及其与干土重量配比：壤土17％、干化污泥20％、草木灰16.5％、硫酸亚铁10.15％、海泡石3％、磷矿粉2.5％、团粒剂0.35％、植物种子4.5％、有机肥3％、清水23％；所述植物种子为白三叶、沙打旺、苦马豆、马棘的种子。所述草木灰为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆燃烧得到，制成草木灰的栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆的配比可与生物炭配比相同或不同。
(5)待植株生长成熟，即生长6-8个月，清除植株，完成修复。
实施例2
适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，步骤如下：
(1)在待修复重金属污染区域开挖，挖出深度35cm的土壤，将挖出土壤与生物炭混合后填回开挖区域，所述生物炭添加量为挖出土壤质量的7％，所述生物炭是利用板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆，在目标温度560℃，升温速率14℃/min，停留时间2.5h，进风量2600m3/h，在氮气条件下，马弗炉中热解制备而成；所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为0.85:0.8:1.2:2:7。
(2)稳定一周后，步骤(1)的土壤进行简单翻耕，加入适量的蚯蚓食物，投放蚯蚓，所述蚯蚓是威廉环毛蚓，投放密度为1.2kg/m3；
(3)60天后，采用野外法收集，将部分土壤与蚯蚓取出，再将土壤回填，并投入一定比例的威廉环毛蚓，投放密度为0.8kg/m3；
(4)在处理后的土壤表层进行团粒喷播营养基质，所述营养基质包括以下组分及其与干土重量配比：壤土15％、干化污泥8％、草木灰18％、硫酸亚铁15％、海泡石2％、磷矿粉1％、团粒剂0.35％、植物种子5％、有机肥4％、清水31.65％；所述植物种子为白三叶、沙打旺、苦马豆、马棘的种子。所述草木灰为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆燃烧得到，制成草木灰的栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆的配比可与生物炭配比相同或不同。
(5)待植株生长成熟，即生长6-8个月，清除植株，完成修复。
实施例3
适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，步骤如下：
(1)在待修复重金属污染区域开挖，挖出深度35cm的土壤，将挖出土壤与生物炭混合后填回开挖区域，所述生物炭添加量为挖出土壤质量的7％，所述生物炭是利用板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆，在目标温度560℃，升温速率14℃/min，停留时间2.5h，进风量2600m3/h，在氮气条件下，马弗炉中热解制备而成；所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为1:0.8:1:3:7。
(2)稳定一周后，步骤(1)的土壤进行简单翻耕，加入适量的蚯蚓食物，投放蚯蚓，所述蚯蚓是威廉环毛蚓，投放密度为1.2kg/m3；
(3)60天后，采用野外法收集，将部分土壤与蚯蚓取出，再将土壤回填，并投入一定比例的威廉环毛蚓，投放密度为0.8kg/m3；
(4)在处理后的土壤表层进行团粒喷播营养基质，所述营养基质包括以下组分及其与干土重量配比：壤土29％、干化污泥14.12％、草木灰13％、硫酸亚铁8％、海泡石4％、磷矿粉3％、团粒剂0.38％、植物种子0.5％、有机肥2％、清水26％；所述植物种子为白三叶、沙打旺、苦马豆、马棘的种子。所述草木灰为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆燃烧得到，制成草木灰的栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆的配比可与生物炭配比相同或不同。
(5)待植株生长成熟，即生长6-8个月，清除植株，完成修复。
实施例4
适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，步骤如下：
(1)在待修复重金属污染区域开挖，挖出深度35cm的土壤，将挖出土壤与生物炭混合后填回开挖区域，所述生物炭添加量为挖出土壤质量的7％，所述生物炭是利用板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆，在目标温度560℃，升温速率14℃/min，停留时间2.5h，进风量2600m3/h，在氮气条件下，马弗炉中热解制备而成；所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为1.2:0.5：0.8:2.7:8。
(2)稳定一周后，步骤(1)的土壤进行简单翻耕，加入适量的蚯蚓食物，投放蚯蚓，所述蚯蚓是威廉环毛蚓，投放密度为1.2kg/m3；
(3)60天后，采用野外法收集，将部分土壤与蚯蚓取出，再将土壤回填，并投入一定比例的威廉环毛蚓，投放密度为0.8kg/m3；
(4)在处理后的土壤表层进行团粒喷播营养基质，所述营养基质包括以下组分及其与干土重量配比：壤土15.5％、干化污泥16.7％、草木灰13.5％、硫酸亚铁9.5％、海泡石2.5％、磷矿粉1.2％、团粒剂0.36％、植物种子0.7％、有机肥2.04％、清水38％；所述植物种子为白三叶、沙打旺、苦马豆、马棘的种子。所述草木灰为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆燃烧得到，制成草木灰的栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆的配比可与生物炭配比相同或不同。
(5)待植株生长成熟，即生长6-8个月，清除植株，完成修复。
实施例5
适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，步骤如下：
(1)在待修复重金属污染区域开挖，挖出深度35cm的土壤，将挖出土壤与生物炭混合后填回开挖区域，所述生物炭添加量为挖出土壤质量的7％，所述生物炭是利用板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆，在目标温度560℃，升温速率14℃/min，停留时间2.5h，进风量2600m3/h，在氮气条件下，马弗炉中热解制备而成；所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为0.95:0.8:1.1:3.2:6.7。
(2)稳定一周后，步骤(1)的土壤进行简单翻耕，加入适量的蚯蚓食物，投放蚯蚓，所述蚯蚓是威廉环毛蚓，投放密度为1.2kg/m3；
(3)60天后，采用野外法收集，将部分土壤与蚯蚓取出，再将土壤回填，并投入一定比例的威廉环毛蚓，投放密度为0.8kg/m3；
(4)在处理后的土壤表层进行团粒喷播营养基质，所述营养基质包括以下组分及其与干土重量配比：壤土18.5％、干化污泥13％、草木灰16.8％、硫酸亚铁13.6％、海泡石3％、磷矿粉2.7％、团粒剂0.35％、植物种子4％、有机肥3.05％、清水25％；所述植物种子为白三叶、沙打旺、苦马豆、马棘的种子。所述草木灰为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆燃烧得到，制成草木灰的栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆的配比可与生物炭配比相同或不同。
(5)待植株生长成熟，即生长6-8个月，清除植株，完成修复。
实验例
实验室验证威廉环毛蚓对重金属的修复。取两份分别受镉、铅影响的土壤，混入蚯蚓食物，并向其中投放威廉环毛蚓，投放密度为1.2kg/m3，并分别在投放前，投放后第20天、第40天、第60天、第80天，测量两份土壤中的重金属含量，结果参见表1。
表1蚯蚓重金属吸附结果
mg/kg 投放0天 投放20天 投放40天 投放60天 投放80天
土壤中的镉 201.8 185.47 124.52 98.36 102.4
土壤中的铅 198.5 168.34 132.58 99.52 117.5
当投放时间超过2个月时，随着部分蚯蚓的死亡，蚯蚓吸附土壤中的重金属部分会回到土壤中。因此，实施例选择投放60天作为实验时间。
修复实验
取五份等重土壤，分别编号为S-1、S-2、S-3、S-4、S-5，测各土壤中的铅、镉的含量，铅、镉的平均含量为299.132mg/kg、173.456mg/kg，具体含量参见表2。
表2修复地土壤重金属污染情况
将上述污染场地分成5个实验组，每个实验组场地面积一致，每实验组分别单独运用实施例1-5所述的修复方法，进行为期8个月的修复，之后测每实验组土壤的重金属平均含量，测量方法是每个实验组取四份等重土壤，测Pb、Cd、含量，取平均值，平均含量见表3。
表3修复后的土壤重金属平均含量
由表3可看出，运用实施例1的修复方法，土壤中两种目标重金属的含量均有所降低。修复前土壤中铅的平均含量为261.92mg/kg，铅含量平均降低了50.95％。修复前土壤中镉平均含量为为172.85mg/kg，含量平均降低了71.70％。可见该方法对于土壤中重金属的修复起到了比较好的效果。
实施例2的修复方法，修复前土壤中铅的平均含量为365.25mg/kg，修复后铅含量平均降低了50.43％。修复前土壤中镉平均含量为为208.52mg/kg，修复后的镉含量较修复前含量平均降低了63.19％。
运用实施例3的修复方法，修复前土壤中铅的平均含量为299.25mg/kg，修复后铅含量平均降低了54.18％。修复前土壤中镉平均含量为为162.54mg/kg，修复后的镉含量较修复前平均降低了57.69％。
运用实施例4的修复方法，修复前土壤中铅的平均含量为263.6mg/kg，修复后铅含量平均降低了68.02％。修复前土壤中镉平均含量为为159.85mg/kg，修复后的镉含量较修复前平均降低了64.70％。
运用实施例5的修复方法，修复前土壤中铅的平均含量为305.64mg/kg，修复后铅含量平均降低了62.52％。修复前土壤中镉平均含量为为163.52mg/kg，修复后的镉含量较修复前平均降低了59.32％。
本发明的有益效果：
(1)本发明使用团粒喷播技术，修复面积较大时利用团粒喷播可以提高工作效率，在立地条件差的区域可以给植物提供一个良好的环境，提高前期植物的存活率。
(2)本发明利用板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆制成的生物炭它作为一种钝化剂，可以先稳定土壤中的一部分活性状态下的重金属，降低重金属污染物的生物可利用性；可通过提高土壤pH值和土壤有机质含量，改变土壤氧化还原电位及土壤微生物群落组成，从而降低重金属生物有效性，减少对植物的毒性。
(3)蚯蚓在本发明重金属污染土壤修复中的作用，主要体现在以下两个方面：一蚯蚓自身对重金属的耐性及富集吸收，二蚯蚓活动可活化土壤重金属。蚯蚓活动可使土壤疏松，促进植物残枝落叶的降解，促进有机物质的分解和矿化，甚至死亡的蚯蚓也能为土壤提供大量的氮磷养分，促进土壤中硝化细菌的活动，从本质上改善土壤的化学成分和物理结构。同时蚯蚓的生命活动和蚯蚓粪能够通过钝化作用或活化作用机制，大大提高土壤中重金属元素的生物有效性，进而促进植物吸收。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (7)

1.适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，其特征在于，步骤如下：
(1)在待修复重金属污染区域开挖，挖出深度35cm的土壤，将挖出土壤与生物炭混合后填回开挖区域，所述生物炭添加量为挖出土壤质量的7％，所述生物炭为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆制成；
(2)稳定一周后，步骤(1)的土壤进行简单翻耕，加入适量的蚯蚓食物，投放蚯蚓，所述蚯蚓是威廉环毛蚓，投放密度为1.2kg/m3；
(3)60天后，采用野外法收集，将部分土壤与蚯蚓取出，再将土壤回填，并投入一定比例的威廉环毛蚓，投放密度为0.8kg/m3；
(4)在处理后的土壤表层进行团粒喷播营养基质；
(5)待植株生长成熟，即生长6-8个月，清除植株。
2.根据要求1所述的适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，其特征在于，所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为0.7-1.2:0.5-1:0.8-1.2:2-4:5-8。
3.根据权利要求2所述的适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，其特征在于，所述板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆质量比为1:0.8:1:3:7。
4.根据权利要求2或3所述的适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，其特征在于，所述生物炭是利用板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆，在目标温度560℃，升温速率14℃/min，停留时间2.5h，进风量2600m3/h，在氮气条件下，马弗炉中热解制备而成。
5.根据权利要求4所述的适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，其特征在于，所述营养基质包括以下组分及其与干土重量配比：壤土15-29％、干化污泥8-20％、草木灰13-18％、硫酸亚铁8-15％、海泡石2-4％、磷矿粉1-3％、团粒剂0.35-0.38％、植物种子0.5-5％、有机肥2-4％、清水26-38％。
6.根据权利要求5所述的适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，其特征在于，所述植物种子为白三叶、沙打旺、苦马豆、马棘的种子。
7.根据权利要求6所述的适用于重金属污染土壤的动植物联合团粒喷播修复方法，其特征在于，所述草木灰为板栗壳、椰子壳、花生壳、棉籽壳、农作物秸秆燃烧得到。
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