CN109622599B

CN109622599B - 一种利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法

Info

Publication number: CN109622599B
Application number: CN201910106943.5A
Authority: CN
Inventors: 李忠武; 黄梅; 文佳骏; 杨仁; 徐卫华; 罗宁临; 丁翔; 曾光明
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2019-02-02
Filing date: 2019-02-02
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2039-02-02
Also published as: CN109622599A

Abstract

本发明公开了一种利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法，该方法包括以下步骤：将脱水污泥与生物炭复配钝化剂和砷污染农田土壤混合进行钝化，完成对砷污染农田土壤的修复，其中脱水污泥与生物炭复配钝化剂是由干化污泥和生物炭混合后制备得到。本发明方法，利用干化污泥和生物炭的复配进行钝化修复，能够实现砷污染修复和土壤质量改善的双赢，且不会影响农时耕作，同时对工艺控制要求不严，可操作性强，具有工艺简单、原料易得、成本低廉、修复效果好、易于推广等优点，有着较高的实用价值和较好的应用前景。

Description

一种利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法

技术领域

本发明属于重金属污染土壤修复领域，涉及一种修复砷污染农田土壤的方法，具体涉及一种利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法。

背景技术

农田砷污染问题已成为我国广泛关注的重大生态环境问题，这是因为砷(As)是一种有显著毒性的类金属，严重威胁农业环境生态安全和人类健康。特别是近年来多个地区发生的食物砷中毒事件，反映出农田土壤环境质量下降和污染问题日益加重，更是严重制约着我国现代农业可持续发展。因此，农田土壤砷污染修复刻不容缓。

农田土壤砷污染修复治理作为国内外的研究热点与难点，各个方向的修复技术不断得到开发，其中主要包括工程修复、钝化修复、农艺调控修复和生物修复四类，其中土壤钝化修复是通过加入钝化剂来降低土壤中砷的迁移和转化能力，起到吸附固定效果，且因为易于操作而被广泛应用。

砷污染土壤的钝化效果高度依赖于钝化剂的选择和添加比例。农田土壤的修复应同时不影响农田土壤的农作物种植，因此，要想实现土壤质量改善和土壤污染修复显著的共赢，对钝化剂的选择和添加比例提出了高要求、高标准。

目前适用于农田土壤砷污染修复的钝化剂主要有钙盐类、磷酸盐类、粘土矿物类、有机堆肥、城市污泥和生物炭等。由于生物炭具有孔隙度好、比表面积大、吸附能力强等特点，而且价格低廉，是一种理想的吸附重金属的材料，用作土壤的改良剂是一种不错的选择。污泥作为城市污水处理过程中衍生的副产品，具有量多和难以处理的特点，污泥成为污水处理厂的沉重负担。因此，使用污泥作为修复剂进行修复砷污染土壤不仅利用了污水处理厂衍生的污泥，而且还可以利用污泥中的生物能源改善了受污染土壤的重金属污染。近年来，国内外一些学者将污泥应用于重金属污染土壤的原位钝化修复，取得了良好的效果。然而，目前尚未有联合使用脱水污泥和生物炭钝化处理砷污染农田土壤的先例。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，提供一种工艺简单、原料易得、成本低廉、修复效果好、易于推广的利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法，包括以下步骤：将脱水污泥与生物炭复配钝化剂和砷污染农田土壤混合进行钝化，完成对砷污染农田土壤的修复；所述脱水污泥与生物炭复配钝化剂是由干化污泥和生物炭混合后制备得到。

上述的方法，进一步改进的，所述干化污泥和生物炭的质量比为2～10∶1。

上述的方法，进一步改进的，所述干化污泥由以下方法制备得到：将脱水污泥在40℃～80℃下干燥1天～2天，研磨，过60目筛，得到干化污泥。

上述的方法，进一步改进的，所述生物炭由以下方法制备得到：将生物质在500℃下热解，研磨，过60目筛，得到生物炭。

上述的方法，进一步改进的，所述热解在氮气气氛下进行；所述生物质为水稻秸秆和/或木屑。

上述的方法，进一步改进的，所述脱水污泥与生物炭复配钝化剂的添加量按干化污泥或生物炭与砷污染农田土壤质量百分比计，所述干化污泥的添加量为砷污染农田土壤的5％～20％，所述生物炭的添加量为砷污染农田土壤的1％～5％。

上述的方法，进一步改进的，所述砷污染农田土壤中砷的浓度为30mg/kg～40mg/kg。

上述的方法，进一步改进的，所述钝化的温度为25±1℃；所述钝化的时间为40天。

上述的方法，进一步改进的，所述钝化过程中保持土壤中含水量为70％～80％。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明提供了一种利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法，通过将脱水污泥与生物炭复配钝化剂和砷污染农田土壤混合进行钝化，即可实现对砷污染农田土壤的有效修复。本发明中，所用脱水污泥与生物炭复配钝化剂是由干化污泥和生物炭混合后制备得到，其中干化污泥能够通过物理、化学和生物作用改善土壤质量，提高土壤有机物质含量，降低重金属污染土壤中重金属的浸出，而生物炭具有高度羧酸酯化和芳香化结构，拥有较大的孔隙度和比表面积，能够有效吸附络合土壤砷，同时能够改善土壤的理化性质，提升土壤肥力、增强土壤持水保肥能力。因此，本发明利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法中，利用干化污泥和生物炭的复配进行钝化修复，能够实现砷污染修复和土壤质量改善的双赢，且不会影响农时耕作，同时对工艺控制要求不严，可操作性强，具有工艺简单、原料易得、成本低廉、修复效果好、易于推广等优点，有着较高的实用价值和较好的应用前景。

(2)本发明中，所用原料，价格低廉、来源广泛，通过将农林废弃物以及污水污泥“变废为宝”，实现资源化利用，社会经济价值高。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明实施例1中制得的脱水污泥与生物炭复配钝化剂、干化污泥和生物炭的SEM图，其中(A)为干化污泥，(B)为生物碳，(C)为脱水污泥与生物炭复配钝化剂。

图2为本发明实施例1中制得的脱水污泥与生物炭复配钝化剂、干化污泥和生物炭的傅里叶红外光谱图，其中A为干化污泥，B为生物碳，C为脱水污泥与生物炭复配钝化剂。

图3为本发明实施例1中制得的脱水污泥与生物炭复配钝化剂、干化污泥和生物炭的X射线衍射光谱图，其中A为干化污泥，B为生物碳，C为脱水污泥与生物炭复配钝化剂。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

一种利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法，包括以下步骤：

脱水污泥与生物炭复配钝化剂的添加量如表1所示，将脱水污泥与生物炭复配钝化剂加入到砷浓度为37.95mg/kg的砷污染农田土壤中，搅拌均匀，在温度为25±1℃、土壤含水量为70％～80％的条件下培养40天，即钝化40天，完成对砷污染农田土壤的修复。

本实施例中，所用脱水污泥与生物炭复配钝化剂是由干化污泥和生物炭混合后制备得到，其中干化污泥和生物炭的质量比为10∶1。

本实施例中，所用干化污泥由以下方法制备得到：将脱水污泥在60℃下干燥2天，研磨，过60目筛，得到干化污泥。

本实施例中，所用生物炭由以下方法制备得到：将生物质(水稻秸秆、木屑)在温度为500℃、氮气气氛的条件下热解，研磨，过60目筛，得到生物炭。

图1为本发明实施例1中制得的脱水污泥与生物炭复配钝化剂、干化污泥和生物炭的SEM图，其中(A)为干化污泥，(B)为生物碳，(C)为脱水污泥与生物炭复配钝化剂。由图1可知，生物炭形状呈杆状，表面有大量的孔隙结构，脱水污泥污泥呈颗粒状，表面有许多颗粒，但非常致密，表面上的孔隙结构并不发达，而脱水污泥与生物炭复配钝化剂的表面与脱水污泥相比，出现明显的中孔和数量较多的细孔，孔隙结构比脱水污泥增多。

图2为本发明实施例1中制得的脱水污泥与生物炭复配钝化剂、干化污泥和生物炭的傅里叶红外光谱图，其中A为干化污泥，B为生物碳，C为脱水污泥与生物炭复配钝化剂。由图2可知，脱水污泥与生物炭复配后，红外光谱图的出峰位置基本一致，但各个峰的强度略有差别。1648cm^-1为羧基的伸缩振动峰，与生物炭复配以后，该峰峰强减弱，说明复配过程污泥发生了脱羧基作用。1018cm^-1附近为C-O键的伸缩振动，峰强的减弱说明污泥发生了脱水作用，更多地氧元素进入液相中。

图3为本发明实施例1中制得的脱水污泥与生物炭复配钝化剂、干化污泥和生物炭的X射线衍射光谱图，其中A为干化污泥，B为生物碳，C为脱水污泥与生物炭复配钝化剂。由图3可知，脱水污泥和生物炭的矿物晶体组成基本相同，其中主要含有SiO₂，在复配后，矿物峰位置并未发生改变，但峰的强度增加，这说明脱水污泥在和生物炭复配后，晶体表面的矿物质含量增加，矿物质种类基本不变。

结合图1、图2和图3的结果可知，本发明中制备的脱水污泥与生物炭复配钝化剂具有更优的孔隙结构，更多含量的官能团和矿物质。

对照组：不添加钝化剂，其他条件相同。

培养过程中收集培养1天、5天、10天、20天和40天的土样。

采用五步连续提取法分析不同时间收集的处理组和对照组土样中砷的形态和含量，专性吸附态、非专性吸附态、无定型和弱结晶水合铁铝氧化物结合态这三种形态的砷总量作为生物有效态砷浓度，结果见表1。

实施例2：

一种利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法，与实施例1相比，区别仅在于：实施例2中干化污泥和生物炭的质量比2∶1。

培养过程中收集培养1天、5天、10天、20天和40天的土样。

对比例1

一种利用脱水污泥修复砷污染农田土壤的方法，与实施例1相比，区别仅在于：对比例1中以实施例1中制得的干化污泥为钝化剂。

培养过程中收集培养1天、5天、10天、20天和40天的土样。

采用五步连续提取法分析不同时间收集的土样中砷的形态和含量，并以专性吸附态、非专性吸附态、无定型和弱结晶水合铁铝氧化物结合态这三种形态的砷总量作为生物有效态砷浓度，检测结果如表1所示。

表1实施例1-2及对比例1中不同培养时间对生物有效态砷浓度的影响

从表1可知：本发明实施例1-2中利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤过程中，生物有效态砷浓度随培养的时间增加呈先增加后减少趋势，最佳修复时间为40天。同时从表1可知，培养40天后，钝化效果最好的是10％干化污泥+1％生物炭，其中有效As的浓度相比于对照组减少了25.06％，相比于对比例1减少了12.33％。可见，相比纯干化污泥钝化剂，本发明脱水污泥与生物炭复配钝化剂的钝化效果有显著提高。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，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的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种利用脱水污泥与生物炭复配钝化剂修复砷污染农田土壤的方法，其特征在于，包括以下步骤：将脱水污泥与生物炭复配钝化剂和砷污染农田土壤混合进行钝化，完成对砷污染农田土壤的修复；所述脱水污泥与生物炭复配钝化剂是由干化污泥和生物炭混合后制备得到；所述干化污泥和生物炭的质量比为10∶1；所述脱水污泥与生物炭复配钝化剂的添加量按干化污泥或生物炭与砷污染农田土壤质量百分比计，所述干化污泥的添加量为砷污染农田土壤的10%，所述生物炭的添加量为砷污染农田土壤的1%；所述砷污染农田土壤中砷的浓度为30mg/kg～40mg/kg；所述钝化的温度为25±1℃；所述钝化的时间为40天。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述干化污泥由以下方法制备得到：将脱水污泥在40℃～80℃下干燥1天～2天，研磨，过60目筛，得到干化污泥。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物炭由以下方法制备得到：将生物质在500℃下热解，研磨，过60目筛，得到生物炭。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热解在氮气气氛下进行；所述生物质为水稻秸秆和/或木屑。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述钝化过程中保持土壤中含水量为70%～80%。