CN110814003B - 一种重金属污染耕地发酵有机肥原位钝化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种所述的重金属污染耕地发酵有机肥原位钝化方法，包括以下步骤：土地平整，翻耕、施肥，所述施肥采用自制的发酵有机肥，采用翻耕机进行发酵有机肥的添加；种植农作物；农作物的田间管理，包括灌溉、施肥；农作物的收割与处理；土壤采样分析。对农田添加发酵有机肥进行改良，改良后在农田中进行农作物的播种，通过钝化/固定的方法，使土壤中的重金属有效态降低到修复目标值。本发明通过堆肥发酵有机肥的添加，改善农田土壤理化性质，增加土壤通气孔隙和大粒径团聚体，改善土壤肥力，提高作物产量。

Description

一种重金属污染耕地发酵有机肥原位钝化方法
技术领域
本发明涉及土壤重金属污染修复领域，具体涉及一种重金属污染耕地原位钝化方法。
背景技术
原位钝化技术是指利用添加钝化材料调节和改变土壤中重金属等污染物质在土壤中的物理化学性质，使其沉淀、吸附、离子交换、腐殖化和氧化-还原等反应，使污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性变小的状态和形式，降低土壤污染物的生物有效性和迁移性，实现其无害化或降低其对生态系统危害风险的目标。与物理修复和生物修复相比，向重金属污染土壤中施用钝化材料属于原位修复，适用于大面积重金属污染，成本低，且操作简单，效果显著等特点。钝化修复技术具有简便、快速、高效等优点，是修复大面积重金属污染农田土壤的较好选择。
在修复重金属污染土壤中常用的钝化材料分为无机钝化材料和有机钝化材料两大类。常用的无机钝化材料包括碱性无机钝化材料(生石花、熟石灰、粉煤灰等)、磷酸盐(羟基磷灰石、磷矿粉、磷酸二氢钾和水溶性、枸溶性磷肥等)、天然改性人工合成矿物(海泡石、凹凸棒土、沸石和膨润土等)和富含铁锰氧化物的物料等。常用的有机钝化材料包括有机酸、作物秸秆、绿肥和泥炭类物质等。其中腐殖酸与重金属的相互作用对重金属污染土壤的微生物活性具有改善和修复功能，对土壤有一定的去污解毒作用。腐殖酸可显著降低土壤中交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态铅的含量，而有机结合态和残渣态铅的含量则显著提高。
不同钝化材料修复重金属污染土壤的作用机制不同，主要的作用机制有：吸附和离子交换作用、沉淀作用、氧化还原作用、表面络合及表面沉淀作用和腐殖酸具备的络合(螯合)能力和胶体特性等。
(1)吸附和离子交换作用
吸附和离子交换作用是钝化材料修复重金属污染土壤最普遍和最主要的作用机制。很多钝化材料如蛭石、沸石、草炭、生物炭本身对重金属污染物就具有很强的吸附能力，加入土壤后能运用自身的吸附能力来提高土壤对重金属的吸附容量，从而降低重金属的生物有效性。
(2)沉淀作用
钝化材料在土壤中发生溶解、水化等各种反应，产生的阴离子与重金属离子产生沉淀，从而降低重金属离子的移动性，达到修复重金属污染的目的。
(3)表面络合及表面沉淀作用
有机钝化材料对土壤重金属生物有效性的影响通常和有机物料的某些组分与金属之间的络合反应有关。有机质富含多种有机官能团，能与重金属形成具有一定稳定程度的金属有机络合物，从而降低金属污染物的生物可利用性。当土壤中添加有机改良剂时，由于有机质表面带有大量的极性基团如-COOH、-OH、-C＝O、-NH2、-SH等，可以与重金属离子形成稳定的络合物。
化学钝化修复技术具有一定的优点，有广阔的应用前景，但它在应用过程中也存在一定的局限性。
1)向重金属污染土壤中添加钝化材料降低了重金属离子的生物有效性和移动性，降低重金属离子向食物链转移，但一个根本的问题并没有得以解决，那就是重金属离子依然还存留在土壤环境中，并可能随着环境条件的改变，其生物有效性也可能变化。由此可见，化学钝化修复是一种污染控制技术，而不是将重金属除掉。
2)目前对化学钝化修复技术的研究多在实验室进行，少数应用于田间试验，在盆栽试验中成功的，不一定在田间试验也能成功，改良剂在田间不一定也同样具有良好的效果。
3)有些钝化材料本身是不降解的，施入土壤也具有一定的环境风险性。例如在土壤中加入过量可溶性磷可能会引起磷的流失，从而造成水体的富营养化，因此在修复过程前要充分计算磷的添加量以及磷的迁移转化，使环境风险降到最低。
4)缺乏对钝化材料修复机理及在不同化学环境中的长期行为的研究。怎样长期监测土壤中金属元素生物有效性的变化，保证钝化材料的长期修复效率，以及对通过稀疏的精细结构获得金属离子的配位环境和价态信息，确定金属离子的赋存状态，区分金属的吸附和沉淀、金属在表面的内层络合和外层络合，这将是今后钝化修复的重要研究内容。
发明内容
本发明的目的是提供一种重金属污染耕地原位发酵有机肥钝化方法，对农田添加发酵有机肥进行改良，改良后在农田中进行超富集植物的插苗及草籽播种，通过定期施肥及植物收割，使土壤中的重金属总量降低到修复目标值。
本发明通过堆肥发酵有机肥的添加，改善农田土壤理化性质，增加土壤通气孔隙和大粒径团聚体，改善土壤肥力，提高作物产量。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：
一种重金属污染耕地原位发酵有机肥钝化方法，包括以下步骤：
(1)土地平整；
(2)翻耕、施肥，所述施肥采用自制的发酵有机肥，采用翻耕机进行发酵有机肥的添加；
其中发酵有机肥的制作方法为：
以鸡粪为堆肥填料，鸡粪、植物源原料与氨基酸比例按(7-8)：(2-3)：(1-2)，W/W，鲜重计，混合后堆肥，堆肥过程中控制含水量在50-60％，采用条垛式发酵，堆制发酵有机肥，以人工翻堆的通气方式；
(3)种植农作物；
(4)农作物的田间管理，包括灌溉、施肥等；
(5)农作物的收割与处理；
(6)土壤采样分析。
所述的植物源原料为：蜈蚣草
步骤(2)中，条垛式发酵堆成高1-2m，直径2-3m的圆锥体堆垛。
步骤(2)中，采用人工翻堆的通气方式，每4-6天翻1次，翻后堆回原状，堆制时间为28天。
步骤(2)中，发酵有机肥添加量为600-800kg/亩，机引犁翻耕30-40厘米。
经过从步骤(2)-步骤(5)循环处理，逐渐降低土壤中重金属有效态量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明方法通过发酵有机肥，微生物通过自身的新陈代谢，把一部分有机物氧化成简单的有机物或无机物供作物吸收利用，把另一部分有机物转化为稳定的腐殖质(C和N)，可促进土壤团粒结构的形成，改善土壤的理化性状。腐熟堆肥降低了有机固体废弃物的环境风险，有利于改善农田土壤理化性质、提高土壤各种养分，改善土壤理化性质，增加土壤通气孔隙和大粒径团聚体、改善土壤肥力、提高作物产量。
本发明属于原位修复降低土壤重金属Hg有效态的方法，不需特殊修复设备，只需要翻耕机即可。修复后土壤中重金属Hg有效态或甲基化Hg含量浓度下降30％以上，水稻或小麦籽粒中Hg或HgCH3浓度下降30％以上；修复过程中不带入污染物，土壤环境质量与肥力指标不下降；从社会效益上看，发酵有机肥修复技术的实施可去除农田污染场地中土壤的重金属Hg，解决当地二级饮用水源安全问题的隐患，保证水源质量，对当地人民群众饮水安全起到关键作用，为构建环境友好型和资源节约型社会提供保障和支持。
附图说明
图1：本发明的方法流程示意图。
图2：实施例1中土壤验收重金属形态分析。
图3：实施例2中土壤验收重金属形态分析。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
项目实施前通过实验室盆栽小试选取普通农作物以及发酵有机肥。
发酵有机肥的制作：
以鸡粪为堆肥填料，利用某植物源原料(蜈蚣草)与氨基酸调节堆肥C/N比，鸡粪、植物源原料与氨基酸按7：2：1(W/W，鲜重计)混合后堆肥含水量控制在55％左右。条垛式发酵，堆成高1m，直径2m的圆锥体堆垛，采用人工翻堆的通气方式，每5天翻1次，翻后堆回原状，堆制时间为28天。
发酵有机肥的添加：
在盆栽内肥料与发酵有机肥搅拌混匀，2kg/盆。
实施过程先对盆栽添加发酵有机肥进行改良，改良后在进行水稻的插苗。通过定期施肥及植物收割，使土壤中的重金属总量降低到修复目标值。
待水稻成熟，对水稻进行收割后取盆内土壤验收样品，送至具有检测资质的第三方实验室进行重金属总量及形态的分析。
从第三方实验室检测结果来看，农作物收割后，土壤中重金属铜、锌及铅三种重金属含量以及有效态均有明显降低。从均值角度对比，重金属总量去除效率约为40％，有效态降低率约为20％，具体修复数据图见2。
实施例2：
无锡市锡山区某农田修复示范项目，共计20亩，其中Cd、Pb、Zn、Cu含量均为超过《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)(GB 15618-2018)》中的限定值，而元素Hg的均值为1.8mg/kg，属于Hg重度污染土壤，具体的实验技术路线见图1。每块污染农田区块施用NH4NO3、KH2PO4各100kg作底肥(添加量约为50kg/亩)，发酵有机肥添加量为700kg/亩，采用翻耕机耕翻均匀混入土壤中，机引犁翻耕35厘米左右。种植小麦或者水稻，其他田间管理遵循当地农田的实际情况。农作物成熟时收获穗子，测定产量；采集水稻或者小麦籽粒样品用于分析其中目标物含量；同时采集土壤样品。土壤样品和农作物籽粒送至具有检测资质的第三方实验室进行土壤重金属有效态分析和农作物籽粒重金属Hg总量分析。修复后土壤中重金属Hg有效态浓度下降40.75％，见图3，水稻或小麦籽粒中Hg均不超标，小于实验室检出限。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种重金属污染耕地发酵有机肥原位钝化方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)土地平整；
(2)翻耕、施肥，所述施肥采用自制的发酵有机肥，采用翻耕机进行发酵有机肥的添加；其中发酵有机肥的制作方法为：
以鸡粪为堆肥填料，鸡粪、植物源原料与氨基酸比例按(7-8)：(2-3)：(1-2)，W/W/W，鲜重计，混合后堆肥，堆肥过程中控制含水量在50-60％，采用条垛式发酵，堆制发酵有机肥，以人工翻堆的通气方式；
(3)种植农作物；
(4)农作物的田间管理，包括灌溉、施肥；
(5)农作物的收割与处理；
(6)土壤采样分析；
所述的植物源原料为蜈蚣草；
步骤(2)中，条垛式发酵堆成高1-2m，直径2-3m 的圆锥体堆垛；步骤(2)中，采用人工翻堆的通气方式，每4-6天翻1次，翻后堆回原状，堆制时间为28 天；步骤(2)中，发酵有机肥添加量为600-800kg/亩，机引犁翻耕30-40厘米；经过从步骤(2)-步骤(5)循环处理，逐渐降低土壤中有效态重金属量。
2.根据权利要求1所述的重金属污染耕地发酵有机肥原位钝化方法，其特征在于：在不影响农作物产量的前提下，降低土壤中重金属有效态含量。
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