CN111282980B

CN111282980B - 一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法

Info

Publication number: CN111282980B
Application number: CN202010088975.XA
Authority: CN
Inventors: 周航; 廖柏寒; 辜娇峰; 李虹呈; 王倩倩; 张卫; 刘加力; 王勇坚; 侯晓丽
Original assignee: Xishi Ecological Technology Co ltd; Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Xishi Ecological Technology Co ltd; Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2020-02-12
Filing date: 2020-02-12
Publication date: 2021-09-14
Anticipated expiration: 2040-02-12
Also published as: CN111282980A

Abstract

本发明公开了一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法，包括：（1）将化学淋洗后的耕地土壤按固液比1:10‑1:40加入到水中，搅拌后静置滤去上清液；（2）将土壤钝化剂加入经步骤（1）处理后的土壤中并翻耕、搅动混合均匀；（3）按质量百分比在经步骤（2）处理后的土壤中施用颗粒生物炭5‑30%，并翻耕、充分混合均匀；（4）按质量百分比施用已经充分发酵腐熟后的生物有机肥0.2‑1.5%，并翻耕混合均匀；（5）将作物种子或种苗种植于经步骤（4）处理后的土壤中，农作物持续种植1季及以上。本方法能去除化学淋洗修复后土壤中残留的化学淋洗剂，提升土壤pH值，重塑土壤团粒结构，改善土壤保水透气性能，有效提升土壤肥力，恢复土壤的种植功能。

Description

一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法

技术领域

本发明属于重金属污染土壤治理修复技术领域，具体为一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法。

背景技术

土壤是地球表面能够持续生长植物的疏松表层，是人类最宝贵的自然资源之一，也是自然生态环境的重要组成部分。耕地土壤是农民进行农业生产耕作的基础条件，土壤中的健康状况、养分含量都直接影响农作物的生长。土壤是不可再生的资源，据估计，形成1cm厚的土层需要1000多年的时间。因此耕地土壤的保护对粮食安全至关重要。

近年来，由于工农业的迅速发展，大量的重金属通过各种各样的途径进入土壤环境中，对土壤及生态环境造成了严重的污染和破坏，严重影响到了人类的健康和生存。当前重金属污染土壤修复治理技术中，土壤化学淋洗修复技术是一种常用的，能彻底去除土壤重金属的有效方法。土壤化学淋洗技术通过高效淋洗剂提取土壤中的重金属，以达到对土壤中重金属移除的目的。常见的化学淋洗剂有HCl、乙二胺四乙酸(EDTA)、草酸、Na₂EDTA、KI等。土壤淋洗液除了提取重金属，还将土壤中大量的微量营养元素Ca、Mg、Fe、Mn、K等带走，导致土壤中大量的营养物质流失。淋洗后土壤中残留的化学淋洗剂往往含量较高，造成土壤酸化、板结、微生物菌群被破坏，同时淋洗过程中机械搅拌、超声波强化等辅助措施，还能造成土壤团粒结构被破坏，使淋洗后土壤丧失保水通气的功能。因此，化学淋洗后的土壤微生物和农作物很难存活，基本失去了种植农作物的能力。

当前对于重金属污染土壤经化学淋洗修复后再利用方式，常见的主要有作为建筑用地回填土、道路设施路基用土、绿地底层用土等。这些再利用方式对于化学淋洗修复后的耕地土壤来说是一种巨大的土壤资源浪费。因此，如何有效利用化学淋洗修复后的耕地土壤，实现安全再生利用至关重要，同时也是国家污染土壤安全利用的重大需求。

发明内容

针对当前缺乏经化学淋洗后的土壤安全再生利用技术与方法，本发明提出了一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法，能够解决化学淋洗后土壤酸化板结的问题，重塑土壤团粒结构，改善土壤保水透气性能，补充流失的微量元素，有效提升土壤肥力，降低土壤中活性重金属含量，从而使经过化学淋洗后的耕地土壤具备再生利用、安全生产的功能。

本发明所采用的技术方案如下：一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法，包括如下步骤：

(1)清洗土壤汇总残留的化学淋洗剂：将化学淋洗后的耕地土壤按固液比1:10-1:40加入到水中，以40-80r/min的速度搅拌1-2h，搅拌后静置30min，滤去上清液；清洗过程重复1-3次，直到上清液pH值在4.5以上；

(2)钝化活性重金属：将土壤钝化剂均匀抛洒在经步骤(1)处理后的土壤表面，多次翻耕、搅动直至钝化剂与土壤充分混合均匀，混合均匀以后加入一定量的水份，使土壤保持含水率为60-80％，平衡稳定培养7-10天，对稳定培养后的土壤进行pH值检测，土壤pH值>5.5以上，则符合钝化与酸碱度调节要求；土壤钝化剂的施加量为：土壤中有效Cd>0.1mg/kg，有效Pb>5mg/kg，4.5<土壤pH值≤5.5时，按质量百分比计施用0.05-0.1％的钝化剂；土壤中有效Cd>0.1mg/kg，有效Pb>5mg/kg,土壤pH值≤4.5时，按质量百分比计施用0.1-0.2％的钝化剂；土壤pH值>5.5时，不施用钝化剂，稳定培养后的土壤pH值≤5.5时，进一步补充质量百分比为0.05-0.1％的钝化剂；

(3)重塑土壤团粒结构：按质量百分比计，在经步骤(2)处理后的土壤中施入5-30％的颗粒生物炭，并多次翻耕，充分混合均匀；

(4)施用生物有机肥：按质量百分比计，在经步骤(3)处理后的土壤中施入0.2-1.5％的已经充分发酵腐熟后的生物有机肥，并将土壤与生物有机肥进行多次混合搅动、翻耕，直至混合均匀，保持土壤含水率为40-60％，平衡稳定培养7-10天；

(5)种植农作物恢复土壤功能：将作物种子或种苗种植于经步骤(4)处理后的土壤中，农作物持续种植1季及以上，可以得到安全再生利用土壤。

进一步地，所述土壤钝化剂由以下质量份数的原料组成：碳酸钙，30％～50％；羟基磷灰石，5％～10％；海泡石，20％～30％；沸石，20％～30％。

进一步地，所述颗粒生物炭包括但不限于谷壳炭、秸秆炭、椰壳炭、花生壳炭、木质炭、竹炭、活性炭，其中碳含量>50％，pH值>7.0，粒径2-5mm，生物炭中重金属元素含量Pb<20mg/kg、Cd<1mg/kg、As<10mg/kg、Cr<50mg/kg、Hg<1mg/kg。

进一步地，步骤(4)中，所述生物有机肥总养分(N+P₂O₅+K₂O)>5％，有机质>45％，有效活菌数>0.2亿/g，重金属元素含量Pb<50mg/kg、Cd<2mg/kg、As<15mg/kg、Cr<100mg/kg、Hg<1mg/kg，粪大肠杆菌数<100个/g，蛔虫卵死亡率≥95％。

进一步地，步骤(5)中，种植的农作物品种为油菜、水稻、小白菜、黑麦草中的任意一种；在种植前3天向土壤中加入基肥K₂CO₃按K₂O计0.20-0.3g/kg，(NH₄)₃PO₄按P₂O₅计0.15-0.25g/kg，尿素按N计0.25-0.4g/kg。

本发明的有益效果在于：

(1)本方法能去除化学淋洗后土壤中残留淋洗剂，提升土壤pH值，重塑土壤团粒结构，改善土壤透气保水性能，有效提升土壤肥力，显著降低土壤中活性重金属含量；

(2)通过实施本发明方法，能够减少耕地土壤资源的浪费，能够使再生利用土壤种植的农作物能够符合国家食品中污染物限量标准，实现化学淋洗后土壤具备再生利用、安全生产的功能；

(3)本方法施用范围广，效率高，适用于原位、异位的化学淋洗后耕地土壤的种植功能恢复与再生利用过程。

附图说明

图1是本发明方法的工艺流程图。

图2是实施例1中不同处理土壤小白菜根系、叶片中Cd含量对比图。

图3是实施例2中不同处理土壤水稻稻米中Cd、Pb含量对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的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做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。

实施例1

(1)供试土壤基本理化性质

供试土壤取自湖南省郴州市苏仙区某Cd污染农田耕作层土壤(0-20cm)，土壤自然风干过10目筛备用。准确称取15kg过筛土壤于淋洗容器中，以固液比1:10加入0.05mol/L的淋洗剂EDTA溶液150L，在超声波作用下强化淋洗(超声波频率为25kHz，作用时间为15min)。淋洗完成后得到淋洗后农田土壤。原始污染土壤与淋洗后土壤的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质

(2)实施方法与步骤

①清洗残留淋洗剂。化学淋洗后土壤15kg，将土壤按固液比1:20，加入到300L的水中，以60r/min的速度搅拌2h，搅拌后静置30min，滤去上清液。清洗过程重复3次。

②检测分析土壤pH值，添加钝化剂。淋洗后土壤pH值为5.89，大于5.5，无需添加钝化剂。

③添加生物炭。上一步15kg的土壤，按30％质量百分比，添加4.5kg椰壳炭，将土壤与椰壳炭进行多次搅拌、翻耕，直至混合均匀。

④施用生物有机肥。按质量百分比1.5％，施用已经充分发酵腐熟后的菜枯有机肥225g，将土壤与有机肥进行多次翻耕，直至混合均匀。混合均匀以后加入一定量的水份，使土壤保持含水率为50％，平衡稳定培养7天。

⑤种植1季小白菜。移栽时选取长势相同的小白菜幼苗，1盆1穴1株。每盆1kg上述步骤处理后的土壤。向土壤中加入基肥K₂CO₃(按K₂O计)0.20g/kg，(NH₄)₃PO₄(按P₂O₅计)0.21g/kg，尿素(按N计)0.28g/kg。以没有进行再生利用方法处理的淋洗后土壤为对照(CK)。小白菜种植管理方式遵循常规种植管理模式。

(3)再生利用土壤效果

再生利用土壤与淋洗后土壤(CK)相比较，土壤基本理化性质、土壤肥力得到了明显提升，土壤污染得到明显改善(见表2)。土壤pH值显著提升了1.96个单位，土壤容重降低了42.1％，CEC增加了6.7％；土壤有效N、有效P、有效K分别增加了64.2％、161.5％、153.6％；土壤总Cd和有效Cd分别降低了17.8％和90.0％。

表2 供试土壤基本理化性质

与淋洗后土壤(CK)相比较(见表3)，再生利用土壤种植的小白菜株高、生物量均显著提升，分别增加了75.0％、90.1％；小白菜可食用部位(叶片)中各大量微量元素均显著增加，Ca、Mg、Cu、Zn、Fe分别增加了44.9％、47.7％、41.7％、29.4％、17.0％。

表3 小白菜农艺形状与叶中各元素含量

小白菜叶片和根系中Cd含量明显降低，分别降低了80.3％、62.3％(见图2)。再生利用土壤中种植的小白菜各部位Cd含量与CK之间差异显著(P<0.05)。再生利用土壤中小白菜叶中Cd含量仅为0.019mg/kg，低于国家食品中污染物限量标准中Cd≤0.2mg/kg的限制。

实施例2

(1)供试土壤基本理化性质

供试土壤取自湖南省浏阳市某重金属污染稻田耕作层土壤(0-20cm)，土壤自然风干过10目筛备用。取30kg过筛土壤于淋洗容器中，以固液比1:10加入0.05mol/L的淋洗剂氨三乙酸溶液300L，在转速为100r/min下淋洗4h。淋洗完成后得到淋洗后稻田土壤。原始污染土壤与淋洗后土壤的基本理化性质见表4。

表4 供试土壤基本理化性质

(2)实施方法与步骤

①清洗残留淋洗剂。淋洗后土壤30kg，将土壤按固液比1:20，加入到600L的水中，以40r/min的速度搅拌1.5h，搅拌后静置30min，滤去上清液。清洗过程重复3次。

②检测分析土壤pH值，施入钝化剂。淋洗后土壤pH值为4.94(4.5<pH值≤5.5)，按质量百分比0.1％，施用钝化剂30g。钝化剂由50％的碳酸钙，5％的羟基磷灰石，25％的海泡石，20％的沸石混合而成。将土壤钝化剂均匀抛洒在淋洗后土壤表面，翻耕，直至钝化剂与土壤混合均匀。混合均匀以后加入一定量的水份，使土壤保持含水率为80％，平衡稳定培养7天。

③添加生物炭。上一步30kg的清洗土壤，按20％质量百分比，添加6.0kg谷壳炭，将土壤与谷壳炭进行多次搅拌、翻耕，直至混合均匀。

④施入生物有机肥。按质量百分比1.0％，施用已经充分发酵腐熟后的商品生物有机肥300g，将土壤与有机肥进行多次翻耕，直至混合均匀。混合均匀以后加入一定量的水份，使土壤保持含水率为60％，平衡稳定培养7天。

⑤种植1季晚稻。水稻品种选择湖南省常规晚稻品种黄华占。每盆5kg上述步骤处理后的土壤。向土壤中加入基肥K₂CO₃(按K₂O计)0.22g/kg，(NH₄)₃PO₄(按P₂O₅计)0.21g/kg，尿素(按N计)0.25g/kg。以没有进行再生利用方法处理的淋洗后土壤为对照(CK)。插秧前选取长势相同的水稻幼苗，1盆1穴1株。水稻种植管理方式遵循常规稻田管理模式。

(3)再生利用土壤效果

再生利用土壤与淋洗后土壤(CK)相比较，土壤基本理化性质、土壤肥力得到了明显提升，土壤重金属污染得到了明显改善(见表5)。土壤pH值显著提升了1.83个单位，土壤容重降低了29.4％，有机质增加了8.4％，CEC增加了30.5％；土壤有效N、有效P、有效K分别增加了80.3％、84.5％、52.9％；土壤总Cd、总Pb、有效Cd和有效Pb分别降低了18.5％、13.1％、83.6％和62.3％。

表5供试土壤基本理化性质

与淋洗后土壤(CK)相比较(见表6)，再生利用土壤种植的水稻株高、分蘖数、生物量均显著提升，分别增加了11.9％、25.0％、23.7％；水稻稻米中各大量微量元素均显著增加，Ca、Mg、Cu、Zn、Fe分别增加了3.9％、24.9％、35.7％、28.2％。

表6 水稻农艺形状与稻米各元素含量

水稻稻米中Cd、Pb含量明显降低，分别降低了72.0％、65.4％(见图3)。再生利用土壤中种植的水稻稻米Cd、Pb含量与CK之间差异显著(P<0.05)。再生利用土壤中种植的稻米中Cd含量为0.174mg/kg，Pb含量为0.137mg/kg，均低于国家食品中污染物限量标准(GB2762-2017)中Cd和Pb均小于0.2mg/kg的限制。

Claims

1.一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）清洗土壤中残留的化学淋洗剂：将化学淋洗后的耕地土壤按固液比1:10-1:40加入到水中，以40-80 r/min的速度搅拌1-2 h，搅拌后静置30 min，滤去上清液；清洗过程重复1-3次，直到上清液pH值在4.5以上；

（2）钝化活性重金属：将土壤钝化剂均匀抛洒在经步骤（1）处理后的土壤表面，多次翻耕、搅动直至钝化剂与土壤充分混合均匀，混合均匀以后加入一定量的水份，使土壤保持含水率为60-80%，平衡稳定培养7-10天，对稳定培养后的土壤进行pH值检测，土壤pH值>5.5以上，则符合钝化与酸碱度调节要求；土壤钝化剂的施加量为：土壤中有效Cd>0.1 mg/kg，有效Pb>5 mg/kg，4.5<土壤pH值≤5.5时，按质量百分比计施用0.05-0.1%的钝化剂；土壤中有效Cd>0.1 mg/kg，有效Pb>5 mg/kg, 土壤pH值≤4.5时，按质量百分比计施用0.1-0.2%的钝化剂；土壤pH值>5.5时，不施用钝化剂，稳定培养后的土壤pH值≤5.5时，进一步补充质量百分比为0.05-0.1%的钝化剂；

（3）重塑土壤团粒结构：按质量百分比计，在经步骤（2）处理后的土壤中施入5-30%的颗粒生物炭，并翻耕多次，充分混合均匀；

（4）施用生物有机肥：按质量百分比计，在经步骤（3）处理后的土壤中施入0.2-1.5%的已经充分发酵腐熟后的生物有机肥，并将土壤与生物有机肥进行多次混合搅动、翻耕，直至混合均匀，保持土壤含水率为40-60%，平衡稳定培养7-10天；

（5）种植农作物恢复土壤功能：将作物种子或种苗种植于经步骤（4）处理后的土壤中，农作物持续种植1季及以上，可以得到安全再生利用土壤。

2.如权利要求1所述的一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法，其特征在于，所述土壤钝化剂由以下质量份数的原料组成：碳酸钙，30%~50% ；羟基磷灰石，5%~10% ；海泡石，20%~30% ；沸石，20%~30%。

3.如权利要求1所述的一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法，其特征在于，所述颗粒生物炭包括谷壳炭、秸秆炭、椰壳炭、花生壳炭、木质炭、竹炭、活性炭中的一种或多种组合，其中碳含量>50%，pH值>7.0，粒径2-5 mm，生物炭中重金属元素含量Pb<20 mg/kg、Cd<1 mg/kg、As<10 mg/kg、Cr<50 mg/kg、Hg<1 mg/kg。

4.如权利要求1所述的一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述生物有机肥总养分（N+P₂O₅+K₂O）>5%，有机质>45%，有效活菌数>0.2亿/g，重金属元素含量Pb<50 mg/kg、Cd<2 mg/kg、As<15 mg/kg、Cr<100 mg/kg、Hg<1 mg/kg，粪大肠杆菌数<100个/g，蛔虫卵死亡率≥95%。

5.如权利要求1所述的一种用于化学淋洗修复后的重金属污染土壤安全再生利用的方法，其特征在于，步骤（5）中，种植的农作物品种为油菜、水稻、小白菜、黑麦草中的任意一种；在种植前3天向土壤中加入基肥K₂CO₃按K₂O计0.20-0.3 g/kg，(NH₄)₃PO₄按P₂O₅计0.15-0.25 g/kg，尿素按N计0.25-0.4 g/kg。