CN111389894B - 一种利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于土壤修复领域，具体为一种利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法。于日光温室夏季休闲季节向待修复土壤中添加镉活化剂，充分混匀后静置，而后将CaCl2溶液通过暗管淋排结构灌溉于土壤中，待土壤中镉离子浓度明显下降后再通过暗管淋排结构向土壤中灌溉水进行淋洗，进而使得土壤得以修复。本发明操作过程简单，可有效淋排日光温室土壤中的镉离子，显著减少土壤中的镉富集量，有效提升日光温室土壤环境质量，降低环境风险，对保障蔬菜安全和人民健康具有积极意义。

Description

一种利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法
技术领域
本发明属于土壤修复领域，具体为一种利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法。
背景技术
镉是环境污染中最为危险的五种物质之一，作为一种持久性有毒污染物，进入土壤环境后不能被分解，通过各种途径进入人体后，在人体内积累，具有致癌、致畸和致突变的作用。2014年《全国土壤污染状况调查公报》指出，我国的土壤质量整体不容乐观。在所调查的地区范围内，高达16.1％的样本超过了环境质量标准，其中镉超标率达7％，高于其他重金属排名第一。设施蔬菜生产环境特殊，具有农资投入量大、无雨水淋洗、人为活动影响强烈等特点。菜农为追求高收益，在农业作业过程中往往大量投入化学肥料、有机农药，污水灌溉和污泥农用等也时有发生，使设施菜田土壤中的重金属逐渐富集。土壤中镉超标问题关乎民众健康、社会稳定以及国家的长治久安，应当予以重视。
目前针对日光温室土壤镉污染多采用物理修复，如客土、换土等，此法耗用工程量大，费用高，存在一定的环境安全风险；采用生物修复，如超富集植物、微生物修复等，但此类方式修复效率低，对污染较重的土壤需修复几十年甚至上百年。日光温室多进行蔬菜种植，其具有茬口紧凑，复种指数高等特点，其休闲季较短，且空间狭小，内部支架交错。探索一种适合日光温室的安全、高效、可持续的新型土壤镉修复方法十分必要。
而采用淋洗方式是修复镉污染土壤的一种高效方式，但传统的淋洗修复需要借助大型淋洗机械，其存在明显缺陷：(1)修复成本高。所用大型机械和淋洗剂成本昂贵，对于收入不高的菜农而言难以广泛采用。(2)土壤中镉活化率低。前人的研究多注重于淋洗剂的筛选，这样其修复频率往往较高，成本增加。(3)长效性不足。重金属淋洗多为一次性修复，但日光温室的有机肥、化肥、农药等农资产品投入量大，重金属累积速率较快，累积多年后如不及时修复易产生环境风险，常规淋洗修复方式的时效性存在缺陷。(4)大型机械难适用于日光温室。淋洗修复多针对露天场地修复，日光温室相对空间狭小，棚膜支架较多，大型淋洗机械难在其内部应用。(5)传统淋洗易破坏耕层。传统淋洗多采用异位土壤淋洗，其将土壤从原位挖出，将土壤与淋洗剂进行混合搅拌、固液分离、土壤回填。此过程工序复杂，且极易破坏土壤耕层。
发明内容
针对以上问题，本发明提供一种利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法。
为实现上述目的，本发明采用技术方案为：
一种利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法，于日光温室夏季休闲季节向待修复土壤中添加镉活化剂，充分混匀后静置，而后将CaCl2溶液通过暗管淋排结构灌溉于土壤中，待土壤中镉离子浓度明显下降后再通过暗管淋排结构向土壤中灌溉水进行淋洗，进而使得土壤得以修复。
优选，于日光温室夏季休闲季节向待修复土壤中以每1kg干土添加20-80g镉活化剂的量，将镉活化剂均匀撒施在待修复土壤地表上，并使活化剂与耕层土壤充分混匀，混匀后灌溉，使土壤田间持水量保持在30％-40％，并静置60-80天；而后将CaCl2溶液通过暗管淋排结构灌溉于土壤中，待土壤中镉离子浓度降到待修复土壤中镉离子最初浓度的5％以下，再通过暗管淋排结构向土壤中灌溉水进行淋洗，待土壤中Ca2+浓度降至0.02mol/L以下，即土壤得以修复。
更进一步的说，在北方典型日光温室夏季休闲季节(6-8月)安排土壤镉活化剂应用，根据土壤含水量折算每1kg干土添加镉活化剂20～80g，将活化剂均匀撒施在地表上，用旋耕机翻耕土壤耕层(0～25cm)，使活化剂与耕层土壤充分混匀，之后灌溉，使土壤田间持水量保持在30％～40％。60～80天后，打开暗管淋排结构的排水管开关，用0.1～0.2mol/L的CaCl2溶液灌溉土壤，分时段采集排出的溶液，当溶液中镉离子浓度降到最初浓度的5％以下时，将CaCl2溶液换成水，继续灌溉土层；分时段采集排出的溶液，当溶液中的Ca2+浓度高降至0.02mol/L以下时，停止灌溉，待无排出液时，关闭排水管阀门。淋排液通过晾晒蒸发后，回收残渣，用于重金属冶炼。
所述镉活化剂按重量份数计，葡萄糖2-5份、碳酸氢铵10-20份、尿素10-20份、硫磺粉100-300份、腐殖酸50-100份、巨大芽孢杆菌0.2-0.5份和枯草芽孢杆菌0.1-0.5份。
优选，所述镉活化剂按重量份数计，葡萄糖1.5-3份、碳酸氢铵7-15份、尿素7-15份、硫磺粉200-300份、腐殖酸30-70份、巨大芽孢杆菌0.15-0.4份和枯草芽孢杆菌0.1-0.3份。
进一步：
(1)取葡萄糖、碳酸氢铵、尿素、硫磺粉、腐殖酸分别充分粉碎，过60-80目筛，而后按照上述比例将粉碎后物质混合均匀；
(2)按照上述比例将巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌加入步骤(1)的混合物中并充分混匀，即得到镉活化剂。
具体，将上述获得镉活化剂加入蒸馏水调节含水量为5-10％；而后通过挤压造粒机进行造粒，造粒后产物置于40-45℃环境中快速烘干，将所得烘干物过3mm筛，待用。
所述暗管淋排结构包括砖混墙体及位于该砖混墙体内部的镉淋洗液过滤层和镉淋洗液收集排出装置，其中围绕日光温室内部种植区域和水池墙体设有砖混墙体，该砖混墙体中设有集水池；所述镉淋洗液过滤层位于待修复的土壤耕层下方，包括由上至下铺设的粗砂层、细砂层及有机物料层，所述隔淋洗液收集排出装置铺设在有机物料层中，包括淋洗液收集管、连通管、淋洗液主管及排水管，该淋洗液收集管上开设有进液孔，并通过连通管与所述淋洗液主管相连通，该淋洗液主管通过排水管与所述集水池连通；
其中：所述淋洗液收集管为多根，并排设置，每根淋洗液收集管的上部均布有多个进液孔，每根淋洗液收集管的下部均通过所述连通管与淋洗液主管相连通；
各所述淋洗液收集管等高设置，相邻的淋洗液收集管相互抵接。
所述淋洗液主管位于该连通管的下方，该连通管的上端与所述淋洗液收集管一端的下部相连通，所述连通管的下端与淋洗液主管相连通；
所述淋洗液主管的另一端向与连通管连通的一端向下倾斜，所述排水管由进水端向出水端向下倾斜；
所述粗砂层中砂子的粒径为2～2.5mm，该粗砂层的层厚为10～15cm；
所述细砂层中砂子的粒径为0.5～1mm，该细砂层的层厚为15～20cm；
所述淋洗液主管被包裹在有机物料层中，该有机物料层的层厚为20～30cm。所述有机物料层由有机物料组成，如稻壳、木屑、蘑菇渣、玉米秸秆、小麦秸秆等中的一种或几种。
所述砖混墙体围绕日光温室内部种植区域和水池墙体，其厚度为30-35cm，深度为75-95cm。
所述淋洗液收集管内径5-8cm，其中上部均匀布满直径为2-3mm的小孔，材质为聚氯乙烯或聚乙烯，紧密排列于腐殖质层中部位置。
所述淋洗液主管为各收集管中的淋洗液汇合后流入的管道，内径2-3cm，材质为聚氯乙烯或聚乙烯。
本发明所具有的优点：
本发明所述的土壤镉活化剂可有效提高日光温室土壤中的有效镉含量，大大降低淋洗频率；日光温室土壤镉暗管淋排结构为立体结构，砖混墙体可避免土壤镉离子向四周的扩散，减少环境污染；粗砂、细砂和腐殖质所组成的镉淋洗过滤层可有效滤除土壤粗细颗粒，使淋洗液收集管免于堵塞并充分排出土体；该发明操作过程简单，可有效淋排日光温室土壤中的镉离子，显著减少土壤中的镉富集量，有效提升日光温室土壤环境质量，降低环境风险，对保障蔬菜安全和人民健康具有积极意义；进一步的说：
(1)成本低。一次性铺装完毕即可连续、适时使用，不需要多次租用价格高昂的大型淋洗设备，大大降低修复成本。
(2)修复效率高。通过自制活化剂与耕层土壤进行充分混合，提高土壤镉的有效性，与传统直接淋洗方式相比，其淋洗效率大大提高。(3)持续修复。可在每年夏季休闲季节(6-8月份)对日光温室进行土壤镉的淋排修复，避免了因修复不及时所造成的环境风险。
(4)适合日光温室操作。本方法中的暗管淋排结构布置于土体中，不会影响棚内日常的作物管理，避免了大型机械难以进入的弊端。
(5)不破坏土壤土体结构。本方法属于土壤原位修复，避免了传统淋洗破坏土体结构的缺陷。
(6)淋排液再利用。排出土体的镉溶液在集水池中晾晒蒸发后，其残渣可回收用于重金属冶炼等，具有绿色、环保、可持续利用的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提的暗管淋排结构剖视图；
图2为图1的左视图；其中：1为土壤耕层，2为粗砂层，3为细砂层，4为有机物料层，5为砖混墙体，6为淋洗液收集管，7为连通管，8为淋洗液主管，9为排水管，10为集水池。
图3为本发明实施例提的采用本发明方法淋排后土壤有效镉含量效果图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当指出的是，此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明，并不局限于本发明。
实施例1
镉活化剂按重量份数计，葡萄糖3份、碳酸氢铵12份、尿素15份、硫磺粉300份、腐殖酸60份、巨大芽孢杆菌0.3份、枯草芽孢杆菌0.3份。
镉活化剂制备方法：
(1)按上述重量份数计，分别取葡萄糖、碳酸氢铵、尿素、硫磺粉、腐殖酸，而后充分粉碎，过60-80目筛，过筛混合均匀得混合物；
(2)将巨大芽孢杆菌微生物菌剂、枯草芽孢杆菌微生物菌剂加入步骤(1)的混合物中并充分混匀；
所有实施例中所用解磷巨大芽孢杆菌微生物菌剂购自中国农业微生物菌种保藏管理中心(编号ACCC 04314)，枯草芽孢杆菌微生物菌剂(保存编号为ACCC 01101)购于中国农业微生物菌种保藏管理中心。
(3)用蒸馏水调节步骤(2)的混合物至含水量为8％；
(4)通过挤压造粒机进行造粒，粒径为2mm；
(5)将步骤(4)所得产物置于40-45℃环境中快速烘干，将所得烘干物过3mm筛，之后装包并存储于干燥环境中。
实施例2
如图1、图2所示，暗管淋排结构包括砖混墙体5及位于该砖混墙体5内部的镉淋洗液过滤层和镉淋洗液收集排出装置，其中围绕日光温室内部种植区域和水池墙体设有砖混墙体5，该砖混墙体5的厚度为30～35cm、深度为75～95cm；砖混墙体5中设有集水池10，用于收集排出的镉淋洗液。
镉淋洗液过滤层位于待修复的土壤耕层1下方，包括由上至下铺设的粗砂层2、细砂层3及有机物料层4，粗砂层2中砂子的粒径为2～2.5mm，该粗砂层2的层厚为10～15cm。细砂层3中砂子的粒径为0.5～1mm，该细砂层3的层厚为15～20cm。有机物料层4的有机物料可为稻壳、木屑、蘑菇渣、玉米秸秆、小麦秸秆等中的一种或几种以上，有机物料层4的厚度为20～30cm。
隔淋洗液收集排出装置铺设在有机物料层4中，包括淋洗液收集管6、连通管7、淋洗液主管8及排水管9，该淋洗液收集管6上开设有进液孔，并通过连通管7与淋洗液主管8相连通，该淋洗液主管8通过排水管9与集水池10连通。本实施例的淋洗液收集管6为多根，并排设置；各淋洗液收集管6等高设置在有机物料层4的中部位置，相邻的淋洗液收集管6相互抵接。淋洗液收集管6的内径5～8cm，材质为聚氯乙烯或聚乙烯。每根淋洗液收集管6的上部均布有多个直径为2～3mm的进液孔，每根淋洗液收集管6的下部均通过连通管7与淋洗液主管8相连通。淋洗液主管8为各淋洗液收集管6中的镉淋洗液汇合后流入的管道，内径2～3cm，材质为聚氯乙烯或聚乙烯。本实施例的淋洗液主管8为一根、被包裹在有机物料层4中，位于各连通管7的下方，每根连通管7的上端与一根淋洗液收集管6一端的下部相连通，每根连通管7的下端与淋洗液主管8相连通。为了便于镉淋洗液流出，本实施例的各淋洗液主管8的另一端向与连通管7连通的一端向下倾斜，排水管9由进水端向出水端向下倾斜。
淋洗原理为：土壤耕层1中的镉淋洗液依次经过粗砂层2、细砂层3及有机物料层4的过滤后，由各淋洗液收集管6上部的进液孔进入淋洗液收集管6内，再经连通管7进入到淋洗液主管8中，由排水管9将淋洗液主管8中的镉淋洗液排出，并由集水池10收集。
暗管淋排结构的砖混墙体5可避免土壤镉离子向四周的扩散，减少环境污染；粗砂层2、细砂层和有机物料层4形成的镉淋洗液过滤层可有效滤除土壤粗细颗粒，使淋洗液收集管6上的进液孔免于堵塞、并充分排出土体。
实施例3
6月10日，在北方典型日光温室夏季休闲季节安排试验，根据土壤含水量折算每1kg风干土分别添加镉活化剂0、20、40、80g，分别用T1、T2、T3、T4表示，以不添加镉活化剂为对照(CK表示)。将活化剂均匀撒施在地表上，用旋耕机翻耕土壤耕层(0-25cm)，使活化剂与耕层土壤充分混匀，之后灌溉，使土壤田间持水量保持在35％。
8月25日，打开上述实施例中暗管淋排结构的排水管开关，用0.1mol/L的CaCl2溶液灌溉土壤，分时段采集排出的溶液，当溶液中镉离子浓度降到最初浓度的5％以下时，将CaCl2溶液换成水，继续灌溉土层；分时段采集排出的溶液，当溶液中的Ca2+浓度高降至0.02mol/L以下时，停止灌溉，待无排出液时，关闭排水管阀门。淋排液通过晾晒蒸发后，回收残渣，用于重金属冶炼。依据中华人民共和国国家标准GB/T 23739-2009中的方法测定土壤中的有效镉含量(参见图3)。
所述暗管淋排结构砖混墙体围绕日光温室内部种植区域和水池墙体，其厚度为35cm，深度为80cm。所述粗砂层由粒径为2mm的砂子组成，厚度为10cm。所述洗砂层由粒径为0.5mm的砂子组成，厚度为15cm。有机物料层4的有机物料可为稻壳、木屑和蘑菇渣，有机物料层4的厚度为20cm。所述淋洗液收集管内径5cm，其中上部均匀布满直径为2mm的小孔，材质为聚氯乙烯，紧密排列于腐殖质层中部位置。所述淋洗液主管为各收集管中的淋洗液汇合后流入的管道，内径3cm，材质为聚氯乙烯。
结果表明：与CK相比，T1、T2、T3、T4四个处理分别较CK有效降低了土壤中的有效镉含量，分别减少了44.0％、72.0％、78.5％和92.5％，与CK差异达显著水平(P＜0.05)。说明本发明可有效修复日光温室镉污染土壤，对提升土壤镉的修复效率具有重要意义。

Claims (8)

1.一种利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法，其特征在于：于日光温室向待修复土壤中添加镉活化剂，充分混匀后静置，而后将CaCl2溶液通过暗管淋排结构灌溉于土壤中，待土壤中镉离子浓度明显下降后再通过暗管淋排结构向土壤中灌溉水进行淋洗，进而使得土壤得以修复；
所述暗管淋排结构包括砖混墙体（5）及位于该砖混墙体（5）内部的镉淋洗液过滤层和镉淋洗液收集排出装置，其中围绕日光温室内部种植区域和水池墙体设有砖混墙体（5），该砖混墙体（5）中设有集水池（10）；所述镉淋洗液过滤层位于待修复的土壤耕层（1）下方，包括由上至下铺设的粗砂层（2）、细砂层（3）及有机物料层（4），所述镉淋洗液收集排出装置铺设在有机物料层（4）中，包括淋洗液收集管（6）、连通管（7）、淋洗液主管（8）及排水管（9），该淋洗液收集管（6）上开设有进液孔，并通过连通管（7）与所述淋洗液主管（8）相连通，该淋洗液主管（8）通过排水管（9）与所述集水池（10）连通。
2.按权利要求1所述的利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法，其特征在于：于日光温室向待修复土壤中以每1kg干土添加20-80g镉活化剂的量，将镉活化剂均匀撒施在待修复土壤地表上，并使活化剂与耕层土壤充分混匀，混匀后灌溉，使土壤田间持水量保持在30%-40%，并静置60-80天；而后将CaCl2溶液通过暗管淋排结构灌溉于土壤中，待土壤中镉离子浓度降到待修复土壤中镉离子最初浓度的5%以下，再通过暗管淋排结构向土壤中灌溉水进行淋洗，待土壤中Ca2+浓度降至0.02mol/L以下，即土壤得以修复。
3.按权利要求1或2所述的利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法，其特征在于：所述镉活化剂按重量份数计，葡萄糖2-5份、碳酸氢铵10-20份、尿素10-20份、硫磺粉100-300份、腐殖酸50-100份、巨大芽孢杆菌0.2-0.5份和枯草芽孢杆菌0.1-0.5份。
4.按权利要求3所述的利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法，其特征在于：所述镉活化剂按重量份数计，葡萄糖1.5-3份、碳酸氢铵7-15份、尿素7-15份、硫磺粉200-300份、腐殖酸30-70份、巨大芽孢杆菌0.15-0.4份和枯草芽孢杆菌0.1-0.3份。
5.按权利要求1所述的利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法，其特征在于：所述淋洗液收集管（6）为多根，并排设置，每根淋洗液收集管（6）的上部均布有多个进液孔，每根淋洗液收集管（6）的下部均通过所述连通管（7）与淋洗液主管（8）相连通。
6.按权利要求2所述的利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法，其特征在于：各所述淋洗液收集管（6）等高设置，相邻的淋洗液收集管（6）相互抵接。
7.按权利要求1所述的利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法，其特征在于：所述淋洗液主管（8）位于该连通管（7）的下方，该连通管（7）的上端与所述淋洗液收集管（6）一端的下部相连通，所述连通管（7）的下端与淋洗液主管（8）相连通。
8.按权利要求7所述的利用暗管淋排方式修复日光温室镉污染土壤的方法，其特征在于：所述淋洗液主管（8）的另一端向与连通管（7）连通的一端向下倾斜，所述排水管（9）由进水端向出水端向下倾斜。
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