CN112058883A - 一种重金属污染农田植物修复治理方法 - Google Patents

Abstract

一种重金属污染农田植物修复治理方法，其包括步骤如下：步骤1)：将可富集重金属的植物的一种或多种根据种植季节进行种植，一年至少满足种两季；步骤2)：每个种植季植物收割后，则将收割的植物秸秆及籽粒进行能源化处理后进行填埋处理；步骤3)：重复步骤1)及步骤2)，直至土壤重金属测量低于国家规定的土壤重金属含量标准。本发明的治理方法，提高了土壤利用率，避免了额外向土壤中引入其他化学元素，缩短了治理时间。

Description

一种重金属污染农田植物修复治理方法

技术领域

本发明属于农田土壤重金属污染修复技术领域，具体涉及一种植物修复协同能源化利用 的重金属污染土壤治理方法。

背景技术

随着工业的发展和农业生产的现代化，以及工业生产污染排放的累积，农田土壤污染日 益严重，重金属污染是其中危害极大的一类。重金属在土壤中积累到一定程度后，会导致土 壤退化、农作物产量和品质下降，同时通过径流和淋洗作用污染地表水和地下水，并可通过 食物链，危机人类生命和健康。农田土壤中重金属污染和防治一直以来广受国际关注和重视。 农业工程修复技术主要有翻土法、钝化法和植物修复法等。《农用地污染土壤修复项目实施方 案编制指南》明确指出，农用地污染土壤修复原则上应采用原位或原地修复模式，鼓励使用 绿色、可持续的修复方法和技术。植物修复技术作为一种生态效益高、成本低的污染治理手 段，应用前景广阔，具有较强的实用性和实效性，目前已逐渐用于农田重金属污染修复工程 利用。

植物修复中超积累植物对污染土壤的修复效果较为显著，目前已逐步得到人们的认可， 并逐渐得到推广应用。目前公开的专利文献中可知，单一植物单季节种植结合化学修复或生 物修复对重金属污染土壤进行修复治理是目前土壤治理中普遍采用的修复方法。单纯采用单 一植物单季节种植修复的比较少见，有专利文献报告可通过种植甜玉米对重金属污染的土壤 进行修复。上述的修复方法对土壤治理效果比较显著，但是还存在一定的不足：单一植物单 季节的种植会增加土壤的闲置时间，且不同的植物富集的重金属不同，导致单一植物无法治 理多种重金属污染的土壤，同时，化学修复或生物修复可能会对土壤造成二次伤害，比如化 学修复，由于在土壤中引入了其他化学元素，则可能会改变土壤特性，等重金属污染治理结 束，土壤由于引入的化学元素还是无法种植或利用。其次，在植物收割后，通常采用直接焚 烧对植物秸秆及籽粒进行处理，导致大量的能源浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种重金属污染农田植物修复治理方法，该修复方法采 用单纯的植物修复，采用单一植物多季节种植或多种植物轮番种植的方法进行土壤修复，提 高土壤利用率，降低土壤闲置时间；同时由于每种植物对重金属富集均有饱和度，该饱和度 与植物成熟度为非正比关系，如此，可在一年里采用多季种植，则一年里可富集的重金属则 为单一植物单季节种植的富集量的数倍，可极大程度缩减土壤治理的年限。同时，对修复时 收割的植物进行能源化处理，将产生的能源再利用。在投入资金治理土壤的同时，也产生经 济效益，降低或平衡治理成本。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是一种重金属污染农田植物修复治理方法， 其包括步骤如下：步骤1)：将可富集重金属的植物的一种或多种根据种植季节进行种植，一 年至少满足种两季；步骤2)：每个种植季植物收割后，则将收割的植物秸秆及籽粒进行能源 化处理后进行填埋处理；步骤3)：重复步骤1)及步骤2)，直至土壤重金属测量低于国家规 定的土壤重金属含量标准。

所述可富集重金属的植物为粮食作物、油料作物、草本植物；所述粮食作物包括甜高粱、 玉米、小麦、水稻中的一种或多种；所述油料作物包括油葵、油菜籽中的一种或两种；所述 草本植物包括东南景天、蜈蚣草、紫花苜蓿、黑麦草、遏蓝菜、龙葵、李氏禾、巨菌草、鲁梅克斯草中的一种或多种。

重金属污染土壤的重金属类别为Cu、Zn、Cd、As、Pd、Cr的一种或多种。

所述能源化处理包括焚烧处理或热解气化处理。

所述焚烧或热解气化后的飞灰及废渣进行螯合固化处理后再进行填埋，实现重金属的封 存。

步骤1)中采用采用至少两种粮食作物轮番种植。

步骤1)中采用可多季种植的单一草本植物重复种植。

步骤1)中采用油料作物、粮食作物与草本植物轮作的搭配种植方式轮番种植。

本发明的重金属污染农田植物修复治理方法，通过采用一种或多种植物一年多季轮番种 植，提高土壤的种植利用率，最大程度降低土壤重金属含量；由于本发明的治理方法完全采 用植物种植来治理，避免了化学治理或生物治理对土壤其他特性的改变；将收割后的植物能 源化处理，将能源化处理的能源可以再利用，提高治理土壤的经济效益；将能源化处理后的 飞灰或废渣熬合固化处理后做填埋处理，避免了二次污染。

具体实施方式

本发明提供了一种重金属污染农田植物修复治理方法，下面结合具体实施方式对本发明 做进一步说明。

实施例1

污染土壤情况：我国南方地区，农田土壤pH值7左右。土壤污染类型为砷含量超标，砷 含量：350.00mg/kg。污染深度为表层15cm，土壤容重1200kg/m³。

实施步骤：

步骤1：蜈蚣草种植。蜈蚣草属于草本植物。

每年2月、6月、10月，播种蜈蚣草，种植密度约为5000株/亩，对于初始重金属污染浓度较高的土壤，可适量提高种植密度。一年种植3季，每季生长周期约4个月，成熟后收割，每亩地可收割生物量约0.6吨。

步骤2：蜈蚣草能源化及无害化处理

蜈蚣草收割完成后，对土壤砷含量进行检测，超过GB 15618-2018《土壤环境质量农用 地土壤污染风险管控标准(试行)》中砷的农用地土壤污染风险筛选值在6.5<pH≤7.5时的上 限30mg/kg时，对收获的蜈蚣草地上部分及根系通过焚烧工艺进行处置，焚烧产生的飞灰与 炉渣通过收集后螯合固化处理后，进行永久性封存；焚烧过程产生的热量用来发电和供热。

步骤3：循环步骤1至步骤2，直至土壤中砷含量不超过GB 15618-2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的农用地土壤污染风险筛选值在6.5<pH≤7.5时的 上限30mg/kg。

蜈蚣草对砷具有超富集特性。因此，设定收割的蜈蚣草中的砷含量为3000mg/kg。种植 一季后，每亩可除去砷的量为1800g；一年每亩总计除去砷的量为5400g。

后续年度，继续种植蜈蚣草，并在每个种植季结束后，检测土壤中砷含量，直至不超过 GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的农用地土壤污染 风险筛选值在6.5<pH≤7.5时的上限30mg/kg，预计共需7.11年可修复达标。修复达标后 的土壤，可正常种植作物，作物产生的秸秆等有机废弃物，仍可送入对应的秸秆焚烧电厂进 行发电和供热。

测定结果如下：

实施例2

污染土壤情况：我国南方地区，农田土壤pH值6左右。土壤污染类型为重金属铬和铜含 量超标。铬含量：500.00mg/kg，铜含量：70.00mg/kg。深度为表层20cm，土壤容重1200kg/m³。

实施步骤：

步骤1：李氏禾种植。李氏禾属于草本植物。

每年6月、10月和2月，播种李氏禾，种植密度约为30000株/亩。对于初始重金属污染浓度较高的土壤，可适量提高种植密度。生长周期4个月，成熟后收割，每亩可收割作物量约为1.0吨。

步骤2：李氏禾能源化及无害化处理

李氏禾收割完成后，对土壤重金属铬和铜含量进行检测，超过GB 15618-2018《土壤环 境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中铬和铜的农用地土壤污染风险筛选值在 5.5<pH≤6.5时的上限150mg/kg和50mg/kg时，对收获的李氏禾通过焚烧工艺进行处置，焚 烧产生的飞灰与炉渣通过收集螯合固化处理后，进行永久性封存；焚烧过程产生的热量用来 发电和供热。

步骤3：循环步骤1至步骤2，直至土壤中重金属铅和铜含量不超过GB 15618-2018《土 壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的农用地土壤污染风险筛选值在5.5<pH ≤6.5时的上限150mg/kg和50mg/kg。

李氏禾对重金属铬具有超富集特性，叶片中铬含量与根部土壤中铬含量之比最高可达57。 此外，对铜也具有很强的富集特性。因此，设定收割的李氏禾中的铬和铜含量分别为2500mg/kg 和150mg/kg。种植一季后，每亩可除去铬和铜的量为2500g和150g；一年每亩总计除去铬和 铜的量为7500g和450g。

后续年度，继续种植李氏禾，并在每个种植季结束后，检测土壤中重金属的含量，直至 铅和铜含量不超过GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中 的农用地土壤污染风险筛选值在5.5<pH≤6.5时的上限150mg/kg和50mg/kg。预计共需7.46 年和7.11年治理达标。修复达标后的土壤，可正常种植作物，作物产生的秸秆等有机废弃物， 仍可送入对应的秸秆焚烧电厂进行发电和供热。

测定结果如下：

实施例3

污染土壤情况：我国北方地区，农田土壤pH在7.8左右。土壤污染类型为重金属铅和锌 超标，铅含量：185.00mg/kg，锌含量：335mg/kg。深度为表层10cm，土壤容重1200kg/m³。

方案：采用冬小麦-夏玉米的轮种方式。冬小麦和夏玉米分别属于粮食作物。

实施步骤：

步骤1：夏玉米种植

每年6月份，完成冬小麦收获之后，播种夏玉米，玉米种植密度约7000株/亩，对于初 始重金属污染浓度较高的土壤，可适量提高种植密度。当年10月份成熟收割，每亩可收割作 物量约1.4吨(含秸秆与籽粒)。

步骤2：玉米作物能源化及无害化处理

玉米收割完成后，对土壤重金属铅和锌含量进行检测，超过GB 15618-2018《土壤环境 质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的农用地土壤污染风险筛选值在pH大于7.5 时的上限170mg/kg和300mg/kg时，对收获的玉米籽粒及秸秆通过焚烧工艺进行处置，焚 烧产生的飞灰与炉渣通过收集后螯合固化处理后，进行永久性封存；焚烧过程产生的热量用 来发电和供热。

步骤3：冬小麦种植

玉米收割后，于11月份播种冬小麦，冬小麦种植密度约为35万株/亩，对于初始重金属 污染浓度较高的土壤，可适量提高种植密度。至次年5月到6月份成熟收割，每亩可收割作 物量为1.1吨左右(含秸秆与籽粒)。

步骤4：小麦作物能源化及无害化处理

完成收割后，对土壤重金属铅和锌含量进行检测，超过GB 15618-2018《土壤环境质量 农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的农用地土壤污染风险筛选值在pH大于7.5时的 上限170mg/kg和300mg/kg时，对收获的小麦籽粒及秸秆通过焚烧工艺进行处置，焚烧产 生的飞灰与炉渣通过收集螯合固化处理后，进行永久性封存；焚烧过程产生的热量用来发电 和供热。

步骤5：循环步骤1至步骤4，直至土壤中重金属铅和锌含量不超过GB 15618-2018《土 壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的农用地土壤污染风险筛选值在pH大 于7.5时的上限170.00mg/kg和300mg/kg，同时结合农产品(小麦，玉米)协同检测结果， 籽粒中的铅含量须不超过0.20mg/kg，即符合食品安全国家标准。

初次种植玉米后，收割的玉米秸秆和籽粒中的铅含量分别为90mg/kg和12mg/kg；锌含 量分别为200mg/kg和25mg/kg。种植一季玉米后，每亩可除去铅的总量为79.20g；每亩可除 去锌的总量为175.00g。玉米种植结束后耕种小麦，种植一季小麦后，每亩可除去铅的总量 为53.25g；每亩可除去锌的总量为122.75g。一年每亩总计除去铅的量为132.45g；一年每 亩总计除去铅的量为297.75g。第二年度及后续年度，按照夏玉米-冬小麦种植结构进行轮种， 并在每个种植季结束后，检测作物秸秆和籽粒中重金属的含量。直至土壤中重金属铅和锌含 量不超过GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的农用地 土壤污染风险筛选值在pH大于7.5时的上限170.00mg/kg和300mg/kg，共需年限为9.06 和9.40年。修复达标后的土壤，可正常种植作物，作物产生的秸秆等有机废弃物，仍可送入 对应的秸秆焚烧电厂进行发电和供热。

测定结果如下：

实施例4

污染土壤情况：我国南方地区，农田土壤pH值5.5-6.5，重金属镉、铅污染，铅含量：97.20mg/kg；镉含量8.00mg/kg。污染深度为表层15cm，土壤容重1200kg/m³。

方案：采用油葵、甜高粱与东南景天轮作的搭配种植方式，具体为东南景天(冬季)- 油葵(夏季)-东南景天(冬季)-甜高粱(夏季)种植周期的搭配种植方式。油葵属油料作 物，甜高粱属粮食作物，东南景天属草本植物。

实施步骤：

步骤1：东南景天种植:

秋季10月份，选取株高8cm左右的东南景天植株采用扦插方式进行种植，浇水、施肥、 管理。种植密度为：行间距0.25m，株距0.2m。次年4月份收割作物地上部分，每亩可收割作物产量约为2吨。

步骤2：东南景天作物能源化及无害化处理：

4月份，完成东南景天收割后，对土壤重金属铅、镉含量进行检测，超过GB 15618-2018 《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的铅、镉农用地土壤污染风险筛选 值在5.5<pH≤6.5时的上限90mg/kg、0.3mg/kg时，通过热解气化工艺对东南景天植株进行 处置，气化产生的飞灰与热解炭通过收集螯合固化处理后，进行永久性封存；气化过程产生 的热量用来供热。

步骤3：油葵种植

5月份，耕地、施肥、种植油葵，生育期90天左右。种植密度为3500株/亩左右，每亩可收割作物量约为2.3吨(含秸秆与籽粒)。

步骤4：油葵作物能源化及无害化处理

9月底，完成油葵收割后，对土壤重金属铅、镉含量进行检测，超过GB 15618-2018《土 壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的铅、镉农用地土壤污染风险筛选值在 5.5<pH≤6.5时的上限90mg/kg、0.3mg/kg时，对重金属铅、镉含量超标的油葵植株进行能 源化及无害化处置，方法同步骤2。

步骤5：再按照常规方法进行东南景天的种植，同步骤1。

步骤6：再按照常规方法进行东南景天的能源化及无害化处置，同步骤2。

步骤7：甜高粱种植

5月份，耕地、施肥、种植甜高粱，种植密度约为6500株/亩，每亩地可收割作物量约为2.1吨(含秸秆与籽粒)。

步骤8：高粱作物能源化及无害化处理

9月底，完成高粱收割后，对重金属铅、镉含量超标的高粱植株进行无害化处置，方法 同步骤2。

采用以上东南景天(冬季)-油葵(夏季)-东南景天(冬季)-甜高粱(夏季)的搭配种植方式对重金属污染土壤进行修复。

种植一季东南景天后，每亩可除去铅、镉的总量为40.00g、70.00g；种植一季油葵后， 每亩可除去铅、镉的总量为21.75g、43.50g；种植一季高粱后，每亩可除去铅、镉的总量为 91.25g、2.375g。一个周期(两季东南景天、一季油葵、一季高粱)，每亩总计除去铅的量为 193g，除去镉的量为185.875g。

循环步骤1～步骤8，直至治理到土壤中重金属铅、镉含量不超过GB 15618-2018《土壤 环境质量农用地土壤污染风险管控标准(试行)》中的农用地土壤污染风险筛选值在5.5<pH ≤6.5时的上限90mg/kg、0.3mg/kg，共需年限为13年。之后农田可正常种植农作物，对应 作物秸秆可继续通过热解气化技术，实现农作物秸秆的能源化和无害化处理。修复达标后的 土壤，可正常种植作物，作物产生的秸秆等有机废弃物，仍可送入对应的秸秆热解气化厂进 行气化供热。

测定结果如下：

由以上实施例可知，针对重金属污染的土壤治理，针对一年可多季种植的植物，可采用单 一植物一年多季种植进行土壤重金属污染治理；针对一年一季的植物，可采用和一种或多种 植物搭配轮番种植，保证一年最起码可种植两季植物，缩减土壤闲置时间；也可以在轮种的 同时，每一季作物也可将几种同季植物套种一起。不论是何种搭配种植方式，目的在于在一 年里，最大限度提高土壤植物种植的季数，从而提高土壤利用率，更多的富集吸收土壤中的 污染的重金属。

Claims (8)

1.一种重金属污染农田植物修复治理方法，其包括步骤如下：步骤1)：将可富集重金属的植物的一种或多种根据种植季节进行种植，一年至少满足种两季；步骤2)：每个种植季植物收割后，则将收割的植物秸秆及籽粒进行能源化处理后进行填埋处理；步骤3)：重复步骤1)及步骤2)，直至土壤重金属测量低于国家规定的土壤重金属含量标准。

2.根据权利要求1所述的重金属污染农田植物修复治理方法，其特征在于所述可富集重金属的植物为粮食作物、油料作物、草本植物；所述粮食作物包括甜高粱、玉米、小麦、水稻中的一种或多种；所述油料作物包括油葵、油菜籽中的一种或两种；所述草本植物包括东南景天、蜈蚣草、紫花苜蓿、黑麦草、遏蓝菜、龙葵、李氏禾、巨菌草、鲁梅克斯草中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的重金属污染农田植物修复治理方法，其特征在于重金属污染土壤的重金属类别为Cu、Zn、Cd、As、Pd、Cr的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的重金属污染农田植物修复治理方法，其特征在于所述能源化处理包括焚烧处理或热解气化处理。

5.根据权利要求4所述的重金属污染农田植物修复治理方法，其特征在于所述焚烧或热解气化后的飞灰及废渣进行螯合固化处理后再进行填埋，实现重金属的封存。

6.根据权利要求2所述的重金属污染农田植物修复治理方法，其特征在于步骤1)中采用采用至少两种粮食作物轮番种植。

7.根据权利要求2所述的重金属污染农田植物修复治理方法，其特征在于步骤1)中采用可多季种植的单一草本植物重复种植。

8.根据权利要求2所述的重金属污染农田植物修复治理方法，其特征在于步骤1)中采用油料作物、粮食作物与草本植物轮作的搭配种植方式轮番种植。