CN112588816A - 重金属污染土壤的修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种重金属污染土壤的修复方法,其具体步骤包括:将细菌液体培养基添加至重金属污染土壤中,接种细菌,翻耕重金属污染土壤的表层厚度15~25cm的土壤;将上述重金属污染土壤培养30~60天,收集重金属污染土壤表层厚7~12cm的土壤;用水淋洗上述重金属污染土壤,重复淋洗3~5次,然后将其填回原处;在上述重金属污染土壤中添加含有改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟醇提物的土壤调节剂,然后喷雾洒水,翻耕均匀,静置,再次喷雾洒水,最后将土壤置于自然环境下,种植植物,适时农田管理。该方法是一种重金属迁移性低、降低率高、稳定高效、绿色环保的重金属污染土壤的修复方法。
Description
技术领域
本发明属于土壤治理领域,具体涉及一种重金属污染土壤的修复方法。
背景技术
土壤是人类生存和社会发展不可或缺的自然资源,也是农业生产的重要基础。然后,随着工业化、城市化的飞速发展,我国土壤污染问题日益严峻,其中金属对土壤造成的污染问题最为突出。重金属是一类具有毒性和潜在危险性的污染物,可在土壤和生物体内富集,当其浓度积累到一定的程度时,不仅会导致土壤质量退化、农作物产量下降,甚至可能讲入食物链危害人类的生命健康和安全。在工农业生产发展过程中,重金属经大气沉降、污水灌溉、化肥农药的施用及固体废弃物的堆积等途径进入到土壤中,最终导致了严重的土壤重金属污染问题。
土壤中的很多重金属是生物体所必须的,但是必须保持在一定的浓度范围。当重金属的浓度超过了限值时,会给生物机体带来很大的危害;阻碍基本代谢功能的发挥,抑制其他生理必须的金属离子的吸收,甚至改变生物分子的活性结构而引起机体变异。土壤重金属污染具有隐蔽性、长期性、不可逆性的特点。污染土壤的修复十分困难,不仅经济投入巨大,技术上也有难度,修复周期也很长。重金属污染物在土壤中移动性很小,不易随水淋滤,不为微生物降解,通过食物链进入人体后,在体内富集,严重威胁人类的生命安全,所以对重金属污染土壤的修复显得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供一种重金属迁移性低、降低率高、稳定高效、绿色环保的重金属污染土壤的修复方法。
本发明为实现上述目的所采取的技术方案为:
一种重金属污染土壤的修复方法,其具体步骤包括:
将细菌液体培养基添加至重金属污染土壤中,接种细菌,翻耕重金属污染土壤的表层厚度为15~25cm的土壤,记为重金属污染土壤A;
将重金属污染土壤A培养30~60天,收集重金属污染土壤A表层厚7~12cm的土壤,记为重金属污染土壤B;
用水淋洗重金属污染土壤B,重复淋洗3~5次,然后将重金属污染土壤B填回原处,记为重金属污染土壤C;
在重金属污染土壤C中添加含有改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟醇提物的土壤调节剂,然后喷雾洒水,翻耕均匀,静置6~22h,再次喷雾洒水,最后将土壤置于自然环境下,在前一个月内避免大雨冲刷,然后种植植物,适时农田管理。
本发明首先采用生物修复法利用细菌培养基对重金属污染土壤进行处理,然后利用含有改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟醇提物的土壤调节剂进一步处理,即生物-化学相结合的修复方法对重金属污染土壤中的重金属进行溶解与沉淀;采用细菌接种至重金属污染土壤中,可使重金属与细菌发生吸附、氧化、还原等生物修复作用,降低土壤中的重金属,再利用改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水/醇提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟提取物混合的土壤调节剂进一步对生物修复之后的土壤进行处理,该土壤调节剂一方面土壤调节剂中的各成分相互作用,可调节土壤中饱和含水量,稳定提高土壤污水的水动力弥散度,提高对土壤中重金属的阻滞能力,另一方面可与重金属污染土壤中的重金属发生吸附、沉淀、离子交换等作用,使其与重金属离子稳定结合,调节和改变重金属在土壤中的物理化学性质,降低重金属在土壤环境中的迁移性,从而降低土壤中重金属对动植物的毒性,达到了稳定、高效、绿色环保的目的。
优选地,细菌为枯草芽孢杆菌、短小杆菌或克雷伯氏菌的一种或几种的混合。
优选地,细菌液体培养基的制备方法如下:
称取蛋白胨5~15g/L,氯化钠2~4g/L,牛肉膏1~3g/L,用浓度为0.2~0.8mol/L的盐酸和0.1~0.8mol/L的氢氧化钠调节pH=7.0~7.8制成液体培养基,将其115~125℃高压蒸汽灭菌30~50min备用。
优选地,细菌在重金属污染土壤中的接种比例为1.5~2.5×1010个/m3。
优选地,按重量份计,土壤调节剂中,改性磷矿粉为15~25份、硅钙钾肥为5~12份、大麦水提物为1~4份、水溶性二硫代氨基甲酸盐为2~5份、芦荟醇提物为0.5~1.5份。
优选地,土壤调节剂的用量为土壤质量的2~4.5%。
优选地,改性磷矿粉由蒙脱土改性制得。
优选地,改性磷矿粉的制备方法如下:
称取40~80重量份的磷矿粉加入浓度为10~25%的硫酸,使磷矿粉的含量为70~80%,充分搅拌,酸化反应1~2.5h,得到酸化磷矿粉,加入7~15重量份蒙脱土后,继续充分搅拌,自然风干,粉碎得到改性磷矿粉。
优选地,大麦水提物的制备方法如下:
称取0.5~1.5重量份的大麦粉碎,加水煎煮2~4次,其中大麦与水的重量比为1:8~10,每次12~14h收集滤液,减压浓缩得到大麦水提物,产率为30.2~32.8%,将其置于2~5℃下保存备用。
优选地,芦荟醇提物的制备方法如下:
称取芦荟粉末置于容量瓶中,加入50%乙醇,其中芦荟粉末与乙醇的质量比为1:15~25,加热回流提取2~4次,每次提取时间为40~50min,过滤,合并两次滤液,得到醇提物,其提取率为21.2~24.5%。
优选地,喷雾洒水所用水的质量为土壤调节剂质量的62~75%,再次喷雾洒水的质量为土壤调节剂质量的85~95%。
优选地,重金属污染土壤中重金属Pb的降低率不低于95%,重金属Cu的降低率高于55%,重金属Zn的降低率高于61%,重金属Cd的降低率高于55%。
为了进一步提高重金属污染土壤中重金属的降低率,降低重金属的迁移性,采取的优选措施还包括:
在土壤调节剂中添加0.5~3重量份5′-肌苷酸二钠与结冷胶的混合物,其中5′-肌苷酸二钠与结冷胶的重量比为1:0.2~0.8,该土壤调节剂中的改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水/醇提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟提取物与5′-肌苷酸二钠与结冷胶的混合物相互作用,能与重金属污染土壤中的重金属离子进一步螯合,使重金属离子能够沉淀下来,达到降低其含量与迁移性的目的。
本发明由于采用了细菌液体对重金属污染土壤,细菌培养基对重金属污染土壤进行处理,然后利用含有改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟醇提物的土壤调节剂进一步处理,即生物-化学相结合的处理方法对重金属污染土壤中的重金属进行溶解、稳定与沉淀,因而具有如下有益效果:采用细菌接种至重金属污染土壤中,使得重金属中与细菌发生吸附、氧化、还原等生物修复作用,再利用含有改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟醇提物的土壤调节剂进一步对生物修复之后的土壤进行处理,降低重金属在土壤环境中的迁移性,与重金属发生吸附、离子交换等以提高重金属的降低率,起到固化与降低的双重目的,从而降低土壤中重金属对动植物的毒性,对重金属污染土壤的修复达到了稳定、高效、绿色环保的目的。因此,本发明是一种迁移性低、金属降低率高、稳定高效、绿色环保的重金属污染土壤的修复方法。
附图说明
图1为重金属污染土壤修复后Pb的TCLP提取率;
图2为重金属污染土壤修复后Cu的TCLP提取率;
图3为重金属污染土壤修复后Zn的TCLP提取率;
图4为重金属污染土壤修复后Cd的TCLP提取率;
图5为重金属污染土壤修复后重金属的降低率。
具体实施方式
本发明下述实施例中所述实验方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均可从商业途径获得。
在一些实施例中,大麦水提物的制备方法如下:
称取0.5重量份的大麦粉碎,加水煎煮3次,其中大麦与水的重量比为1:10,每次12h收集滤液,减压浓缩得到大麦水提物,产率为30.2%,将其置于5℃下保存备用。
在一些实施例中,芦荟醇提物的制备方法如下:
称取芦荟粉末置于容量瓶中,加入50%乙醇,其中芦荟粉末与乙醇的质量比为1:15,加热回流提取3次,每次提取时间为40min,过滤,合并两次滤液,得到醇提物,其提取率为21.8%。
在一些实施例中,改性磷矿粉的制备方法如下:
称取45重量份的磷矿粉加入浓度为15%的硫酸,使磷矿粉的含量为75%,充分搅拌,酸化反应2h,得到酸化磷矿粉,加入9重量份蒙脱土后,继续充分搅拌,自然风干,粉碎得到改性磷矿粉。
以下结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细描述:
实施例1
重金属污染土壤的修复方法,其具体步骤包括:
将枯草芽孢杆菌液体培养基添加至重金属污染土壤中,接种枯草芽孢杆菌,其中枯草芽孢杆菌在重金属污染土壤中的接种比例为2.0×1010个/m3,翻耕重金属污染土壤的表层厚度为25cm的土壤,记为重金属污染土壤A;
将重金属污染土壤A培养30天,收集重金属污染土壤A表层厚10cm的土壤,记为重金属污染土壤B;
用水淋洗重金属污染土壤B,重复淋洗3次,然后将重金属污染土壤B填回原处,记为重金属污染土壤C;
在重金属污染土壤C中添加含有改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟提取物的土壤调节剂,土壤调节剂的用量为土壤质量的3.5%;其中,按重量份计,改性磷矿粉为18重量份、硅钙钾肥为6重量份、大麦水提物为2重量份、水溶性二硫代氨基甲酸盐为2重量份、芦荟醇提物为0.8重量份,然后喷雾洒水,喷雾洒水所用水的质量为土壤调节剂质量的65%,翻耕均匀,静置15h,再次喷雾洒水,喷雾洒水的质量为土壤调节剂质量的85%,最后将土壤置于自然环境下,在前一个月内避免大雨冲刷,然后种植植物,适时农田管理。
实施例2
重金属污染土壤的修复方法,其具体步骤包括:
将短小杆菌液体培养基添加至重金属污染土壤中,接种短小杆菌,其中短小杆菌在重金属污染土壤中的接种比例为1.5×1010个/m3,翻耕重金属污染土壤的表层厚度20cm的土壤,记为重金属污染土壤A;
将重金属污染土壤A培养50天,收集重金属污染土壤A表层厚7cm的土壤,记为重金属污染土壤B;
用水淋洗重金属污染土壤B,重复淋洗5次,然后将重金属污染土壤B填回原处,记为重金属污染土壤C;
在重金属污染土壤C中添加含有改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟提取物的土壤调节剂,土壤调节剂的用量为土壤质量的4%;其中,按重量份计,改性磷矿粉为22重量份、硅钙钾肥为10重量份、大麦水提物为3重量份、水溶性二硫代氨基甲酸盐为3.5重量份、芦荟醇提物为1.2重量份,然后喷雾洒水,喷雾洒水所用水的质量为土壤调节剂质量的70%,翻耕均匀,静置8h,再次喷雾洒水,喷雾洒水的质量为土壤调节剂质量的90%,最后将土壤置于自然环境下,在前一个月内避免大雨冲刷,然后种植植物,适时农田管理。
实施例3
重金属污染土壤的修复方法,其具体步骤包括:
将克雷伯氏菌液体培养基添加至重金属污染土壤中,接种克雷伯氏菌,其中克雷伯氏菌在重金属污染土壤中的接种比例为2.1×1010个/m3,翻耕重金属污染土壤的表层厚度22cm的土壤,记为重金属污染土壤A;
将重金属污染土壤A培养45天,收集重金属污染土壤A表层厚8cm的土壤,记为重金属污染土壤B;
用水淋洗重金属污染土壤B,重复淋洗4次,然后将重金属污染土壤B填回原处,记为重金属污染土壤C;
在重金属污染土壤C中添加含有改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟提取物的土壤调节剂,土壤调节剂的用量为土壤质量的2.7%;其中,按重量份计,改性磷矿粉为25重量份、硅钙钾肥为9重量份、大麦水提物为3.5重量份、水溶性二硫代氨基甲酸盐为5重量份、芦荟醇提物为1.5重量份,然后喷雾洒水,喷雾洒水所用水的质量为土壤调节剂质量的72%,翻耕均匀,静置18h,再次喷雾洒水,喷雾洒水的质量为土壤调节剂质量的95%,最后将土壤置于自然环境下,在前一个月内避免大雨冲刷,然后种植植物,适时农田管理。
实施例4
重金属污染土壤的修复方法,实施例4-10其他步骤均与实施例3相同,与实施例3不同的是土壤调节剂中各成分的重量份,具体不同之处见表1。
表1实施例3-5中土壤调节剂中各成分的重量份
实施例12
重金属污染土壤的修复方法,实施例12其他步骤均与实施例3相同,与实施例3不同的是土壤调节剂中将改性磷矿粉替换为磷矿粉。
实施例13
重金属污染土壤的修复方法,实施例13其他步骤均与实施例3相同,与实施例3不同的是土壤调节剂中添加1.2重量份5′-肌苷酸二钠与结冷胶的混合物,其中5′-肌苷酸二钠与结冷胶的重量比为1:0.7。
实施例14
重金属污染土壤的修复方法,实施例14其他步骤均与实施例13相同,与实施例13不同的是土壤调节剂中添加2.4重量份5′-肌苷酸二钠与结冷胶的混合物。
实施例15
重金属污染土壤的修复方法,实施例15其他步骤均与实施例13相同,与实施例13不同的是5′-肌苷酸二钠与结冷胶的重量比为1:0.5。
试验例1
1.重金属污染土壤中重金属迁移性的测定
TCLP提取法是美国环保署(Environmental Protection Agency,EPA)的标准方法,被广泛用于土壤中重金属的淋溶程度或稳定化的表征方法。具体方法为,准确称3g经土壤调节剂处理后的污染土壤,加入50mL TCLP提取液(冰醋酸溶液,pH=2.88±0.05),200r/min振荡18h后,过0.45μm滤膜,测定提取液中重金属,未添加土壤调节剂的污染土壤作为空白处理。重金属测定采用火焰原子吸收分光光度计法,TCLP提取态重金属用重金属可提取率表示,提取率越低表明重金属在土壤中的移动性越低,修复材料对重金属的稳定效果越好,计算公式如下:
TCLP提取率(%)=TCLP提取液中提取的重金属离子的质量/土壤样品中重金属的原始质量
图1为重金属污染土壤修复后Pb的TCLP提取率。由图1可以看出,空白组中Pb的TCLP提取率高于10%,实施例1-4中Pb的TCLP提取率低于2%,对比实施例3与实施例5-12,实施例3中Pb的TCLP提取率远低于实施例5-12;这说明在土壤调节剂中同时添加改性磷矿粉、大麦水提物、芦荟醇提物降低了污染土壤中重金属Pb的迁移性,即对重金属Pb具有较好的稳定作用,原因是在土壤中添加的细菌菌种与土壤调剂对污染土壤以生物-化学相结合的修复方法进行处理与修复,能够与土壤中的重金属离子发生吸附、沉淀、离子交换等作用,使其与重金属离子稳定结合,达到修复的目的;实施例13-15中Pb的TCLP提取率低于0.8%,对比实施例3与实施例13,实施例13中Pb的TCLP提取率低于实施例3,这说明在土壤调节剂中添加5′-肌苷酸二钠与结冷胶的混合物进一步降低了Pb的TCLP提取率,即提高了对Pb的稳定性。
图2为重金属污染土壤修复后Cu的TCLP提取率。由图2可以看出,空白组中Cu的TCLP提取率不低于30%,实施例1-4中Cu的TCLP提取率低于17%,对比实施例3与实施例5-12,实施例3中Cu的TCLP提取率低于实施例5-12;这说明在土壤调节剂中同时添加改性磷矿粉、大麦水提物、芦荟醇提物降低了污染土壤中重金属Cu的迁移性,即对重金属Cu具有较好的稳定作用;实施例13-15中重金属Cu的TCLP提取率低于12%,对比实施例3与实施例13,实施例13中重金属Cu的TCLP提取率低于实施例3,这说明在土壤调节剂中添加5′-肌苷酸二钠与结冷胶的混合物进一步降低了重金属Cu的TCLP提取率,即提高了对Cu的稳定作用。
图3为重金属污染土壤修复后Zn的TCLP提取率。由图3可以看出,空白组中Zn的TCLP提取率高于30%,实施例1-4中Zn的TCLP提取率不高于15.5%,对比实施例3与实施例5-12,实施例3的Zn的TCLP提取率低于实施例5-12;这说明在土壤调节剂中同时添加改性磷矿粉、大麦水提物、芦荟醇提物降低了污染土壤中重金属Zn的迁移性,即对重金属Zn具有较好的稳定作用;实施例13-15中重金属Zn的TCLP提取率低于12%,对比实施例3与实施例13,实施例13中重金属Zn的TCLP提取率低于实施例3,这说明在土壤调节剂中添加5′-肌苷酸二钠与结冷胶的混合物进一步降低了重金属Zn的TCLP提取率,即提高了对Zn的稳定作用。
图4为重金属污染土壤修复后Cd的TCLP提取率。由图4可以看出,空白组中Cd的TCLP提取率高于55%,实施例1-4中Cd的TCLP提取率低于36%,对比实施例3与实施例5-12,实施例3中Cd的TCLP提取率低于实施例5-12;这说明在土壤调节剂中同时添加改性磷矿粉、大麦水提物、芦荟醇提物降低了污染土壤中重金属Cd的迁移性,即对重金属Cd具有较好的稳定作用;实施例13-15中重金属Cd的TCLP提取率低于28%,对比实施例3与实施例13,实施例13中重金属Cd的TCLP提取率低于实施例3,这说明在土壤调节剂中添加5′-肌苷酸二钠与结冷胶的混合物进一步降低了重金属Cd的TCLP提取率,即提高了对Cd的稳定作用。
2.重金属污染土壤中重金属离子的降低率
利用TCLP提取法测定未添加土壤调节剂的污染土壤作为空白处理的金属离子Pb、Cu、Zn与Cd的TCLP提取率,再测定处理之后的污染土壤中各个金属离子的TCLP提取率,则金属降低率的计算公式如下:
降低率(%)=1-污染土壤修复后金属离子的TCLP提取率/未处理污染土壤中金属离子的TCLP提取率
图5为重金属污染土壤修复后重金属的降低率。从图5可以看出,实施例3中重金属Pb的降低率不低于95%,重金属Cu的降低率高于55%,重金属Zn的降低率高于61%,重金属Cd的降低率高于55%,且对重金属Pb、Cu、Zn与Cd的降低率的大小关系为Pb>Zn>Cu>Cd,即对重金属Pb的修复效果最好,然后依次为重金属Zn、重金属Cu、重金属Cd;对比实施例3与实施例5-12,实施例3中重金属Pb、Cu、Zn与Cd的降低率均高于实施例5-12,这说明在土壤调节剂中同时添加改性磷矿粉、大麦水提物、芦荟醇提物提高了对重金属离子的降低率,达到修复的目的;实施例13中重金属Pb的降低率高于97%,重金属Cu的降低率高于64%,重金属Zn的降低率高于65%,重金属Cd的降低率高于61%,对比实施例3与实施例13,实施例13中对重金属Pb、Cu、Zn与Cd的降低率高于实施例3,这说明在土壤调节剂中添加5′-肌苷酸二钠与结冷胶的混合物进一步降低了重金属的降低率,对污染土壤达到修复处理的目的。
本发明的操作步骤中的常规操作为本领域技术人员所熟知,在此不进行赘述。
以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,本领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型。因此,所有等同的技术方案、也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (8)
1.一种重金属污染土壤的修复方法,其具体步骤包括:
-将细菌液体培养基添加至重金属污染土壤中,接种细菌,翻耕重金属污染土壤的表层厚度为5~25cm的土壤,记为重金属污染土壤A;
-将所述重金属污染土壤A培养30~60天,收集所述重金属污染土壤A层厚7~12cm的土壤,记为重金属污染土壤B;
-用水淋洗所述重金属污染土壤B,重复淋洗3~5次,然后将所述重金属污染土壤B填回原处,记为重金属污染土壤C;
-在所述重金属污染土壤C中添加含有改性磷矿粉、硅钙钾肥、大麦水提物、水溶性二硫代氨基甲酸盐、芦荟醇提物的土壤调节剂,然后喷雾洒水,翻耕均匀,静置6~22h,再次喷雾洒水,最后将土壤置于自然环境下,在前一个月内避免大雨冲刷,然后种植植物,适时农田管理。
2.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的修复方法,其特征是:所述细菌为枯草芽孢杆菌、短小杆菌或克雷伯氏菌的一种或几种的混合。
3.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的修复方法,其特征是:所述细菌在重金属污染土壤中的接种比例为1.5~2.5×1010个/m3。
4.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的修复方法,其特征是:按重量份计,所述土壤调节剂中,改性磷矿粉为15~25份、硅钙钾肥为5~12份、大麦水提物为1~4份、水溶性二硫代氨基甲酸盐为2~5份、芦荟醇提物为0.5~1.5份。
5.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的修复方法,其特征是:所述土壤调节剂的用量为土壤质量的2~4.5%。
6.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的修复方法,其特征是:所述改性磷矿粉由蒙脱土改性制得。
7.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的修复方法,其特征是:所述喷雾洒水所用水的质量为土壤调节剂质量的62~75%,所述再次喷雾洒水的质量为土壤调节剂质量的85~95%。
8.根据权利要求1所述的一种重金属污染土壤的修复方法,其特征是:所述重金属污染土壤中重金属Pb的降低率不低于95%,重金属Cu的降低率高于55%,重金属Zn的降低率高于61%,重金属Cd的降低率高于55%。
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