CN112676338B - 一种用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋及应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及土壤修复技术领域，公开了一种用于铅锌矿区重金属污染土壤修复的复合植生袋设计及应用方法。通过对复合植生袋功能结构分区及超富集草本和耐性木本植物配置，结合植生袋装填铺设及后期养护等措施，有效融合了固定化修复和活化修复两种策略，充分挖掘了草本植物和木本植物的协同修复优势，实现了矿区废弃地的快速复绿，减少水土流失和重金属的进一步扩散，提高了木本植物最终存活率，形成长效稳定的修复效果。同时，复合植生袋在场地修复过程中具有施工快捷简便，工程量小投入低，对修复场地扰动小，袋体材料可降解，不产生二次污染等特点，在铅锌矿区重金属污染土壤修复的实际应用中具有高效、经济、环保等优势。

Description

一种用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋及应用方法

技术领域

本发明涉及土壤修复技术领域，具体涉及一种用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋及应用方法。

背景技术

我国铅锌矿分布广泛储量丰富居世界前列。自上世纪五六十年代以来，全国已形成了东北、湖南、两广、滇川、西北五大铅锌采选、冶炼和加工配套的生产基地，铅、锌产量分别占全国总产量的85％及95％以上。铅锌矿大规模开采过程中产生的采矿、选矿废水的直接排放，采场的暴露及废石、尾矿、废渣等固体废物的堆放和淋滤，使矿区及周边环境遭受了严重的重金属污染。其中，普遍存在Pb、Zn、Cd、Cu等多重金属复合污染，元素赋存形式复杂，化学药剂污染叠加等特点，造成周边生态环境持续恶化，威胁区域饮水及食品安全。

植物修复是控制重金属污染、防治水土流失、恢复矿区生态的有效途径。但是，铅锌矿区废弃地存在的重金属、干旱、酸碱等胁迫因素导致植物修复存在一定的难度。基于植生袋的植被生态恢复技术通过将植物种子、土壤基质、肥料、保水剂等按一定的比例配置于高分子有机材料袋体内，为植物生长提供了一个相对独立和稳定的基质层，以实现植被快速恢复的目的。其一方面有效的避免了铅锌矿区废弃地各类胁迫因素对修复植物生长过程的侵害；另一方面系统的解决了传统客土法覆土过程繁杂、成效慢及养护周期长等缺陷。但是，植生袋方案在后期缺乏养护的情况下仍面临修复年限的瓶颈问题，以草本植物为主体的配制模式亦难以对矿区废弃地形成长效修复，而提升根系发达的木本植物存活率是构建并维持植物群落稳定发展的主要难点。

发明内容

基于以上目的，本发明提供一种用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋及应用方法。采用植生袋的模块结构分区、功能面料组装、差异填料配置、草木植物搭配，结合植生袋装填铺设及后期养护等措施，提高木本植物在重金属污染土壤逆境条件下的存活率，充分挖掘草本植物和木本植物的协同修复优势。一方面通过超富集草本植物的短期恢复实现场地快速复绿；另一方面通过木本植物生长及原生草本植物演替，构建稳定的修复植物群落，充分发挥保水固土的作用，控制重金属污染的扩散，实现场地的长效修复。其中，草本植物及木本植物的协同作用主要通过两组设计实现：一是超富集草本植物的优先生长对于重金属污染土壤理化性质的改善，以及通过草本模块填料对重金属的活化作用协同重金属可渗透面料，强化超富集草本植物对重金属的萃提以降低土壤重金属污染水平；二是耐性木本植物的延迟萌发方法，以及木本植物模块填料对重金属的固定化作用协同重金属不可渗透面料，进一步保障了木本植物的生长发育并提升了存活率。同时，复合植生袋在场地修复过程中具有施工快捷简便，工程量小投入低，对修复场地扰动小，袋体材料可降解，不产生二次污染等诸多优势。

为实现上述技术效果，本发采用了以下技术方案：

一种用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋，包括袋体，袋体长边一侧设置开口及封口锁边，袋体内部设置有两个隔绝层，隔绝层将袋体横向分割为三个相对独立的区域，其中中间为固定化修复区，两侧为活化修复区；两个活化修复区和固定化修复区由下至上依次为效果层、基质层和植被层；两个活化修复区的效果层内填充有重金属活化剂，固定化修复区的效果层内填充有重金属钝化剂；基质层内填充有保障植物生长发育的基质；两个活化修复区的植被层内填充物为Pb、Zn、Cd、Cu超富集草本植物种子及萌发基质，固定化修复区的植被层内填充物为Pb、Zn、Cd、Cu耐受性木本植物种子及萌发基质。

进一步地，袋体分三层，最外层为高强度的可降解纤维网，次外层为棉网，最内层为纸浆层。

进一步地，隔绝层为双层棉网中夹单层离子交换膜组成。

进一步地，Pb、Zn、Cd、Cu超富集草本植物包括紫叶花苕、圆锥南芥、紫花香糯、草木犀、狗尾草中的一种或多种；Pb、Zn、Cd、Cu耐受性木本植物包括马尾松、苦楝、杉木中的一种或多种；基质层填充材料为泥炭12％、种植土50％、当地土2％、植物纤维6％、生物炭3％、复合肥18％、黏结剂3％和保水剂6％；效果层与基质层之间、基质层与植被层之间均设置有纸浆隔层。

进一步地，重金属活化剂为微胶囊化处理的EDTA、柠檬酸、茶皂素中的一种或多种以达到缓释效果，重金属钝化剂为石灰、生物炭、海泡石中的一种或多种以实现化学及物理层面的固定。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋的应用方法，包括如下步骤：

S1、准备复合植生袋和普通植生袋，普通植生袋内部填充物与复合植生袋的活化修复区相同；

S2、在铅锌矿区污染地沿横向和纵向挖沟槽，沟槽的宽度、深度与袋体宽度、深度相同，长度视修复场地面积而定，纵向沟槽间距1.8m，横向沟槽间距1.6m；

S3、对复合植生袋及普通植生袋进行现场装填，各部分填充物均匀装到袋子的4/5左右；

S4、封装后的复合植生袋和普通植生袋平铺于沟槽内，其中横向沟槽与纵向沟槽交汇处铺设复合植生袋，其余部分均铺设普通植生袋；

S5、将铺好的植生袋与沟槽侧壁以及周围植生袋之间的空隙用土填满踩实，铺设完成后将所有植生袋用水浇透；

S6、植物出苗生长期保障水分供应，施工后两个月及入冬前各施一次肥；根据各类草本植物生长特性安排刈割管理，有利于越冬及翌年高产，同时也达到及时移除植物体富集的重金属的效果。木本植物成活后，需要加强对植物抗逆性的强化，逐渐减少浇水、施肥次数，以促进木本植物的生长。

进一步地，步骤S3中复合植生袋和普通植生袋装填过程按照效果层、基质层、植被层的顺序由下至上依次填装填充物，其中，活化修复区效果层微胶囊化处理的重金属活化剂与一定体积的植物纤维混合装填；活化修复区与固定化修复区的植被层与一定体积的当地土和保水剂混合装填。

进一步地，Pb、Zn、Cd、Cu耐受性木本植物种子播种前采用一定浓度的水仙生物碱浸种，干燥后转移至包衣机内，通过喷嘴、甩盘或搅拌形式在种子的表面形成一层均匀的高分子包衣薄膜，实现耐受性木本植物种子的延迟萌发。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.促进生长：复合植生袋内部空间上通过复合的袋体结构布局、材料设计及填料配置，满足了超富集草本和耐性木本植物不同的生长特点；

2.协同修复：通过超富集草本植物优先生长及定期收割协同耐性木本植物种子保护及延迟萌发，实现两类植物修复功能的最优化。

3.安全高效：复合植生袋可为植物生长提供了营养丰富及水分充足的基质层，可实现铅锌矿区废弃地的快速复绿，有效减少水土流失及重金属的进一步扩散；

4.长效稳定：基于草本木本植物配置及协同修复策略，实现低养护条件下铅锌矿区废弃地的植物群落长期稳定发育，达到自主长效的植物修复效果；

5.经济环保：植生袋的施工模式快捷简便，工程量小投入低，对修复对象扰动小不产生二次污染。

附图说明

图1为本实施例中复合植生袋沿长度方向剖开后的内部结构示意图；

图2为本实施例中复合植生袋的袋体与封口锁边的位置关系示意图；

图3为本实施例中复合植生袋沿宽度方向剖开后的内部结构示意图；

图4为本实施例中矿区污染地沟槽、复合植生袋、普通植生袋布置示意图；

图5为实施例中含有复合植生袋的矿区污染地剖面结构示意图；

其中：1、袋体；2、封口锁边；3、隔绝层；4、效果层；5、基质层；6、植被层；7、纸浆隔层；8、普通植生袋；9、复合植生袋；10、矿区污染地；11、沟槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

参见图1-5，一种用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋，包括袋体1，袋体1的开口处设置有封口锁边2，袋体1内部设置有两个隔绝层3，隔绝层3将袋体1横向分割为三个独立的区域，其中间为固定化修复区，两侧为活化修复区；两个活化修复区和固定化修复区的由下至上依次为效果层4、基质层5和植被层6；两个活化修复区的效果层4内填充有重金属活化剂，固定化修复区的效果层4内填充有重金属钝化剂；基质层5内填充有保障植物生长的基质，两个活化修复区的植被层6内填充物为Pb、Zn、Cd、Cu等超富集草本植物种子及萌发基质，固定化修复区的植被层6内填充物为Pb、Zn、Cd、Cu耐受性木本植物种子及萌发基质。

在本实施例中，袋体1所用材料分三层，最外层为高强度的可降解纤维网，次外层为低克重的棉网，最内层为能短期内自动分解的纸浆层。

本实施例中袋子规格：60cm×40cm。袋体1内部设计如下：在袋体内部的横向缝制固定两个隔绝层3以分隔三个长宽相等的填充区20cm×40cm，从左到右依次为活化修复区、固定化修复区、活化修复区；隔绝层3材料采用双层棉网夹单层离子交换膜组成，以隔绝重金属离子在活化修复区与固定化修复区之间的迁移；隔绝层3的长度与植生袋的宽度一致，隔绝层3的高度与袋子撑开到最大时的高度一致。植生袋的三个填充区纵向的上层，即袋子上部的纸浆层的下表面设置一层空间较小的植被层6(所用材料为纸浆隔层7)；在三个不同填充区纵向的下层，即袋子下部的纸浆层的上表面设置一层空间略大于植被层6的效果层4(所用材料为纸浆隔层7)；三个填充区的纵向中间层为基质层5。

即植生袋的横向设置为三个填充区：从左到右依次为活化修复区，固定化修复区，活化修复区。每个填充区的纵向分为三层：从上到下依次为植被层6、基质层5、效果层4；故此植生袋共分为九个内袋。

袋内填充物设计

用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋9，袋内填充区分为两个活化修复区和一个固定化修复区。

其中，活化修复区的植被层6内填充物为Pb、Zn、Cd、Cu等超富集草本植物种子：紫叶花苕(豆科)，圆锥南芥(十字花科)，紫花香糯(唇形科)，草木犀(豆科)，狗尾草(禾本科)，并分散于少量当地土90％和保水剂10％之中以作为萌发基质；固定化修复区的植被层6内填充物为Pb、Zn、Cd、Cu等耐受性木本植物种子：马尾松(松科)，苦楝(楝科)，杉木(杉科)，并分散于少量当地土90％和保水剂10％之中以作为萌发基质。耐受性木本植物种子需要先采用水仙生物碱进行浸种及干燥处理，进一步通过高分子包衣薄膜处理，实现对耐受性木本植物种子的保护，以及相对于超富集草本植物种子的延迟萌发。

整个植生袋基质层5内填充物及各成分所占重量比为：泥炭12％、种植土50％、当地土2％、植物纤维6％、生物炭3％、复合肥18％、黏结剂3％和保水剂6％。

本实施例中活化修复区的效果层4内填充物为(重金属活化剂)：微胶囊化处理的EDTA、柠檬酸、茶皂素等混合一定体积的植物纤维；固定化修复区的效果层4内填充物为(重金属钝化剂)：石灰，生物炭，海泡石等。

植生袋装填方式：植生袋的袋口设置在长边，并设置了封口锁边2。从袋口打开袋子，可直接向植生袋内九个不同的内袋装填相应的填充物。

本实施例中通过对复合植生袋9的功能结构分区，进行木本和草本植物配置，有效融合了固定化修复和活化修复两种策略，充分挖掘草本植物和木本植物的协同修复优势，提高木本植物最终存活率，形成长效稳定的修复效果；可有效控制修复基材营养基质流失及重金属的活化水平，实现矿区废弃地的快速复绿，减少水土流失和重金属的进一步扩散；同时，复合植生袋9的施工模式快捷简便，工程量小投入低，对修复对象扰动小，复合植生袋9采用可降解材料制得，不产生二次污染和破坏，可实现铅锌矿区废弃地植被短期恢复保水固土、重金属污染长效治理相结合的修复模式。

本实施中用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋9的应用方法为：

S1、准备复合植生袋9和普通植生袋8(普通植生袋8为内部无隔绝层的植生袋)，普通植生袋8内部填充物与复合植生袋9的活化修复区相同；

S2、在铅锌矿区污染地10沿横向和纵向挖沟槽11，沟槽11的宽度、深度与袋体1宽度、深度相同，长度视污染地面积而定，纵向沟槽11之间间距1.8m，横向沟槽11之间间距1.6m。

S3、对复合植生袋9和普通植生袋8进行现场装填，填充物装到袋子的4/5。

复合植生袋9和普通植生袋8填充过程分别按照效果层4、基质层5、植被层6的顺序由下至上依次填装填充物；效果层4和基质层5填装压实后进一步装填植被层6。

S4、封装后的复合植生袋9和普通植生袋8平铺于沟槽11内，本实施例中均沿沟槽11横向平铺，其中横向沟槽11与纵向沟槽11交汇处铺设复合植生袋9，其余部分均铺设普通植生袋8；

S5、将刚铺好的植生袋与沟槽11侧壁以及周围植生袋之间的空隙用土填满踩实，铺设完成后采用喷洒的方式将植生袋浇透。

S6、植物出苗生长期保障水分供应，施工后两个月及入冬前各施一次肥；根据各类草本植物生长特性安排刈割管理；后期木本植物成活后加强对植物抗逆性的强化。

一般在矿区植物恢复过程中，大多以草本为先锋植物，待群落稳定后进一步陆续出现灌木和乔木，最终形成一个相对稳定的生态系统。有鉴于此，本发明基于植生袋内部模块化分区，设计了超富集草本植物对污染土层重金属的活化萃提及重金属耐受木本植物延迟萌发策略。通过相应的植生袋设计、基质装填、植物配制及植生袋铺设等措施，以期实现低养护条件下铅锌矿区废弃地的植物群落长期稳定发育，达到植物自主长效修复效果，最终降低修复成本，保障修复效果。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋，包括袋体(1)，所述袋体(1)的开口处设置有封口锁边(2)，其特征在于：所述袋体(1)内部设置有两个隔绝层(3)，所述隔绝层(3)将袋体(1)沿长度方向分割为三个独立的区域，其中中间区域为固定化修复区，两侧的区域均为活化修复区；两个所述活化修复区和所述固定化修复区的由下至上依次为效果层(4)、基质层(5)和植被层(6)；两个所述活化修复区的效果层(4)内填充有重金属活化剂，固定化修复区的效果层(4)内填充有重金属钝化剂；所述基质层(5)内填充有保障植物生长的基质，两个活化修复区的植被层内填充物为Pb、Zn、Cd、Cu超富集草本植物种子及萌发基质，固定化修复区的植被层内填充物为Pb、Zn、Cd、Cu耐受性木本植物种子及萌发基质。

2.根据权利要求1所述的用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋，其特征在于：所述袋体(1)分三层，最外层为高强度的可降解纤维网，次外层为棉网，最内层为纸浆层。

3.根据权利要求1所述的用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋，其特征在于：所述隔绝层(3)为双层棉网中夹单层离子交换膜组成。

4.根据权利要求1所述的用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋，其特征在于：所述Pb、Zn、Cd、Cu超富集草本植物包括紫叶花苕、圆锥南芥、紫花香糯、草木犀、狗尾草中的一种或多种；所述Pb、Zn、Cd、Cu耐受性木本植物包括马尾松、苦楝、杉木中的一种或多种；所述基质层(5)填充材料为泥炭12％、种植土50％、当地土2％、植物纤维6％、生物炭3％、复合肥18％、黏结剂3％和保水剂6％；所述效果层(4)与所述基质层(5)之间、所述基质层(5)与所述植被层(6)之间均设置有纸浆隔层(7)。

5.根据权利要求1所述的用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋，其特征在于：所述重金属活化剂为微胶囊化处理的EDTA、柠檬酸、茶皂素中的一种或多种，所述重金属钝化剂为石灰、生物炭、海泡石中的一种或多种。

6.一种用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋的应用方法，该应用方法基于权利要求1-5任意一项所述的用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋，其特征在于，包括如下步骤：

S1、准备复合植生袋(9)和普通植生袋(8)，所述普通植生袋(8)内部填充物与复合植生袋(9)的活化修复区相同；

S2、在铅锌矿区污染地(10)沿横向和纵向挖沟槽(11)，沟槽(11)的宽度、深度与袋体(1)宽度、深度相同，长度视修复场地面积而定，纵向沟槽(11)之间间距1.8m，横向沟槽(11)之间间距1.6m；

S3、对复合植生袋(9)和普通植生袋(8)进行现场装填，填充物装到袋子的4/5；

S4、封装后的复合植生袋(9)和普通植生袋(8)及时放到施工面上，平铺于沟槽(11)内，其中横向沟槽(11)与纵向沟槽(11)交汇处铺设复合植生袋(9)，其余部分均铺设普通植生袋(8)；

S5、将铺好的植生袋与沟槽(11)侧壁以及周围植生袋之间的空隙用土填满踩实，铺设完成后将所有植生袋用水浇透；

S6、植物出苗生长期保障水分供应，施工后两个月及入冬前各施一次肥；根据各类草本植物生长特性安排刈割管理；木本植物成活后，加强对植物抗逆性的强化，逐渐减少浇水、施肥次数，以促进木本植物的生长。

7.根据权利要求6所述的用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋的应用方法，其特征在于：步骤S3中复合植生袋(9)和普通植生袋(8)装填过程按照效果层(4)、基质层(5)、植被层(6)的顺序由下至上依次填装填充物；效果层(4)和基质层(5)填装压实后分别在表面铺设纸浆层；步骤S3中复合植生袋和普通植生袋装填过程按照效果层、基质层、植被层的顺序由下至上依次填装填充物，其中，活化修复区效果层微胶囊化处理的重金属活化剂与一定体积的植物纤维混合装填；活化修复区与固定化修复区的植被层与一定体积的当地土和保水剂混合装填。

8.根据权利要求6所述的用于铅锌矿区污染土壤修复的复合植生袋的应用方法，其特征在于：Pb、Zn、Cd、Cu耐受性木本植物种子播种前采用一定浓度的水仙生物碱浸种，干燥后转移至包衣机内，通过喷嘴、甩盘或搅拌形式在种子的表面形成一层均匀的高分子包衣薄膜。

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