CN112828027A - 一种重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法。该方法首先通过铁基生物炭复合调理阻控材料的原位吸持，对土壤中的重金属离子进行固定，阻控土壤中重金属离子的溶移，防控地表水‑土壤基质‑地下水竖向交互污染；然后通过植物根际效应，吸收土壤在后期逐渐游离出的重金属离子，可以将土壤中的重金属离子转移到植物中，降低土壤中重金属含量，实现对土壤的长效修复。因此，通过本发明提供的修复方法，即可以实现对土壤中重金属离子进行快速原位固定、阻控，降低重金属生物有效性，同时还可以实现对土壤中重金属的长期去除，以最终降低土壤中重金属含量，因而，本发明提供的修复方法具有广阔的应用前景。

Description

一种重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法

技术领域

本发明涉及土壤生态修复技术领域，其主要涉及一种重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法。

背景技术

人类的部分活动导致过量重金属的沉积，引起土壤中重金属的含量过高，以至于超过了土壤的背景值，导致生态环境恶化，威胁人类生命安全。但土壤环境重金属总量往往不能全面反映重金属对危害，土壤重金属的危害更在于其迁移和生物有效性，而重金属迁移和生物有效性与其形态有关，当条件发生变化时，重金属形态也会发生变化，从而使得重金属在土壤中迁移和转化。土壤中重金属不仅可以被植物吸收，通过食物链进入人体危害人类健康，还可以通过迁移进入地表水和地下水，对地表水和地下水造成污染。

修复土壤重金属污染主要通过改变重金属形态使其固定，降低重金属在环境中的溶移。通过添加土壤钝化调理剂可以有效的降低重金属的迁移性，起到很好的钝化效果。但是外界条件变化或者随着时间推移钝化调理剂的失效，重金属存在再次释放到环境中的风险。

因此，需要开发一种价格合适、无二次污染并能够最终降低土壤重金属含量的一种修复方法。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种中轻度重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法，该方法能够实现中轻度重金属污染土壤中重金属离子的原位固定，阻控土壤中重金属离子的溶移，降低土壤重金属生物有效性，防控地表水-土壤基质-地下水竖向交互污染，通过非食用经济作物的吸收最终降低土壤重金属含量。

为了实现上述的发明目的，本发明采用的技术方案，具体内容如下：

本发明提供了一种重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法，所述方法包括：

步骤1，通过铁基生物炭复合调理阻控材料，对重金属污染土壤中的重金属离子进行原位调理阻控，得到初步处理的污染土壤；

步骤2，通过非食用经济作物，对所述初步处理的污染土壤进行长效修复，最终得到降低重金属含量的土壤。

可选地，在所述步骤1中，所述铁基生物炭复合调理阻控材料与所述重金属污染土壤的质量比为1～5:100。

可选地，所述铁基生物炭复合调理阻控材料为一种由多种组分组成的复合材料，所述多种组分包括：铁基生物炭、火山岩粉、铁盐和蒙脱石粉。

可选地，在所述铁基生物炭复合调理阻控材料中，所述铁基生物炭、所述火山岩粉、所述铁盐和所述蒙脱石粉的质量比为20～45：10～25：5～10：15～30。

可选地，所述铁基生物炭为一种改性处理的生物炭。

可选地，所述生物炭是通过一种或多种植物炭化得到的，所述生物炭包括：芦苇秸秆生物炭或玉米秸秆生物炭。

可选地，所述铁基生物炭的制备步骤为：

在氮气保护下，对破碎成2～5cm的植物进行炭化，得到生物炭；

将pH为13～14的FeCl₃溶液，加入所述生物炭中，搅拌均匀，得到混合溶液；

将所述混合溶液转移至高压反应釜中，进行水热反应，得到固液混合体；

对所述固液混合体进行煅烧，得到铁基生物炭粗品；

对所述铁基生物炭粗品进行洗净、烘干、研磨、过筛，得到铁基生物炭。

可选地，所述炭化的炭化温度为300～500℃，炭化时间为30分钟；

所述水热反应的反应温度为100℃，所述水热反应的反应时间为8小时；

所述煅烧的煅烧温度为400℃，煅烧时间为2小时；

所述烘干的烘干温度为80～90℃。

可选地，所述铁盐包括硫酸亚铁、硫酸铁。

可选地，所述重金属污染土壤为中轻度重金属污染土壤；

所述重金属包括：砷、镉、铅、锌和铜中的一种或多种；

所述非食用经济作物为不进入食物链的植物，包括：棉花、花卉、蓖麻、苎麻中的一种或多种。

本发明提供了一种重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法。该该方法首先通过铁基生物炭复合调理阻控材料的原位吸持，对土壤中的重金属离子进行固定，阻控土壤中重金属离子的溶移，防控地表水-土壤基质-地下水竖向交互污染；然后通过植物根际效应，吸收土壤在后期逐渐游离出的重金属离子，可以将土壤中的重金属离子转移到植物中，降低土壤中重金属含量，实现对土壤的长效修复。因此，通过本发明提供的修复方法，即可以实现对土壤中重金属离子进行快速原位固定、阻控，降低重金属生物有效性，同时还可以实现对土壤中重金属的长期去除，以最终降低土壤中重金属含量，因而，本发明提供的修复方法具有广阔的应用前景。与现有技术相比，本发明提供的方法，至少具有以下有益效果：

1、在实际的环境中，当重金属被固定后，在经过几年或几十年的环境变化过程中，固定的重金属可能会释放一部分，以游离态存在于土壤中，因而采用本发明的第二步，可以吸收释放的重金属离子，避免了释放的重金属对生态的危害，达到长效修复土壤的效果。因此，通过本发明提供的方法，即可以实现对重金属离子的固定，以消除短期内重金属的危害，又可以针对后期游离出来的重金属离子进行吸收，降低重金属含量，达到长效修复土壤的目的，最终可使土壤中的重金属总含量降低。

2、本发明提供的方法，集中轻度重金属污染调理固定、地表水-土壤基质-地下水交互污染阻控、植物提取等修复技术于一体，在降低土壤生物有效性的同时，实现最终去除土壤重金属污染的目的。

3、本发明提供的方法，具有成本低、修复效果好、无二次污染等特点，保障经济作物生产，实现中轻度重金属污染土壤的可持续利用和长效修复去除重金属方面具有重要的推广应用价值。

附图说明

图1示出了本发明实施例中的一种重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法的方法流程图；

图2示出了本发明制备例1制备的生物炭的外观图；

图3示出了本发明制备例1制备的铁基生物炭的外观图。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的现有技术所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂以及其他仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

本发明实施例提供了一种重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法，如图1所示，该方法包括：

步骤1(S101)，通过铁基生物炭复合调理阻控材料，对重金属污染土壤中的重金属离子进行原位调理阻控，得到初步处理的污染土壤。

具体实施时，针对重金属污染的土壤区域，在该区域的重金属污染土壤中加入铁基生物炭复合调理阻控材料，并通过翻耕等常用手段，使重金属污染土壤和铁基生物炭复合调理阻控材料均匀混合，随后，铁基生物炭复合调理阻控材料与土壤中的重金属离子作用(该作用是指：反应、结合、固定)，对这些重金属离子进行原位调理，将游离态的重金属离子转化成非游离态的、不能被动植物吸收的、不会溶于水中随水流游移的固定体系，实现对这些重金属离子进行原位持久地吸附和固定。其中，固定重金属离子是指：将重金属离子固定在原位，从而阻控重金属离子溶移(即：随着水到处移动，或随环境变化到处移动)，从而避免污染其他对象，例如，固定后的重金属离子，将不会被植物吸收，也不会溶于水从而污染水源。

同时，当将铁基生物炭复合调理阻控材料混于土壤后，相当于对重金属离子产生了一道防护墙，可固定经过该铁基生物炭复合调理阻控材料的重金属离子，起到防控地表水-土壤基质-地下水竖向交互污染，即，起到阻控的作用，例如，当地表水污染时，则重金属会随水下渗到地下水中，而在经过本发明的铁基生物炭复合调理阻控材料时，通过该材料的固定，则无法到达地下水中；反之亦然，阻控地下水中的重金属离子污染地表水，使得地下水通过该材料的净化(固定)后，转化无重金属离子污染的水。

在现有的重金属离子固定技术中，发明人发现，随着时间的推移和环境的变化，固定后的重金属离子会逐渐的游离出来，从而对土壤造成二次污染。因而，发明人考虑至此，针对本发明提供的步骤1，为了防止固定体系(其中，为表述方便，将由铁基生物炭复合调理阻控材料与重金属离子作用所形成的体系，称作固定体系)中的重金属在后期的环境作用下又缓慢地释放出来，对土壤造成二次污染的问题发生，发明人提出了本实施例中步骤2的技术手段，即，采用非食用经济作物，将缓慢释放出来的重金属离子吸收到这些非食用经济作物中，从而避免了释放出的重金属离子对土壤造成的二次污染，同时，最终降低土壤中重金属含量，从根本上解决了重金属污染土壤的问题。基于此，本发明实施例提出了步骤2。

步骤2(S102)，通过非食用经济作物，对上述步骤1得到的初步处理的污染土壤进行长效修复，最终得到降低重金属含量的土壤。

具体实施时，在上述步骤1中均匀混合后的土壤上种植非食用经济作物，通过非食用经济作物的吸收，实现对重金属污染土壤的长效修复，最终降低土壤重金属含量。其中，非食用经济作物为不进入食物链的植物，包括：棉花、花卉、蓖麻、苎麻中的一种或多种。

本实施步骤中，由于植物根系分泌物(如有机物、酸性物质，可以将固定体系中的重金属以游离态的形态，释放出来)，对于由铁基生物炭复合调理阻控材料与重金属离子作用所形成的固定体系而言，改变固定体系中的部分重金属的形态，使固定体系中的重金属重新以游离态的形态从固定体系中慢慢的释放出来(需要指出的是，通过本发明提供的材料进行固定后，释放的游离态离子其实很少，而本步骤是为了实现对土壤的长效修复而提出的)，而这些释放出的游离态重金属离子又可以被植物吸收，因而，本实施步骤中，选取非食用且经济的植物，对释放的重金属离子进行吸收，达到去除释放出的重金属离子的目的。

需要指出的是，由于该释放是在植物根系分泌物的作用下实现的，或环境变化的作用下实现的，因而，该过程较缓慢。所以，本实施例的步骤2采用植物对能够被释放出的重金属离子进行吸收，既能绿色环保无污染地去除释放出的重金属离子(不用其他的试剂或药品)，又能适应释放重金属离子的进程，实现对重金属离子的长效去除，同时，还能确保留在固定体系中的重金属均是不再转换成游离态的重金属，从而实现对土壤的彻底、长效修复。

同时，由于本实施例的步骤2采用的是非食用经济作物，因而，本实施例的步骤2，一方面，实现了对修复区域土地的资源化利用，另一方面，非食用经济作物为不进入食物链的植物，可以降低重金属进入食物链的量，从而减少对动物的危害。

综上，本发明实施例提供的修复方法中，先通过铁基生物炭复合调理阻控材料，实现对重金属离子的原位吸持固定，阻控土壤中重金属离子的溶移，防控地表水-土壤基质-地下水竖向交互污染；再通过植物根茎活化固定体系，吸收该固定体系中可以释放出的重金属离子，以降低土壤中的重金属离子，实现对土壤的长效修复。

本实施例中，可选地，在步骤1中，铁基生物炭复合调理阻控材料与重金属污染土壤的质量比为1～5:100。

本实施例中，可选地，铁基生物炭复合调理阻控材料为一种由多种组分组成的复合材料，该多种组分包括：铁基生物炭、火山岩粉、铁盐和蒙脱石粉。其中，铁基生物炭、火山岩粉、铁盐和蒙脱石粉的复合，可以实现同时固定土壤中的多种重金属离子，且同时还可以实现固定效果良好。

在实际中，使用者可以根据实际情况(如，重金属离子的含量高低、重金属离子的具体种类)，再增加其他组分(所增加的组分需具有可对重金属离子进行固定的作用)，由于实际情况复杂，在本实施例中的，对可以增加的组分不做限定。

本实施例中，可选地，在铁基生物炭复合调理阻控材料中，铁基生物炭、火山岩粉、铁盐和蒙脱石粉的质量比为20～45：10～25：5～10：15～30。

在实际的应用场景中，可根据实际土壤中重金属的检测结果，确定铁基生物炭、火山岩粉、铁盐和蒙脱石粉各自的加入量。例如，若测量结果显示该片区域土壤中砷含量较高，则会提高铁盐的添加量。

本实施例中，可选地，铁基生物炭是一种将纳米三氧化二铁涂层到生物炭上而得到的改性生物炭。因而，该铁基生物炭是为生物炭改性材料。其中，纳米铁是附着在生物炭的表面。可选地，铁盐包括硫酸亚铁、硫酸铁。

本实施例中，可选地，生物炭是通过一种或多种植物炭化得到的。具体的，本实施例中的生物炭包括：芦苇秸秆生物炭或玉米秸秆生物炭。

本实施例提供的方法，主要用于修复中轻度重金属污染土壤；其中，重金属包括：砷、镉、铅、锌和铜中的一种或多种。

在本发明的另一实施例中，可选地，铁基生物炭的制备步骤可以为：

在氮气保护下，对破碎成2～5cm的植物进行炭化，得到生物炭；将pH为13～14的FeCl₃溶液，加入生物炭中，搅拌均匀，得到混合溶液；将混合溶液转移至高压反应釜中，进行水热反应，得到固液混合体；对固液混合体进行煅烧，得到铁基生物炭粗品；对铁基生物炭粗品进行洗净、烘干、研磨、过筛，得到铁基生物炭。

其中，FeCl₃溶液和生物炭的质量比例为8～15:1。炭化的炭化温度为300～500℃，炭化时间为30min；水热反应的反应温度为100℃，水热反应的反应时间为8小时；煅烧的煅烧温度为400℃，煅烧时间为2小时；烘干的烘干温度为80～90℃，优选为90℃。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下通过具体的制备例来说明本发明提供的铁基生物炭的制备方法。

制备例1

(1)将芦苇秸秆剪成2-4cm，在氮气保护下300℃炭化30min得到生物炭；同时，图2示出了本发明制备例1制备的生物炭的外观图。

(2)制备用NaOH调pH为13-14的FeCl₃溶液，按FeCl₃溶液和生物炭质量比例为10:1混合，并搅拌30分钟，得到混合溶液；

(3)将混合溶液转移至反应釜中，100℃下水热反应8小时，反应完成后冷却至室温，得到固液混合体；

(4)将得到的固液混合体至于坩埚中进行煅烧，煅烧温度为400℃，煅烧时间为2小时，得到铁基生物炭粗品；

(5)将得到的铁基生物炭粗品用去离子水洗净，在90℃下烘干后磨碎过60目筛后，即得铁基生物炭，并备用。同时，图3示出了本制备例制备的铁基生物炭的外观图。

为使本领域技术人员更好地理解本发明，以下通过具体的实施例来说明本发明提供的重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法。

实施例1

对中度污染重金属土壤进行室内盆栽试验，供试中度重金属污染土壤来源于某纳污坑塘土壤，主要污染物包括砷、铅、锌、镉、铜等。盆载试验采用直径24cm、高26.5cm的3加仑花盆，每盆供试土壤1.5kg。先将供试土壤与铁基生物炭复合调理阻控材料混合均匀(本实施例中，供试土壤与铁基生物炭复合调理阻控材料的质量比为100:4)，再将混匀后的土壤全部装入花盆中，向花盆中加入去离子水并保持土壤含水率15％-30％一周，并向花盆中播种秋英种子，并保持土壤湿润，待秋英发芽后生长120天后收获，并考察土壤重金属生物有效性及植物吸收，测试结果见表1(N.D.表示未检出)。

表1.为某纳污坑塘土壤和修复后土壤中，各自重金属的含量和生物有效性的检测结果

本实施例中铁基生物炭复合调理阻控材料重量份组成为：上述制备1制备的铁基生物炭25份，火山岩份20份，铁盐10份，蒙脱石粉45份。

实施例2

对某中度污染重金属土壤进行室内盆栽试验，供试中度重金属污染土壤来源于某纳污坑塘土壤，主要污染物包括镉、铅、铜等。盆载试验采用直径24cm、高26.5cm的3加仑花盆，每盆供试土壤1.5kg。先将供试土壤与铁基生物炭复合调理阻控材料混合均匀(本实施例中，供试土壤与铁基生物炭复合调理阻控材料的质量比为100:2)，再将混匀后的土壤全部装入花盆中，向花盆中加入去离子水并保持土壤含水率15％-30％一周，并向每个花盆中移栽大小相似的黄菖蒲2株，并保持土壤湿润，生长120天后收获，并考察土壤重金属生物有效性及植物吸收，测试结果见表2(N.D.表示未检出)。

表2.为某纳污坑塘土壤和修复后土壤中，各自重金属的含量和生物有效性的检测结果

本实施例中铁基生物炭复合调理阻控材料重量份组成为：上述制备1制备的铁基生物炭10份，火山岩份25份，铁盐5份，蒙脱石粉60份。

需要指出的是，本申请的各个实施例中的步骤和方法，不仅限于对应的实施例中，各个实施例的操作细节以及注意事项，互相都是相应的。

对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和部件并不一定是本发明所必须的。

以上对本发明所提供的一种重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种重金属污染土壤原位调理阻控及长效修复的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，通过铁基生物炭复合调理阻控材料，对重金属污染土壤中的重金属离子进行原位调理阻控，得到初步处理的污染土壤；

步骤2，通过非食用经济作物，对所述初步处理的污染土壤进行长效修复，最终得到降低重金属含量的土壤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述铁基生物炭复合调理阻控材料与所述重金属污染土壤的质量比为1～5:100。

3.根据权利要求1或者2所述的方法，其特征在于，所述铁基生物炭复合调理阻控材料为一种由多种组分组成的复合材料，所述多种组分包括：铁基生物炭、火山岩粉、铁盐和蒙脱石粉。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述铁基生物炭复合调理阻控材料中，所述铁基生物炭、所述火山岩粉、所述铁盐和所述蒙脱石粉的质量比为20～45：10～25：5～10：15～30。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述铁基生物炭为一种改性处理的生物炭。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述生物炭是通过一种或多种植物炭化得到的，所述生物炭包括：芦苇秸秆生物炭或玉米秸秆生物炭。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述铁基生物炭的制备步骤为：

在氮气保护下，对破碎成2～5cm的植物进行炭化，得到生物炭；

将pH为13～14的FeCl₃溶液，加入所述生物炭中，搅拌均匀，得到混合溶液；

将所述混合溶液转移至高压反应釜中，进行水热反应，得到固液混合体；

对所述固液混合体进行煅烧，得到铁基生物炭粗品；

对所述铁基生物炭粗品进行洗净、烘干、研磨、过筛，得到铁基生物炭。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述炭化的炭化温度为300～500℃，炭化时间为30分钟；

所述水热反应的反应温度为100℃，所述水热反应的反应时间为8小时；

所述煅烧的煅烧温度为400℃，煅烧时间为2小时；

所述烘干的烘干温度为80～90℃。

9.根据权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述铁盐包括硫酸亚铁、硫酸铁。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述重金属污染土壤为中轻度重金属污染土壤；

所述重金属包括：砷、镉、铅、锌和铜中的一种或多种；

所述非食用经济作物为不进入食物链的植物，包括：棉花、花卉、蓖麻、苎麻中的一种或多种。

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