CN113058989A - 一种修复重金属污染农田的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种修复重金属污染农田的方法，具体涉及重金属污染农田土壤修复领域，以解决现有的修复方法不能从根本上彻底修复农田土壤重金属污染的问题，包括如下步骤：向重金属污染的农田土壤中加入活化剂，翻耕，种植超富集植物；在超富集植物生长期施化肥的同时施入生物有机肥；超富集植物种植一个周期后整体移除；对移除超富集植物的农田土壤进行深耕，施生物有机肥并调节；种植低累积品种。通过活化重金属激活农田土壤中的重金属，种植超富集植物吸收重金属，移除超富集植物，田间管理，再种植低累积品种，不仅能进一步降低污染农田的重金属，还能明显提作物的产量和产值，从根本上彻底修复了农田土壤重金属污染的问题。

Description

一种修复重金属污染农田的方法

技术领域

一种修复重金属污染农田的方法，本发明属于污染农田土壤治理技术领域，具体涉及重金属污染农田土壤修复技术领域。

背景技术

农田重金属污染是由于废弃物中重金属在农田土壤中过量沉积而引起的污染。污染农田土壤的重金属主要包括汞、镉、铅、铬和类金属砷等生物毒性显著的元素，以及有一定毒性的锌、铜、镍等元素。主要来自采矿废渣、农药、废水、污泥和大气沉降等，如汞主要来自含汞废水，镉、铅污染主要来自冶炼排放和汽车废气沉降，砷则被大量用作杀虫剂、杀菌剂、杀鼠剂和除草剂。重金属污染物在农田土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大。

农田土壤重金属污染传统的治理修复方法通常为物理和化学的方法，如稀释和覆土法、玻璃化技术、热处理技术、淋洗法、电化学法等，传统的修复方法虽然治理效果好，历时较短，但都存在许多缺陷。比如传统治理方法的成本高、不易管理、易造成二次污染等等。

植物修复技术指利用植物及其根际微生物对农田土壤污染物的吸收、挥发、转化、降解、固定作用而去除农田土壤中污染物的修复技术。目前已经发现很多植物可同时对多种重金属有强大的富集能力，重金属主要包括Hg，Cd，Pb，Cr以及类金属As等，环境中的重金属可以被植物吸收，如果进入植物可食部分，将危害人类健康。为避免对人体的暴露风险，近年来选择非食用性经济型作物进行植物修复的研究越来越引起关注，但大多数已报道的植物修复方法效果不显著、见效慢、修复效果不稳定，再加上受到气候、农田土壤环境的限制，使得这些植物的重金属积累量有限，从而在其应用上受到限制，不能从根本上彻底修复农田土壤重金属污染的问题。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种修复重金属污染农田的方法，以解决现有的农田土壤重金属修复方法不能从根本上彻底修复农田土壤重金属污染的问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种修复重金属污染农田的方法，包括如下步骤：

步骤1、向重金属污染的农田土壤中加入活化剂，翻耕，种植超富集植物，活性剂包括有机酸类重金属活化剂；

步骤2、在超富集植物生长期施化肥的同时施入生物有机肥(分泌胞外多糖，增强农田土壤团粒结构，疏松农田土壤，提高农田土壤通透性，有利于超富集植物进一步吸收利用重金属)；

步骤3、超富集植物种植一个周期后整体移除；

步骤4、对移除超富集植物的农田土壤进行深耕，施生物有机肥并调节pH至5.5-7.5(农田土壤pH调节对农田土壤微生物数量的影响，农田土壤微生物是农田土壤生命活体的主要组成部分，是农田土壤生态系统的重要组分之一，农田土壤微生物在促进农田土壤有机质的分解、农田土壤矿质营养循环、维持和提高农田土壤肥力方面发挥关键作用，它们与农田土壤酶一起共同参与农田土壤生物化学反应，深耕技术与pH调节应用于中低重金属污染浓度农田土壤，不仅在物理与化学层面上将重金属浓度降低，而且能使农田土壤耕层进一步变深、犁底层浅化，并增强农田土壤通透性，在一定程度上增强抗旱防涝能力，利于农作物扎根，增强作物增产能力；生物有机肥营养元素齐全，提高化肥的利用率，还含有大量的有益微生物，能分解农田土壤中的有机物，增加农田土壤的团粒结构，改善农田土壤理化性质，还能改善作物根际微生物菌群，提高作物的抗病虫能力)；

步骤5、种植低累积品种。

本申请的技术方案中，先向重金属污染的农田土壤中加入活化剂，激活农田土壤中的重金属，使农田土壤中有效态重金属含量提高，之后种植超富集植物，便于吸收农田土壤中有效态重金属，在超富集植物生长期施化肥和生物有机肥的目的是利于超富集植物健康生长，此外，生物有机肥中含有有益微生物，分泌胞外多糖，增强农田土壤团粒结构，疏松农田土壤，提高农田土壤通透性，有利于超富集植物的生长及进一步吸收利用重金属，超富集植物种植一个周期后移除并回收；再对移除超富集植物的农田土壤进行深耕，施生物有机肥并调节pH至5.5-7.5，农田土壤微生物是农田土壤生命活体的主要组成部分，是农田土壤生态系统的重要组分之一，农田土壤微生物在促进农田土壤有机质的分解、农田土壤矿质营养循环、维持和提高农田土壤肥力方面发挥关键作用，它们与农田土壤酶一起共同参与农田土壤生物化学反应，深耕技术与pH调节应用于中低重金属污染浓度农田土壤，不仅在物理与化学层面上将重金属浓度降低，而且能使农田土壤耕层进一步变深、犁底层浅化，并增强农田土壤通透性，在一定程度上增强抗旱防涝能力，利于作物扎根，增强作物增产能力；生物有机肥营养元素齐全，提高化肥的利用率，还含有大量的有益微生物，能分解农田土壤中的有机物，增加农田土壤的团粒结构，改善农田土壤理化性质，还能改善作物根际微生物菌群，提高作物的抗病虫能力；此时，农田土壤重金属污染浓度已达到国家标准，之后种植低累积品种，低累积作物与普通轮作相比，有明显减少重金属进入食物链的效果，此外还可明显提作物的产量和产值。首先通过活化重金属激活农田土壤中的重金属，其次，种植超富集植物吸收重金属，超富集植物种植一个周期后整体移除，再者，移除超富集植物的农田土壤进行田间管理，包括深耕、施生物有机肥并调节pH值，农田土壤重金属污染浓度已达到国家标准，最后，再种植低累积品种，不仅能进一步降低污染农田的重金属，还能明显提作物的产量和产值，从根本上彻底修复了农田土壤重金属污染的问题。

优选的，超富集植物包括香根草(多年生粗壮草本植物，根系发达，地上部生物量大，提取效率高，主要富集铅、镉)、三叶鬼针草(一年生草本，抗逆能力强，在中、重度污染农田土壤中仍能存活，富集镉)、串叶松香草(秦巴山区矿区周边删选出的富集植物，生物量大，转运系数高，富集铅、铜、镉)、向日葵(是经济价值很高的油料作物，对重金属有较强的耐受性和富集能力，富集铅、镉、镍)中的一种或多种。

优选的，步骤2中，当被修复的耕地为重污染区时，还加改性后的炭黑和生物炭，改性后的炭黑和生物炭的质量比为1:1-6。改性后的炭黑和生物炭按本领域常规的用量加入。

优选的，生物炭制备方法，包括如下步骤：将秸秆在质量分数为4-10％的碱性溶液中浸泡10-20小时，用水洗至中性，干燥，将干燥后的秸秆炭化(本领域常规的炭化方式)，炭化温度为500-800℃，炭化时间10-60小时，制得生物炭(生物炭具有N、0、S和P多种表面官能团结构及发达中孔结构(孔隙)，比表面积大，表面酸性含氧官能团、表面碱性含氮官能团，表面含硫官能团含量高；本申请的生物炭内含发达的孔隙和大量的表面官能团结构，在单位面积农田土壤中吸附重金属时，用量少)；改性后的炭黑，由等离子法对炭黑氧化改性制得(氧化剂主要为氧气等离子体，反应可在室温下进行，改性后的炭黑的表面含氧基团增多，比表面积增大，分散性提高)。生物炭和改性后的炭黑表面官能团是重金属离子的良好配体，能与重金属形成稳定的配合体，能降低农田土壤中重金属含量，生物炭和改性后的炭黑还能促进作物的生长。

优选的，秸秆为玉米杆、小麦秆、胡麻杆、蚕豆杆、水稻杆中的一种或多种。

优选的，低累积品种包括黄瓜、花椰菜、甘蓝、豇豆、茭白、玉米中的一种或多种。

优选的，活化剂的加入量为0.1-2kg/亩。

优选的，步骤2与步骤4中生物有机肥的量为60-240kg/亩

本申请的技术方案中，将回收后的超富集植物用Na₂S沉淀处理技术回收部分重金属以减少二次环境污染，对于残余重金属，进行热裂解、激光裂解、植物冶金、热液改质、超临界水技术等方法对富集的重金属进行集成处理。

本申请的技术方案中，有机酸类重金属活化剂是本领常规的产品，如丙烯酸、硫磺、硫化钠、有机物料(胡麻秸秆、花生壳)、碱性物质(氢氧化钠)、还原物质(亚硫酸钠、硫代硫酸钠)和水按本领常规方法制得。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，首先通过活化重金属激活农田土壤中的重金属，其次，种植超富集植物吸收重金属，超富集植物种植一个周期后整体移除，再者，移除超富集植物的农田土壤进行田间管理，包括深耕、施生物有机肥并调节pH值，农田土壤重金属污染浓度已达到国家标准，最后，再种植低累积品种，不仅能进一步降低污染农田的重金属，还能明显提作物的产量和产值，从根本上彻底修复了农田土壤重金属污染的问题；

2、本发明中，对重污染农田土壤还加入了生物炭和改性后的炭黑，其表面官能团是重金属离子的良好配体，能与重金属形成稳定的配合体，能降低农田土壤中重金属含量，生物炭和改性后的炭黑还能促进作物的生长；

3、本发明对移除超富集植物的农田土壤进行深耕，施生物有机肥并调节pH后耕地达到《农田土壤环境质量农用地农田土壤污染风险管控标准(试行)》(GB/T15618-2018)；

4、本发明种植的低累积品种经检测，均符合《食品安全国家标准食品中污染物限量》(GB2762-2017)可以直接食用；

5、本发明重金属污染治理实施，使得矿区农田土壤环境质量得到明显改善，农田土壤中重金属类物质(特别是镉、铅、汞)达到了修复目标值，对人体健康和生态环境的危害得到了有效控制，农田土壤生态稳步恢复。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种修复重金属污染农田的方法，包括如下步骤：

步骤1、向重金属污染的农田土壤中加入活化剂，翻耕，种植超富集植物，活性剂包括有机酸类重金属活化剂；超富集植物是香根草；活化剂的加入量为0.8kg/亩；

步骤2、在超富集植物生长期施化肥的同时施入生物有机肥120kg/亩；

步骤3、超富集植物种植一个周期后整体移除；

步骤4、对移除超富集植物的农田土壤进行深耕，施生物有机肥120kg/亩，并调节pH至7；

步骤5、种植低累积品种甘蓝。

实施例2

一种修复重金属污染农田的方法，包括如下步骤：

步骤1、向重金属污染的农田土壤中加入活化剂，翻耕，种植超富集植物，活性剂包括有机酸类重金属活化剂；超富集植物是向日葵；活化剂的加入量为1.2kg/亩；

步骤2、在超富集植物生长期施化肥的同时施入生物有机肥160kg/亩；

步骤3、超富集植物种植一个周期后整体移除；

步骤4、对移除超富集植物的农田土壤进行深耕，施生物有机肥120kg/亩，并调节pH至6.8；

步骤5、种植低累积品种玉米。

实施例3

一种修复重金属污染农田的方法，包括如下步骤：

步骤1、向重金属污染的农田土壤中加入活化剂，翻耕，种植超富集植物，活性剂包括有机酸类重金属活化剂；超富集植物是香根草；活化剂的加入量为1.2kg/亩；

步骤2、在超富集植物生长期施化肥的同时施入生物有机肥180kg/亩，还加入改性后的炭黑和生物炭，改性后的炭黑和生物炭的质量比为1:3，生物炭制备方法，包括如下步骤：将胡麻秸秆在质量分数为8％的碱性溶液中浸泡15小时，用水洗至中性，干燥，将干燥后的秸秆炭化，炭化温度为600℃，炭化时间40小时，制得生物炭；改性后的炭黑，由等离子法对炭黑氧化改性制得；

步骤3、超富集植物种植一个周期后整体移除；

步骤4、对移除超富集植物的农田土壤进行深耕，施生物有机肥150kg/亩，并调节pH至6.5；

步骤5、种植低累积品种茭白。

试验例

在实施例2的基础上，

对宝鸡市凤县马鞍山村的农田土壤，在使用本申请实施例2的方法之前，采用五点取样法，测定选择的农田土壤中中间含量情况，检测结果如表1；采用本申请实施例2的方法后，重新五点取样，取被修复的农田的农田土壤样品进行检测，检测结果如表2；取实施例2种植的玉米进行检测，同样五点取样进行检测，检测结果如表3。

表1修复前农田土壤中元素的含量

表1中，空白格表示未检出，土1、土2、土3、土4和土5分别表示采样点，土1样点中Zn、Pb、Cd和As超标；土2样点中Zn、Pb、Cd和As超标；土3样点中Zn、Pb、Hg和As超标；土4样点中Zn、Pb、Hg和As超标；土5样点中Zn、Pb和As超标。

表2修复后农田土壤中元素的含量

表2中，ND表示未检测出，空白格表示未检出，土11、土22、土33、土44和土55分别表示采样点，各指标均均在标准限以内，农田土壤安全。修复前和修复后的农田是随机取样的，土11与土1，土22与土2，土33与土3，土44与土4，土55与土5之间并非一一对应。

农田土壤中，pH值的测定，玻璃电极法NY/T 1377-2007，农田土壤质量铜、锌的测定，火焰原子吸收分光光度法GB/T 17138-1997，农田土壤质量镍的测定，火焰原子吸收分光光度法GB/T17139-1997，农田土壤质量铅、镉的测定，石墨炉原子吸收分光光度计法GB/T17141-1997，农田土壤质量总铬的测定，火焰原子吸收分光光度法HJ491-2009，锰Mn原子吸收法，《农田土壤元素的近代分析方法》中国环境总站(1992)第五章，5.7(5.7.1)，农田土壤质量总汞、总砷、总铅的测定原子荧光法第1部分：农田土壤中总汞的测定GB/T22105.1-2008。

表3实施例2的方法修复后种植玉米的检测结果

表3中，ND表示未检测出，玉1、玉2、玉3、玉4和玉5分别表示，该修复地的玉米籽粒取样点，由检测结果知，玉米中Pb、Cd、Cr、Hg和As均在标准限值以内；玉米籽粒中，铅采用石墨炉原子吸收光谱法，GB/T 5009.12-2017，镉采用石墨炉原子吸收光谱法，GB/T 5009.15-2014，铬采用石墨炉原子吸收光谱法，GB/T 5009.123-2014，汞采用原子荧光光度法，《食品卫生理化检验标准手册》，砷采用氢化物原子荧光光度法，《食品卫生理化检验标准手册》。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种修复重金属污染农田的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、向重金属污染的农田土壤中加入活化剂，翻耕，种植超富集植物，活性剂包括有机酸类重金属活化剂；

步骤2、在超富集植物生长期施化肥的同时施入生物有机肥；

步骤3、超富集植物种植一个周期后整体移除；

步骤4、对移除超富集植物的农田土壤进行深耕，施生物有机肥并调节pH至5.5-7.5；

步骤5、种植低累积品种。

2.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染农田的方法，其特征在于，超富集植物包括香根草、三叶鬼针草、串叶松香草、向日葵中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染农田的方法，其特征在于，步骤2中，还加入改性后的炭黑和生物炭，改性后的炭黑和生物炭的质量比为1:1-6。

4.根据权利要求3所述的一种修复重金属污染农田的方法，其特征在于，生物炭制备方法，包括如下步骤：将秸秆在质量分数为4-10％的碱性溶液中浸泡10-20小时，用水洗至中性，干燥，将干燥后的秸秆炭化，炭化温度为500-800℃，炭化时间10-60小时，制得生物炭；改性后的炭黑，由等离子法对炭黑氧化改性制得。

5.根据权利要求4所述的一种修复重金属污染农田的方法，其特征在于，秸秆为玉米杆、小麦秆、胡麻杆、蚕豆杆、水稻杆中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染农田的方法，其特征在于，低累积品种包括黄瓜、花椰菜、甘蓝、豇豆、茭白、玉米中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染农田的方法，其特征在于，活化剂的加入量为0.1-2kg/亩。

8.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染农田的方法，其特征在于，步骤2与步骤4中生物有机肥的量为60-240kg/亩。