CN113695383B - 一种土壤重金属污染的植物修复装置和修复方法 - Google Patents

一种土壤重金属污染的植物修复装置和修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土壤重金属污染的植物修复装置和修复方法，在待修复的重金属污染土壤中种植鸭跖草，在种植鸭跖草的同时或者在种植鸭跖草之前，对待修复的重金属污染土壤用均质零价铁改性生物炭材料进行修复，必要时辅助接种枯草芽孢杆菌和酵母菌等微生物菌剂，可以有效修复重金属污染的土壤，重金属去除效果显著，尤其是重金属铜、镉和锌的去除效率高。

Description

一种土壤重金属污染的植物修复装置和修复方法
技术领域
本发明涉及环保技术领域，具体涉及重金属污染土壤的植物修复装置和修复方法。
背景技术
随着工业活动加剧，工业三废排放增多，重金属对土壤造成的污染越来越严重，受污染土壤面积加大，而且污染程度加重。
重金属污染土壤的修复和治理已成为热点问题。迄今，发展的重金属污染土壤修复技术主要包括：化学修复技术，如钝化剂修复、淋洗修复技术等；植物修复技术，选择合适的植物种类吸收土壤中重金属；微生物修复技术，选择耐性微生物，去除重金属；电化学修复技术，在一定的电流和电压下，不同离子在电渗和电迁移的作用下向相反的电极移动，金属离子聚集后再通过其他方法(电镀、沉淀/共沉淀、抽出、离子交换树脂等)去除。近年来，微生物修复技术逐步发展起来，其在重金属污染土壤，特别是重金属污染的农田土壤修复中起到越来越重要的作用。其中，植物修复和微生物修复作为绿色修复方法而被推荐，其难度主要在于选择适当的植物和微生物。
在化学修复材料中，作为钝化剂，零价铁改性生物炭是一种新兴的高效环境修复材料，兼具有比表面积大、表面活性高、反应活性强等特点，研究表明其可以高效去除金属污染物，而且可以高效去除有机污染物，如有机农药、工业有机污染物等，而且几乎不会带来外源性污染，在污染土壤的原位修复技术中发挥着越来越重要的作用。
发明内容
本发明人研究发现：在重金属污染的土壤中，利用均质零价铁改性生物炭材料对土壤进行改性修复，并在土壤翻耕层中种植鸭跖草，必要时辅助接种枯草芽孢杆菌和酵母菌等微生物菌剂，可以有效修复重金属污染的土壤，重金属去除效果显著，尤其是重金属铜、镉和锌的去除效率高。
为了方便实施该修复技术，本发明人还提出一种可对土壤翻耕时，同时施加均质零价铁改性生物炭材料，甚至可同时施加有机肥的修复装置，以满足实践需求。
本发明的目的在于提供以下方面：
本发明第一方面提供一种土壤重金属污染的植物修复方法，在待修复的重金属污染土壤中种植鸭跖草。
本发明第二方面提供如上所述的土壤重金属污染的植物修复方法，在种植鸭跖草的同时或者在种植鸭跖草之前，对待修复的重金属污染土壤用均质零价铁改性生物炭材料进行修复，所述均质零价铁改性生物炭材料中，纳米零价铁颗粒包埋于生物炭体相中。
本发明第三方面提供如上所述的土壤重金属污染的植物修复方法，所述均质零价铁改性生物炭材料通过富铁性植物性生物质无氧条件下碳化得到，所述富铁性植物为苎麻。
本发明第四方面提供如上所述的土壤重金属污染的植物修复方法，所述均质零价铁改性生物炭材料通过将富铁性植物性生物质在500-900摄氏度温度下进行热解碳化得到。
本发明第五方面提供如上所述的土壤重金属污染的植物修复方法，所述均质零价铁改性生物炭材料通过将富铁性植物性生物质在700-900摄氏度温度下进行热解碳化得到。
本发明第六方面提供如上所述的土壤重金属污染的植物修复方法，所述重金属污染土壤还用微生物进行修复，所述微生物包括枯草芽孢杆菌和酵母菌。
本发明第七方面提供如上所述的土壤重金属污染的植物修复方法，枯草芽孢杆菌和酵母菌的数量比为(1-2)：(2-1)。
本发明第八方面提供如上所述的土壤重金属污染的植物修复方法，枯草芽孢杆菌和酵母菌的数量比为1：1。
本发明第九方面提供如上所述的土壤重金属污染的植物修复方法，在待修复的重金属污染土壤中种植鸭拓草之前，施加腐殖酸有机肥。
本发明第十方面提供土壤重金属污染的植物修复装置，包括：槽轮播撒装置，通过其播施均质零价铁改性生物炭材料；和带孔播种轮装置，通过其播施有机肥。
本发明提供的农业活动区土壤层重金属的微生物修复方法具有以下优点：
(1)本发明通过选择对没有环境负荷的适宜植物鸭跖草进行修复，配合以同样几乎没有环境负荷和外源性污染的均质零价铁改性生物炭材料进行修复，对重金属污染土壤的修复效果极好，重金属去除率极高，尤其是重金属铜、镉和锌的去除效率高。
(2)本发明利用鸭跖草进行修复，鸭跖草生长速度快，生长周期短，对重金属污染土壤具有良好的耐性，生命力旺盛，对环境温度、湿度、土壤费力要求不高，无需精细管理，易于管理。
(3)本发明中选用的鸭跖草，可多次刈割，刈割后生长速度同样快，多次生长-刈割循环，可高效去除重金属。
(4)本发明同时采用均质零价铁改性生物炭材料对重金属污染土壤进行修复，与表面零价铁改性生物炭材料相比，均质零价铁改性生物炭材料具有大幅增加的比表面积、纳米零价铁生物负载量，其吸附性、对重金属污染土壤的反应改性活性均有大幅提高，能显著降低重金属含量。
(5)本发明采用的均质零价铁改性生物炭材料，具有良好稳定的缓释效果，因此对于重金属的去除具有长期稳定的优点，即使当修复后的土壤再次被污染后，在不必再次施加的情况下，仍然具有良好的修复能力。
(6)本发明中还利用了对土壤环境几乎没有负面影响到微生物协同促进修复，微生物不仅本身能去除重金属，而且其作用产生的酸性会进一步促进均质零价铁改性生物炭材料发挥更好的修复能力。
(7)本发明中采用可对土壤翻耕同时施加均质零价铁改性生物炭材料，甚至可同时施加有机肥的修复装置，进一步简化植物修复操作，简单易行。
附图说明
图1示出实施例1中所得均质零价铁改性生物炭材料的透射电镜照片
具体实施方式
下面通过优选实施方式和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
在本发明中，采用对土壤环境没有任何不良影响的植物修复的方式对重金属污染土壤进行修复。利用生长快速、可多次刈割且生物量量较高的鸭拓草，当配合以均质零价铁改性生物炭材料时，修改效果非常好，重金属去除效率高。
在本发明中，可以在种植鸭跖草的同时或者在种植鸭跖草之前，对待修复的重金属污染土壤用均质零价铁改性生物炭材料进行修复。在优选的实施方案中，在种植鸭跖草之前，对待修复的重金属污染土壤先用均质零价铁改性生物炭材料进行修复，充分利用均质零价铁改性生物炭材料对重金属污染土壤的优异修复能力先行进行预修复，在一定程度上去除重金属，改善土壤环境，利于鸭拓草生长，具有更高的生物量，并促进鸭拓草吸收重金属。由于均质零价铁改性生物炭材料是纳米零价铁颗粒分散地包埋负载于生物炭体相中，具有长效修复能力，在鸭拓草生长过程中，均质零价铁改性生物炭材料能持续稳定地发挥修复作用，持续促进土壤修复，持续促进进鸭拓草吸收重金属。
在本发明中，均质零价铁改性生物炭材料通过富铁性植物性生物质在无氧条件下热解碳化得到，所述富铁性植物优选为苎麻。
作为富铁性植物苎麻，在酸性红壤中种植3个月以上。由于酸性红壤中铁含量高，有助于苎麻中吸收富集铁。进一步地，为了促进苎麻中铁的富集，必要时可在苎麻种植期内施以柠檬酸稀溶液等。
而且，苎麻中纤维含量高，尤其获得的均质零价铁改性生物炭材料具有更好的性能，如比表面积大等，有助于均质零价铁改性生物炭材料具有更高、更稳定的修复能力。
在获得均质零价铁改性生物炭材料时，热解碳化温度优选在500-900摄氏度温度范围内，更优选700-900摄氏度温度范围内，在此情况下能获得改性能力稳定且持久的均质零价铁改性生物炭材料。
在本发明提供的土壤重金属污染的植物修复方法的一种优选实施方式中，所述重金属污染土壤还用微生物进行修复。微生物修复通常需要在种植鸭拓草之前进行，可以在均质零价铁改性生物炭材料修复之前、同时或之后进行，优选在均质零价铁改性生物炭材料修复之后进行。
在本发明中，用于修复的微生物由枯草芽孢杆菌和酵母菌组成，其中，枯草芽孢杆菌和酵母菌的数量比为(1-2)：(2-1)，优选为1：1。当枯草芽孢杆菌和酵母菌数量比在此范围内时，所得微生物菌剂能较好地促进均质零价铁改性生物炭材料对重金属污染土壤的修复，还能促进鸭拓草对金属污染土壤的修复。
在本发明提供的土壤重金属污染的植物修复方法的一种优选实施方式中，在待修复的重金属污染土壤中种植鸭拓草之前，还施加腐殖酸有机肥，其有助于鸭拓草的生长从而促进重金属的去除。
对于本发明所采用的腐殖酸有机肥，采用以下方式获得：将10-20重量份的秸秆如玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆等切成2cm左右的颗粒，淋加有机肥发酵剂，堆码发酵24-30小时，发酵温度不超过50度，如超过50度需要翻堆；向80重量份动物粪便和5-10重量份褐煤混合物淋加有机肥发酵剂，堆码发酵10-15天，发酵温度不超过70度，如超过70度需要翻堆；然后混合得到腐殖酸有机肥，为便于施用，可以造粒、干燥。
为了实现本发明的重金属污染土壤的植物修复方法，便于施加均质零价铁改性生物炭材料，以及施加腐殖酸有机肥，可以采用具有用于条播均质零价铁改性生物炭材料的槽轮播撒装置，以及用于点播腐殖酸有机肥的带孔播种轮装置。
关于槽轮播撒装置和带孔播种轮装置，现有技术中已有记载，例如中国专利申请201620611543.1、201710098467.8、201910612390.0，在此不做赘述。
实施例
以下通过具体实例进一步描述本发明，不过这些实例仅仅是范例性的，并不对本发明的保护范围构成任何限制。
实施例1
实施例1
在红壤中种植苎麻130天，每周喷施200mg/L柠檬酸水溶液。130天后，切割麻秆。使用去离子水洗净，在0.01M稀盐酸中浸泡1小时，在70.0℃下烘干粉碎为2mm颗粒。在管式马弗炉中，在700摄氏度温度下将粉碎颗粒热解分钟，制备成均质零价铁改性生物炭材料。
均质零价铁改性生物炭材料的XRD中发现44.8°、65.1°、82.2°(零价铁)衍射峰，以及43.1°、50.4°、73.9°(铁碳化合物CFe15.1)衍射峰。
均质零价铁改性生物炭材料的TEM揭示零价铁颗粒分散地包埋于生物炭体相中。均质零价铁改性生物炭材料的XPS揭示其表面处、40nm深度处和80nm深度处零价铁含量分别为1.41％、9.02％和18.35。
实施例2
将取自试验田中无污染黄土土壤(10*10米取样，取样深度60cm，)干燥，碾压，自然风干，灭菌，过100目筛。加入CuSO4、CdCl3、ZnSO4水溶液，其中铜投加量200mg/kg土壤(以Cu计)，镉投加量50mg/kg土壤(以Cd计)，锌投加量300mg/kg土壤(以Zn计)，搅拌均匀，陈化放置一周，自然风干，粉碎，过100筛，模拟污染土样，并回填至实验田中。
将实施例1中所得的均质零价铁改性生物炭材料以600mg/kg土壤的量掺混至土壤中。20天后，以10cm×10cm的株行距扦插鸭跖草，扦插后适宜浇水，每40天刈割鸭跖草，一共刈割2次。
第二次刈割鸭跖草后，模拟污染土样中Cu、Cd和Zn的含量分别为26.7mg/kg、0.28mg/kg、46.4mg/kg。
实施例3
将150kg玉米切成2cm左右的颗粒，淋加150mlRw有机肥发酵菌剂(鹤壁市人元生物技术发展有限公司)，堆码发酵25小时，发酵温度不超过50度；向800kg动物粪便和50kg褐煤混合物淋加850mlRw有机肥发酵菌剂，堆码发酵14天，发酵温度不超过70度；都发酵后混配到一起，造粒、烘干，得到有机肥。
将取自试验田中无污染黄土土壤(10*10米取样，取样深度60cm，)干燥，碾压，自然风干，灭菌，过100目筛。加入CuSO4、CdCl3、ZnSO4水溶液，其中铜投加量220mg/kg土壤(以Cu计)，镉投加量60mg/kg土壤(以Cd计)，锌投加量300mg/kg土壤(以Zn计)，搅拌均匀，陈化放置一周，自然风干，粉碎，过100筛，模拟污染土样，并回填至实验田中。
将实施例1中所得的均质零价铁改性生物炭材料以600mg/kg土壤的量掺混至土壤中。
7天后，将1×108CFU/ml枯草芽孢杆菌、1×108CFU/ml酵母菌以体积比1:1混合，得到微生物复合菌剂，以30ml/kg土壤的量接种微生物复合菌剂。
再过7天后，施加有机肥，有机肥施加量为20kg。
再过7天后，以10cm×10cm的株行距扦插鸭跖草，扦插后适宜浇水，每40天刈割鸭跖草，一共刈割2次。
第二次刈割鸭跖草后，模拟污染土样中Cu、Cd和Zn的含量分别为22.3mg/kg、0.15mg/kg、35.6mg/kg。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。

Claims (1)

1.一种土壤重金属污染的植物修复方法，在待修复的重金属污染土壤中种植鸭跖草，
在种植鸭跖草之前，对待修复的重金属污染土壤用均质零价铁改性生物炭材料进行修复，所述重金属为铜、镉、锌，所述均质零价铁改性生物炭材料以600mg/kg土壤的量掺混至土壤中，所述均质零价铁改性生物炭材料中，纳米零价铁颗粒包埋于生物炭体相中，
所述均质零价铁改性生物炭材料制备如下：在红壤中种植苎麻130天，每周喷施200mg/L柠檬酸水溶液；130天后，切割麻秆；使用去离子水洗净，在0.01M稀盐酸中浸泡1小时，在70.0℃下烘干粉碎为2mm颗粒；在管式马弗炉中，在700摄氏度温度下将粉碎颗粒热解分钟，制备成均质零价铁改性生物炭材料，所述均质零价铁改性生物炭材料的XRD中存在44.8°、65.1°、82.2°零价铁衍射峰，以及43.1°、50.4°、73.9°铁碳化合物CFe15.1衍射峰，XPS揭示其表面处、40nm深度处和80nm深度处零价铁含量分别为1.41％、9.02％和18.35％；
所述重金属污染土壤还用微生物进行修复，所述微生物包括枯草芽孢杆菌和酵母菌，枯草芽孢杆菌和酵母菌的数量比为1：1，
在待修复的重金属污染土壤中种植鸭拓草之前，施加腐殖酸有机肥。
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