CN115193902A - 重金属污染农田的治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及土壤修复领域，具体涉及一种重金属污染农田的治理方法，包括在所述重金属污染农田表面喷淋处理剂的步骤；以及在农田淋洗后对尾水进行收集和处理的步骤；所述处理剂包括植物源淋洗剂、微生物源淋洗剂、表面活性剂或有机酸中的至少一种；其中，所述植物源淋洗剂选自甜菜渣或瓜蒌皮的水性提取液或有机物提取液；所述微生物源淋洗剂选自污水处理厂污泥经破壁离心后的胞外聚合物EPS溶液。本发明所提供的重金属污染农田的治理方法，可实现对受Pb、Cd、Ni、Cu、Hg、Ti、Zn污染的农田进行修复。
Description
技术领域
本发明涉及土壤修复领域，具体涉及一种重金属污染农田的治理方法。
背景技术
近年来，农田土壤污染问题已经引起社会各界的广泛关注，部分地区农田土壤因污染问题抛荒严重。如何控制和治理农田土壤污染，关系国计民生、农产品安全、生态环境，也关系农业发展的可持续性。
对优先保护类，土壤无明显污染，应切断可能潜在的污染暴露途径。
对安全利用类耕地，一般采取农艺调控、替代种植、轮作、间作等措施，阻断或者减少污染物和其它有毒有害物质进入农作物可食部分，降低农产品超标风险。
现有农田治理示范项目只是进行风险管控为主的工艺措施，风险管控主要包括以下措施：
1)针对主要农作物种类、品种和农作制度等具体情况，推广低积累品种替代、水肥调控、土壤调理等农艺调控措施，降低农产品有害物质超标风险；
2)定期开展农产品质量安全监测和调查评估，实施跟踪监测，根据监测和评估结果及时优化调整农艺调控措施。
目前农田治理示范项目最常用的管控技术为钝化技术+植物阻隔+农艺调控/ 替代种植技术，但现有技术的缺点主要在于：钝化技术仅依靠改变污染物的化学形态来降低重金属的迁移性和生物有效性，并未从总量上将重金属污染物去除；替代种植和植物阻隔技术对植物品种要求严苛，需要种植者文化程度要求高，目前农村多为一定年纪的老者，文化程度较低；调理剂需要每镉2～3年施加翻耕一次，调理剂本身价格在4～20万元/吨，价格昂贵，种地收入无法抵消污染控制的成本；秸秆焚烧仍然有含重金属固废甚至危废产生。因此，亟需一种可有效去除重金属污染物的同时，技能要求低、处理成本低且处理方便的重金属污染农田的治理方法。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：提供一种不影响农业生产且不降低土壤生产功能的重金属污染农田的治理方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：重金属污染农田的治理方法，包括在所述重金属污染农田表面喷淋处理剂的步骤；
以及在农田淋洗后对尾水进行收集和处理的步骤；
所述处理剂包括植物源淋洗剂、微生物源淋洗剂、表面活性剂或有机酸中的至少一种；
其中，所述植物源淋洗剂选自甜菜渣或瓜蒌皮的水性提取液或有机物提取液；
所述微生物源淋洗剂选自污水处理厂污泥经破壁离心后的胞外聚合物EPS 溶液。
本发明的有益效果在于：本发明所提供的重金属农田的治理方法，可去除土壤中Pb、Cd、Ni、Cu、Hg、Ti和Zn，土壤修复效率高，且不会影响农田的耕作性能，处理后的农田土壤结构完整，水肥气热性能稳定，对保护粮食安全具有重大的意义。并且在实际的治理过程中无需多次处理和长期监控，处理成本相对较低，每亩地大概在300～40000元之间。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式予以说明。
重金属污染农田的治理方法，包括在所述重金属污染农田表面喷淋处理剂的步骤；
以及在农田淋洗后对尾水进行收集和处理的步骤；
所述处理剂包括植物源淋洗剂、微生物源淋洗剂、表面活性剂或有机酸中的至少一种；
其中，所述植物源淋洗剂选自甜菜渣或瓜蒌皮的水性提取液或有机物提取液；
所述微生物源淋洗剂选自污水处理厂污泥经破壁离心后的胞外聚合物EPS 溶液。
其中，所述重金属污染农田选自受Pb、Cd、Ni、Cu、Hg、Ti、Zn中至少一种重金属污染的农田；所述有机物选自甲醇、乙醇等低毒性溶剂；所述有机酸选自酒石酸、草酸、苹果酸、柠檬酸、水杨酸、咖啡酸中的至少一种；所述表面活性剂选自十二烷基苯磺酸和木质素磺酸钾。
具体的，所述植物源淋洗剂的制备方法为：将甜菜渣或瓜蒌皮破碎至粒径 1mm以下，并按固液比1:1～50进行沸水提取2～24h，滤除固形物获得水性提取液，即植物源淋洗剂；或将甜菜渣或瓜蒌皮浸泡在75％乙醇中，萃取1～24h，离心分离后，滤除固形物获得有机物提取液。
所述微生物淋洗剂的制备方法为：取污水处理厂污泥于高速离心管中，在 25℃下，以6000rpm转速离心10～15min后，去除固体杂质，取上清液以纯水清洗2～3次后，重悬浮至0.5～10mM NaOH溶液中，在200rpm，25℃摇床中振荡培养1h后，在8000rpm条件下离心15min，取上清液经聚醚砜树脂(PES)滤膜过滤后，获得胞外聚合物EPS溶液，即微生物源淋洗剂。
其中，所述处理剂包括植物源淋洗剂、微生物源淋洗剂、表面活性剂或有机酸中的至少一种；示例性地，处理剂为植物源淋洗剂和表面活性剂的组合，植物源淋洗剂、微生物源淋洗剂和表面活性剂的组合，或微生物源淋洗剂和表面活性剂的组合。同时，当重金属污染农田的耗碱量偏多时，也可以在前述组合的基础上进一步添加有机酸，以通过有机酸中和土壤碱性的同时，利用有机酸与重金属的络合配位或阳离子-π作用以带走土壤中的重金属。
甜菜渣和瓜蒌皮的水性提取液或有机物提取液本身呈酸性，并且其含有大量含有羧基、碳基和羟基等有机物，因此其能够有效活化土壤中重金属的同时，可有效将土壤中的重金属析出，而使重金属与淋洗液一起洗出，从而降低土壤的重金属含量。取自污水处理厂的污泥提取得到微生物源淋洗液EPS蛋白质组分中，包括COOH,—NH2,—CH2—,—OH及—C＝O官能团含有大量疏水和亲水性基团,可通过络合作用、离子交换、螯合等多种作用与重金属发生强结合。因此当其喷淋于重金属污染农田时，能有效将重金属从土壤中分离以降低土壤中重金属含量。原则上所述有机酸可与前述组合以任意比例混合。在实际中有机酸的添加量应以土壤的pH进行考量，以确保淋洗后土壤pH维持在5.5～7.5。
其中，所述淋洗的淋洗周期＜2d。
进一步地，所述喷淋处理剂为以浇灌、滴灌或喷灌方式将所述处理剂施用在所述重金属污染农田的表面。优选采用滴灌。具体使用方式可采用市售的水肥一体机或手持式喷雾罐等将处理剂淋洗在农田的表面。
优选地，在所述喷淋处理剂的过程中，水流流速为0.5～5m/d，液固比为1～20。在此条件下可使淋洗剂及有机酸与农田中重金属污染物结合并反应，同时促进淋洗剂将重金属污染物从土壤中洗出，从而降低土壤中的重金属含量，进而实现重金属污染农田的治理。
其中，所述液固比是以体积计算获得的，固体的体积以耕作成的高度取 20～30cm，并按土地面积与耕作层层高的乘积计算获得。
在此实施方式中，由于淋洗液可从土壤中流出，因此实现将土壤中的重金属污染物从土壤中带出，以降低土壤中重金属污染物的含量，但是由淋洗液和重金属污染物所混合形成的尾水依然容易对附近水域造成污染，因此需要在喷淋处理剂后对尾水进行收集的步骤。具体为将尾水处理系统接入重金属污染农田的排水沟的下游位置。此时汇集在排水沟中的尾水通过尾水处理系统所收集，从而避免尾水流入附近水域中造成附近水域的污染。
在一种实施方式中，所述尾水处理系统包括依次设置的栅格板和处理结构，所述处理结构中填充有净化填料。
其中，所述栅格板原则上可以无限放大，可保证污水处理量为1～1000m3/h 均可。进口形状可以是矩形或圆形，优选为圆形，其进口截面积优选为0.1～0.3m2，栅格板的材料可根据实际的造价需求或自然条件进行选择，如不锈钢、PV、PVC 等。
进一步地，所述净化填料为滤料、秸秆、碎石、贝壳类物质和PP棉中的至少一种。其中所述贝壳类物质选自牡蛎壳；所述滤料为PV。
在此实施方式中，所述栅格板用于将尾水中的悬浮物截留，如叶片、大颗粒杂质等。所述净化填料用于吸附尾水中重金属污染物，从而使从净化填料中滤出的水符合国家排放要求，进而避免尾水污染农田附近水域，造成二次污染的情况发生。
所述净化填料选自滤料、秸秆、碎石、贝壳类物质和PP棉中的至少一种，示例性地，所述净化填料为滤料、秸秆、碎石、贝壳类物质或PP棉，或所述净化填料为滤料、秸秆和碎石的组合，秸秆与贝壳类物质的组合，碎石和贝壳类物质的组合，秸秆与PP棉的组合，碎石与PP棉的组合，秸秆、碎石、PP棉的组合，或滤料、秸秆、碎石、贝壳类物质和PP棉的组合。在此实施方式中，优选为第一段(靠近进水口)为秸秆与碎石以体积比为1～5:1混合，第二段为滤料，第三段(靠近出水口)为牡蛎壳或PP棉，其中所述牡蛎壳直径小于5mm。通过此种设计可在处理装置内形成过滤精度从进水口至出水口逐渐减小的多层过滤结构，从而有效提高对尾水的处理质量。
实施例1
重金属污染农田的治理方法，包括如下步骤：
S1、在重金属污染的农田表面浇灌处理剂，所述处理剂为质量比为30:1的植物源淋洗剂和表面活性剂；
其中，所述表面活性剂为木质素磺酸钾；浇灌的参数为0.5～5m/d，液固比为1～20；所述植物源淋洗剂为水性提取液，所述水性提取液的制备方法为：将甜菜渣破碎至粒径1mm以下，并按固液比1:1进行沸水提取2h，滤除固形物获得水性提取液，即植物源淋洗剂；
S2、在所述重金属污染的农田的排水沟的下游接入尾水处理系统，所述尾水处理系统包括栅格板和处理装置；
其中，所述处理装置中净化填料由秸秆、碎石和牡蛎壳组成，具体为第一段(靠近进水口)为PV滤料，第二段为秸秆与碎石以体积比为5:1混合，第三段(靠近出水口)为牡蛎壳，其中所述牡蛎壳直径小于5mm。
实施例2
重金属污染农田的治理方法，与实施例1的区别在于，所述植物源淋洗剂为乙醇提取液，所述乙醇提取液的制备方法为：将瓜蒌皮浸泡在75％乙醇中，萃取6h，离心分离后，滤除固形物获得有机物提取液。
实施例3
重金属污染农田的治理方法，与实施例1的区别在于，所述处理剂还包括有机酸，所述有机酸为柠檬酸。
实施例4
重金属污染农田的治理方法，与实施例1的区别在于，所述处理剂为质量比为20:1的微生物源淋洗剂和表面活性剂，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠，其中所述微生物源淋洗剂的方法制备为：取污水处理厂污泥于高速离心管中，在25℃下，以6000rpm转速离心15min后，去除固体杂质，取上清液以纯水清洗2～3次后，重悬浮至0.5mM NaOH溶液中，在200rpm，25℃摇床中振荡培养1h后，在8000rpm条件下离心15min，取上清液经聚醚砜树脂(PES)滤膜过滤后，获得胞外聚合物EPS溶液，即微生物源淋洗剂。
实施例5
重金属污染农田的治理方法，与实施例4的区别在于，所述处理剂还包括有机酸和植物源淋洗剂，所述植物源淋洗剂与实施例1相同，有机酸为柠檬酸。
对比例1
重金属污染农田的治理方法，与实施例1的区别在于，所述处理剂如专利文件201910289670.2的实施例1的水稻土重金属淋洗剂。
对比例2
重金属污染农田的治理方法，与实施例4的区别在于，所述微生物源淋洗剂如专利文件202110613157.1的实施例的有机酸微生物联合淋洗剂。
检测例1
将重金属污染的农田(镉和铅)分别分为5块实验田和2块对比实验田，并分别以实施例1至5所记载的重金属污染农田的治理方法处理试验田，以及以对比例1和2所记载的重金属污染农田的治理方法处理对比试验田，其中有机酸的添加量均为0.1mol/L，分别记录农田淋洗前和淋洗后的数据，检测结果如表1所示。
表1
综上所述，本发明提供一种重金属污染农田的治理方法，可去除土壤中Pb、 Cd、Ni、Cu、Hg、Ti和Zn，土壤修复效率高，且不会影响农田的耕作性能，处理后的农田土壤结构完整，水肥气热性能稳定，对保护粮食安全上具有重大的意义。并且在实际的治理过程中无需多次处理和长期监控，处理成本相对较低，每亩地大概在300～40000元之间。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.重金属污染农田的治理方法，其特征在于，包括在所述重金属污染农田表面喷淋处理剂的步骤；
以及在农田淋洗后对尾水进行收集和处理的步骤；
所述处理剂包括植物源淋洗剂、微生物源淋洗剂、表面活性剂或有机酸中的至少一种；
其中，所述植物源淋洗剂选自甜菜渣或瓜蒌皮的水性提取液或有机物提取液；
所述微生物源淋洗剂选自污水处理厂污泥经破壁离心后的胞外聚合物EPS溶液。
2.根据权利要求1所述重金属污染农田的治理方法，其特征在于，所述喷淋处理剂为以浇灌、滴灌或喷灌方式将所述处理剂喷淋在所述重金属污染农田的表面。
3.根据权利要求1所述重金属污染农田的治理方法，其特征在于，在所述喷淋处理剂的过程中，水流流速为0.5～5m/d。
4.根据权利要求1所述重金属污染农田的治理方法，其特征在于，在所述喷淋处理剂的过程中，液固比为1～20。
5.根据权利要求1所述重金属污染农田的治理方法，其特征在于，所述有机酸为酒石酸、草酸、苹果酸、柠檬酸、水杨酸、咖啡酸中的至少一种。
6.根据权利要求1所述重金属污染农田的治理方法，其特征在于，所述尾水进行收集的步骤具体为：将尾水处理系统接入重金属污染农田的排水沟的下游位置。
7.根据权利要求6所述重金属污染农田的治理方法，其特征在于，所述尾水处理系统包括依次设置的栅格板和处理结构，所述处理结构中填充有净化填料。
8.根据权利要求7所述重金属污染农田的治理方法，其特征在于，所述净化填料为滤料、秸秆、碎石、贝壳类物质和PP棉中的至少一种。
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