CN115491207A - 一种土壤修复改良方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种土壤修复改良方法，包括利用生物表面活性剂调控巴氏芽孢杆菌诱导矿化产物生物碳酸钙的晶相，使其由方解石转变为球霰石。利用制备生物碳酸钙后的滤液与磷酸活化后的生物炭、氧化镁等制备生物炭/磷酸铵镁复合材料，然后将生物碳酸钙和生物炭/磷酸铵镁复合材料先后施加到受有害金属元素污染的矿区周边土壤中。本发明工艺简单、成本低、无二次污染，兼具修复和改良重金属/稀土元素污染矿区周边土壤的作用。

Description

一种土壤修复改良方法
技术领域
本发明属于土壤修复改良领域，具体涉及一种土壤修复和改良方法。
背景技术
矿产资源是人类生存和发展的重要物质基础，但在其开采利用过程中会对环境带来了较为严重的负面影响。主要表现为：采矿废水和选矿废液的直接排放，以及废石和尾矿矿渣的堆放和淋滤，导致矿区周边土壤积累大量的有害金属元素，威胁动植物和人类健康的同时导致土壤严重退化、作物减产，因此寻求一种有效修复和改良矿区周边受污染土壤的技术迫在眉睫。
目前矿区有害金属元素污染土壤的修复方法主要有材料稳定化技术、植物修复技术、微生物修复技术等。因西北地区干旱少雨，土壤贫瘠且盐碱化严重，使得植物修复难以在该地区推广应用。吸附材料稳定化技术和微生物改良技术具有成本低、绿色无污染的优势，在该地区土壤修复改良中展现了较好的应用前景。
微生物诱导碳酸盐沉积(microbially induced carbonate precipitation，MICP)技术因兼具稳定化和微生物修复的双重作用，是近年来土壤修复领域的研究热点，其原理是通过微生物产生的脲酶水解尿素，改变体系的酸碱度，产生碳酸盐离子，然后在钙源存在时发生CaCO3沉淀，其形成的矿化产物碳酸钙(CaCO3)可通过吸附、沉淀转化和释放碳酸根离子三种机理稳定污染土壤中的有害金属，有效降低有害金属在土壤中的迁移性。因巴氏芽孢杆菌相比于其他菌株具有更高的脲酶活性，因此，MICP技术使用的主要菌种是巴氏芽孢杆菌。在该技术的土壤修复应用中，目前主要应用方法是将菌剂、尿素和氯化钙直接添加至土壤中，因钙离子与土壤中的金属离子具体较强的离子交换性，因此，直接添加氯化钙会增加土壤中有害金属元素的解吸，此外，尿素分解产生的氨会与铜离子形成络合物，增强其迁移性，过多的氨也会逸散到空气中造成二次污染，使得该技术在土壤修复应用中大大受限。
而且，MICP技术诱导产物为方解石型碳酸钙。球霰石和方解石属于碳酸钙晶体的不同晶相，相比于方解石，球霰石往往具有中空或多孔结构，微纳米的颗粒尺寸，以及具有较高的亲水性、比表面积和生物兼容性，添加到土壤中对有害金属元素具有更强的吸附稳定性能。因此，有必要开发调控巴氏芽孢杆菌诱导产生碳酸钙晶型由方解石转变为球霰石的方法。
此外，在矿区周边土壤往往存在土壤退化严重和土壤贫瘠的问题，以致植被恢复受限，粮食作物减产。在解决土壤退化的方法中，改良剂的添加是修复退化土壤、快速改善土壤环境的有效举措之一。但向土壤中添加单一的材料往往不具备实现双重或多重的修复改良效果，需要添加多种材料才能达到目的。生物炭作为一种土壤修复改良剂被广泛应用在重金属污染土壤的修复和改良中，但因生物炭会提高土壤pH，以致难以在西北地区的碱性土壤推广应用。磷酸铵镁作为一种肥料，添加到土壤中可提高土壤的肥力，促进植物的生长。基于上述，本发明的思路是采用MICP技术诱导产生碳酸钙，通过添加生物表面活性剂来调控其晶型，使其由方解石转变为球霰石，通过过滤分离获得生物碳酸钙。在此基础上，采用磷酸活化生物质制备多孔生物炭，提高其吸附性能的同时中和其表面碱性，然后添加至MICP滤液中，通过添加氧化镁来合成磷酸铵镁，将分离后的生物碳酸钙、生物炭/磷酸铵镁复合材料添加到土壤中，控制有害金属元素迁移的同时达到增加土壤酶活性和增肥(可为土壤提供C、N、P源)的目的。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种土壤修复改良方法，包括以下步骤：
(1)将巴氏芽孢杆菌接种至经过高压灭菌的培养基中，然后加入灭菌后的生物表面活性剂、氯化钙、尿素，经一定温度和转速的摇床培养，过滤得到沉淀物和滤液，将所述沉淀物烘干、研磨后获得生物碳酸钙；
(2)将秸秆制成的秸秆粉末与磷酸溶液均匀混合进行活化处理，混合物在一定热解温度的管式炉中进行热解后，将热解产物加入到步骤(1)的所述滤液中，并用氧化镁调节pH值，充分混合搅拌反应后过滤获得生物炭/磷酸铵镁复合材料；
(3)将所述生物碳酸钙施加到土壤中，然后搅拌均匀所述土壤；
(4)将所述生物炭/磷酸铵镁复合材料施加到所述土壤中，再次搅拌均匀所述土壤；
(5)每间隔一段时间搅拌所述土壤，重复搅拌多次。
作为优选方案，所述培养基成分为：糖蜜15g/L、份蛋白胨10g/L、氯化钠10g/L、磷酸氢二钾0.5g/L。
作为优选方案，所述生物表面活性剂为槐糖脂或鼠李糖脂或海藻糖脂,浓度为1～2×10-3mol/L。
作为优选方案，所述磷酸溶液的浓度为40％～60％；热解温度为600℃～800℃。
作为优选方案，所述秸秆包括葵花秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆中的一种或多种。
作为优选方案，所述时间为5～10天，所述步骤重复搅拌次数为3～5次。
由此，本发明的土壤改良方法至少具有如下有益效果：
1、本发明将生物表面活性剂应用于微生物诱导碳酸盐沉积技术，使得巴氏芽孢杆菌的主要产物变为球霰石的同时，还增加了CaCO3中有机组分的含量，形成无机—有机杂化结构，绿色环保、无二次污染，而且生物表面活性剂有丰富的官能团，掺杂在碳酸钙中可增强其对有害金属元素的吸附性。本发明的生物碳酸钙制备方法工艺简单、可原位钝化土壤有害金属元素，对土壤的修复力强，其持效时间强。
2、本发明将单独制备的生物碳酸钙应用于土壤修复，既避免了现有技术在土壤中直接添加微生物、尿素和氯化钙时，氯化钙和尿素水解产生的氨等造成的问题，又使得利用尿素水解产生的氨制备生物炭/磷酸铵镁复合材料成为可能，提高资源利用率、节约成本。
3、本发明将磷酸活化后的生物炭、生物碳酸钙阶段产生的滤液以及氧化镁铵一定比例进行混合反应，制备出生物炭负载磷酸铵镁复合材料，具有以下突出优点：(1)利用制备生物碳酸钙后剩下的滤液中的氨为磷酸铵镁的制备提供氨离子，提高了对氨的利用、降低了成本；(2)利用了磷酸活化生物质制备多孔生物炭，增加生物炭的空隙结构，使其具有更好的吸附效果，并能更好的改善土壤结构，提高土壤水肥利用效率；(3)磷酸活化生物质后转变为热法磷酸，作为磷酸铵镁的磷源，提高了对磷酸的利用、降低了成本，且节省了混合生物炭和磷酸铵镁的步骤。
附图说明
图1a为化学合成碳酸钙。
图1b为根据本发明的土壤改良方法添加槐糖脂制备的生物碳酸钙。
图2a为根据本发明的土壤改良方法未添加生物表面活性剂制备的生物碳酸钙SEM图。
图2b为根据本发明的土壤改良方法添加槐糖脂制备的生物碳酸钙SEM图。
图2c为根据本发明的土壤改良方法添加鼠李糖脂制备的生物碳酸钙SEM图。
图3为根据本发明的土壤改良方法添加不同浓度槐糖脂制备的生物碳酸钙XRD图。
图4a为普通生物炭的SEM图。
图4b为根据本发明的土壤改良方法制备的生物炭/磷酸铵镁复合材料的SEM图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
配制培养基，培养基成分为糖蜜15g/L、蛋白胨10g/L、氯化钠10g/L、磷酸氢二钾0.5g/L，经高压灭菌后，分装至不同三角瓶中，然后在超净工作台加入灭菌后的生物表面活性剂、氯化钙和尿素，于30℃、150rpm的摇床中培养，培养7天后过滤得到沉淀物和滤液，将滤液储存备用，将沉淀烘干、研磨，将研磨后的生物碳酸钙装入样品袋，做好标记。添加生物表面活性剂用于作为模板剂，调控碳酸钙的形貌和晶型。
图1中根据本发明的方法制备的生物碳酸钙，槐糖脂的添加浓度为1×10-3mol/L。
如图2所示，添加生物表面活性剂槐糖脂、鼠李糖脂后，碳酸钙的形貌明显的呈现球状，符合球霰石型碳酸钙的形貌特征。
图3的XRD图谱示出了上述不同浓度槐糖脂制备的生物碳酸钙中方解石和球霰石的强度图，可以看出在不添加槐糖脂的条件下，生物碳酸钙的主要衍射峰在2θ/(°)＝24.8°，29.28°，39.34°，43.74°，55.76°，此条件下的此条件下的主要晶型为方解石(Calcite)；在2×10-3mol/L浓度槐糖脂的条件下，生物碳酸钙主要衍射峰在2θ/(°)＝24.78°，26.96°，32.66°，43.74°，49.9°，此条件下的主要晶型为球霰石(Vterite)。此外，从图中也可看出，在1×10-3mol/L浓度槐糖脂的条件下的主要晶型也为球霰石(Vterite)。经过对比发现，碳酸钙晶型由方解石逐渐转变为球霰石，表明，槐糖脂可调控生物碳酸钙的晶型，有利于球霰石碳酸钙的生成。
取玉米秸秆(也可以是葵花秸秆、小麦秸秆等类似的秸秆)洗净、自然风干、粉碎后过100目筛，得到供试秸秆粉末装袋备用。取定量的玉米秸秆粉末与40％磷酸溶液等重量混合进行活化处理，混合物在管式炉中600℃限氧环境下热解2h，得到热解产物，将热解产物按一定比例加入到前述生物碳酸钙制备后储存的滤液中，并用轻质氧化镁调节pH维持在9左右，充分混合、搅拌一段时间，过滤获得生物炭/磷酸铵镁复合材料(BC/P)。此后，使用扫描电镜(SEM)对生物炭/磷酸铵镁复合材料(BC/P)形貌进行表征，如图4所示，负载磷酸铵镁后，生物炭表面出现了聚集的磷酸铵镁颗粒，且生物炭仍具有发达的空隙结构。
在另一实施例中，取定量的玉米秸秆粉末与60％磷酸溶液等重量混合进行活化处理，混合物在管式炉中700℃限氧环境下热解2h。
在另一实施例中，取定量的玉米秸秆粉末与50％磷酸溶液等重量混合进行活化处理，混合物在管式炉中800℃限氧环境下热解2h。
需要说明的是，生物碳酸钙制备过程中脲酶水解尿素产生了大量NH4 +，因此，最后过滤获得的滤液中包含大量的NH4 +，这些NH4 +与氧化镁和磷酸等反应生成磷酸铵镁。
本实施例土壤取自某矿区周边表层土壤，自然风干后，先初步剔除其中粗杂质，过100目筛备用。该土壤的pH为8.23，有机质为27.04％，Pb、Cd含量分别为604.65mg/kg、11.34mg/kg，可迁移态的含量为70.6mg/kg、3.08mg/kg；2种元素均已超过我国农田土壤环境质量标准风险筛选值(Pb、Cd分别为240mg/kg、0.8mg/kg)；稀土元素Ce、La含量分别为628.34mg/kg、438.69mg/kg；可迁移态的含量为122.38mg/kg、68.56mg/kg。
然后，将本发明的生物碳酸钙和生物炭/磷酸铵镁复合材料按照一定浓度比例施入到土壤中。本实施例设置5个处理组CK、M0、M20、M35、M50，其中CK组未添加任何土壤修复材料的空白对照组；M0组为现有技术对照组，直接将微生物、尿素和氯化钙按照一定比例添加在土壤中，添加浓度为20g/kg，混合培养一段时间；M20、M35、M50为添加了本发明的生物碳酸钙和生物炭/磷酸铵镁复合材料(BC/P)(二者合称“土壤修复改良剂”)实施例，添加浓度分别为20g/kg、35g/kg、50g/kg，具体步骤为：
1、将本发明的生物碳酸钙与污染土壤混合，充分搅拌均匀；
2、将与生物碳酸钙等重量的本发明的生物炭/磷酸铵镁复合材料(BC/P)施加到步骤1的土壤中，再次进行搅拌均匀；
3、隔5天搅拌一次，重复3次；
4、取样，将土样烘干磨细后备用。
其中，搅拌的间隔时间和多次重复是为了生物碳酸钙和有害金属充分反应，理论上时间越长、重复次数越多反应越充分，但是从成本和效益考虑，经过试验，优选间隔时间为5-10天，重复搅拌次数为3～5次，既保证了生物碳酸钙有效处理有害金属，又不至于时间过长成本过高。
测定各处理组土壤重金属和稀土元素的有效态含量，并每隔一定时间测定土壤中酶活性，测定结果分别见表1、表2和表3。
Figure BDA0003810531840000041
表1各处理组有效态Pb、Cd含量
Figure BDA0003810531840000051
表2各处理组有效态Ce、La含量
Figure BDA0003810531840000052
表3各处理组酶活测试结果
结果分析：通过本发明的土壤修复改良方法，可有效降低土壤重金属的有效态Pb、Cd含量(见表1)；稀土元素Ce、La含量(见表2)，随着施加比例的增加，降低比例随之增加。因此，本发明的土壤修复改良方法具有降低土壤中重金属和稀土元素的迁移性和生物有效性等重要作用。此外，通过酶活数据(表3)可以看出，添加修复改良剂后，土壤中脲酶活性增强，过氧化氢活性一定程度降低，因此，本发明的土壤修复改良方法对土壤的增肥效果十分明显。
使用本发明的土壤修复改良方法后的土壤能够有效促进植株生长，以下进一步通过在土壤中种植植株，说明本发明的上述土壤修复改良方法的效果，包括以下步骤：
1、土壤处理：取前述CK、M20、M35、M50四个处理组培养后的土壤各1.5kg分别放入直径15cm、高20cm的花盆中，加适量的水平衡一周。
2、进行播种：将紫花苜蓿种子经消毒、催芽处理后，每个花盆中播种饱满一致的50粒种子，播种后盖土2cm，为保证实验过程中的土壤湿度，每天定时定量浇水，直至收获前一天。
3、收获：植株正常生长60天后收获，每盆选取5株具有代表性的植株测定其生长参数，包括植物地上部分的生物量，以及每株的株高、根长。
结果分析：经过60天的生长期，四个处理组对应花盆中的紫花苜蓿各指标不同程度增大，M50处理下的生物量中各指标达到最大值。相对于CK组，M20、M35、M50组的株高分别提高了60.63％，93.75％，143％，根长分别提高了47.27％，59.09％，61.81％，地上生物量分别提高了47.19％，50.56％，53.93％。表明通过本发明土壤修复方法获得的土壤修复改良剂可使紫花苜蓿发芽生长，对紫花苜蓿的株高、根长有显著促生作用，对植物的生物量增重较为明显。
因此本发明的土壤修复改良方法具有促进植物生长、有效提高植物的生物量等重要作用，解决改良土壤质量的问题，特别是在有害金属污染矿区周边土壤中具有良好的修复效果，具有长远的发展前景。

Claims (7)

1.一种土壤修复改良方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将巴氏芽孢杆菌接种至经过高压灭菌的培养基中，然后加入灭菌后的生物表面活性剂、氯化钙、尿素，经一定温度和转速的摇床培养，过滤得到沉淀物和滤液，将所述沉淀物烘干、研磨后获得生物碳酸钙；
(2)将秸秆制成的秸秆粉末与磷酸溶液均匀混合进行活化处理，混合物在一定热解温度的管式炉中进行热解后，将热解产物加入到步骤(1)的所述滤液中，并用氧化镁调节pH值，充分混合搅拌反应后过滤获得生物炭/磷酸铵镁复合材料；
(3)将所述生物碳酸钙施加到土壤中，然后搅拌均匀所述土壤；
(4)将所述生物炭/磷酸铵镁复合材料施加到所述土壤中，再次搅拌均匀所述土壤；
(5)每间隔一段时间搅拌所述土壤，重复搅拌多次。
2.根据权利要求1所述的土壤修复改良方法，其特征在于，所述培养基成分为：糖蜜15g/L、份蛋白胨10g/L、氯化钠10g/L、磷酸氢二钾0.5g/L。
3.根据权利要求1所述的土壤修复改良方法，其特征在于，所述生物表面活性剂为槐糖脂或鼠李糖脂或海藻糖脂，浓度为1～2×10-3mol/L。
4.根据权利要求1所述的土壤修复改良方法，其特征在于，所述磷酸溶液的浓度为40％～60％；热解温度为600℃～800℃。
5.根据权利要求1所述的土壤修复改良方法，其特征在于，所述氧化镁为轻质氧化镁。
6.根据权利要求1所述的土壤修复改良方法，其特征在于，所述秸秆包括葵花秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的土壤修复改良方法，其特征在于，所述时间为5～10天，所述重复搅拌次数为3～5次。
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