CN102553903A - 一种修复重金属污染土壤的方法 - Google Patents

Abstract

一种修复重金属污染土壤的方法，步骤如下：选择土壤养分和有机质含量较低的重金属污染土壤进行修复；种植修复植物伴矿景天；待到植物长至株高5~10cm时，在植物根圈区分别添加有机废弃物和生物表面活性剂；每隔60d，重复向土壤施加一次生物表面活性剂；修复植物成熟后，收获地上和地下部分，集中处理；测定土壤重金属含量。通过投加工农业有机废弃物，提高土壤养分和有机质含量，促进植物生长以及根系分泌物的增加，进而增加重金属在植物地下根部和地上茎叶中积累以及根际土壤微生物数量。而通过生物表面活性剂将重金属从土壤颗粒上解吸下来，提高重金属的生物有效性。

Description

一种修复重金属污染土壤的方法

 

技术领域

本发明涉及污染环境修复技术领域，尤其涉及一种利用工农业有机废弃物和生物表面活性剂强化修复重金属污染土壤的方法。

 

背景技术

重金属污染来源广泛，污染性强且难以控制。进入土壤中的重金属不能被微生物分解且在土壤中长期积累，有些被农作物吸收后最终通过食物链作用进入人体，存在一定的生态风险。目前，我国受镉、砷、铅等重金属污染的耕地面积近千万公顷，约占总耕地面积的1/5。每年呗重金属污染的粮食多达千万吨，进而造成巨大的经济损失。因此，对我们重金属污染土壤进行控制和治理是环境保护领域里亟待解决的重要问题之一。

植物修复技术是一种绿色修复技术，具有投资低，操作简单，无二次污染，可用于大面积的污染治理等优点。但是，土壤养分、气候、温度和污染物生物有效性低等各种原因，以及超积累植物生物量普遍较低，生长缓慢，植物修复效率有限，因此，需要在植物修复基础上，采取一些强化措施来提高其效率。

工农业有机废弃物的种类很多，养殖业的有机废弃物主要是鸡粪、猪粪、牛粪等畜禽***物；造纸业主要是树皮，芦苇末和废纸浆；种植业主要稻壳、菇渣、玉米芯、秸秆和棉籽壳等。随着生产水平的提高，我国目前各种工农业有机废弃物排放量逐渐增加，给环境带来了直接和间接的损害和污染，且由于有机废弃物中含有大量的有机物质和营养元素而造成资源的浪费。有机废弃物经堆肥发酵等处理后施用对土壤理化性质和植物生长具有良好的作用。研究表明，有机废弃物(糠醛渣、羊粪、玉米秸秆、菜籽饼) 经高温发酵处理后按不同容积比施用对土壤理化性质和作物产量有良好的影响，土壤质量（总孔隙度、团粒结构、贮水量、土壤有机质、碱解N、速效P、速效K、CEC）以及农作物产量和品质均有不同程度的增加。针对重金属污染土壤养分和有机质含量较低，植物生长速度慢，修复效率低；土壤微生物活性和数量也较低，间接影响重金属离子的活化过程等问题，我们向土壤中添加养分和有机质含量丰富的工农业有机废弃物，从而有效刺激植物生长和土壤微生物数量和活性的增加。目前，工农业有机废弃物在重金属污染土壤植物修复领域的应用少见报道。

 

发明内容

解决的技术问题：本发明的目的是提供一种利用工农业有机废弃物和生物表面活性剂强化修复重金属污染土壤的方法。本方法能够大大提高植物吸取重金属效率，且具有环境友好、无二次污染、经济和可操作性强等特点。

技术方案：一种修复重金属污染土壤的方法，步骤如下：

（1）选择土壤养分和有机质含量较低的重金属污染土壤进行修复；所选择土壤的养分速效氮含量小于200 mg/kg，速效磷含量小于50 mg/kg，速效钾含量低于150 mg/kg，土壤有机质含量低于20 g/kg；

（2）种植修复植物伴矿景天；

（3）待到植物长至株高5~10 cm时，在植物根圈区分别添加有机废弃物和生物表面活性剂；所述有机废弃物为发酵牛粪、造纸干粉或菇渣，施加量为发酵牛粪0.5%~2%wt，造纸干粉0.05% ~0.5%wt，菇渣1%~3%wt；所述的生物表面活性剂，由鼠李糖脂产生菌铜绿假单胞菌液体发酵所得，按照0.03 g/kg~0.06 g/kg添加量均匀的喷洒于土壤中；

（4）每隔60 d，重复向土壤施加一次生物表面活性剂；

（5）修复植物成熟后，收获地上和地下部分，集中处理；

（6）测定土壤重金属含量。

步骤（2）中，所述修复植物为伴矿景天，种植的垄宽为1.0 ~ 1.2 m，垄长为15 ~ 20 m，植物行间距为0.2 ~ 0.3 m，株距为0.10 ~ 0.15 m，每垄种植3 ~ 4行。

步骤（3）中，所述有机废弃物施加方式：在植物根圈直径5~25 cm范围，深度为5~10 cm的土层处施加，且与土壤搅拌均匀。 

所述修复植物伴矿景天的生长期选择在150 ~ 180 d。

有益效果：

本发明的优点在于：通过投加工农业有机废弃物，提高土壤养分和有机质含量，促进植物生长以及根系分泌物的增加，进而增加重金属在植物地下根部和地上茎叶中积累以及根际土壤微生物数量。而通过生物表面活性剂将重金属从土壤颗粒上解吸下来，提高重金属的生物有效性。

根据实验结果，有机废弃物添加量分别为发酵牛粪0.5%~2%（质量分数），造纸干粉0.05% ~0.5%（质量分数），菇渣1%~3%（质量分数），有机废弃物为土壤提供丰富的养分和有机质，但由于重金属与土壤腐殖质含量有密切关系，土壤有机碳含量增加后，其对重金属的吸附能力也相应增加，所以，有机废弃物的含量不能无限增加。鼠李糖脂的最佳添加量为0.03 g/kg~0.06 g/kg，这主要由该物质的临界胶束浓度（CMC）所决定的，鼠李糖脂的临界胶束浓度为250 mg，由文献和本实验结果来看，投加浓度在1CMC以上，不仅会有效促进重金属从土壤颗粒上解吸附，还会促进植物生长。同时，从投加成本考虑，并不是投加量越高越好，综合修复成本与实验效果，鼠李糖脂的最佳添加量为0.03 g/kg ~ 0.06 g/kg。与对照相比，种植植物添加有机废弃物和生物表面活性剂后，供试土壤中重金属浓度不同程度降低，其去除率达到9.8%~30.1%。这一结果表明将有机废弃物中养分和有机质有效刺激植物生长和微生物活性增加，以及生物表面活性剂将重金属从土壤颗粒解吸附的修复机理，促进了重金属从土壤中转移到植物地上部分，是一种理想的、低成本的、环保友好型的联合修复方法。

 

附图说明

图1 不同处理土壤重金属镉含量 [处理1：植物；处理2：植物+发酵牛粪(5 g)；处理3：植物+发酵牛粪(10 g)；处理4：植物+发酵牛粪(5 g)+鼠李糖脂(2 g)；处理5：植物+发酵牛粪(10 g)+鼠李糖脂(2 g)]；

图2 不同处理土壤重金属镉含量[处理1：植物；处理2：植物+造纸干粉(1 g)；处理3：植物+造纸干粉(2 g)；处理4：植物+造纸干粉(1 g) +鼠李糖脂(1 g)；处理5：植物+造纸干粉(2 g)+鼠李糖脂(1 g)]；

图3 不同处理土壤重金属镉含量 [处理1：植物；处理2：植物+菇渣(10 g)；处理3：植物+菇渣(20 g)；处理4：植物+菇渣(10 g)+鼠李糖脂(2 g)；处理5：植物+菇渣(20 g)+鼠李糖脂(2 g)]；

具体实施方式

实施例1：

在重金属镉含量1.02 mg/kg的污染土壤，土壤的养分速效氮含量154.5 mg/kg，速效磷含量23 mg/kg，速效钾含量85 mg/kg，土壤有机质含量7.8 g/kg；以穴播方式种植伴矿景天，种植行距为0.3 m，株距为0.15 m，当植物成活后按照普通农作物的管理方法进行管理；待植物生长至株高10 cm时，在伴矿景天根圈直径25 cm范围，向土壤中施加发酵牛粪10 g，混合均匀后再向土壤中施加 0.5 L 浓度为4 g/L鼠李糖脂发酵液，混合均匀后覆土2 cm左右，每隔60d重复向土壤中施加 0.5 L 浓度为4 g/L鼠李糖脂发酵液，混合均匀。培养180 d后采集土壤样品，并分析土壤中重金属镉含量变化，评价修复效果。

180 d后，土壤重金属镉含量数据见图1所示，其中，单独植物修复（处理1）的重金属镉含量降低至0.908 mg/kg，种植植物同时添加发酵牛粪（处理3）后土壤重金属镉含量为0.755 mg/kg，同时添加发酵牛粪和鼠李糖脂（处理5）后土壤重金属镉含量为0.713 mg/kg，强化措施（处理3和5）比单独植物修复效率分别提高了137%和174%。

 

实施例2：

在重金属镉含量1.87 mg/kg的污染土壤，土壤的养分速效氮含量129.1 mg/kg，速效磷含量45 mg/kg，速效钾含量114 mg/kg，土壤有机质含量12 g/kg；以穴播方式种植伴矿景天，种植行距为0.3 m，株距为0.2 m，当植物成活后按照普通农作物的管理方法进行管理；待植物生长至株高10 cm时，在伴矿景天根圈直径20 cm范围，向土壤中施加造纸干粉2 g，同时，向土壤中施加0.25 L浓度为4 g/L鼠李糖脂发酵液，混合均匀后覆土2 cm左右，每隔60 d重复向土壤中施加0.25 L浓度为4 g/L鼠李糖脂发酵液，混合均匀。培养180 d后采集土壤样品，并分析土壤中重金属镉含量变化，评价修复效果。

180 d后，土壤重金属镉含量数据见图2所示，其中，单独植物修复（处理1）的重金属镉含量降低至1.75 mg/kg，种植植物同时添加造纸干粉（处理3）后土壤重金属镉含量为1.61 mg/kg，同时添加造纸干粉和鼠李糖脂（处理5）后土壤重金属镉含量为1.45 mg/kg，强化措施（处理3和5）比单独植物修复效率分别提高了117%和250%。

 

实施例3：

在重金属镉含量2.55 mg/kg的污染土壤，土壤的养分速效氮含量81.1mg/kg，速效磷含量33 mg/kg，速效钾含量84 mg/kg，土壤有机质含量低于8.3 g/kg；以穴播方式种植伴矿景天，种植行距为40 cm，当植物成活后按照普通农作物的管理方法进行管理；待植物生长至株高12 cm时，在伴矿景天根圈直径20 cm范围，向土壤中施加双孢菇菇渣20 g，同时，向土壤中施加0.5 L浓度为4 g/L鼠李糖脂发酵液，混合均匀后覆土2 cm左右，每隔60d重复向土壤中施加 0.5 L 浓度为4 g/L鼠李糖脂发酵液，混合均匀。培养180 d后采集土壤样品，并分析土壤中重金属镉含量变化，评价修复效果。

180 d后，土壤重金属镉含量数据见图3所示，其中，单独植物修复（处理1）的重金属镉含量降低至2.41mg/kg，种植植物同时添加菇渣（处理3）后土壤重金属镉含量为2.27 mg/kg，同时添加菇渣和鼠李糖脂（处理5）后土壤重金属镉含量为2.18 mg/kg，强化措施（处理3和5）比单独植物修复效率分别提高了100%和164%。

 

表面活性剂主要通过与土壤中重金属离子络合以及降低表面张力两种方式来降低土壤和重金属的粘附性，从而有助于络合物从土壤颗粒上分离进入表面活性剂的胶束中。与化学表面活性剂相比，生物表面活性剂鼠李糖脂，除具备表面活性剂的特性，还具有环境友好、无二次污染和经济等特点，在环境修复领域具有很大的潜在应用前景。此外，鼠李糖脂在一定浓度范围内可以促进植物生长。

本发明通过有机废弃物改善土壤孔隙度、团聚体结构和有机质含量等理化性质，通过增加养分促进植物生长，提高植物修复效率，养分和植物根际分泌物的增加，进一步提高根际土壤微生物数量和代谢活性，增加其对重金属生物有效态的转化。有机废弃物中的腐殖质对重金属也有一定的吸附作用，可有效减弱土壤中重金属的迁移性。通过表面活性剂的添加，进一步提高重金属离子从土壤颗粒解吸附下来。

Claims (4)

1.一种修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，步骤如下：

（1）选择土壤养分和有机质含量较低的重金属污染土壤进行修复；所选择土壤的养分速效氮含量小于200 mg/kg，速效磷含量小于50 mg/kg，速效钾含量低于150 mg/kg，土壤有机质含量低于20 g/kg；

（2）种植修复植物伴矿景天；

（3）待到植物长至株高5~10 cm时，在植物根圈区分别添加有机废弃物和生物表面活性剂；所述有机废弃物为发酵牛粪、造纸干粉或菇渣，施加量为发酵牛粪0.5%~2%wt，造纸干粉0.05% ~0.5%wt，菇渣1%~3%wt；所述的生物表面活性剂，由鼠李糖脂产生菌铜绿假单胞菌液体发酵所得，按照0.03 g/kg~0.06 g/kg添加量均匀的喷洒于土壤中；

（4）每隔60 d，重复向土壤施加一次生物表面活性剂；

（5）修复植物成熟后，收获地上和地下部分，集中处理；

（6）测定土壤重金属含量。

2.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述修复植物为伴矿景天，种植的垄宽为1.0 ~ 1.2 m，垄长为15 ~ 20 m，植物行间距为0.2 ~ 0.3 m，株距为0.10 ~ 0.15 m，每垄种植3 ~ 4行。

3.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染土壤的方法，其特征在于，步骤（3）中，所述有机废弃物施加方式：在植物根圈直径5~25 cm范围，深度为5~10 cm的土层处施加，且与土壤搅拌均匀。

4.根据权利要求1所述的一种修复重金属污染土壤的方法，其特征在于所述修复植物伴矿景天的生长期选择在150 ~ 180 d。

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