CN106914484A - 农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，包括以下步骤：（1）取发酵牛羊粪和改性沸石，以重量比2:1.4～1.6混合搅拌均匀，得到生态修复材料；（2）将所得生态修复材料以80～90㎏/666.7m²施入待修复土壤，施用方法可采用开沟施或蓬心土面撒施；（3）每次施用所述生态修复材料后的6～8天进行浇水。本发明生态修复方法在污染土壤调整改良、污染土壤呼吸强度、污染土壤淀粉酶、污染土壤过氧化氢酶、污染土壤蔗糖酶、污染土壤浸出液氨氮、污染土壤浸出毒性等方面都具有良好的效果。

Description

农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法

技术领域

本发明属于土壤修复技术领域，具体涉及一种尤其适用于黄淮海区域的农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法。

背景技术

近年来，在工业污染源不断得到有效控制之后，广大农村地区的面源污染问题凸现，已经成为我国未来环境污染控制的重点领域之一。农村固体废物包括农村生活垃圾、农业废物、农村乡镇企业生产（例如各类作坊）、畜牧养殖废物、林业废物、渔业废物、农村建筑废物等多个方面。农村固体废物是重要的环境污染源和疾病传播源，它以固态物质、渗出液态物质、释放气态物质以及传播疾病等方式污染环境，危害人体健康。随着农村经济的发展和农业结构与耕作方式的改变，农村固体废物呈现产生量增加、组分复杂化、污染程度加剧的趋势。在面源污染负荷中，农村固体废物占有重要比例，是最主要的环境污染、土壤污染和雨水径流水体污染的污染源。然而我国农村地区固体废物污染控制技术研究起步很晚，且重视程度不够，技术积累不多，实践经验缺乏。适合我国农村地区的固体废物污染控制体系尚在探索之中。我国正在开展新农村建设，迫切需要有关农村固体废物污染生态环境、污染土壤和污染径流水体的技术研发。

固体废弃物污染土壤具有如下特征：

1.含有高浓度有机污染物，以及氨氮、重金属等污染成分；

2.毒性较大，对生物体具有明显毒害作用；

3.致病病毒、细菌等含量高；

4.污染土壤对生态环境影响大，对人类生产、生存影响严重。

目前，污染土壤修复技术大体可分为物理修复、化学修复和生物修复三大类：

（1）物理修复：一般而言，物理修复技术主要基于污染物的物理特殊性，通过改性条件，实现将污染物从土壤中分离或去除的目标，主要的技术包括：基本物理分离、电磁分离和蒸汽气提。

（2）化学修复：化学修复可以分为原位化学修复和异位化学修复。原位化学修复（是在不将开挖土壤移走进行修复的技术，通常在现场将化学修复剂混入土壤，然后让修复剂与土壤中的污染物原位反应，最终将污染物消除、固定或降低其生物毒性的方式。通常根据化学修复剂加入方式的差异性分为四类：①耕布法，通过耕种或耘田的方式，过程中将修复剂尽可能均勾的混入土壤中；②螺钻法，通过市政工程方式，釆用钻入的方式将修复剂混入土壤；③灌概法，将化学修复剂溶入溶剂中，通过类似农业灌溉的方式将溶液投加到土壤中；④喷雾法，用喷雾器将液状化学修复剂或溶液均匀喷洒在土壤中。

（3）生物修复：生物修复通常包括微生物修复和植物修复两大类。

微生物修复是指强化土壤中微生物群落活性或投加外源微生物将土壤中的污染物进行降解或降低其危害性的技术。通常微生物的生化反应过程包括好氧降解和厌氧降解。目前，实践应用相对较多的微生物修复技术通常包括两类：①异位修复，通常将土壤开挖出投入反应器加速其生物反应或人为创造有利于微生物反应的环境加快污染物降解的过程；②原位修复，通过加入无机营养或氧气，促进微生物群落更加高效的利用污染物进行生命活动的同时降解污染物。

植物修复，是通常利用植物特定的某些富集特性，将污染物进行吸收、转化或固定的生物过程。某些植物对重金属有较强的富集特性，在土壤中重金属浓度在一定范围内时，可以利用这些植物将土壤中的重金属吸收到植物组织体来，进而通过收割等方式，将富集了重金属的植物残体进行统一处置。

国内外针对单一污染物的土壤修复技术已有较多的研究与应用，但目前仍然存在费用昂贵、实施困难等问题。而当前多种污染物综合形成的复合污染问题已相当严重，例如农村固体废弃物污染土壤等污染成分复杂的污染源。单一污染物的修复技术已无法适应多种污染物的综合修复要求，因此，针对某些特殊复合污染研发相应的修复技术将成为热点。

综上所述，当前，我国数量庞大的农村固体废弃物经过降雨淋滤作用，对土壤造成了严重污染，同时给我国生态环境和人民身体健康造成了极大的危害，而目前针对广大农村废弃物引起的土壤污染尚缺乏有效的治理或修复技术，针对污染土壤研究生态修复技术具有非常紧迫的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，在污染土壤调整改良、污染土壤呼吸强度、污染土壤淀粉酶、污染土壤过氧化氢酶、污染土壤蔗糖酶、污染土壤浸出液氨氮、污染土壤浸出毒性等方面都具有良好的效果。

为解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：

设计一种农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，包括以下步骤：

（1）取发酵牛、羊粪和改性沸石，以重量比2:1.4～1.6混合搅拌均匀，得到生态修复材料；

（2）将所得生态修复材料以80～90㎏/666.7m²施入待修复土壤， 施用方法可采用开沟施或蓬心土面撒施；优选的，将所述生态修复材料分为春、夏和秋3次施入，具体时间分别为3月中下旬、5月中下旬和7月下旬，三次施入量分别以占总量的40％、35％和25％；

（3）每次施用所述生态修复材料后的6～8天进行浇水，灌溉量为85～125m³/666.7m²。

本发明将特定的矿物材料与动物粪便作为改良剂添加到污染土壤中，对土壤重金属或难降解有机物存在较好的固定或去除效果；而且本发明所釆用的矿物材料或动物粪便（尤其是牛羊粪）这类来自天然的修复材料极易进入生态循环链，修复被污染的土壤，不但能大大降低产生二次污染的风险，并且矿物材料进入土壤能促进重金属的吸附、螯合、氧化还原等作用，降低其迁移性；动物粪便含有大量易降解有机质，能促进微生物活性，加快难降解有机物及有毒有害物质的降解。

根据发明人多年研究发现，发酵牛、羊粪的使用数量要适当，过多或过少都不能达到对污染土壤生态修复的改良效果，尤其是改性沸石的剂量不合适会导致土壤碱性过强进而对微生物生命活动产生抑制效应。

优选的，所述发酵牛羊粪由以下步骤制备而成：

a．物料混合：每5吨牛、羊粪（初始含水量为12～15wt%，其中羊粪、牛粪之间的重量比为1：3～3.5）加入1kg有机肥发酵粉剂，混拌均匀。

优选的，所述有机肥发酵粉剂中的有效活性菌数不小于100亿个/g，含优势菌群包括：植物乳杆菌、粪肠球菌，以及蛋白酶、玉米蛋白粉、乳清粉、乳糖等，目前市场上有机肥发酵剂种类很多，例如：如金牌有机肥发酵专用菌、北京惠民达科技发展中心的牛粪发酵。有机肥发酵粉剂需与米糠、麸皮或玉米粉按1：10的重量比混匀后，再加入牛、羊粪中。

b. 物料建堆：控制所得物料的含水量在62～68%，做成高为1.5～2米、宽为2米、长为2～4米的发酵堆，发酵效果比较好；在做堆时不能做的太小太矮，那样会影响发酵；优选的，控制物料含水量的方法：含水量过高添加农作物秸秆或蘑菇渣，含水量过低则添加水。含水量过高过低均不利于发酵，水过少，发酵慢；水过多会导致通气差、升温慢，并产生臭味。含水量合适与否快速判断办法：手紧抓一把物料，指缝见水印但不滴水，落地即散为宜。

c．发酵管理：以不低于15℃的温度启动发酵反应，当升温至75℃以上时进行翻堆（温度太高对养分有影响），控制温度在62～68℃，待物料整体呈黑褐色，温度降至常温，发酵完成。

优选的，所述改性沸石由以下步骤制备而成：

a. 将直径为1～2mm的斜发沸石用浓度6wt%的NaCl水溶液浸泡, 浸泡时间为至少1小时，以达到离子交换改性的要求；

b. 将所述斜发沸石滤出并置于微波炉中，以960W功率的微波（波长为120～130mm）进行处理，处理时间为10～15min；

c. 将所述斜发沸石置于足量蒸馏水中搅拌均匀并浸泡20～30min，随后滤出所述斜发沸石，并于105℃温度下烘干至恒重，即得改性沸石。

目前世界上发现的沸石有40多种，但是各类沸石的特性有一定的差异。本发明经过大量的对比试验及长期的研究，选择了斜发沸石，这种沸石能在含有钙、镁离子的污水中，高选择性地吸附氨态氮，可使土壤中的氨态氮从45mg/kg降到1mg/kg，以本发明方法改性后更能显著提高天然沸石对氨氮的吸附效率；经检测，改性后产品含沸量达70%以上，吸氨量达166.02mmol/100g以上，且含有钙Ca、镁Mg、钾K、钠Na、磷P、锰Mn、锌Zn、铜Cu、硼B、钼Mo、铁Fe、钴Co等多种元素，其离子交换性和交换选择性对提高机体内酶的活性、促进新陈代谢和增强机体抗病能力效果显著。

本发明具有以下积极有益的技术效果：

（1）本发明所用的污染土壤修复原材料均为环境友好型且价格较为低廉的材料，所选材料的来源较广，且具备大规模标准化应用的潜力。并基于理论分析和科学实验，提出科学的原材料腐熟和改性处理方法。

（2）本发明提出发酵牛、羊粪与改性沸石的合理组合，并公开了污染土壤生态修复施肥量和施肥方法，解决常规生态修复方法的原材料价格问题和修复后二次污染问题，在污染土壤调整改良、污染土壤呼吸强度、污染土壤淀粉酶、污染土壤过氧化氢酶、污染土壤蔗糖酶、污染土壤浸出液氨氮、污染土壤浸出毒性等方面都具有良好的效果。

附图说明

图1为淮河支流惠济河北岸复合行污染状况。

具体实施方式

以下的实施例便于更好地理解本发明，但并不限定本发明。

实施例1：该例实验地点选择在开封县兴隆乡，豫东水利试验站，占地面积50亩，该地块位于淮河支流惠济河北岸，惠济河是郑州、开封市的主要排水河道，几乎承纳了开封市的整个污水排放，实验地块利用惠济河水灌溉，造成了严重的复合行污染，见图1，其土壤污染成分见表1。

表1 土壤污染成分表

在上述被污染的农田土壤上采用以下具体步骤进行生态修复：

（1）取发酵牛、羊粪和改性沸石，以重量比2:1.5混合搅拌均匀，得到生态修复材料；

（2）将所得生态修复材料以85kg/666.7m²施入待修复土壤， 施用方法可采用开沟施或蓬心土面撒施；将所述生态修复材料分为春、夏和秋3次施入，具体时间分别为3月中下旬、5月中下旬和7月下旬，三次施入量分别以占总量的40％、35％和25％；

（3）每次施用所述生态修复材料后的7天进行浇水，灌溉量为100m³/666.7m²，其它管理措施同当地种植习惯一致。

上述发酵牛、羊粪由以下步骤制备而成：

a．物料混合：每5吨牛、羊粪（初始含水量为12wt%，其中羊粪、牛粪之间的重量比为1：3）加入1kg有机肥发酵粉剂，混拌均匀；所述有机肥发酵粉剂为购自北京惠民达科技发展中心的牛粪发酵剂，有效活性菌数不小于100亿个/g，有机肥发酵粉剂需与米糠、麸皮或玉米粉按1：10的重量比混匀后，再加入牛羊粪中；

b. 物料建堆：控制所得物料的含水量在658%，做成高为1.8米、宽为2米、长为3米的发酵堆；

c．发酵管理：以20℃的温度启动发酵反应，当升温至75℃以上时进行翻堆（温度太高对养分有影响），控制温度在65℃，待物料整体呈黑褐色，温度降至常温，发酵完成。

上述改性沸石由以下步骤制备而成：

a. 将直径为1～2mm的斜发沸石用浓度6wt%的NaCl水溶液浸泡, 浸泡时间为至少1小时，以达到离子交换改性的要求；

b. 将所述斜发沸石滤出并置于微波炉中，以960W功率的微波（波长为122mm）进行处理，处理时间为15min；

c. 将所述斜发沸石置于足量蒸馏水中搅拌均匀并浸泡25min，随后滤出所述斜发沸石，并于105℃温度下烘干至恒重，即得改性沸石。

采用石墨炉原子吸收分光光度法测定修复土壤，监测证明，联合修复后，农田土壤可以达到或优于二类标准，个别值达到一类土壤标准。主要适用于一般农田、蔬菜地、茶园果园、牧场等种植，土壤质量基本上对植物和环境不造成危害和污染。本次修复实验从2016年4月15日开始，2016年6月15日-10月15日两次监测值见表2。

表2 惠北试验站修复土壤检测值（mg/kg）

实施例2：一种农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，包括以下步骤：

（1）取发酵牛、羊粪（同实施例1）和改性沸石（同实施例1），以重量比2:1.4混合搅拌均匀，得到生态修复材料；

（2）将所得生态修复材料以80kg/666.7m²施入待修复土壤， 施用方法可采用开沟施或蓬心土面撒施；具体的，将所述生态修复材料分为春、夏和秋3次施入，具体时间分别为3月中下旬、5月中下旬和7月下旬，三次施入量分别以占总量的40％、35％和25％；

（3）每次施用所述生态修复材料后的8天进行浇水，灌溉量为125m³/666.7m²。

实施例3：一种农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，包括以下步骤：

（1）取发酵牛、羊粪（同实施例1）和改性沸石（同实施例1），以重量比2: 1.6混合搅拌均匀，得到生态修复材料；

（2）将所得生态修复材料以90kg/666.7m²施入待修复土壤， 施用方法可采用开沟施或蓬心土面撒施；具体的，将所述生态修复材料分为春、夏和秋3次施入，具体时间分别为3月中下旬、5月中下旬和7月下旬，三次施入量分别以占总量的40％、35％和25％；

（3）每次施用所述生态修复材料后的6天进行浇水，灌溉量为85m³/666.7m²。

实验发现，发酵牛、羊粪有机肥与改性沸石联合修复污染土壤具有以下作用：

（1）联合修复对污染土壤的pH值的影响

发酵牛、羊粪有机肥和改性沸石的联合修复可以显著改善土壤的酸碱环境，使土壤处于适宜生物生存的范围。联合修复实验证明，联合修复污染土壤在第38天时，pH值处于7.0～8.5的范围，属于适宜微生物生命活动的范围。

（2）联合修复对污染土壤呼吸强度的影响

土壤呼吸强度通常包括土壤微生物呼吸、土壤根系呼吸、土壤动物呼吸和含碳矿物质的化学氧化作用。发酵牛羊粪有机肥和改性沸石的联合修复可以增强污染土壤的呼吸强度，发酵牛羊粪有机肥可以补充土壤微生物必需的营养物质，平衡土壤的营养元素比例，改善土壤酸碱缓冲能力，而改性沸石则可以改善土壤的孔隙度，并吸附土壤中氨氮等毒性成分。联合修复第38天，土壤呼吸强度由原来的1.05提升到1.3g/m^2.h，提升23.8%。

（3）联合修复对污染土壤淀粉酶的影响

发酵牛、羊粪有机肥可以有效提高污染土壤的淀粉酶水平，发酵牛、羊粪有机肥可以同时改善土壤肥力和颗粒形态，且改善效果持续期较长。改性沸石粉进入土壤后迅速吸附土壤颗粒间隙的有机质、氨氮、水分等组成的混合液，吸附过程进行中和完成后，沸石晶体表面的阳离子开始发生离子交换反应，促进土壤酶代谢。实验证明，联合修复第38天，污染土壤淀粉酶由原来的4.5mg/g提升到5.2mg/g，提升15.6%。

（4）联合修复对污染土壤过氧化氢醜的影响

发酵牛、羊粪有机肥和改性沸石的联合修复能显著增强污染土壤过氧化氢酶活性。过氧化氢在土壤中积累会对微生物产生毒害作用，过氧化氢酶则可以有效消除其毒害影响。实验证明，联合修复第38天，过氧化氢酶由原来的4.0mg/g提升到6.3mg/g，提升57.5%。

（5）联合修复对污染土壤蔗糖酶的影响

蔗糖酶活性与土壤有机质含量有关，更多取决于有机质的类型。牛、羊类有机肥可以有效提高土壤蔗糖酶活性，因其补充大量的营养物质，促进了微生物将大分子有机物转化为小分子有机物，从而刺激蔗糖酶产生。改性沸石可以快速吸附毒性成分氨氮，并且提高土壤PH值，在剂量合理情况下，可以促进蔗糖酶活性。实验证明，联合修复第38天，土壤蔗糖酶由原来的1.5mg/g提升到55.0mg/g，提升了35倍。

（6）联合修复对污染土壤浸出液氨氮的影响

土壤中适量的氨氮存在是有益的，可以提升土壤肥力，而过量的氨氮存在则一方面对土壤微生物产生毒害作用，另一方面会超出土壤的吸附容量而随雨水渗入地下水或流入地表水体造成污染。牛、羊粪有机肥的合理加入污染土壤后，在培养初期会降低浸出氨氮，而在培养末期略高于对照组。而改性沸石加入后则因其优良的吸附性能，对土壤氨氮的浸出具有明显的减弱作用。联合修复第38天，土壤氨氮由原来的0.55mg/g降低到0.18mg/g，降低了67%。

（7）联合修复对污染土壤浸出毒性的影响

牛、羊粪有机肥和改性沸石的联合修复对降低污染土壤浸出毒性有显著效果，实验证明，联合修复第38天，污染土壤浸出毒性由原来的53%减低到38%，降低了15%。

Claims (8)

1.一种农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）取发酵牛、羊粪和改性沸石，以重量比2:1.4～1.6混合搅拌均匀，得到生态修复材料备用；

（2）将所得生态修复材料以80～90kg/666.7m²施入待修复土壤， 施用方法可采用开沟施或蓬心土面撒施；

（3）每次施用所述生态修复材料后的6～8天进行浇水，灌溉量为85～125m³/666.7m²。

2.根据权利要求1所述农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，其特征在于：所述改性沸石由以下步骤制备而成：

（a）将直径为1～2mm的斜发沸石用浓度6wt%的NaCl水溶液浸泡，浸泡时间为至少1小时，以达到离子交换改性的要求；

（b）将所述斜发沸石滤出并置于微波炉中，以960W功率的微波进行处理，处理时间为10～15min；

（c）将所述斜发沸石置于足量蒸馏水中搅拌均匀并浸泡20～30min，随后滤出所述斜发沸石，并于105℃温度下烘干至恒重，即得改性沸石。

3.根据权利要求2所述农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，其特征在于：在步骤（b）中所述微波的波长为120～130mm。

4.根据权利要求1所述农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，其特征在于：在步骤（2）中将所述生态修复材料分为春季、夏季和秋季3次施入，具体时间分别为3月中下旬、5月中下旬和7月下旬，三次施入量分别以占总量的40％、35％和25％。

5.根据权利要求1所述农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，其特征在于：所述发酵牛、羊粪经由以下步骤制备而成：

（a）物料混合：每5吨牛、羊粪加入1kg有机肥发酵粉剂，混拌均匀；

（b）物料建堆：控制上步所得物料的含水量在62～68%，做成高为1.5～2米、宽为2米、长为2～4米的发酵堆；

（c）发酵管理：以不低于15℃的温度启动发酵反应，当升温至75℃以上时进行翻堆，控制温度在62～68℃，待物料整体呈黑褐色，温度降至常温，发酵完成。

6.根据权利要求5所述农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，其特征在于：所述牛、羊粪的初始含水量为12～15wt%，其中羊粪、牛粪之间的重量比为1：3～3.5。

7.根据权利要求5所述农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，其特征在于：在步骤（a）中所述有机肥发酵粉剂中的有效活性菌数不小于100亿个/g，有机肥发酵粉剂需与米糠、麸皮或玉米粉按1：10的重量比混匀后，再加入牛羊粪中。

8.根据权利要求5所述农村固体废弃物污染土壤的生态修复方法，其特征在于：在步骤（b）中，控制物料含水量的方法：含水量过高添加农作物秸秆或蘑菇渣，含水量过低则添加水。