一種重金屬複合汙染土壤的燻土修複方法
2023-05-27 18:52:46 1
一種重金屬複合汙染土壤的燻土修複方法
【專利摘要】本發明屬於重金屬汙染土壤的修復【技術領域】，具體涉及一種治理和修復重金屬複合汙染土壤的燻土技術，主要包括如下步驟：用土壤覆蓋植物秸稈，形成一個包覆體，外層為土壤層，內部為秸稈或秸稈和土壤的混合物，是內部處於缺氧狀態，然後進行燻土處理。應用本發明技術處理的土壤重金屬通過固化、吸附、螯合、絡合等多種反應，易於向環境中遷移擴散的化學形態的比例減少，難於向環境中釋放的化學形態的比例增加，因此，降低了重金屬環境生態風險。本發明技術具有同時固定多種重金屬的效果，減少植物體對重金屬的吸收和累積，有效殺滅土壤中的各種病原菌，提高作物生物量，是一種簡單，高效，易操作，以及低成本的重金屬複合汙染土壤的原位修復技術。
【專利說明】一種重金屬複合汙染土壤的燻土修複方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於重金屬汙染土壤的修復【技術領域】，更具體地，涉及一種重金屬複合汙染土壤的燻土修複方法。
【背景技術】
[0002]土壤汙染直接或間接影響人類健康，導致了不可接受的環境風險，尤其是土壤的重金屬汙染。重金屬在環境中極其穩定，不但不能被生物降解，同時也不能被熱降解，因此，很容易累積到毒性濃度。而且，重金屬在土壤環境中長期富集，會嚴重影響食物鏈、植物以及土壤微生物過程。礦業廢棄地及其礦區周邊的土壤重金屬汙染問題尤為嚴重，礦業廢棄地通過金屬硫化物氧化，隨時間推移不斷釋放出新的酸性物質，在強酸環境下重金屬溶解性增加，酸化層的形成造成土壤嚴重板結，熟化受阻，氮、磷和鉀等營養元素供應不足，有機質含量低，肥力差，使農作物無法生長。
[0003]當前，重金屬汙染土壤的修復主要涉及工程措施，以及一些物理、化學和生物修復技術。用大型機械設施來達到換土或者客土目的的一些工程措施，往往工程量浩大，耗費巨資，而且置換出的汙土會造成二次汙染，因此，這類方法一般僅用於汙染嚴重的地區；物理修復，例如玻璃化技術雖然可以達到固定重金屬的目的，但同樣費用高昂；化學修復技術，如在汙染土壤中添加一些化學改良劑或抑制劑，降低一些土壤汙染物的遷移和擴散。添加化學改良劑的方法雖然能暫時緩解汙染土壤中重金屬的危害，但長期施用這些化學改良齊?，卻很容易對土壤造成破壞；近年來發展起來的一些植物提取、植物穩定技術等，雖然具有一定的修復作用，但這些技術本身也存在一些問題，就植物穩定技術而言，在一些重金屬毒性及其它條件作用下，植被很難形成穩定的、能自我維持的生態系統。
[0004]伴隨全球能源危機的到來，一些研究者在不斷尋求替代能源的過程中發現了生物碳這種具有優越特質的物質。生物碳是富含碳的生物質在缺氧狀態下不完全燃燒獲得的碳質殘渣，它高度穩定，同時，不容易降解`。目前，利用生物碳修復重金屬汙染土壤方面，也有一些研究成果，但這些研究大部分僅限於實驗室階段，而且，一般也都只針對某一種金屬有效果，涉及多種重金屬複合汙染土壤的相關研究應用則非常少見。
[0005]華中農業大學申請了一個申請號為CN200910273440.3，發明名稱為「一種快速原位修復重金屬汙染土壤的方法」，其中提到將含水量為5%的水稻秸杆粉碎至小於或等於2釐米的秸杆，將所述秸杆與所述受重金屬鎘汙染的0-20cm的表層土壤混合處理90天的方法，能達到修復重金屬汙染土壤的目的，降低重金屬的生物有效性，減少農作物和蔬菜對重金屬的吸收累積。但是該方法，耗時長，效果有限，僅能處理鎘和銅兩種記錄重金屬，而且該發明對秸杆的粉碎要求較高，需要細到兩釐米或兩釐米以下，因此，該發明技術操作不太便捷。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於針對已有技術存在的不足，提出一種重金屬複合汙染土壤的燻土修複方法，該方法通過合理利用廢物資源，提供一種簡單、高效、易操作，以及低成本的重金屬複合汙染土壤的原位修復技術。
[0007]根據以上目的，本發明提供一種重金屬複合汙染土壤的修複方法，即將植物秸杆置於待處理土壤的覆蓋層下高溫、缺氧，不完全燃燒或炭化，主要的方式是，用土壤覆蓋植物秸杆，形成一個包覆體，外層為土壤層，內部為秸杆或秸杆和土壤的混合物，是內部處於缺氧狀態，然後進行燻土處理。其中，待處理土壤覆蓋包圍植物秸杆，即包覆體，的方式有很多種:可以將植物秸杆置於中心位置，外圍用待處理土壤覆蓋堆成圓形；也可以將植物秸杆與土壤層交疊多層堆積成圓形，最外面覆蓋土壤層；還可以將待處理土壤塊堆積成窯狀，植物秸杆置於窯的內部，窯的外表層用較細的土壤來覆蓋，保證植物秸杆在窯的內部是缺氧狀態，值得注意的是，在這些圓形的覆蓋方式中，圓堆的高度和直徑應根據實際情況來定，主要應保證在燻土的過程中不會垮塌。除以上幾種方法外，也可以根據具體情況，將待處理土壤挖成條溝或長壠形，植物秸杆置於其中，秸杆外面覆蓋待處理土壤層，且越靠近外表面越是要用較細的土壤，以保證內部處於缺氧狀態。在待處理土壤覆蓋植物秸杆的過程中，對於所堆積的植物秸杆層和待處理土壤層的厚度主要根據現場具體情況來確定，一般土壤層太厚，可能會導致土壤燻不透，影響燻土效果；土壤層太薄，所燻土壤的量減少，會加大工作量，因此，一般情況下根據經驗，在植物秸杆和待處理土壤交疊多層圓形堆積的覆蓋方式中，植物秸杆層厚度一般為l(T20cm，待處理土壤層厚度一般也是l(T20cm ;在條溝或條壠形的覆蓋方式中，植物秸杆層和待處理土壤層的厚度也可以按照l(T20cm的厚度來處理，但是，一般來說，要根據具體情況隨時調整植物秸杆層和土壤層的覆蓋厚度，保證燻土的質量。總之，無論採用何種覆蓋方式，主要目的是要保證植物秸杆在待處理土壤層內部處於缺氧狀態，然後進行燻土處理，使植物秸杆在待處理土壤層的這種覆蓋和包圍下不完全燃燒或炭化。
[0008]所述的待處理土壤在進行覆蓋之前還進行了前處理，所述前處理為將待處理土壤曬至含水量為10?15%，對於農田土壤,一般取表層20cm的耕作層土壤作為待處理土壤。
[0009]所述的植物秸杆在進行覆蓋之前也進行了前處理，所述前處理是將植物秸杆的水分曬至佔植物秸杆總重量的3?10%左右。植物秸杆含水量太多，燻土過程中不易點火，且容易熄火。在圓形狀覆蓋方式中，土壤層與秸杆層交替多層相疊的情況下，為了保證燻土效果，可將鬆散的植物秸杆綁紮成平均長度為2(T40cm的秸杆束；在窯狀覆蓋方式中，可使用鬆散的植物秸杆，當包覆體為圓形狀和窯狀時，植物秸杆綁紮成長度為2(T40cm的秸杆束；當包覆體為條溝或條壠狀時，植物秸杆綁紮成長度為5(Tl00Cm的秸杆束；或者也可以使用鬆散的未綁紮的植物秸杆。
[0010]所述的覆蓋是待處理土壤層對植物秸杆層的包圍和覆蓋。覆蓋過程中應注意，靠近植物秸杆的土塊以較大為宜，直徑大小最好在5cm?6cm左右，這樣才能保證土壤層靠近植物秸杆的一側保留一定的孔隙，使燻土過程中不同層次或同一層次不同位置之間的溫度和熱量容易銜接擴散，保證內部植物秸杆處於缺氧高溫狀態下，不完全燃燒或炭化。土壤最外層表面的土塊則應該越小越好，最好是細土，直徑小於lcm，這樣，才能保證內部植物秸杆能較好地隔絕外面的空氣，從而保證植物秸杆在待處理土壤的包圍覆蓋下有良好的不完全燃燒或炭化的效果。
[0011]根據發明目的，本發明再提供一種重金屬複合汙染土壤的修複方法，用待處理土壤覆蓋包圍植物秸杆後，進行燻土處理。所述的燻土處理中引燃植物秸杆的方式有很多種，可以點燃，也可以在內部放置高溫發熱元件等，其目的主要也是保證植物秸杆在這種缺氧，高溫狀態下不完全燃燒或炭化。在此燻土過程中，要在出現明火的位置不斷地覆蓋較細的土壤，在出現濃煙的位置不斷地添加碎土，一般燻土處理的時間為24~48小時。
[0012]本發明中利用燻土這種技術獲取含有生物碳的土壤，將這種技術運用於重金屬汙染土壤的修復，是一種方法應用上的創新；同時，經試驗驗證，土壤在高溫作用下，由於其特性和結構發生了變化，也具有良好的固定重金屬的效果，這也是本發明的優越之處。
[0013]總體來看，本發明提供的方法，有以下優點:
1.本發明技術中所用植物秸杆，屬於廢物資源的再利用，具有現實的環境保護意義。
[0014]2.植物秸杆在缺氧，高溫狀態下不完全燃燒或炭化，形成含有生物碳的土壤，這種土壤的保水能力以及陽離子交換能力都有所增強，同時，土壤肥力也有所提高，更重要的是運用本發明技術處理後的土壤作物產量也有所增加。
[0015]3.本發明技術具有較強的同時固定多種重金屬的效果。燻後的土壤通過固化、吸附、螯合、絡合等多種反應使重金屬的化學形態發生改變，抑制其向周圍環境遷移和擴散，從而減少農作物和蔬菜對重金屬的吸收和累積。通過重金屬有效態浸提實驗以及野外田間試驗證明:運用該發明技術處理重金屬複合汙染的土壤後，所種植的蔬菜中地上部分重金屬含量明顯降低，尤其是有毒重金屬鎘(Cd)的含量低於國際食品法典委員會(CAC)規定的食品汙染物最大限量標準，達到了可安全食用的水平。同時，燻土前后土壤的多級連續提取實驗也從重金屬的化學結合形態上驗證了這種修復效果。
[0016]4.本發明技術在燻土的過程中，經過監測，表層溫度在34°C -75°C _170°C的範圍內變化，中間層溫度在280°C -350°C _400°C的範圍內變化，中心溫度在598°C -510°C -450°C的範圍內變化，在這樣的高溫環境下，可以有效殺滅土壤中的各種病原菌，去除率可達到，70%-80% 左右。
[0017]5.與申請號為CN200910273440.3的專利技術相比，本發明有以下優點:
本發明技術修復時間短。申請號為CN200910273440.3的專利技術，水稻秸杆與受汙染土壤需要混合處理三個月，三個月以後，才能種植農作物或蔬菜，而本發明技術經過燻土處理後，立即可以正常生產種植。
[0018]本發明技術中植物秸杆在待處理土壤層的覆蓋下缺氧高溫炭化，生成含有生物碳的燻土。生物碳具有非常好的惰性，在環境中可穩定存在幾十年，甚至上百年不降解，而申請號為CN200910273440.3的專利技術單純將水稻秸杆與汙染土壤混合處理，雖然短時間內會達到修復的效果，但隨著時間的推移，水稻秸杆的降解，修復效果會逐漸減弱。
[0019]此外，本發明中土壤經過一定的高溫處理以後，結構和性質發生了一些改變，也具有一定的固定重金屬的能力。這一點也是優於申請號為CN200910273440.3的專利技術的。
[0020]運用本發明技術處理後的土壤重金屬化學形態也發生了改變，易於向環境中遷移擴散的化學形態的比例減少，難於向環境中釋放的化學形態比例增加，從而，降低了重金屬環境生態風險。此外，本發明技術能同時固定鉛(Pb)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鎘(Cd)四種重金屬，而且都達到了非常良好的固定效果，土壤有效態浸提實驗以及野外蔬菜中重金屬含量測試結果都證明了這一點，而專利號為CN200910273440.3的專利技術只對銅(Cu)和鎘(Cd)兩種記錄重金屬有效果。【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為鉛(Pb)的五種形態 圖2為鋅(Zn)的五種形態
圖3為銅(Cu)的五種形態 圖4為鎘(Cd)的五種形態。
【具體實施方式】
[0022]以下結合實施例來進一步解釋本發明，但實施例並不對本發明做任何形式的限定。
[0023]該試驗地點為廣東樂昌某鉛鋅礦附近的農田，該農田土壤鉛(Pb)、鋅(Zn)、銅(Cu)、鎘(Cd)重金屬總量分別為 1988 mg/kg, 3833mg/kg, 100mg/kg, 5.9mg/kg。本發明技術對重金屬汙染土壤的修復效果均採用野外田間試驗的方式來驗證。
[0024]植物秸杆在缺氧狀態下不完全燃燒或炭化的碳質殘渣都是生物碳，所以，在本實施例中，我們只選擇南方地區特有的水稻秸杆作為我們的試驗材料。
[0025]實施例1採用本發明技術處理後，受汙染土壤燻土前後的DTPA有效態浸提效果(表I)
(I)水稻秸杆的綁紮以及受汙染土壤的前處理；
將含水量約5%左右的水稻秸杆綁紮成大小均勻，長度約30cm左右的秸杆束。
[0026]廣東樂昌某鉛鋅礦附近受複合重金屬汙染的農田表層20cm的土壤，曬乾到土壤具有10%的含水量。
[0027](2)待處理土壤覆蓋水稻秸杆
分別準備好(I)中處理好的土壤和綁紮好的水稻秸杆。採用水稻秸杆與土壤層交疊多層堆積成圓形的覆蓋方式。先將一定量的綁紮好的水稻秸杆放在底部，然後在水稻秸杆上面蓋一層較大的土塊，土塊上邊再放置一定量的綁紮好的水稻秸杆，然後上面再覆蓋一層較大的土塊，如此堆幾層，根據具體情況，在本實施例中燻土圓堆高度約80cm左右，底部直徑約IOOcm左右。燻土堆堆好以後，不斷用較細土壤將燻土堆外面裸露的水稻秸杆完全覆蓋好，燻土堆的最外層應覆蓋較細的土壤，旨在隔絕空氣，使內部水稻秸杆處於缺氧的狀態。
[0028](3)燻土過程
將(2)中所說的燻土堆點燃，燃燒過程中應該注意明火和濃煙，在有明火的位置不斷地覆蓋較細的土壤，在有濃煙的位置也要不斷地添加碎土。燻土堆點燃後持續悶燃24小時後，將燻土堆攤平，混勻，備用。
[0029]該土壤採用本發明技術處理後，DTPA有效態浸提實驗結果表明:本發明技術對汙染土壤中的鉛(Pb)，鋅(Zn)，銅(Cu)，鎘(Cd)有不同程度的固定效果，使用本發明技術處理後的土壤重金屬DTPA有效態與處理前比較分別降低了 52.37%, 24.23%, 64.98%以及40.24%，達到了顯著的重金屬固定效果。
[0030]表I DTPA有效態浸提單位:mg/kg
【權利要求】
1.一種重金屬複合汙染土壤的修複方法，其特徵在於，用土壤覆蓋植物秸杆，形成一個包覆體，外層為土壤層，內部為秸杆或秸杆和土壤的混合物，使內部處於缺氧狀態，然後進行燻土處理。
2.根據權利要求1所述的修複方法，其特徵在於，所述的包覆體為圓形狀，窯狀，條溝狀或條壠狀。
3.根據權利要求1所述的修複方法，其特徵在於，所述的覆蓋的方式為土壤層與秸杆層交替多層相疊，最外層覆土，隔絕空氣；或者將植物秸杆置於中心，外面覆蓋一層土壤層；或先將待處理土壤塊堆成窯狀，再將植物秸杆置於窯的內部，窯的外表層用土壤覆蓋；或將土壤犁或挖成長條狀，犁或挖開的坑內放置植物秸杆，外面覆蓋土壤層成壠形或條溝狀。
4.根據權利要求3所述的修複方法，其特徵在於，當覆蓋方式為土壤層與秸杆層交替多層相疊時，所述的土壤層的厚度為l(T20cm，秸杆層的厚度為l0-20cm。
5.根據權利要求1或2所述的修複方法，其特徵在於，所述的植物秸杆被土壤覆蓋之前還進行了前處理，所述前處理是將植物秸杆的水分曬至佔植物秸杆總重量的:3-10%。
6.根據權利要求2所述的修複方法，其特徵在於，當包覆體為圓形狀和窯狀時，植物秸杆綁紮成長度為2(T40cm的秸杆束；當包覆體為條溝或條壠狀時，植物秸杆綁紮成長度為50~IOOcm的稻杆束。
7.根據權利要求1或2所述的修複方法，其特徵在於，所述的土壤在進行覆蓋之前還進行了前處理，所述前處理為將土壤曬至含水量為10-15%。
8.根據權利要求1或2所述的修複方法，其特徵在於，所述的燻土的方式為點燃或在包覆體內部放置發熱元件。
9.根據權利要求1或2所述的修複方法，其特徵在於，所述的燻土處理的時間為24-48小時。
10.根據權利要求1所述的修複方法，其特徵在於，所述的燻土處理過程中，在有明火或濃黃煙或黑煙的位置，不斷地覆蓋土壤，使內部處於缺氧狀態。
【文檔編號】B09C1/08GK103817146SQ201310464436
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】束文聖, 牛莉芹, 周文華, 蔣華 申請人:深圳市中和環境生物技術有限公司