應用生物炭與有機肥復配原位修復菜地土壤鎘汙染的方法

2023-05-29 05:17:11

專利名稱：應用生物炭與有機肥復配原位修復菜地土壤鎘汙染的方法
技術領域：
本發明涉及重金屬汙染土壤治理技術，具體地說是一種應用生物炭與有機肥復配原位修復菜地土壤鎘(Cd)汙染的方法。
背景技術：
重金屬汙染是農業土壤環境和農產品中的一類重要汙染物質。我國受重金屬汙染的耕地面積超過2000萬hm2以上，約佔耕地面積的1/5。在我國140萬hm2汙灌區中，有 64. 8%的土地遭受重金屬汙染，其中輕度汙染佔46. 7%，中度汙染佔9. 7%，嚴重汙染佔8. 4%。 糧食與蔬菜中Cd、Hg、mKAS、Cu等超標嚴重而普遍，對農業造成了巨大的經濟損失。我國每年產出重金屬汙染的糧食約1200萬t，在調查的M個省(市)320個重點汙染區中，有60. 6 Rhm2的大田農作物汙染物超標，佔調查總面積的20%，其中80%以上是重金屬含量超標，尤其是Cd、Pb、Hg、Cu及其複合汙染最為突出。我國菜地土壤Cd含量超標率高達24. 1%，瀋陽市近郊1萬多公頃菜地普遍受到重金屬汙染，產出的大白菜中Cd含量超標率高達100%。 2011年3月國務院正式批覆了國家環境保護局提出的《重金屬汙染綜合防治「十二五」規劃》。由此可見，如何有效地修復重金屬超標農田土壤，維持土地的可持續利用，已成為亟待解決的突出環境問題。原位修復作為土壤重金屬汙染治理技術是一種非常行之有效的方法，受到人們的普遍重視，尤其適用於修復大面積中、輕度重金屬超標的農田土壤。向土壤中施加鈍化劑是修復重金屬汙染土壤的一種較經濟的原位處理方法。通過施加鈍化劑如黏土礦物(海泡石、 膨潤土和凹凸棒石等)、石灰、磷酸鹽和工業副產品物(爐熔渣、高爐礦渣粉和赤泥等)等，改變土壤PH和重金屬元素在土壤中的化學形態和賦存狀態，增加吸附點位和促進重金屬離子與土壤其它組分(包括鈍化劑材料)的共沉澱等過程，使土壤重金屬生物有效態轉化為生物不可利用的形態，從而抑制重金屬在土壤中的遷移性和生物有效性、降低重金屬汙染物對環境生物的毒性，達到修復重金屬汙染土壤的目的。對於重金屬汙染的土壤，可以根據重金屬在土壤中的存在特性，向土壤中施加某些化學改良劑和吸附劑，如石灰、磷酸鹽、堆肥、 高爐渣以及粘土礦物等，達到修復重金屬汙染的土壤。但不容否認的是向土壤中添加熟石灰、矽酸鈣、矽酸鎂鈣和碳酸鈣等化學物質，均會給土壤理化性質和微生物生長環境帶來不同程度的影響。而天然黏土礦物的主要成分Si02、Mg0等含量將極大制約其對土壤重金屬離子的交換吸附作用，在實際應用中，一般需要對天然黏土礦物進行活化處理來提高對重金屬的吸附能力。黏土礦物的活化處理也會增加土壤重金屬汙染修復成本並消耗寶貴的礦產資源，因此需要進一步開發低廉、高效、穩定、安全的鈍化劑來修復重金屬汙染土壤。近年來的研究表明，施用農作物秸稈、穀殼、家禽糞便、牛糞等有機肥可以降低土壤重金屬離子的遷移性和重金屬有效態含量以及增加對重金屬離子的吸附容量，從而減輕重金屬在植物體內富集。但由於有機物易被微生物分解，被吸附固定後的重金屬離子又可能被重新釋放出來，造成二次汙染，因此，直接將有機物施入土壤中對重金屬汙染修復效果不穩定。為了解決上述問題，可以考慮將農作物秸稈等農業廢棄物在完全或部分缺氧的情況下經熱解炭化形成的生物炭與有機肥復配，一方面利用生物炭的多孔性、高比表面積、較強表面吸附、高度化學惰性以及生物炭表面高度芳香化結構和部分羥基、酚羥基和羰基等官能團對有機和無機汙染物高度親和等特性，可被用作土壤中汙染物的鈍化修復劑，同時聯合發揮有機肥所提供的作物所需N、P、K等營養元素，改善土壤養分，提高土壤質量，實現既對土壤重金屬的鈍化修復作用，又能促進作物生長，提高作物品質；另一方面將生物炭施用於農田，可減少農田生態系統溫室氣體排放、增加土壤碳庫碳固定。因此，應用生物炭與有機肥復配可有效修復菜地土壤中鎘汙染問題，同時，該鈍化材料施用於農田可一併解決農業廢棄物處理、 氣候變化、土壤肥力下降等眾多制約農業生產的問題。

發明內容
本發明的目的就是為克服現有技術的不足，針對土壤重金屬汙染治理技術難題， 提供一種經濟、高效、穩定、安全的原位修復菜地土壤鎘汙染的方法。本發明是通過這樣的技術方案實現的應用生物炭與有機肥復配原位修復菜地土壤鎘汙染的方法，其特徵在於，在受重金屬鎘汙染的菜地土壤中，將由生物炭與有機肥復配而成的鈍化材料施於土壤表層，然後在0-20cm的耕作層將鈍化材料與土壤充分混勻，根據土壤環境質量標準GB 15618-1995，判斷土壤汙染級別，其中土壤重金屬二級標準是為保障農業生產，維護人體健康的土壤限制值；當土壤鎘濃度超過土壤環境質量二級標準值時，則需要對鎘汙染土壤進行治理和修復，修復後才能用於種植作物；當土壤鎘濃度在 1.0-2.9 mg/ kg之間時，鈍化材料施用量不少於幹土重的0.5%，即750 kg/畝，所述鈍化材料中的生物炭和有機肥按質量比為1 :1的比例復配而成；所述方法包括如下步驟
a)製備鈍化材料中的生物炭生物炭由農作物秸稈在350°C缺氧條件下熱解炭化而成，再經研磨後過孔徑為2mm的篩網獲得；
b)製備鈍化材料中的有機肥有機肥選用雞糞，將養雞場提供的雞糞在100°C溫度下烘乾，再經研磨後過孔徑為2mm的篩網獲得；
c)將生物炭和有機肥按質量比為1:1的比例復配而成鈍化材料；
d)測定待修復土壤重金屬鎘含量，確定土壤在可修復的範圍即土壤鎘濃度在1.0-2.9 mg/kg之間，再對菜地土壤進行翻耕，打碎土塊、平整；
e)根據土壤鎘實際汙染程度，在待修復的鎘汙染土壤中施用鈍化材料，先將鈍化材料施於土壤表層，再將鈍化材料在耕作層翻耕土壤，使鈍化材料與鎘汙染土壤充分混勻，田間水分保持70%田間最大持水量的溼潤狀態，平衡2周後即可種植蔬菜，田間水分管理與正常的農業生產相一致。本發明具有如下有益效果
(1)對土壤鎘汙染鈍化修復效果顯著。本發明中的鈍化材料由生物炭與有機肥按一定比例復配而成，通過鈍化材料與土壤鎘發生吸附、絡合、離子交換、共沉澱等反應，顯著降低其生物有效性和可遷移性，從而阻控鎘向農作物可食部分遷移富集；同時，由於生物炭在土壤中相對穩定，不易被微生物分解，對重金屬汙染物的吸附、固定作用穩定，不會產生二次汙染的風險。(2)鈍化材料中的原料來源豐富，成本低廉。其中生物炭的原料選用農業廢棄物秸稈，我國是農業大國，秸稈資源相當豐富。秸稈通過缺氧或厭氧條件下低溫熱解獲得生物炭，同時實現了農業廢棄物「減量化、無害化、資源化」等目標；而有機肥選用的是雞糞，從養雞場可直接提供，來源充足，價格低廉。( 3 )鈍化材料使用方法簡單，易於推廣應用。應用生物炭和有機肥復配原位修復菜地土壤鎘(Cd)汙染，使用方法簡單，易於被廣大農民接受；鈍化材料施用於農田可以提高作物對土壤養分的利用率，增強土壤的保溼能力，增加土壤有機碳含量以及改善土壤結構等作用，具有巨大的推廣應用價值。


圖1為不同鈍化修復處理條件下土壤有效態鎘(Cd)含量示意圖； 圖2為不同鈍化修復處理條件下油菜可食部分鎘(Cd)含量示意圖。
具體實施例方式為了更清楚的理解本發明，結合附圖和實施例詳細描述
採用該方法修復重金屬汙染菜地土壤的原理在於鈍化材料中的生物炭具有多孔性和高比表面積、較強表面吸附、高度化學惰性、其表面通常為高度芳香化結構和部分羥基、酚羥基和羰基等官能團，對有機和無機汙染物高度親和等特性，能強烈吸附並影響土壤中重金屬的遷移性和降低重金屬生物可利用性；鈍化材料中的有機肥也具有固定重金屬離子限制其遷移的作用。鈍化材料添加到土壤中，可以與土壤溶液中有效態鎘(Cd)離子發生專性吸附、離子交換、金屬配合物以及共沉澱等作用，導致鎘(Cd)的形態發生改變，土壤中可溶態和可提取態鎘(Cd)等生物可利用態向活性低的生物不可利用形態轉化，從而降低鎘 (Cd)的生物有效性和可遷移性，阻控土壤中的鎘(Cd)向農作物可食部分運移富集，達到修復的目的。 菜地土壤鎘(Cd)汙染原位修復實例
修複試驗選擇在天津市東麗區大畢莊汙灌區，汙灌區菜地土壤鎘(Cd)濃度高達2. 9 mg kg_\超過土壤環境質量二級標準值(pH > 7. 5，1. 0 mg/kg),因此需要進行汙染土壤治理和修復後才能用於種植作物。考察鈍化材料的不同施用量對土壤鎘汙染的修復效果，鈍化材料設置了三個施用水平，其質量分別為幹土重的0. 5%、1%和2%，即分別相當於750 kg/畝、 1500 kg/畝和3000 kg/畝。在汙灌區劃分6個試驗小區，每個試驗小區採用一種修復處理方法，共設有6種修復處理方法
試驗小區1為對照(CK)，不添加任何鈍化鈍化材料，CK為Control Check縮寫； 試驗小區2的土壤中施加1%有機肥(用1%PM表示，1500 kg/畝，以幹土重計)，PM為 Poultry Manure 縮寫，下同；
試驗小區3的土壤中施加1%生物炭(用1%BC表示，1500 kg/畝，以幹土重計)，BC為 Bio-char縮寫，下同；
試驗小區4的土壤中施加0. 5%由生物炭與有機肥復配而成的鈍化材料(用0. 5%BC-PM 表示，750 kg/畝，以幹土重計)；
試驗小區5的土壤中施加1%由生物炭與有機肥復配而成的鈍化材料(用1%BC-PM表示，1500 kg/畝，以幹土重計)；
試驗小區6的土壤中施加由生物炭與有機肥復配而成的鈍化材料(用2%BC-PM表示，3000 kg/畝，以幹土重計)。各試驗小區面積均為10m2。試驗中每種修復處理方法重複4次。在種植作物前， 先將待修復菜地土壤翻耕，然後將鈍化材料均勻撒施於土壤表面，再次將鈍化材料在耕作層耙地混勻，深度為20cm左右，田間水分保持70%田間最大持水量的溼潤狀態，平衡2周後種植蔬菜。作物栽培管理措施和正常生產一致。油菜生長60天後收穫取樣，油菜可食部分和油菜根鎘(Cd)含量採用硝酸- 微波消解，土壤鎘(Cd)有效態含量採用DTPA (pH=7. 3) 浸提法提取。各樣品中鎘(Cd)濃度採用原子吸收分光光度法測定。圖1為不同鈍化修復處理對菜地土壤鎘(Cd)有效態含量的影響。由圖1可知，土壤添加有機肥、生物炭及兩者復配而成的鈍化材料均能降低土壤鎘(Cd)有效態含量，並且生物炭與有機肥復配效果優於生物炭和有機肥單一效果。當土壤分別施加1%有機肥(1%PM) 和1%生物炭(P/oBC)後，土壤鎘(Cd)有效態含量分別比對照(CK，不添加任何鈍化材料)降低15%和27% ；當土壤施加0. 5%由生物炭和有機肥復配而成的鈍化材料(0. 5%BC-PM)，土壤鎘(Cd)有效態含量與對照(CK，不添加任何鈍化材料)相比較，下降43%，且達到顯著水平(F < 0. 05)；當土壤中生物炭和有機肥復配而成的鈍化材料施用量達到洲時(2°秘(^^)，土壤鎘(Cd)有效態含量比對照降低53%以上，且達到顯著水平G^ 生物炭>有機肥。當土壤施加0. 5%由生物炭和有機肥復配而成的鈍化材料(0. 5%BC-PM),油菜可食部分鎘(Cd)含量為0. 166 mg/kg (以鮮重計)，比對照降低55%，且達到顯著水平< 0. 05)；當土壤中生物炭和有機肥復配而成的鈍化材料施用量達到洲時(2°秘(^^)，土油菜可食部分鎘(Cd)含量為0.138 mg/kg (以鮮重計)，比對照降低62%以上，且達到顯著水平 0° < 0.05)。我國食品衛生標準GB2762-2005規定，葉菜類蔬菜鎘(Cd)含量限定值為0. 2 mg/kg (以鮮重計)。由圖2可看出，受鎘(Cd)汙染菜地土壤中，施加生物炭和有機肥復配而成的鈍化材料後，油菜可食部分鎘(Cd)含量均低於國家食品衛生標準限定值(0. 2 mg/kg), 可供安全食用。因此，物質炭和有機肥復配能有效鈍化土壤鎘(Cd)汙染，降低土壤鎘(Cd) 的生物有效性和可遷移性，阻控土壤有毒重金屬鎘(Cd)向蔬菜可食部分運移、累積，從而提高蔬菜的食品衛生質量，保障蔬菜的安全生產。根據上述說明，結合本領域技術可實現本發明的方案。
權利要求
1.應用生物炭與有機肥復配原位修復菜地土壤鎘汙染的方法，其特徵在於，在受重金屬鎘汙染的菜地土壤中，將由生物炭與有機肥復配而成的鈍化材料施於土壤表層，然後在 0-20cm的耕作層將鈍化材料與土壤充分混勻，根據土壤環境質量標準GB 15618-1995，判斷土壤汙染級別，其中土壤重金屬二級標準是為保障農業生產，維護人體健康的土壤限制值；當土壤鎘濃度超過土壤環境質量二級標準值時，則需要對鎘汙染土壤進行治理和修復， 修復後才能用於種植作物；當土壤鎘濃度在1.0-2. 9 mg/ kg之間時，鈍化材料施用量不少於幹土重的0.5%，即750 kg/畝，所述鈍化材料中的生物炭和有機肥按質量比為1 :1的比例復配而成；所述方法包括如下步驟製備鈍化材料中的生物炭生物炭由農作物秸稈在350°C缺氧條件下熱解炭化而成， 再經研磨後過孔徑為2mm的篩網獲得；製備鈍化材料中的有機肥有機肥選用雞糞，將養雞場提供的雞糞在100°C溫度下烘乾，再經研磨後過孔徑為2mm的篩網獲得；將生物炭和有機肥按質量比為1 :1的比例復配而成鈍化材料； 測定待修復土壤重金屬鎘含量，確定土壤在可修復的範圍即土壤鎘濃度在1.0-2.9 mg/kg之間，再對菜地土壤進行翻耕，打碎土塊、平整；根據土壤鎘實際汙染程度，在待修復的鎘汙染土壤中施用鈍化材料，先將鈍化材料施於土壤表層，再將鈍化材料在耕作層翻耕土壤，使鈍化材料與鎘汙染土壤充分混勻，田間水分保持70%田間最大持水量的溼潤狀態，平衡2周後即可種植蔬菜，田間水分管理與正常的農業生產相一致。
全文摘要
本發明涉及應用生物炭與有機肥復配原位修復菜地土壤鎘汙染的方法，受鎘汙染的菜地土壤中，將由生物炭與有機肥復配而成的鈍化材料施於土壤表層，然後在0-20cm的耕作層將鈍化材料與土壤充分混勻，根據土壤環境質量標準GB15618-1995，判斷土壤汙染級別，當土壤鎘濃度在1.0-2.9mg/kg之間時，鈍化材料施用量不少於幹土重的0.5%，即750kg/畝，所述鈍化材料中的生物炭和有機肥按質量比為11的比例復配而成；其優點鈍化材料的原料來源廣泛，成本低廉，施用方法簡單，對土壤鎘鈍化修復效果明顯，不會引起二次汙染的風險；將生物炭施入土壤中，還可以減少農田生態系統溫室氣體排放、增加土壤有機碳含量以及改善土壤結構等作用，具有巨大的推廣應用價值。
文檔編號B09C1/00GK102553905SQ201210040868
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月22日 優先權日2012年2月22日
發明者孫揚, 孫約兵, 徐應明, 林大松, 梁學峰, 王倩, 王林, 秦旭 申請人:農業部環境保護科研監測所