一種聯合修復重金屬污染土壤的方法與流程

本發明涉及土壤重金屬污染治理領域，特別是涉及一種重金屬污染土壤的原位淋洗-深層固定-植物修復聯合方法。

背景技術：

在過去幾十年，因選礦業、冶煉業的發展及環保法律、環保意識的欠缺，造成我國大面積土壤被重金屬污染(如鎘、汞、砷、銅、鉛、鉻、鋅等)，《全國土壤污染狀況調查公報》顯示，我國16.1％的土壤被污染，耕地土壤污染達到19.4％，其中鎘污染最為突出，超標率為7％。重金屬不被生物降解、毒性強，易于在農作物中積累，進入食物鏈，造成糧食減產和危害人體健康。而我國人與耕地矛盾突出，改良污染農田的質量顯得尤為迫切。2016年國務院印發的《土壤污染防治行動計劃》(“土十條”)，對于污染土壤的安全利用提出了明確的目標。因此如何高效的修復如此大面積污染土壤，實現“土十條”提出的目標尤為重要。

目前，重金屬污染農田的修復技術主要是鈍化，即將鈍化材料如石灰、生物炭等材料施加到土壤中，提高土壤的酸度和對重金屬的吸附能力，降低重金屬的活性，減少農作物對重金屬的吸收。但重金屬仍然留在耕作層，而且農作物根部產生的小分子有機酸，重新活化重金屬。因此鈍化修復往往不能取得長效的效果。植物修復是一種廉價的修復技術，通過積累植物將重金屬富集至地上部，收割地上部植物減少土壤中的重金屬含量。但植物修復效率卻不能令人滿意，往往需要十幾乃至數十年。土壤淋洗修復技術是利用化學淋洗劑，如有機酸，螯合劑、無機酸等化合物，將重金屬從污染土壤中洗脫下來，達到修復目的。目前，土壤淋洗修復主要應用于工業場地的修復，對于大面積污染農田修復土壤淋洗修復，工程量大，泥水分離困難等問題。本發明旨在解決大面積污染的農田高效修復問題難題，創新地將原位淋洗、深層固定、植物修復結合在一起，解決了淋洗的高成本、鈍化不徹底、植物修復效率低的問題。

技術實現要素：

針對目前重金屬修復技術存在的問題，提供一種原位淋洗-深層固定-植物修復聯合修復重金屬污染土壤修復方法，本發明是這樣實現的：

一種聯合修復重金屬污染土壤的方法，其具體步驟如下：

1)污染農田挖50-60cm深溝，溝寬5～10cm，溝間距為0.5m～1m，向溝內加入固定劑，再回填土壤；然后向土壤表面施加淋洗劑，灌溉水；

2)施入有機肥，扦插種植柳樹，恢復土壤功能，進一步去除殘留重金屬，柳樹種植1～2年后可以將柳樹輪伐，2～3年后，收割柳枝，即完成對金屬污染土壤的修復。

進一步，本發明所述聯合修復重金屬污染土壤的方法中，步驟1)所用的固定劑為具有土壤改良作用的石灰，固定劑施入量為耕作層土壤干重質量的2％。進一步，本發明所述聯合修復重金屬污染土壤的方法中，步驟1)所使用的淋洗劑為不產生二次污染且具有土壤改良作用的三氯化鐵，淋洗劑施入量為耕作層土壤干重質量的0.5～2.0％。

進一步，本發明所述聯合修復重金屬污染土壤的方法中，步驟2)所述柳樹為濟價值較強、富集效率高的金絲垂柳或柳785。

進一步，本發明所述聯合修復重金屬污染土壤的方法中，步驟1)所述灌溉水是指：向土壤表層灌水至水面高于土壤表層10cm，利用水耙攪拌混合土壤，靜置，待水滲入土壤后，再重復灌溉至少兩次；重金屬隨淋洗劑下滲到農田深層(約距土壤表層50-60cm)，重新在深層固定，不污染地下水，

進一步，本發明所述聯合修復重金屬污染土壤的方法中，步驟2)所述有機肥的施入量為耕種層土壤干重的0.5～1％，恢復淋洗后土壤中流失的營養元素、有機質。

進一步，本發明所述聯合修復重金屬污染土壤的方法中，步驟2)扦插種植柳樹的種植間距為1m×30cm。

本申請中，技術術語“耕作層”是指距表層0-20cm的土壤層。

本發明中，攜帶重金屬的淋洗劑下滲至深層，深層的固定劑石灰成堿性，與酸性淋洗劑反應，提高土壤ph，石灰與三氯化鐵反應生成具有絮凝作用的氫氧化鐵，從而使重金屬在深層固定下來。

本發明的有益效果體現在：

1、本發明所選淋洗劑不破壞土壤結構、可作為稻田土壤改良劑的三氯化鐵，淋洗劑環境友好，不產生二次污染。

2、相對常規淋洗技術，本發明省去攪拌、泵提、泥水分離等過程，操作過程簡便，成本降低。

3、與現有鈍化技術相比，本發明將耕作層重金屬淋洗固定至根系活動較少深層，降低耕作層重金屬的含量，防止鈍化的重金屬重新活化，減少農作物的吸收。

4、施加有機肥并進行植物修復后，土壤營養元素、有機質、ph、微生物種群等都不同程度恢復，克服淋洗帶來的土壤結構破壞、營養流失的問題。

5、本發明選用的植物為重金屬積累的金絲垂柳或柳785，金絲垂柳耐干旱、水澇，抗脅迫性強，且金絲垂柳為常見的綠化樹種；柳785既能夠對土壤中鎘起到富集作用，同時實現重金屬鎘主要富集于枝干及枝條中，統一收割，可省去因處理富集鎘的落葉而耗費的大量人力物力。修復后的柳樹以苗木出售，產生經濟價值，實現邊生產邊修復，樹苗種植于未污染區，體內重金屬濃度隨植株的生長而降低，不產生新的環境風險；

附圖說明

圖1為不同比例淋洗劑對污染土壤的淋洗效果示意圖；

圖2為原位淋洗后不同深度cd濃度變化示意圖；

圖3為改良前后柳樹地上部器官每株生物量示意圖；

圖4為改良前后柳樹地上部組織重金屬cd含量及土壤中cd有效態含量示意圖；

圖5柳785生長三年后莖、葉生物量及富集系數。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發明進一步進行描述，但本發明并不限于下述實施例。實施例1重金屬污染土壤原位淋洗-深層固定

表1土壤基本性質

本實施例修復工程位于江蘇省宜興某污染農田，該農田土壤屬于黃棕壤，酸性，土壤性質見表1，鎘含量為6.32mg/kg，超過我國《土壤環境質量標準》(gb15618-1995)二級標準十倍以上，嚴重威脅當地生態環境及人類健康。

本實施例土壤原位淋洗-深層固定步驟如下：

1.將污染農田平整后，周圍夯實田埂，田埂高15cm；

2.在污染農田內挖50～60cm深溝，溝寬5～10cm，溝間距為0.5m～1m；

3.在深溝內施加石灰，按照耕作層(距表層土壤0-20cm內的土壤)土壤干重的2％施加，約4.8kg/m²，然后回填污染土壤；

4.在土壤表層均勻施加淋洗劑三氯化鐵，三氯化鐵施加量以耕作層土壤(距表層土壤0-20cm內的土壤)干重的質量比施加：

分為四個處理：a)不施加淋洗劑，b)施加占耕作層土壤干重質量比0.5％的fecl3；c)施加占耕作層土壤干重質量比1％fecl3；d)施加占耕作層土壤干重質量比2％fecl3；上述四組依次編號ck、1、2、3；

5.農田灌水，灌水后保持水面高于地面10cm，利用水耙混合攪拌土壤，待水完全下滲后，再次灌水，重復兩次；

6.當水完全下滲后，分層取樣分析土壤重金屬的含量及耕作層土壤的基本理化性質。

圖1為不同比例淋洗劑對污染土壤的淋洗效果，由圖1可見，在施加淋洗劑三氯化鐵后，不同比例的淋洗劑對污染耕作層土壤中的重金屬去除效果不同，當加入質量比分別為0.5％、1％、2％的fecl3時，土壤中剩余cd的量分別為4.29mg/kg、2.08mg/kg、1.02mg/kg，去除率分別為36.35％、69.14％、84.87％；有效態的含量分別為1.68mg/kg、0.94mg/kg、0.58mg/kg，去除率分別為24.93％、58.29％、74.40％。可見，原位施加三氯化鐵可有效淋洗耕作層土壤的重金屬，且隨施加量的增加，淋洗效率增加。

圖2為原位淋洗后不同深度cd濃度變化，由圖2可見，淋洗后，耕作層土壤(0-20cm)及20-40cm土壤中重金屬cd的濃度明顯降低，耕作層土壤(0-20cm)重金屬去除率高于20-40cm。重金屬淋洗后，在深層固定下來，40-60cm深度土壤中cd的濃度增加明顯，分別增加到原來的1.94、2.18、2.84倍。而在更深層的60-80cm土壤中重金屬cd的濃度無明顯變化，說明耕作層淋洗下來的重金屬在深層固定，沒有進一步向下淋洗，污染地下水，淋洗灌溉后再次檢測耕作層土壤性質，結果如表2所示：

表2淋洗前后耕作層土壤理化性質的變化

由表2可見，經三氯化鐵淋洗后，耕作層土壤ph降低，這是因為fecl3在土壤中水解產生h⁺，酸化土壤。淋洗劑三氯化鐵的施加，不僅土壤中重金屬被去除，部分營養物質也被洗脫下來、造成土壤性質惡化，需進行土壤改良。在土壤中施加改良劑是一種簡便可行的方法，但隨著土壤的酸化，土壤中的微生物種群結構被破壞，而單純施加改良劑僅能恢復土壤理化性質，仍需進一步種植抗性強的植物恢復土壤功能。

實施例2土壤有機肥改良-植物修復重金屬污染土壤

實施例1中按耕作層土壤干重的2％施加三氯化鐵(組3)，土壤中重金屬去除率最好，但土壤酸化和營養損失最為嚴重。本實施例將對此土壤進行改良和植物修復。操作步驟如下：

1.淋洗后施加市售有機肥于土壤表面，施加量為耕種層土壤干重的1％(具體施加比例也可參照有機肥說明書)，旋耕混勻。

2.選取0.5-1.5cm粗細的金絲垂柳枝條，除去細枝，剪成約15cm左右長的插條，柳樹插條制備過程中，盡量減少傷口面積。

3.以插條形式扦插種植金絲垂柳，種植間距為1m×30cm，種植密度為3.3株/m²，正常田間管理。柳樹生長八個月后，取樣分析土壤重金屬的含量、耕作層的基本理化性質、柳樹植株內不同部分的生物量及重金屬cd的含量，檢測結果如表3所示：

表3土壤改良植物修復前后耕作層土壤理化性質的變化

表3中，未處理組為原始土壤；土壤改良前組是指按照實施例1組3方法淋洗后未做其他處理的土壤；土壤改良-植物修復后組是指經本實施例上述施加有機肥并扦插柳樹后的土壤。

由表3可見，土壤ph從4.63恢復到6.19，土壤有機質和速效氮、速效磷等土壤理化指標與基本淋洗前基本一致。

在污染農田原位淋洗修復后，土壤酸化、營養元素流失，土壤微生物結構改變，柳樹的生物量受到極大的抑制，圖3為土壤有機肥改良前后柳樹地上部組織重示意圖，圖3中，未淋洗組是指原始土壤生長的柳樹，未改良組是指按照實施例1組3方法淋洗后未做其他處理土壤的柳樹；改良組是指按照實施例1組3方法淋洗后并施加有機肥土壤的柳樹。

由于淋洗劑的活化、酸化作用，淋洗后耕作層土壤中仍殘留部分重金屬，且有效態所占比例較大。在土壤有機肥改良-植物修復后，由于改良后土壤ph和有機質的恢復，已經柳樹地上部的富集作用，耕作層土壤中的有效態重金屬含量由淋洗后的0.57mg/kg降低至0.34mg/kg(圖4)。

實施例3柳785修復重金屬cd污染土壤

本實施例地位于江蘇省常熟市某公園，其土壤為湖底清淤污泥，土壤中cd濃度為0.93mg/kg，超過了我國土壤環境質量二級標準農田土壤中污染物鎘的最高容許含量0.6mg/kg，會對農業生產，以及人體健康構成很大危害，因此該地區土壤亟待修復。本實施例步驟如下：

1、將該處土壤平整后，挖50～60cm深溝，溝寬5～10cm，溝間距為0.5m～1m；

2、在深溝內施加石灰，按照耕作層(距表層土壤0-20cm內的土壤)土壤干重的2％施加，約4.8kg/m²，然后回填污染土壤；

3、在土壤表層均勻施加淋洗劑三氯化鐵，三氯化鐵施加量以耕作層土壤(距表層土壤0-20cm內的土壤)干重的質量比2％施加：；

4、灌水，灌水后保持水面高于地面10cm，利用水耙混合攪拌土壤，待水完全下滲后，再次灌水，重復兩次；

5、淋洗后施加市售有機肥于土壤表面，施加量為耕種層土壤干重的1％，旋耕混勻；

6、選取0.5-1.5cm粗細的柳785枝條，除去細枝，剪成約15cm左右長的插條，柳樹插條制備過程中，盡量減少傷口面積；

7、以插條形式扦插種植柳785，種植間距為1m×30cm，種植密度為3.3株/m²，正常田間管理。

柳樹生長三年后，取樣分析柳樹植地上部組織生物量及重金屬cd的含量，檢測結果如圖5所示：柳785莖的生物量遠遠大于葉的生物量，生長三年后莖、葉的生物量分別為1.12kg/株、0.54kg/株。并且，莖、葉中重金屬cd富集系數分別為9.3、5.8，莖富集系數大于葉。重金屬cd更多的富集在枝干及枝條中，減少隨落葉返回土壤中重金屬的量，提高植物修復效率。計算發現，三年后，在不添加任何化學藥劑的情況下，柳屬無性系785對土壤中鎘的去除率達到22.5％，對土壤中金屬鎘具有較好的去除效果。

以上所述實施例僅表達了本發明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進，這些改進都屬于本發明的保護范圍。