本發(fā)明涉及一種利用生物炭和螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤的方法。

背景技術(shù)：

金屬礦山開采過程中，經(jīng)機(jī)械破碎研磨，篩選其中有價值的礦物質(zhì)后，排出的固體殘渣廢物為尾礦。據(jù)統(tǒng)計，我國目前尾礦的總儲量約為80億噸，且每年以10％速度在迅速增長。在自然風(fēng)化、雨水沖洗和生物因素的作用下，長期裸露堆放的尾礦釋放大量重金屬元素、殘留浮選藥劑及廢石中含硫礦物引發(fā)的酸性廢水，對礦區(qū)周圍的土壤、地表水和地下水、大氣環(huán)境等會造成嚴(yán)重危害。同時，尾礦庫對土地資源的占用，加劇了我國人多地少的矛盾，制約了區(qū)域社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全。

目前尾礦重金屬污染治理方法主要有三類：工程物理法、化學(xué)調(diào)控法、生物修復(fù)法。研究較多的是，通過植物這種綠色生物反應(yīng)器來減少礦山重金屬污染，植物利用其根系及根際微生物對尾礦或土壤中的重金屬吸收、揮發(fā)、轉(zhuǎn)化、固定作用而達(dá)到去除目的。在自然界，存在很多對尾礦環(huán)境具有適應(yīng)性的植物，這些植物成為尾礦庫廢棄地自然恢復(fù)中的先鋒植物，它們對重金屬表現(xiàn)出的富集能力往往是普通植物的100倍以上，常見的針對重金屬污染土壤的修復(fù)植物有東南景天(Zn)、寶山堇菜(Cd)、蜈蚣草(As)、土荊薺(Pb)、海洲香薷(Cu)等。植物修復(fù)技術(shù)成本低、可操作性強(qiáng)，不僅可以降低礦山重金屬含量，還可以增加植被覆蓋，有效解決礦山土壤侵蝕、水土流失等問題，也因此成為礦區(qū)廢棄地污染治理的首選技術(shù)。白茅是多年生的草本植物，生存和繁殖能力極強(qiáng)，因其強(qiáng)大錯綜復(fù)雜的根系系統(tǒng)，在干旱貧瘠的環(huán)境中也能夠生長繁殖，因而常作為礦區(qū)恢復(fù)的先鋒植物。

然而隨著研究深入，人們發(fā)現(xiàn)土壤中重金屬的生物有效性較低，限制了植物修復(fù)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。因此，如何增加土壤溶液中重金屬的生物有效性成為提高植物修復(fù)效率研究的熱點。有些研究采用微生物或螯合劑等手段，對重金屬離子進(jìn)行活化，以提高植物對重金屬元素的吸收量。螯合劑物質(zhì)可以使土壤固相鍵結(jié)合的重金屬重新釋放并進(jìn)入土壤溶液，成為溶解態(tài)或易溶態(tài)，從而有效提高植物對重金屬的吸收或富集效率。如檸檬酸、草酸、蘋果酸等天然小分子有機(jī)酸，能通過與金屬離子形成可溶性絡(luò)合物增加金屬離子的活性和移動性。不同螯合劑對不同種類重金屬的活化作用各異，如EDTA(乙二胺四乙酸)對Pb的活化能力最強(qiáng)，而EDDS(乙二胺二琥珀酸)對Cu的活化能力較強(qiáng)?？梢姡亟饘倥c螯合劑之間存在選擇性，螯合劑的合理選用對于能否強(qiáng)化植物修復(fù)效果具有重要的作用。不同螯合劑的組合使用，也可以很大程度的提高植物提取對重金屬的吸收效率。

中國是農(nóng)業(yè)大國，有豐富的農(nóng)作物秸稈和林木資源，每年秸稈產(chǎn)生量為8億噸，如何合理利用農(nóng)林廢棄物成為人們關(guān)注的熱點。研究發(fā)現(xiàn)，將農(nóng)林剩余物熱解制備的生物炭，其在土壤改良、溫室氣體減排以及污染土壤修復(fù)方面都具有應(yīng)用潛力。生物炭孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，比表面積大且具有豐富含氧官能團(tuán)，對重金屬元素有較強(qiáng)的吸附能力。此外，生物炭能夠提高土壤pH值，含多種礦質(zhì)元素，在尾礦重金屬污染植物修復(fù)中，可為先鋒植物的生長提供營養(yǎng)。在重金屬污染尾礦廢棄地環(huán)境中，針對生物炭與螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染的研究并不多，相關(guān)研究可為重金屬污染土壌治理提供技術(shù)支撐。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提供一種有效降低尾礦中重金屬含量的利用生物炭和螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤的方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明一種利用生物炭和螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤的方法，該方法包括以下步驟：

(1)在重金屬尾礦基質(zhì)中混入生物炭基肥制備栽培基質(zhì)；

(2)在栽培基質(zhì)中種植植物；

(3)在種植60～75天后向栽培基質(zhì)中施加螯合劑。

較佳的，所述步驟(1)之前還包括以下步驟：

(1)制備生物炭；

(2)將生物炭和肥料混合制備生物炭基肥。

較佳的，所述步驟(3)的具體步驟：白茅種植60～75天后，將濃度為5～20mmol/L的EDTA、EDDS或檸檬酸螯合劑施加到栽培基質(zhì)中。

較佳的，所述生物炭制備方法包括以下步驟：

(1)將收集的農(nóng)林剩余物用水和鹽水清洗后烘干破碎；

(2)將破碎的所述農(nóng)林剩余物放入炭化爐中充有保護(hù)氣體的絕氧填裝箱體內(nèi)，在300℃～700℃條件下熱解炭化4～8小時；

(3)將熱解炭化處理后得到的炭化產(chǎn)品冷卻至室溫。

較佳的，所述生物炭基肥的制備方法包括以下步驟：

(1)將生物炭粉碎過50～80目篩；

(2)按照生物炭25～40份、干豬糞20～30份、尿素8～15份、鈣鎂磷肥10～20份、氯化鉀5～10份混合，制備生物炭基肥。

較佳的，所述重金屬污染尾礦為鐵鎂類型尾礦；所述重金屬污染尾礦包括蛇紋石尾礦、橄欖石尾礦和磁鐵礦尾礦；將不同的所述鐵鎂類型尾礦基質(zhì)與生物炭基肥按照5～8:1質(zhì)量比混合作為栽培基質(zhì)。

較佳的，所述步驟(3)之后還包括下列步驟：

(1)種植期滿后，對尾礦基質(zhì)土壤中的重金屬含量進(jìn)行測定；

(2)若尾礦基質(zhì)土壤中重金屬含量不高于預(yù)定值則不在進(jìn)行修復(fù)；若尾礦基質(zhì)土壤中重金屬的含量高于預(yù)定值則返回所述步驟(1)。

本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，具有顯著的技術(shù)效果：

1.白茅作為重要的先鋒植物類型，種植難度低，生長迅速，種群密度高，適用于大面積種植，不需要特殊管理；作為非食用性植物，可有效避免重金屬元素進(jìn)入食物鏈。白茅在尾礦廢棄地的適應(yīng)和富集生長，不僅可美化礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，還有利于尾礦土壤生產(chǎn)力的提升。

2.利用生物炭復(fù)配有機(jī)無機(jī)肥料，制備環(huán)保生物炭基肥，應(yīng)用于重金屬污染尾礦的修復(fù)，其工藝和施用方法簡單，生產(chǎn)成本較低；不僅減少了農(nóng)林剩余物不合理堆置對環(huán)境造成的污染影響，還可以帶來良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。生物質(zhì)炭本身具有的堿度，可以有效降低尾礦廢棄地的酸度，其對營養(yǎng)元素和重金屬的聚集吸附，可促進(jìn)植物的生長及對重金屬元素的吸收，改善土壤環(huán)境質(zhì)量。

3.在植株旺盛生長時期，利用EDTA、EDDS或檸檬酸螯合劑，對尾礦基質(zhì)中的重金屬進(jìn)行活化，以促進(jìn)修復(fù)植物對重金屬的吸收。此時，植物已積累較大生物量，蒸騰作用較強(qiáng)，短時間內(nèi)即可富集和轉(zhuǎn)移較多重金屬，還可以避免較高濃度螯合劑的施用引起植物中毒的現(xiàn)象。利用螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)，是一項低成本的生態(tài)修復(fù)技術(shù)，具有進(jìn)行大范圍修復(fù)重金屬污染土壤的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1的方法流程圖；

圖2是不同類型尾礦基質(zhì)種植下，白茅植株生物量；

圖3是不同類型尾礦基質(zhì)種植下，白茅植株體內(nèi)重金屬富集含量；

圖中S為蛇紋石型尾礦，O為橄欖石型尾礦，M為磁鐵礦型尾礦。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明一種利用生物炭和螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤的方法，該方法包括以下步驟：(1)在重金屬尾礦基質(zhì)中混入生物炭基肥制備栽培基質(zhì)；(2)在栽培基質(zhì)中種植植物；(3)在種植60～75天后向栽培基質(zhì)中施加螯合劑。

受重金屬污染的尾礦為鐵鎂質(zhì)型，以蛇紋石、橄欖石和磁鐵礦為主，Cr、Mn、Ni、Zn及Cu等重金屬元素的含量較高。

實施例1

如圖1所示，本實施例以蛇紋石型鐵鎂質(zhì)尾礦作為栽培基質(zhì)。

具體步驟：收集農(nóng)林剩余物，風(fēng)干粉碎，在厭氧300℃～700℃條件下，熱解炭化4～8小時得到生物炭；將研磨過的生物炭25～40份，干豬糞20～30份，尿素8～15份，鈣鎂磷肥10～20份，氯化鉀5～10份，混合均勻，得生物炭基肥。

將復(fù)配的生物炭基肥與尾礦基質(zhì)以1:5質(zhì)量比，混合均勻，穩(wěn)定放置15天。取白茅種子置于含營養(yǎng)液的培養(yǎng)皿中育苗2周；然后，選擇大小較均一幼苗40棵，移栽至混合培養(yǎng)基質(zhì)中，進(jìn)行75～90天培育，期間每天補(bǔ)充去離子水。種植至60～75天時，施加5mmol/L的EDTA螯合劑溶液至基質(zhì)中，攪拌均勻。種植滿后對白茅進(jìn)行收割，采集白茅根際和非根際尾礦，將白茅植株用去離子水沖洗，自然晾干后，烘干研磨。

測定土壤中重金屬含量。

測量結(jié)果顯示，利用生物炭和螯合劑能夠強(qiáng)化白茅對重金屬污染蛇紋石型尾礦的修復(fù)效果，Mn和Ni元素的含量分別降低8.5％和11.3％，但對Cr、Cu和Zn的修復(fù)效果未達(dá)到顯著水平。

如圖2-3所示，白茅植株在蛇紋石尾礦中的生物量為15.5±1.6g(干重)，顯著高于橄欖石型和磁鐵礦型尾礦，高有機(jī)質(zhì)含量使得蛇紋石尾礦與土壤的性質(zhì)較為接近。白茅植株對重金屬元素表現(xiàn)出富集效果，對Ni、Mn和Cr的富集量可分別達(dá)到88.5mg kg-1、58.9mg kg-1和27.5mg kg-1，但對Zn和Cu的積累效果不顯著，是由于尾礦基質(zhì)中的含量較低所致。

繼續(xù)將復(fù)配的生物炭基肥與尾礦基質(zhì)以1:5質(zhì)量比，混合均勻，穩(wěn)定放置15天。取白茅種子置于含營養(yǎng)液的培養(yǎng)皿中育苗2周；然后，選擇大小較均一幼苗40棵，移栽至混合培養(yǎng)基質(zhì)中，進(jìn)行75～90天培育，期間每天補(bǔ)充去離子水。種植至60～75天時，施加5mmol/L的EDTA螯合劑溶液至基質(zhì)中，攪拌均勻。種植滿后對白茅進(jìn)行收割，采集白茅根際和非根際尾礦，將白茅植株用去離子水沖洗，自然晾干后，烘干研磨；直至蛇紋石型鐵鎂質(zhì)尾礦栽培基質(zhì)中重金屬含量不高于預(yù)定值。

本實施例利用生物炭和螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤的方法能夠促進(jìn)修復(fù)植物在蛇紋石尾礦基質(zhì)中的良好生長，通過螯合劑對重金屬元素的絡(luò)合活化，大大提高植物對尾礦中重金屬元素的吸收效率，具有環(huán)境友好、無二次污染、成本低和可操作性強(qiáng)，大大減少了重金屬礦物對環(huán)境的影響，對生態(tài)環(huán)境起到了保護(hù)作用。

實施例2

基于實施例1，本實施例以橄欖石型鐵鎂質(zhì)尾礦作為栽培基質(zhì)，將復(fù)配的生物炭基肥與尾礦基質(zhì)以1:6質(zhì)量比，混合均勻，穩(wěn)定放置18天。取白茅種子置于含營養(yǎng)液的培養(yǎng)皿中育苗2周；然后，選擇大小較均一的幼苗35棵，移栽至混合培養(yǎng)基質(zhì)中，初期澆水300ml，進(jìn)行75～90天培育。期間每天補(bǔ)充去離子水。種植至60～75天時，施加10mmol/L的EDDS螯合劑溶液，攪拌均勻。種植期滿后，分別采集白茅植株、白茅根際和非根際尾礦，將白茅植株用去離子水沖洗，自然晾干后，烘干研磨。

測定尾礦基質(zhì)土壤中重金屬含量。

測量結(jié)果顯示，利用生物炭和螯合劑能夠強(qiáng)化白茅對重金屬污染橄欖石型尾礦的修復(fù)效果，Mn和Ni元素的含量顯著降低7.8％和9.8％，但對其他重金屬的修復(fù)效果未達(dá)到顯著水平。

如圖2-3所示，種植期滿后，白茅植株在橄欖石尾礦中的生物量為10.3±1.2g(干重)，較蛇紋石尾礦低。白茅植株對重金屬元素表現(xiàn)出富集效果，對Ni、Mn和Cr的富集量可分別達(dá)到70.8mg kg-1、44.1mg kg-1和23.8mg kg-1，但對Zn和Cu的積累效果不顯著，由于尾礦基質(zhì)中的含量較低所致。

繼續(xù)將復(fù)配的生物炭基肥與尾礦基質(zhì)以1:6質(zhì)量比，混合均勻，穩(wěn)定放置18天。取白茅種子置于含營養(yǎng)液的培養(yǎng)皿中育苗2周；然后，選擇大小較均一的幼苗35棵，移栽至混合培養(yǎng)基質(zhì)中，初期澆水300ml，進(jìn)行75～90天培育。期間每天補(bǔ)充去離子水。種植至60～75天時，施加10mmol/L的EDDS螯合劑溶液，攪拌均勻。種植期滿后，分別采集白茅植株、白茅根際和非根際尾礦，將白茅植株用去離子水沖洗，自然晾干后，烘干研磨；直至橄欖石型鐵鎂質(zhì)尾礦栽培基質(zhì)中重金屬含量不高于預(yù)定值。

本實施例利用生物炭和螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤的方法能夠促進(jìn)修復(fù)植物在橄欖石尾礦基質(zhì)中的良好生長，通過螯合劑對重金屬元素的絡(luò)合活化，大大提高植物對尾礦中重金屬元素的吸收效率，具有環(huán)境友好、無二次污染、成本低和可操作性強(qiáng)，大大減少了重金屬礦物對環(huán)境的影響，對生態(tài)環(huán)境起到了保護(hù)作用。

實施例3

基于實施例1，本實施例以磁鐵礦型鐵鎂質(zhì)尾礦作為栽培基質(zhì)，將復(fù)配的生物炭基肥與尾礦基質(zhì)以1:8質(zhì)量比，混合均勻，穩(wěn)定放置20天。取白茅種子置于含營養(yǎng)液的培養(yǎng)皿中育苗2周；然后，選擇大小較均一的幼苗40棵，移栽至混合培養(yǎng)基質(zhì)中，初期澆水350ml，進(jìn)行75～90天培育，期間每天補(bǔ)充去離子水。種植至60～75天時，施加15mmol/L的檸檬酸螯合劑溶液至基質(zhì)中，攪拌均勻。種植期滿后，對白茅進(jìn)行收割，采集白茅根際和非根際尾礦，將白茅植株用去離子水沖洗，自然晾干后，烘干研磨。

測定尾礦基質(zhì)土壤中重金屬含量。

測量結(jié)果顯示，利用生物炭和螯合劑能夠強(qiáng)化白茅對重金屬污染磁鐵礦型尾礦的修復(fù)效果，Cr、Mn和Ni元素的含量分別降低7.6％、8.1％和12.8％，但對Cu和Zn的修復(fù)效果未達(dá)到顯著水平。

如圖2-3所示，種植期滿后，白茅植株在磁鐵礦尾礦中的生物量僅為7.8±1.2g/盆(干重)，這是由于磁鐵礦顆粒致密，植物的根系不易吸收養(yǎng)分所致。白茅植株對重金屬元素表現(xiàn)出富集效果，對Ni、Mn和Cr的富集量可分別達(dá)到68.6mg kg-1、43.7mg kg-1和40.4mg kg-1，但對Zn和Cu的積累效果不顯著，是由于尾礦基質(zhì)中的含量較低所致。

繼續(xù)將復(fù)配的生物炭基肥與尾礦基質(zhì)以1:8質(zhì)量比，混合均勻，穩(wěn)定放置20天。取白茅種子置于含營養(yǎng)液的培養(yǎng)皿中育苗2周；然后，選擇大小較均一的幼苗40棵，移栽至混合培養(yǎng)基質(zhì)中，初期澆水350ml，進(jìn)行75～90天培育，期間每天補(bǔ)充去離子水。種植至60～75天時，施加15mmol/L的檸檬酸螯合劑溶液至基質(zhì)中，攪拌均勻。種植期滿后，對白茅進(jìn)行收割，采集白茅根際和非根際尾礦，將白茅植株用去離子水沖洗，自然晾干后，烘干研磨；直至磁鐵礦型鐵鎂質(zhì)尾礦栽培基質(zhì)中重金屬含量不高于預(yù)定值。

本實施例利用生物炭和螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤的方法能夠促進(jìn)修復(fù)植物在磁鐵礦尾礦基質(zhì)中的良好生長，通過螯合劑對重金屬元素的絡(luò)合活化，大大提高植物對尾礦中重金屬元素的吸收效率，具有環(huán)境友好、無二次污染、成本低和可操作性強(qiáng)，大大減少了重金屬礦物對環(huán)境的影響，對生態(tài)環(huán)境起到了保護(hù)作用。

應(yīng)當(dāng)指出的是，本發(fā)明在治理重金屬污染尾礦過程中，植物的種植、栽種周期以及生物炭基肥的施加量，需根據(jù)尾礦庫類型的改變而適當(dāng)變通，從而達(dá)到較好的修復(fù)治理。

根據(jù)實施例可知，本發(fā)明利用生物炭和螯合劑強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤的方法能夠促進(jìn)修復(fù)植物在尾礦基質(zhì)中的良好生長，通過螯合劑對重金屬元素的絡(luò)合活化，大大提高植物對尾礦中重金屬元素的吸收效率，具有環(huán)境友好、無二次污染、成本低和可操作性強(qiáng)，大大減少了重金屬礦物對環(huán)境的影響，對生態(tài)環(huán)境起到了保護(hù)作用。

以上，僅為本發(fā)明的較佳實施例，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求所界定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。