本發(fā)明屬于污染土壤修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種廣適高效無損原位修復(fù)受重金屬污染農(nóng)田的方法。
背景技術(shù)：
目前我國耕地受重金屬污染形勢嚴峻，全國有約六分之一的耕地受到不同程度的重金屬污染。其中Cd、Ni、Pb等是污染耕地的主要重金屬。上述重金屬主要通過污水灌溉、工業(yè)三廢排放、農(nóng)藥化肥過度使用等途徑進入耕地，造成土壤重金屬污染。耕地重金屬污染會造成農(nóng)作物減產(chǎn)和重金屬超標，進而威脅人們身體健康。近年來我國土壤重金屬污染事件頻發(fā)，由此引發(fā)的鎘米、砷毒、血鉛等污染事件時有報道，嚴重影響社會穩(wěn)定。目前，土壤重金屬污染已經(jīng)成為我國主要的環(huán)境污染問題之一，受到政府和公眾的重點關(guān)注。因此，控制和修復(fù)土壤重金屬污染，保障食物安全和群眾健康，是目前我國重大環(huán)保需求之一，也是科研工作者需要重點關(guān)注和解決的問題。
針對污染土壤修復(fù)，目前國內(nèi)外常用的修復(fù)技術(shù)主要有物理修復(fù)、化學修復(fù)、生物修復(fù)等。物理修復(fù)法主要包括客土法、換土法、隔離包埋法、熱力恢復(fù)法等，但上述方法存在投資運行成本高、工程量大等缺陷?；瘜W修復(fù)法主要采用外加化學添加劑，通過改變土壤中重金屬存在形態(tài)，降低其生物有效性，從而減少其毒性和植物累積性，目前常用的方法包括化學改良劑法、化學柵法、化學淋洗法等。但加入化學物質(zhì)一定程度上會破壞土壤結(jié)構(gòu)和組成、改變土壤酸堿性、降低土壤肥力，同時使用不當還會造成二次污染。生物修復(fù)是利用植物、動物、微生物的方法吸附/吸收重金屬，實現(xiàn)土壤修復(fù)目的。但生物修復(fù)技術(shù)周期較長，且生物修復(fù)技術(shù)(主要是植物修復(fù)技術(shù))往往對某一種類重金屬修復(fù)效果較好，對受多種重金屬污染的土壤無法治理到符合標準。
在上述污染治理技術(shù)基礎(chǔ)上，我國科技工作者開展了較為深入的土壤重金屬污染治理研究，并申請了系列發(fā)明專利。其中，發(fā)明專利(申請?zhí)?01410358118.1)采用灌水浸泡、土壤重金屬解吸劑(有機絡(luò)合劑)解析土壤重金屬、凹凸棒吸附、電分離法分離凹凸棒等步驟治理重金屬，治理效果銅去除率約82％、鉛約55％；同時在土壤中加入人造有機絡(luò)合劑、凹凸棒粉等，其中有機絡(luò)合劑無法回收殘留在土壤中，部分凹凸棒粉可通過電分離法回收但土壤中仍會殘留，上述物質(zhì)一方面會破壞土壤組成和性質(zhì)；另一方面加入的化學物質(zhì)的環(huán)境生態(tài)風險未進行評估，存在土壤新污染的趨勢；此外，該方法工程量大，同時采用電分離法回收凹凸棒不僅使用成本高，且存在安全風險。發(fā)明專利(申請?zhí)?01410285259.5、201510186798.8)采用取樣、分析、除草浸泡、活化、置換吸附、攪拌磁吸、集中收集等步驟治理農(nóng)田重金屬；但該方法在土壤中加入人造解膠劑、聚合置換劑等，且不進行回收，全部殘留在土壤中，上述物質(zhì)的加入一方面會破壞土壤組成和結(jié)構(gòu)，改變土壤微生態(tài)系統(tǒng)，另一方面加入的化學物質(zhì)的環(huán)境生態(tài)風險未進行評估，存在土壤新污染的趨勢，土壤原有功能能否恢復(fù)值得商榷；此外，該方法的工程量大。發(fā)明專利(申請?zhí)?01410240226.9)采用改性秸稈繩從土壤吸附去除重金屬；但該方法僅能吸附去除部分水溶態(tài)和離子交換態(tài)重金屬，對土壤中占大部分的碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)、有機結(jié)合態(tài)等重金屬幾乎沒有去除作用，而后面幾種形態(tài)重金屬在土壤pH、氧化還原電位發(fā)生改變是會析出重新污染土壤。而受限于改性秸稈繩的物理機械性能，該技術(shù)只能用在pH為6-7的土壤，而在酸性或堿性土壤中秸稈繩易腐蝕分解，起不到治理作用。同時上述四項發(fā)明專利只能吸附去除土壤中可溶態(tài)、離子交換態(tài)重金屬，對碳酸鹽結(jié)合態(tài)和鐵錳氧化態(tài)重金屬幾乎沒有去除作用，無法做到土壤重金屬高效深度凈化。
因此，針對現(xiàn)有農(nóng)田重金屬污染特征，開發(fā)出一種經(jīng)濟、快速、高效、無損、廣適的重金屬污染農(nóng)田土壤修復(fù)技術(shù)并推廣應(yīng)用，對改善我國農(nóng)田重金屬污染狀況，促進農(nóng)作物增收和保護人民身體健康具有重要意義。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種廣適高效無損原位修復(fù)受重金屬污染農(nóng)田的方法。該方法以物理修復(fù)法為基礎(chǔ)，通過對受污染農(nóng)田土壤進行翻耕、筑壟、灌水浸泡、可移動式吸附模塊吸附、浸泡水內(nèi)循環(huán)、土壤穩(wěn)定增肥等步驟，實現(xiàn)對受重金屬污染農(nóng)田土壤進行原位無損修復(fù)、穩(wěn)定和增肥，該方法無需外加添加劑，不破壞土壤結(jié)構(gòu)和組成，能實現(xiàn)多種類、多形態(tài)重金屬的深度高效凈化，具有應(yīng)用范圍廣、工程量小、治理周期短、成本低等優(yōu)點，非常適合受重金屬污染的農(nóng)田土壤治理。
本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
一種高效無損原位修復(fù)受重金屬污染農(nóng)田的方法，包括如下步驟：
步驟一，將受重金屬污染農(nóng)田的表層土壤進行翻耕，并修筑成田壟；
步驟二，以當?shù)厮礊楣喔人?，調(diào)節(jié)灌溉水pH值成弱酸性，用其灌溉受污染農(nóng)田，淹沒田壟，浸泡一定時間；
步驟三，在每條田溝之間均勻布置可移動式吸附模塊，同時啟動農(nóng)田浸泡水內(nèi)循環(huán)，使浸泡水呈緩慢流動狀態(tài)，動態(tài)吸附一定時間；
步驟四，排除農(nóng)田浸泡水，重新對土壤進行翻耕，并修筑成田壟，直接以當?shù)厮礊楣喔人?，對土壤浸泡一定時間，隨后在每條田溝之間重新均布可移動式吸附模塊，啟動農(nóng)田浸泡水內(nèi)循環(huán)，繼續(xù)吸附一定時間；此步驟運行工藝參數(shù)與第一次灌溉、浸泡、吸附相同；
步驟五，排除農(nóng)田浸泡水，暴曬一定時間，重新對土壤進行翻耕，翻耕同時撒入一定量的土壤穩(wěn)定增肥劑，實現(xiàn)受重金屬污染農(nóng)田修復(fù)、穩(wěn)定和增肥。
本發(fā)明所述的表層土壤翻耕厚度為30-40cm，田壟深30cm，寬40cm，田溝寬30cm。
本發(fā)明所述的調(diào)節(jié)灌溉水pH值為4.0-6.0，所用酸為磷酸；浸泡水浸沒田壟高度為10cm，浸泡時間3-7天。
本發(fā)明所述的可移動式吸附模塊由支撐繩、固定環(huán)和可拆卸式吸附膠囊組成，可拆卸式吸附膠囊通過固定環(huán)固定在支撐繩上，可拆卸式吸附膠囊安裝在每條田溝間，在水面下15cm處，安裝間隔為1m。
本發(fā)明所述的可拆卸式吸附膠囊由吸附劑和紗網(wǎng)袋組成，高性能的吸附劑填裝在紗網(wǎng)袋內(nèi)，吸附劑裝填重量為1Kg/紗網(wǎng)袋。
本發(fā)明所述的吸附劑為中微孔吸附劑，要求比表面積≥500m2/g，粒徑0.5-3mm，優(yōu)選的吸附劑為活性炭和/或活性炭纖維。
本發(fā)明所述的農(nóng)田浸泡水內(nèi)循環(huán)由可移動潛水泵、循環(huán)水溝和田溝組成，要求控制水流速度在0.05-0.1m/s之間。
本發(fā)明所述的可移動式吸附模塊吸附時間為7-12天；所述的暴曬時間為3-5天。
本發(fā)明所述的土壤穩(wěn)定增肥劑由石灰、農(nóng)林廢物焚燒灰、碳酸氫銨、磷酸二氫鉀組成，各成分質(zhì)量比例為石灰：農(nóng)林廢物焚燒灰：碳酸氫銨：磷酸二氫鉀＝5:3:1:1。撒入的土壤穩(wěn)定增肥劑量為80-150Kg/每畝農(nóng)田。
本發(fā)明的基本原理在于：通過對農(nóng)田進行翻耕、修筑田壟，使土壤表面充分暴露，隨后通過偏酸性水對農(nóng)田土壤進行充分浸泡，使得存在于土壤表面或結(jié)構(gòu)中的離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)等生物有效態(tài)重金屬充分轉(zhuǎn)變成水溶態(tài)重金屬，釋放到水中，然后通過吸附劑對水中重金屬離子進行吸附去除。啟動農(nóng)田浸泡水內(nèi)循環(huán)的目的是促進農(nóng)田內(nèi)重金屬的擴散，強化重金屬的吸附作用。再次以普通水浸泡的目的一方面是調(diào)節(jié)土壤pH值，一方面是進一步促進土壤中重金屬的釋放；同時再次吸附的目的是為了進一步吸附去除重金屬。當農(nóng)田土壤經(jīng)過兩輪翻耕、灌溉、浸泡、吸附之后，絕大部分生物有效態(tài)重金屬被去除。隨后撒入土壤穩(wěn)定增肥劑，進一步固化未吸附的可溶態(tài)重金屬，同時調(diào)節(jié)土壤pH值和增加土壤肥力。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：
(1)多污染物深度高效凈化：本發(fā)明將土壤中離子交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、鐵錳氧化態(tài)等生物有效態(tài)重金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇軕B(tài)重金屬，結(jié)合移動式吸附膠囊吸附，實現(xiàn)對Cd、Ni、Pb等多種類、多形態(tài)重金屬的深度高效凈化，可實現(xiàn)土壤中各重金屬的總?cè)コ省?0％，凈化后土壤重金屬滿足國內(nèi)排放標準要求。該方法克服了傳統(tǒng)原位固定-鈍化技術(shù)僅僅降低重金屬可遷移性，而重金屬仍然留存于土壤，環(huán)境生態(tài)風險仍然存在的缺點；克服了傳統(tǒng)吸附法只能吸附去除水溶態(tài)和離子交換態(tài)重金屬，無法做到多形態(tài)重金屬深度凈化的缺點。
(2)原位無損修復(fù)：該方法無需移動受污染土壤，無需外加人造添加劑，不破壞土壤結(jié)構(gòu)，不存在殘留物的二次污染等環(huán)境風險；該方法能在保護土壤性質(zhì)的基礎(chǔ)上增加土壤肥力，進一步固化重金屬，是一種環(huán)保的原位無損修復(fù)技術(shù)?？朔爽F(xiàn)有物理、化學法工程量大、投資高、改變土壤結(jié)構(gòu)和性質(zhì)等缺點。
(3)經(jīng)濟、安全：該方法實施過程中無大型機械設(shè)備，工程量小，投資運行成本低，且實施過程安全可靠。
(4)簡單、快速：該方法工藝、設(shè)備簡單，實施周期短(1-2個月)，克服了植物修復(fù)法耗時長(幾年)，重金屬去除單一，土地閑置時間長的缺點。
(5)適用范圍廣：該方法可應(yīng)用于酸性、中性、堿性土壤重金屬治理，尤其適合南方地區(qū)受重金屬污染農(nóng)田耕地的原位修復(fù)，具適用范圍廣的優(yōu)點。
附圖說明
圖1是本發(fā)明一種廣適高效無損原位修復(fù)受重金屬污染農(nóng)田的方法系統(tǒng)圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
實施例1
步驟一，將受重金屬污染農(nóng)田的表層土壤進行翻耕，翻耕深度30cm，并修筑成田壟，田壟深30cm，寬40cm，田溝寬30cm；
步驟二，以當?shù)厮礊楣喔人?，采用磷酸調(diào)節(jié)灌溉水pH值為4.0，用其灌溉受污染農(nóng)田，淹沒田壟高度10cm，浸泡3天；
步驟三，在每條田溝內(nèi)每隔2m布置一個可移動式吸附模塊，可移動式吸附模塊由支撐繩、固定環(huán)、可拆卸式吸附膠囊組成，可拆卸式吸附膠囊由粒徑為0.5mm、比表面積≥1000m2/g活性炭和紗網(wǎng)袋組成，可拆卸式吸附膠囊安裝深度距水面15cm，同時啟動農(nóng)田浸泡水內(nèi)循環(huán)，使浸泡水呈緩慢流動狀態(tài)，控制水流速度為0.05m/s，動態(tài)吸附7天；
步驟四，排除農(nóng)田浸泡水，重新對土壤進行翻耕，并修筑成田壟，直接以當?shù)厮礊楣喔人?，對土壤浸?天，隨后在每條田溝之間每隔1m重新均布可移動式吸附模塊，啟動農(nóng)田浸泡水內(nèi)循環(huán)，繼續(xù)吸附7天；
步驟五，排除農(nóng)田浸泡水，暴曬3天，重新對土壤進行翻耕，翻耕同時以150Kg/每畝的標準撒入土壤穩(wěn)定增肥劑。最終監(jiān)測農(nóng)田中Cd、Ni、Pb的去除率分別為93％、89.53％、91.93％，同時各有效態(tài)重金屬大幅度減小。達到土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618-2008)規(guī)定的農(nóng)業(yè)用地(土壤pH＝6.5-7.5)Cd、Ni、Pb含量分別≤0.5、90、80mg/Kg的要求。具體見表1。
表1土壤治理前后重金屬含量
實施例2
步驟一，將受重金屬污染農(nóng)田的表層土壤進行翻耕，翻耕深度35cm，并修筑成田壟，田壟深30cm，寬40cm，田溝寬30cm；
步驟二，以當?shù)厮礊楣喔人?，采用磷酸調(diào)節(jié)灌溉水pH值為5.0，用其灌溉受污染農(nóng)田，淹沒田壟高度10cm，浸泡5天；
步驟三，在每條田溝內(nèi)每隔2m布置一個可移動式吸附模塊，可移動式吸附模塊由支撐繩、固定環(huán)、可拆卸式吸附膠囊組成，可拆卸式吸附膠囊由粒徑為1mm、比表面積≥1500m2/g活性炭纖維和紗網(wǎng)袋組成，可拆卸式吸附膠囊安裝深度距水面15cm，同時啟動農(nóng)田浸泡水內(nèi)循環(huán)，使浸泡水呈緩慢流動狀態(tài)，控制水流速度為0.08m/s，動態(tài)吸附10天；
步驟四，排除農(nóng)田浸泡水，重新對土壤進行翻耕，并修筑成田壟，直接以當?shù)厮礊楣喔人?，對土壤浸?天，隨后在每條田溝之間每隔1m重新均布可移動式吸附模塊，啟動農(nóng)田浸泡水內(nèi)循環(huán)，繼續(xù)吸附10天；
步驟五，排除農(nóng)田浸泡水，暴曬4天，重新對土壤進行翻耕，翻耕同時以100Kg/每畝的標準撒入土壤穩(wěn)定增肥劑，實現(xiàn)受重金屬污染農(nóng)田修復(fù)、穩(wěn)定和增肥。最終監(jiān)測農(nóng)田中Cd、Ni、Pb的去除率分別為91.60％、85.64％、90.23％，同時各有效態(tài)重金屬大幅度減小。達到土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618-2008)規(guī)定的農(nóng)業(yè)用地(土壤pH＝6.5-7.5)Cd、Ni、Pb含量分別≤0.5、90、80mg/Kg的要求。具體見表2。
表2土壤治理前后重金屬含量
實施例3
步驟一，將受重金屬污染農(nóng)田的表層土壤進行翻耕，翻耕深度40cm，并修筑成田壟，田壟深30cm，寬40cm，田溝寬30cm；
步驟二，以當?shù)厮礊楣喔人?，采用磷酸調(diào)節(jié)灌溉水pH值為6.0，用其灌溉受污染農(nóng)田，淹沒田壟高度10cm，浸泡7天；
步驟三，在每條田溝內(nèi)每隔2m布置一個可移動式吸附模塊，可移動式吸附模塊由支撐繩、固定環(huán)、可拆卸式吸附膠囊組成，可拆卸式吸附膠囊由粒徑為3mm、比表面積≥500m2/g活性炭和紗網(wǎng)袋組成，可拆卸式吸附膠囊安裝深度距水面15cm，同時啟動農(nóng)田浸泡水內(nèi)循環(huán)，使浸泡水呈緩慢流動狀態(tài)，控制水流速度為0.10m/s，動態(tài)吸附12天；
步驟四，排除農(nóng)田浸泡水，重新對土壤進行翻耕，并修筑成田壟，直接以當?shù)厮礊楣喔人?，對土壤浸?天，隨后在每條田溝之間每隔1m重新均布可移動式吸附模塊，啟動農(nóng)田浸泡水內(nèi)循環(huán)，繼續(xù)吸附12天；
步驟五，排除農(nóng)田浸泡水，暴曬5天，重新對土壤進行翻耕，翻耕同時以80Kg/每畝的標準撒入土壤穩(wěn)定增肥劑，實現(xiàn)受重金屬污染農(nóng)田修復(fù)、穩(wěn)定和增肥。最終監(jiān)測農(nóng)田中Cd、Ni、Pb的去除率分別為88.24％、80.88％、81.95％，同時各有效態(tài)重金屬大幅度減小，達到土壤環(huán)境質(zhì)量標準(GB 15618-2008)規(guī)定的農(nóng)業(yè)用地(土壤pH＝6.5-7.5)Cd、Ni、Pb含量分別≤0.5、90、80mg/Kg的要求。具體見表3。
表3土壤治理前后重金屬含量
上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。