以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法
【專利摘要】本發明公開了一種以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法，包括如下步驟：1）將待整治粗砂地表進行疏松，平整地面；2）將重金屬污染底泥平鋪于粗砂地表上；3）將穩定劑撒于重金屬污染底泥上；4）第一次旋耕；5）干濕交替處理15天，暴曬7天，進行第二次旋耕，旋耕方向和第二次相反；待旋耕后底泥、粗砂、穩定劑的混合物質量含水率自然降低到25～30%，進行第三次旋耕，旋耕方向與第二次垂直；6）第三次旋耕后種植豆科綠肥1茬，進行第四次旋耕將綠肥還田，2個月后得到耕作層土壤。本方法得到的耕作層土壤重金屬穩定化效果明顯，種植的蔬菜作物重金屬含量符合國家標準。
【專利說明】以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于土地整治工程領域，特別涉及一種以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法。
【背景技術】
[0002]土地整治是對低效利用、不合理利用、未利用以及生產建設活動和自然災害損毀的土地進行整治，提高土地利用效率的活動；也是盤活存量土地、強化節約集約用地、適時補充耕地和提升土地產能的重要手段。其中土地整治工程中對耕作層土壤的要求特別的高，即通過整治后耕地質量比整治前耕地質量提高至少一個等級。具體指標就是整治土層厚度為15~20cm以上，養分齊全，有機質豐富，團粒結構好，土壤環境好，適宜進行長期耕作。在現階段的土地整治工程中，耕作層土壤的來源主要有以下幾個模式:(I)剝離表土層回填；(2)開發建設項目客土回填；(3)在現有耕作層土壤中施加肥料改良等三種主要的耕作層土壤來源模式，但是上述模式都是基于在整治工程中土壤資源較豐富的地區可實現，且部分模式受土壤運距的原因導致經濟技術成本較高而不可實現。
[0003]粗砂土地是長期在人為不合理種植經營和自然降雨沖刷條件下，使得土壤結構中粉粒和黏粒逐漸流失，土地出現砂化的土地退化。最后導致該類土地的耕作層土壤破壞，土壤保水保水差，土壤肥力貧瘠，無法進行正常的農業種植生產活動，最嚴重的可出現土地資源完全喪失。在粗砂區土地整治工程中解決耕作層土壤的問題是非常重要的，缺少土壤也是限制粗砂區土地整治工程快速推進的主要經濟技術因素。
[0004]底泥是水體的重要組成部分，主要由粘土礦物、有機質、活性金屬氧化物組成，這種天然的顆粒物具有巨大的比表面積，在水環境中發揮著重要的作用，它是水中各種污染物的源和匯。底泥疏浚是改善·湖泊水質的有效措施，處置疏浚底泥需要同時達到安全、合理、經濟的要求。底泥的資源化利用越來愈多地得到人們的關注，輕、中度污染的疏浚底泥資源化利用途徑中，土地利用具有用量大、技術簡單和經濟性好的優勢，疏浚底泥的農業資源化利用，不僅可以變廢為寶，而且減少了環境污染。
[0005]由于湖泊底泥中含有豐富的有機質、氮、磷等營養元素，其資源化利用己經成為當今研究的熱點，但其中的重金屬元素超標己成為制約其農業資源化利用的關鍵因素。許多學者針對如何減少和降低疏浚底泥中重金屬毒害作用展開了廣泛的研究，但系統性、經濟性和實用性還達不到要求。因此，如何對湖泊底泥進行合理資源化利用并避免重金屬對土壤一植物系統污染的研究就顯得具有十分重要的意義。另外，由于底泥中粘土礦物含量較高，導致脫水后的底泥易板結成硬塊，其物理結構不適于植物生長。因此在解決重金屬污染的同時還需要調節、改良其構建土壤的物理化學性質。
[0006]河道底泥的資源化利用研究，不僅可以解決底泥出路問題，又可以產生一定的經濟效益。底泥資源化技術主要有:制磚、制陶粒、吸附劑、土地利用等。許多研究表明，湖泊底泥土地利用后，總團粒結構和水穩性團粒結構增加；同時也提高了土壤含水量、田間持水量以及土壤孔隙度和毛管孔隙度。有機質含量高以及腐熟化程度較高的底泥施用后，能夠使土壤容重減小，土壤固相容積逐漸減少，液相和氣相容積逐漸增加；但是粘土礦物含量較高及低腐熟的底泥則可能增加土壤容重和引起板結。因此，底泥的施用可以明顯改善土壤的各種理化性狀，從而提高土壤保水、保肥及供水、供肥的能力。底泥及其配制成的底泥顆粒肥料含有一定量的養分，比豬糞養分含量高，具有一定的肥效作用。由此說明底泥土地利用后，均能提高土壤養分含量水平。底泥土地利用不僅能帶入大量有機質和礦質養分，為土壤中的微生物提供養分，而且底泥本身含有豐富的微生物，提高了土壤微生物的數量。同時，施用城市污泥可以改變土壤微生物的種群結構，提高土壤硝化細菌的比例，增加酶活性，提聞土壤的基礎肥力和土壤腐殖質的含量。底泥中含有大量的氣和憐，也含有鐘、鈣、鐵、硫、鎂、鋅、銅、錳、硼、鑰等微量元素，可以緩慢供給植株生長所需的養分。
[0007]同時底泥土地利用存在的風險主要為重金屬污染，底泥中重金屬種類繁多，主要有Cu、Pb、Zn、N1、Cr、Hg、Cd等，是限制其大規模土地利用的重要因素。目前對土壤重金屬的污染研究較多，主要集中在底泥土地利用后土壤耕層重金屬的變化、作物各部位重金屬累積量、存在形態及其影響等。底泥合理農用不會造成土壤和農產品的重金屬污染，但長期施用會增加土壤中重金屬的含量。因此，長期施用湖泊底泥及其肥料需進行必要的監測。底泥中含有多種有機污染物，通過生物富集作用可以在生物體內達到較高的水平，從而產生較強的毒害作用，通過食物鏈還可能危害到人類的健康。[0008]另外，自然脫水后的底泥質地非常緊實，容重高達1.89g/cm3，孔隙度只有23.8%。適合植物良好生長的土壤孔隙度范圍一般為55%~65%。孔隙度低的土壤非常緊實堅硬，影響植物根系的生長和呼吸。因此，如果不對疏浚底泥進行質地調節，就不能成為植物生長的介質，影響其大量用于土地。

【發明內容】

[0009]針對現有的粗砂區土壤整治技術上的不足、底泥農業資源化利用技術的不足，本發明的目的在于提供一種以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法。
[0010]本發明提供的一種以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法，包括如下步驟:
[0011]I)將待整治粗砂地表進行疏松，平整地面；
[0012]2)將重金屬污染底泥平鋪于步驟I)所述的粗砂地表上；
[0013]3)將穩定劑撒于步驟2)所述重金屬污染底泥上；
[0014]4)在完成步驟3)的地面上進行第一次旋耕；
[0015]5)干濕交替處理15天，暴曬7天，進行第二次旋耕，旋耕方向和第二次相反；待旋耕后底泥、粗砂、穩定劑的混合物質量含水率自然脫水降低到25~30%，進行第三次旋耕，旋耕方向與第二次垂直；
[0016]6)第三次旋耕后種植豆科綠肥I茬，綠肥株高達到30-35cm時進行第四次旋耕將綠肥還田，2個月后得到耕作層土壤。
[0017]其中，步驟I)所述平整地面的標準為坡度比< 3:1000。
[0018]其中，步驟2)所述的重金屬污染底泥為重金屬污染河道底泥和/或重金屬污染湖泊底泥。
[0019]其中，步驟2)所述重金屬污染底泥平鋪的厚度為24cm。[0020]其中，步驟3)所述的穩定劑為重金屬處理穩定劑，優選為包括以下重量份成分的穩定劑:鈣鎂磷肥5份，氧化鈣5份，輕燒白云石I~3份。
[0021]其中，步驟3)所述的穩定劑的使用量為:每100重量份底泥用穩定劑0.8~1.2重量份，優選每100重量份底泥用穩定劑I重量份。
[0022]其中，步驟5)所述干濕交替處理15天，為噴水一次使底泥濕潤后晾曬5天，反復進行3次，共15天。
[0023]其中，所述第一次旋耕的深度為24cm ;第二次旋耕的深度為27cm ;第三次旋耕的深度為30cm ;第四次旋耕的深度為30cm ；4次的旋耕方式均為呈螺旋狀前進旋耕。
[0024]其中，所述豆科綠肥，優選柱花草、扁豆、田菁中的一種或幾種。
[0025]本發明還提供以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法在底泥重金屬污染治理上的應用。
[0026]本發明還提供以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤方法得到的耕作層土壤在農作物種植中的應用。
[0027]與現有技術相比，本發明具有以下優點和效果:
[0028]本發明以重金屬復合污染河道底泥為處理對象，采用鈣鎂磷肥、氧化鈣、輕燒白云石為重金屬穩定劑，以粗砂、還田綠肥為理化性質改良劑，處理過的底泥重金屬穩定效果好，可浸出成分減少，難于作物吸收，同時理化性質改良效果明顯，具有良好的增產效果。為受污染河道底泥的資源化處 置提供了出路，為粗砂土地整治工程中耕作層土壤的構建提出了新的方法，同時成為我國底泥資源化處置、土地整治工程中耕作層土壤構建的互相補充與有機結合。
[0029]本發明第一次旋耕的深度為24cm，確保底泥和穩定劑初步混合與接觸；干濕交替處理15天，暴曬7天后第二次旋耕，深度為27cm，旋耕方向與第一次反向，確保底泥、穩定劑及部分粗砂充分混合；底泥、粗砂、穩定劑的混合物質量含水率降低到25~30%時進行第三次旋耕，旋耕方向與第二次旋耕垂直，深度為30cm，確保底泥和粗砂按設計比例(體積4:1)進行混合，使得所構建的耕作層土壤厚度符合土地整治的要求。本發明是通過現場底泥的鋪設厚度和旋耕深度來實現底泥和粗砂的用量及底泥和粗砂混合比例，具有實際的生產價值和意義。通過前三次旋耕土體沉降穩定后，該耕作層土壤厚度> 26cm。
[0030]本發明的方法處理后得到的耕作層土壤底泥顆粒直徑< 3cm，底泥及粗砂混合均勻。
[0031]發明人從重金屬賦存形態和農作物吸收的角度，通過重金屬的浸出試驗、蔬菜種植大田試驗，旱作作物大田試驗等方面證明了處理后底泥中的重金屬有良好的穩定效果，防止了底泥在農業資源化利用中的二次污染問題和食品安全問題。發明人從底泥構建耕作層土壤后土壤的酸堿度調節試驗、土壤肥力改良及增產試驗、土壤機械組成調節試驗等方面證明了底泥構建耕作層土壤可整體提高土壤質量效果，為底泥在農業資源化中的進一步利用打下了良好的基礎。
[0032]經實際測試，本發明所述方法處理后的底泥，重金屬Cr、Cu、Zn和Cd的穩定化效果明顯，種植的空心菜及毛豆中的重金屬含量均低于最新發布的《GB2762-2012食品安全國家標準-食品中污染物限量》中規定的的相關限值，且低于《GB18406.1-2001農產品安全質量無公害蔬菜安全要求》中規定的的相關限值。【具體實施方式】
[0033]以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。
[0034]實施例1以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法
[0035]2012年11月，在海南省海口市龍華區新坡鎮下寺村，將待整治粗砂地地表疏松、平整，平整地面的標準為坡度比< 3:1000。
[0036]將疏浚出的海口市新坡鎮某河塘中的底泥進行自然脫水鋪平自然晾干脫水后均勻平鋪于粗砂上面，底泥鋪設厚度為24cm。
[0037]均勻施撒穩定劑到上述重金屬污染底泥上，所述穩定劑包括鈣鎂磷肥、氧化鈣、輕燒白云石，三者對應的質量比例為5:5:2，每100重量份底泥用穩定劑I重量份。
[0038]在撒了穩定劑的地面上用旋耕機(東方紅1GQN-125旋耕機，中國一拖集團有限公司，后面的旋耕所用機器相同)進行第一次旋耕；干濕交替處理15天，暴曬7天，進行第二次旋耕，旋耕方向和第二次相反；待旋耕后底泥、粗砂、穩定劑的混合物質量含水率自然降低到25~30%，進行第三次旋耕，旋耕方向與第二次垂直；第三次旋耕后種植豆科綠肥I茬，種植綠肥為柱花草，長到株高30cm后進行第四次旋耕將綠肥還田，2個月后得到耕作層土壤。所述干濕交替處理15天，為噴水一次使底泥濕潤后晾曬5天，反復進行3次，共15天。所述第一次旋耕的深度為24cm ;第二次旋耕的深度為27cm ;第三次旋耕的深度為30cm ;第四次旋耕的深度為30cm ；4次的旋耕方式均為呈螺旋狀前進旋耕。
[0039]第四次旋耕后2 個月，使用 EPA 的 Method-1311 Toxicity CharacteristicLeaching Procedure (TCLP)進行測定，同時設置0.3%石灰+0.3% 鈣鎂磷肥做穩定劑作為對比(100重量份底泥加0.3重量份石灰和0.3重量份鈣鎂磷肥)。所述方法處理后的底泥，TCLP浸出濃度明顯減少。其中，Cr元素的浸出濃度比未穩定組減少了 46.91%，相對于石灰鈣鎂磷肥處理組減少了 32.56% ；Cu元素的浸出濃度比未穩定組減少了 72.22%，相對于石灰鈣鎂磷肥處理組減少了 45.07% ；Zn元素的浸出濃度比未穩定組減少了 26.14%，相對于石灰鈣鎂磷肥處理組減少了 24.07% ；Cd元素的浸出濃度比未穩定組減少了 40.55%，相對于石灰鈣鎂磷肥處理組減少了 30.41% ;浸出液中Pb、As、Hg元素的濃度均低于檢出限。
[0040]結果具體見表1，重金屬浸出減少，穩定效果明顯。
[0041]表1穩定前后底泥TCLP浸出液中重金屬濃度(單位:μ g/L)
[0042]
【權利要求】
1.一種以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法，包括如下步驟: 1)將待整治粗砂地表進行疏松，平整地面； 2)將重金屬污染底泥平鋪于步驟I)所述的粗砂地表上； 3)將穩定劑撒于步驟2)所述重金屬污染底泥上； 4)在完成步驟3)的地面上進行第一次旋耕； 5)干濕交替處理15天，暴曬7天，進行第二次旋耕，旋耕方向和第二次相反；待旋耕后底泥、粗砂、穩定劑的混合物質量含水率自然脫水降低到25~30%，進行第三次旋耕，旋耕方向與第二次垂直； 6)第三次旋耕后種植豆科綠肥I茬，綠肥株高達到30-35cm時進行第四次旋耕將綠肥還田，2個月后得到耕作層土壤。
2.根據權利要求1所述的以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法，其特征在于，步驟I)所述平整地面的標準為坡度比< 3:1000。
3.根據權利要求1所述的以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法，其特征在于，步驟2)所述的重金屬污染底泥為重金屬污染河道底泥和/或重金屬污染湖泊底泥；重金屬污染底泥平鋪的厚度為24cm。
4.根據權利要求1所述的以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法，其特征在于，步驟3)所述的穩定劑為重金屬處理穩定劑。`
5.根據權利要求4所述的以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法，其特征在于，步驟3)所述的穩定劑包括以下重量份成分:鈣鎂磷肥5份，氧化鈣5份，輕燒白云石I~3份。
6.根據權利要求5所述的以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法，其特征在于，步驟3)所述的穩定劑的使用量為:每100重量份底泥用穩定劑I重量份。
7.根據權利要求1所述的以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法，其特征在于，步驟5)所述干濕交替處理15天，為噴水一次使底泥濕潤后晾曬5天，反復進行3次，共15天。
8.根據權利要求1所述的以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法，其特征在于，所述第一次旋耕的深度為24cm ;第二次旋耕的深度為27cm ;第三次旋耕的深度為30cm ;第四次旋耕的深度為30cm。
9.權利要求1-8任一項以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤的方法在底泥重金屬污染治理上的應用。
10.權利要求1-8任一項以重金屬污染底泥于粗砂地表構建耕作層土壤方法得到的耕作層土壤在農作物種植中的應用。
【文檔編號】A01B79/02GK103858552SQ201310406687
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年9月9日 優先權日:2013年9月9日
【發明者】劉永兵, 李翔, 吳軍, 巴特爾, 洪文良, 賈斌, 吳光輝, 程言君, 許杰峰, 張瓊 申請人:輕工業環境保護研究所, 海口市土地儲備整理中心