本發(fā)明涉及一種利用生物炭和螯合劑強化植物修復重金屬污染土壤的方法。

背景技術：

金屬礦山開采過程中，經(jīng)機械破碎研磨，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、化學調(diào)控法、生物修復法。研究較多的是，通過植物這種綠色生物反應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、固定作用而達到去除目的。在自然界，存在很多對尾礦環(huán)境具有適應性的植物，這些植物成為尾礦庫廢棄地自然恢復中的先鋒植物，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。植物修復技術成本低、可操作性強，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。白茅是多年生的草本植物，生存和繁殖能力極強，因其強大錯綜復雜的根系系統(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，限制了植物修復技術的進一步發(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合的重金屬重新釋放并進入土壤溶液，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酸，能通過與金屬離子形成可溶性絡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，而EDDS(乙二胺二琥珀酸)對Cu的活化能力較強?？梢?，重金屬與螯合劑之間存在選擇性，螯合劑的合理選用對于能否強化植物修復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方面都具有應用潛力。生物炭孔隙結構發(fā)達，比表面積大且具有豐富含氧官能團，對重金屬元素有較強的吸附能力。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化植物修復重金屬污染的研究并不多，相關研究可為重金屬污染土壌治理提供技術支撐。

技術實現(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化植物修復重金屬污染土壤的方法。

為達到上述目的，本發(fā)明一種利用生物炭和螯合劑強化植物修復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行測定；

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

本發(fā)明由于采用了以上技術方案，具有顯著的技術效果：

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入食物鏈。白茅在尾礦廢棄地的適應和富集生長，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.利用生物炭復配有機無機肥料，制備環(huán)保生物炭基肥，應用于重金屬污染尾礦的修復，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)中的重金屬進行活化，以促進修復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，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。利用螯合劑強化植物修復，是一項低成本的生態(tài)修復技術，具有進行大范圍修復重金屬污染土壤的應用前景。

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

下面結合說明書附圖對本發(fā)明做進一步的描述。

本發(fā)明一種利用生物炭和螯合劑強化植物修復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，進行75～90天培育，期間每天補充去離子水。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。

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

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，進行75～90天培育，期間每天補充去離子水。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定值。

本實施例利用生物炭和螯合劑強化植物修復重金屬污染土壤的方法能夠促進修復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，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，進行75～90天培育。期間每天補充去離子水。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。

測量結果顯示，利用生物炭和螯合劑能夠強化白茅對重金屬污染橄欖石型尾礦的修復效果，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效果未達到顯著水平。

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，進行75～90天培育。期間每天補充去離子水。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定值。

本實施例利用生物炭和螯合劑強化植物修復重金屬污染土壤的方法能夠促進修復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，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，進行75～90天培育，期間每天補充去離子水。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。

測量結果顯示，利用生物炭和螯合劑能夠強化白茅對重金屬污染磁鐵礦型尾礦的修復效果，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的修復效果未達到顯著水平。

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，進行75～90天培育，期間每天補充去離子水。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定值。

本實施例利用生物炭和螯合劑強化植物修復重金屬污染土壤的方法能夠促進修復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，大大減少了重金屬礦物對環(huán)境的影響，對生態(tài)環(huán)境起到了保護作用。

應當指出的是，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變通，從而達到較好的修復治理。

根據(jù)實施例可知，本發(fā)明利用生物炭和螯合劑強化植物修復重金屬污染土壤的方法能夠促進修復植物在尾礦基質(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，大大減少了重金屬礦物對環(huán)境的影響，對生態(tài)環(huán)境起到了保護作用。

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