一种土壤重金属污染调理剂及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于环保领域，尤其涉及一种土壤重金属污染调理剂及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年来，由于人口的快速增长和社会经济的迅速发展带来的各种环境问题日益突出且严重。其中，由于第一二三产业的快速发展使生产过程产生的重金属等污染物通过大气沉降、污水灌溉、固体废弃物不合理投放等带来的土壤重金属富集、土壤重金属含量超标是人类关心的主要环境问题之一。根据2016年农业部调查数据显示，我国约有64.8％的土地受不同程度重金属污染，土壤因受重金属污染而导致粮食每年减产1000万吨以上。而耕地质量和产量与人类生命健康安全息息相关，因此，土壤重金属污染是亟需解决的主要问题。其中，土壤铅污染是最普遍的土壤重金属污染物类型之一。
3.目前较为成熟的土壤重金属污染治理方法有：物理修复法、化学修复法、生物修复法，但存在有治理成本高、易对土壤造成二次污染、可治理范围小等缺点。因此，研制一种低成本、清洁环保、可大面积对污染土壤进行治理的土壤重金属污染修复材料十分重要。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种土壤重金属污染调理剂及其制备方法和应用，本发明提供的调理剂可起到降低土壤重金属污染物生物有效性和提高土壤肥力的双重作用，不会对土壤产生二次污染，适用性强、调理效果好，原料易获取，生产成本低。
5.本发明提供了一种土壤重金属污染调理剂，包括杉木炭和负载在所述杉木炭上的解磷菌。
6.优选的，所述杉木炭的粒径≤100目。
7.优选的，所述解磷菌为日本曲霉。
8.本发明提供了一种上述技术方案所述的土壤重金属污染调理剂的制备方法，包括以下步骤：
9.将杉木炭与解磷菌菌液混合后进行培养，得到土壤重金属污染调理剂。
10.优选的，所述杉木炭按照以下步骤进行制备：
11.i)将杉木料进行清洗、干燥和粉碎，得到杉木粉；
12.ii)将所述杉木粉压实后置于窑炉中烧制，得到杉木炭。
13.优选的，所述解磷菌菌液按照以下步骤进行制备：
14.将解磷菌菌株接种到液体培养基中进行培养，得到解磷菌菌液。
15.优选的，所述解磷菌菌液中的有效活菌数≥108个/100ml；
16.所述杉木炭与解磷菌菌液的用量比为1g：(0.2～5)ml。
17.优选的，所述培养的温度为25～30℃；所述培养的时间为5～10天。
18.本发明提供了一种重金属污染土壤调理方法，使用上述技术方案所述的土壤重金
属污染调理剂或上述技术方案所述制备方法制得的土壤重金属污染调理剂对重金属污染土壤进行调理。
19.优选的，所述调理的具体步骤包括：
20.将所述土壤重金属污染调理剂撒施到土壤上，翻耕，灌溉，静置钝化，得到调理后土壤。
21.与现有技术相比，本发明提供了一种土壤重金属污染调理剂及其制备方法和应用。本发明提供的调理剂包括杉木炭和负载在所述杉木炭上的解磷菌。本发明提供的调理剂是一种包含杉木炭和解磷菌的复配调理剂，其在土壤中施用可起到降低土壤重金属污染物生物有效性和提高土壤肥力的双重作用，不会对土壤产生二次污染，适用性强、调理效果好，原料易获取，生产成本低，具有良好的经济效益和环境效益以及广阔的市场前景。
具体实施方式
22.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.本发明提供了一种土壤重金属污染调理剂，包括杉木炭和负载在所述杉木炭上的解磷菌。
24.在本发明提供的调理剂中，所述杉木炭的粒径优选为≤300目，更优选为≤200目，最优选为≤100目；所述杉木炭优选以杉木料为原料烧制而成，所述杉木料优选为杉木采伐剩余物，以杉木枝条为主。
25.在本发明提供的调理剂中，所述解磷菌优选为日本曲霉(aspergillus japonicus)；负载所述解磷菌的方法优选为将解磷菌菌液与杉木炭混合后进行培养。
26.本发明还提供了一种上述技术方案所述的土壤重金属污染调理剂的制备方法，包括以下步骤：
27.将杉木炭与解磷菌菌液混合后进行培养，得到土壤重金属污染调理剂。
28.在本发明提供的制备方法中，所述杉木炭的粒径优选为≤300目，更优选为≤200目，最优选为≤100目；所述杉木炭优选按照以下步骤进行制备：
29.i)将杉木料进行清洗、干燥和粉碎，得到杉木粉；
30.ii)将所述杉木粉压实后置于窑炉中烧制，得到杉木炭。
31.在本发明提供的上述杉木炭的制备步骤中，步骤i)中，所述杉木料优选为杉木采伐剩余物，以杉木枝条为主；所述清洗的方式优选为水淋洗；所述清洗的次数优选为1～5次，具体可为3次；所述干燥的方式优选为鼓风烘干；所述干燥的温度优选为60～100℃，更优选为70～90℃，最优选为80℃；所述干燥的时间没有特别限定，干燥至恒重即可，具体的干燥时间可为12h；所述粉碎之后优选进行过筛，以得到符合粒径要求的杉木粉；所述杉木粉的粒径优选为≤3mm，更优选为≤2mm，最优选为≤1mm。
32.在本发明提供的上述杉木炭的制备步骤中，步骤ii)中，所述杉木粉优选在坩埚中进行压实，并连同坩埚一起置于窑炉中烧制；所述窑炉的点火室和窑内优选分开，只留通气孔连通；优选在窑内温度达到450～550℃，更优选为500℃时将杉木粉放入窑炉中，窑内开
始燃烧后封口，只留一个出烟口；所述烧制的时间没有特别限定，杉木粉烧至通透后即可；所述烧制结束后，优选对得到的杉木炭浇水冷却，然后晾干。
33.在本发明提供的上述杉木炭的制备步骤中，若烧制后得到的杉木炭不满足粒径要求，则优选还包括：对烧制得到的杉木炭进行磨碎和过筛。
34.在本发明提供的制备方法中，所述杉木炭在与解磷菌菌液混合之前，优选先对杉木炭进行灭菌；所述灭菌的方式优选为高压蒸汽灭菌；所述高压蒸汽灭菌的温度优选为110～130℃，更优选为121℃；所述高压蒸汽灭菌的时间优选为10～30min，更优选为20min；所述高压蒸汽灭菌的次数优选为1～5次，更优选为3次；所述高压蒸汽灭菌后还需要对杉木炭进行干燥。
35.在本发明提供的制备方法中，所述解磷菌优选为日本曲霉(aspergillus japonicus)；所述解磷菌菌液中的有效活菌数优选为≥108个/100ml；所述解磷菌菌液优选按照以下步骤进行制备：
36.将解磷菌菌株接种到液体培养基中进行培养，得到解磷菌菌液。
37.在本发明提供的上述解磷菌菌液的制备步骤中，所述液体培养基的成分优选包括葡萄糖、(nh4)2so4、柠檬酸钠、mgso4、kh2po4、ph调节剂和水；所述葡萄糖在培养基中的含量优选为(0.1～1)g/100ml，更优选为0.5g/100ml；所述(nh4)2so4在培养基中的含量优选为(0.05～0.5)g/100ml，更优选为0.2g/100ml；所述柠檬酸钠在培养基中的含量优选为(0.05～0.2)g/100ml，更优选为0.1g/100ml；所述mgso4在培养基中的含量优选为(0.005～0.05)g/100ml，更优选为0.02g/100ml；所述kh2po4在培养基中的含量优选为(0.2～1)g/100ml，更优选为0.6g/100ml；所述液体培养基的ph值优选为7～7.5，更优选为7.2。
38.在本发明提供的上述解磷菌菌液的制备步骤中，所述液体培养基在接种菌株之前，优选先进行灭菌；所述灭菌的方式优选为高压蒸汽灭菌；所述高压蒸汽灭菌的温度优选为110～130℃，更优选为115℃；所述高压蒸汽灭菌的时间优选为10～30min，更优选为20min。
39.在本发明提供的上述解磷菌菌液的制备步骤中，所述培养的温度优选为25～35℃，更优选为30℃；所述培养的摇床转速优选为100～200r/min，更优选为140r/min；所述培养的时间优选为24～72h，更优选为48h。
40.在本发明提供的上述解磷菌菌液的制备步骤中，可通过测定od
660
值(在波长660nm下测定的od值)的方式判断解磷菌菌液的有效活菌数是否满足要求。对于有效活菌数优选为≥108个/100ml的解磷菌菌液而言，其od
660
值≥0.5。
41.在本发明提供的制备方法中，所述杉木炭与解磷菌菌液的用量比优选为1g：(0.5～5)ml，具体可为1g:0.5ml、1g:0.6ml、1g:0.7ml、1g:0.8ml、1g:0.9ml、1g:1ml、1g:1.2ml、1g:1.5ml、1g:1.7ml、1g:2ml、1g:2.3ml、1g:2.5ml、1g:2.7ml、1g:3ml、1g:3.2ml、1g:3.5ml、1g:3.7ml、1g:4ml、1g:4.2ml、1g:4.5ml、1g:4.7ml或1g:5ml，最优选为1g:2ml。
42.在本发明提供的制备方法中，所述培养优选在开设有通气孔的自封袋中进行；所述培养的温度优选为25～30℃，具体可为25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃，最优选为28℃；所述培养的时间优选为5～10天，具体可为5天、6天、7天、8天、9天或10天，最优选为7天。
43.在本发明中，可根据保存期限的差异性，考虑是直接选择本发明提供的土壤重金属污染调理剂成品，还是按照本发明提供的方法准备原料(杉木炭、菌液)和制备调理剂。其
中，调理剂成品在干燥室温环境下的保存期限一般为7～15天；杉木炭在常温干燥环境下的保存期限可达1年；菌株若短期保存(保存不超过1个月)，则将其放入4℃冰箱即可，若需长期保存(保存不超过1年)，则需要将菌株与80％灭菌后的甘油按菌液:甘油＝5:2的体积比进行混合后封菌，置于-20℃保存。
44.本发明还提供了一种重金属污染土壤调理方法，使用上述技术方案所述的土壤重金属污染调理剂或上述技术方案所述制备方法制得的土壤重金属污染调理剂对重金属污染土壤进行调理，具体的调理步骤优选包括：
45.将所述土壤重金属污染调理剂撒施到土壤上，翻耕，灌溉，静置钝化，得到调理后土壤。
46.在本发明提供的上述调理步骤中，所述土壤重金属污染调理剂的撒施量优选为50～200公斤/亩，具体可为50公斤/亩、60公斤/亩、70公斤/亩、80公斤/亩、90公斤/亩、100公斤/亩、110公斤/亩、120公斤/亩、130公斤/亩、140公斤/亩、150公斤/亩、160公斤/亩、170公斤/亩、180公斤/亩、190公斤/亩或200公斤/亩，最优选为150公斤/亩；所述翻耕的土层厚度优选为5～20cm，具体可为5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、11cm、12cm、13cm、14cm、15cm、16cm、17cm、18cm、19cm或20cm，最优选为10cm；所述灌溉的目的是为了保持调理期间土壤不干燥，所述在调理期间的持水量优选控制在为50～70％，具体可为50％、52％、55％、57％、60％、62％、65％、67％或70％，最优选为60％；所述静置钝化的时间优选为10～60天，具体可为10天、15天、20天、25天、30天、35天、40天、45天、50天、55天或60天，更优选为45天。
47.本发明提供的技术方案将杉木炭和解磷菌复配作为土壤重金属污染调理剂，其在土壤中施用可起到降低土壤重金属污染物生物有效性和提高土壤肥力的双重作用，不会对土壤产生二次污染，适用性强、调理效果好，原料易获取，生产成本低，具有良好的经济效益和环境效益以及广阔的市场前景。更具体来说，本发明提供的技术方案具有如下优点：
48.(1)杉木炭的制备原料可采用杉木在正常生长过程中产生的冗余废弃物，即杉木采伐剩余物，生产成本低，易获取，制备工艺简单；
49.(2)杉木炭和解磷菌复配形成调理剂投放的可操作性强，可用于大面积土壤铅污染治理，能有效降低铅污染物的生物有效性；
50.(3)解磷菌是一种环境友好型材料，清洁环保，不易对土壤造成二次污染；
51.(4)可改善土壤理化性质，提高土壤ph值，有效改善南方土壤“酸、瘦、黏”的情况；
52.(5)可提高土壤肥力及保肥能力，促进土壤有益微生物的生长，促进作物幼苗生长，有助于实现作物增收增产。
53.为更清楚起见，下面通过以下实施例和对比例进行详细说明。
54.实施例1
55.制备杉木炭和解磷菌复配调理剂，具体过程如下：
56.(1)杉木炭的制备：
57.选杉木采伐剩余物(枝条为主)作为制备生物炭的原料，将杉木采伐剩余物用清水淋洗三次去除杂质；将洗净的原料放置于鼓风干燥箱中以80℃烘干12小时至恒重备用；将烘干后的原料放入粉碎机粉碎，并过1mm的筛混匀；粉碎后的原料粉末放入30ml的坩埚中压实；将土窑的点火室和窑内分开，只留通气孔连通；待土窑内终温达到500℃时将压实的原料连同坩埚一起放入土窑，窑内开始燃烧后封口，只留一个出烟口；土窑内原料烧至通透后
将炭化的原料浇水冷却即可出炭，晾干后便制得杉木炭。
58.(2)解磷菌菌液的制备：
59.在锥形瓶中加入100ml蒸馏水，并加入0.5g葡萄糖，0.2g(nh4)2so4，0.1g柠檬酸钠，0.02gmgso4·
7h2o和0.6gkh2po4制备解磷菌发酵培养基，将培养基ph值调整到7.2；将高压蒸汽灭菌锅温度设定为115℃，时间设定为20min，对培养基进行灭菌；在无菌操作台内将日本曲霉(aspergillus japonicus)菌株接种到灭菌后的解磷菌培养基；将接种菌株的培养基在温度为30℃、摇床转速为140r/min的条件下培养48h；在波长660nm下测定其od值，选择od值》0.5即活菌数》108个的培养基，即制得解磷菌菌液。
60.(3)复配调理剂的制备：
61.将步骤(1)制得的杉木炭用小型粉碎机磨碎并过100目筛；将过筛的杉木炭在121℃下高压蒸汽灭菌20min，间歇灭菌3次然后进行干燥；将灭菌干燥后的杉木炭与步骤(2)制备的菌液按比例混合，杉木炭与菌液的质量(g)/体积(ml)比分别选择为1:2、1:1、2:1，然后放入表面用针均匀扎若干个通气孔的自封袋中，外面再套一层自封袋同样扎若干个通气孔，将其在28℃下培养7天，即得制备好的复配调理剂。
62.对比例1
63.制备马尾松炭和解磷菌复配调理剂，具体过程参照实施例1，其区别仅在于将杉木采伐剩余物替换为马尾松木料。
64.对比例2
65.制备稻壳炭和解磷菌复配调理剂，具体过程参照实施例1，其区别仅在于将杉木采伐剩余物替换为水稻壳。
66.重金属污染土壤修复实验
67.实验方法：在上一茬作物收割后，将调理剂均匀地撒施在实验田；对撒施过调理剂的土壤进行翻耕，翻耕深度为10cm左右，使其与土壤充分混合，以便调理剂充分发挥作用；对翻耕过的土壤进行灌溉，使得田间持水量保持60％左右，而后静置钝化。
68.本实验采用上述实验方法，针对实施例和对比例制得的生物炭(杉木炭、马尾松炭、稻壳炭)以及制得的不同复配比例的复配调理剂进行了土壤修复实验，考察了不同投加量和钝化时间条件下的土壤有效铅降低率和土壤有效磷提升率，具体如下：
69.(1)在同种重金属污染土壤中投入不同的生物炭材料，对有效铅的降低效果如表1所示：
70.表1不同生物炭材料对重金属污染土壤有效铅降低率的对比
[0071][0072]
注：mac代表马尾松炭，dkc代表稻壳炭，smc代表杉木炭，下同。
[0073]
通过表1可以看出，经过马尾松炭钝化的重金属污染土壤有效铅降低率可达2.61％～22.61％；经过稻壳炭钝化的重金属污染土壤有效铅降低率可达5.75％～22.55％；经过杉木炭钝化的重金属污染土壤有效铅降低率可达2.55％～27.66％。综上，三种生物炭钝化材料中杉木炭对重金属污染土壤有效铅的降低效果最好。
[0074]
(2)在同种重金属污染土壤中投入不同载体的解磷菌复配调理剂，对有效铅的降低效果如表2～4所示：
[0075]
表2 mac为载体的解磷菌复配调理剂对有效铅降低率的影响
[0076][0077][0078]
注：“比例”指代生物炭与菌液的质量(g)/体积(ml)比，下同。
[0079]
表3 dkc为载体的解磷菌复配调理剂对有效铅降低率的影响
[0080][0081]
表4 smc为载体的解磷菌复配调理剂对有效铅降低率的影响
[0082][0083]
将三种不同载体的解磷菌复配调理剂对有效铅降低的最优效果进行对比，对比结果如表5所示：
[0084]
表5不同载体的解磷菌复配调理剂对重金属污染土壤有效铅降低率的对比
[0085][0086]
通过表5可以看出，马尾松炭为载体的解磷菌复配调理剂对重金属污染土壤有效铅的降低率达34.36％，稻壳炭为载体的解磷菌复配调理剂对重金属污染土壤有效铅的降低率达25.06％，杉木炭为载体的解磷菌复配调理剂对重金属污染土壤有效铅的降低率达38.79％。综上，杉木炭为载体的解磷菌复配调理剂对重金属污染土壤有效铅的降低效果最好，且优于杉木炭对重金属污染土壤有效铅的降低效果，即本发明提供杉木炭为载体的解磷菌作为降低重金属污染土壤有效铅的一种适用性强、修复效果好、可大面积推广应用的环境友好型材料。
[0087]
(3)在同种重金属污染土壤中投入不同载体的解磷菌复配调理剂，对有效磷的提升效果如表6～8所示：
[0088]
表6 mac为载体的解磷菌复配调理剂对有效磷提升率的影响
[0089][0090]
表7 dkc为载体的解磷菌复配调理剂对有效磷提升率的影响
[0091][0092]
表8 smc为载体的解磷菌对有效磷提升率的影响
[0093][0094]
将三种不同载体的解磷菌复配调理剂对有效磷提升的最优效果进行对比，对比结果如表9所示：
[0095]
表9不同载体的解磷菌复配调理剂对重金属污染土壤有效磷提升率的对比
[0096][0097]
通过表9可以看出，马尾松炭为载体的解磷菌复配调理剂对重金属污染土壤有效磷的提升率达42.49％，稻壳炭为载体的解磷菌复配调理剂对重金属污染土壤有效磷的提升率达41.33％，杉木炭为载体的解磷菌复配调理剂对重金属污染土壤有效磷的提升率达44.38％。综上，杉木炭为载体的解磷菌复配调理剂对重金属污染土壤有效磷的提升率果最好，即本发明提供的杉木炭为载体的解磷菌钝化材料是一种可有效治理铅污染土壤且提高土壤肥力的环保材料。
[0098]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。