专利名称：垃圾堆肥重金属淋洗修复中调节温度的方法
技术领域：
本发明属于生活垃圾堆肥在城市草坪建植技术领域中的应用，涉及采用淋洗法研究温度对生活垃圾堆肥重金属在土壤中迁移行为的作用，更具体地说是垃圾堆肥重金属淋洗修复中调节温度的方法。
背景技术：
垃圾堆肥中含有丰富的N、P等有机养分，是发展农业、蔬菜、林木生产等方面的有效资源，垃圾堆肥具有良好的理化性质、丰富的养分，是替代土壤作为草坪基质的较理想材料。所以将生活垃圾堆肥用作草坪基质，不但可以避开食物链，同时又解决了垃圾的出路问题。在我国人口众多，土地资源相对贫乏，以垃圾堆肥用作草坪基质更具有现实意义。施用垃圾堆肥虽然可以改善土壤的理化性质，提高农林产品的产量和品质，但是如果施用不当也能对环境造成不良影响。特别是重金属问题是垃圾堆肥最主要的负效应，重金属含量超标在很大程度上限制了其应用，如何降低重金属污染的毒害效应，完善和提高堆肥技术和堆肥质量已成为垃圾堆肥的研究热点。为了更为合理利用垃圾堆肥，减少对城市土壤和地下水的污染，首先要研究垃圾堆肥施入土壤后重金属的迁移行为。温度是影响重金属淋洗的重要因素之一，近些年全球温室效应日益严重，导致地球温度升高，尤其是夏天，城市人口密集，能源消耗量大所导致的热岛效应使城市温度比周边郊区和农村的更高，此外，我国地域辽阔，各个地区气候温度差异很大，研究温度对重金属迁移行为的影响可有助于了解生活垃圾堆肥使用的地区适宜性问题。因此，本实验采用淋洗法研究温度对生活垃圾堆肥重金属在土壤中迁移行为的作用，以探讨重金属淋洗过程中的迁移行为，以及生活垃圾堆肥使用的地区适宜性问题，旨在为垃圾堆肥在农业中的安全利用提供参考依据。
发明内容
本发明公开了一种生活垃圾堆肥重金属淋洗修复中调节温度的方法，其特征在于按如下的步骤进行
(1)材料准备
1)堆肥和细沙筛选出粒径60-20目土壤和沙子；土壤去掉杂质和大块，筛选出均匀细土，沙子用自来水洗净后再用蒸馏水清洗两遍，最后用(w/w)l%的!^03溶液浸泡24小时，然后将堆肥和细沙放入烘箱60°C条件下烘干；淋洗柱选用内径为3. 5cm、长度为25 cm的PVC管；纱布清洗晾干后用剪刀剪成大小合适的圆形绑在淋洗柱的一端；
2)称取20g细沙装入淋洗柱底部，在所有PVC管的底部都固定O. 2 mm尼龙网以支撑管内的土壤和堆肥，再称取100 g 土壤均匀装入淋洗柱中，最后称取20 g堆肥均匀撒在土壤上；用同样方法装好12个淋洗柱；
(2)淋洗实验1)将12个淋洗柱分别放入4个培养箱中，每个培养箱各有3个，用蒸馏水滴至饱和，并在每个培养箱中放置I个装蒸馏水的试剂瓶，以保证淋洗液与淋洗柱温度一致，4个培养箱的温度分别设为10°C、20°C、3(TC、4(rC ；
2)平衡48小时后，分别按原先顺序用50mL蒸馏水淋洗，收集淋洗液，采用TAS-990原子吸收分光光度计测定重金属含量。其中所述的淋洗指的是，用滴管滴加的方式进行淋洗，滴完I mL后滴加下一个淋洗柱，依次滴加淋洗，平均淋洗 速率为8-10 mL/h,每隔48小时淋洗I次，每次50 mL，最后收集3次淋洗液。重金属指的是Cd、Cr、Cu、Ni和Pb含量的变化。实验结果表明，在温度较高时，所有重金属都比较容易淋洗出，其中Ni的迁移率最大，Cr次之，但是除了 Ni和Cr之外，其他Cd，Cu和Pb的迁移率都较低，这可能由于垃圾堆肥中有机质含量很高，堆肥中的重金属与有机质以比较稳定的形式结合在一起，使得重金属不容易被迁移出来。本发明的实验结果不仅能让人们对用于土壤的生活垃圾堆肥中重金属迁移行为有一定的认识，更重要的是能为垃圾堆肥在农业中的合理利用提供依据。本发明更加详细的制备方法如下
I材料与方法
I.I材料
生活垃圾堆肥取自天津小淀垃圾堆肥处理厂，供试土壤采自天津师范大学主校区小树林边0-20 cm的表层土壤。实验过程中所用的沙子取自天津师范大学建筑工地。淋洗柱选用内径为3. 5 cm、长度为25 cm的PVC管。土壤和堆肥基本理化性质见表I表I垃圾堆肥基质与土壤基质的背景(ug/g)
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I.2材料准备
用20目和60目的筛子筛选出粒径大小在60和20目之间的堆肥和细沙，土壤去掉杂质和大块，筛选出均匀细土，沙子用自来水洗净后再用蒸馏水清洗两遍，最后用1%的HNO3溶液浸泡24小时，以上材料都放入烘箱60°C条件下烘干。纱布清洗晾干后用剪刀剪成大小合适的圆形绑在淋洗柱的一端，称取20 g (约I cm)细沙装入淋洗柱底部(在所有PVC管的底部都固定0.2 _尼龙网以支撑管内的土壤和堆肥)，再称取100 g (18 cm) 土壤均匀装入淋洗柱中，最后称取20 g (约3 cm)堆肥均匀撒在土壤上。用同样方法装好12个淋洗柱。I. 3淋洗实验将12个淋洗柱分别放入4个培养箱中，每个培养箱各有3个，用蒸馏水滴至饱和，并在每个培养箱中放置I个装蒸馏水的试剂瓶，以保证淋洗液与淋洗柱温度一致，温度分别设为10°C、20°C、30°C、40°C。为了防止不同温度下水的蒸发量不同，每天都保证淋洗柱中材料含水量处于饱和状态，平衡48小时后,分别按原先顺序用50 mL (相当于52 mm降雨量)蒸馏水淋洗，可收集约50 mL淋洗液，用滴管滴加的方式进行淋洗，这样可以防止淋洗液沿淋洗柱内壁流下，滴完I mL后滴加下一个淋洗柱，依次滴加淋洗，平均淋洗速率约为为10 mL/h,每隔48小时淋洗I次，每次50 mL,收集3次。
I. 4重金属含量测定过程
分别取8 mL淋洗液样品放入标准罐中，加入5 mL HNO3，控制罐中加入6 mL HNO3，调整消解条件，压强为20 MPa，温度为180°C，时间为4 min，堆肥和土壤利用HN03+HC1多步消解至完全，最后消化液用1%的HNO3溶解、定容到25 mL的容量瓶中。采用TAS-990原子吸收分光光度计测定其中Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的含量。淋洗液消化分别取8 mL淋洗液样品放入标准iig和控制iig中，标准iig中加入5 mLHNO3，控制罐中加入6 mL HNO3 ;调整消解条件，压强为20 atm，温度为180°C，时间为4 min ；
堆肥和土壤消化分别取O. I g堆肥或土壤置于标准罐和控制罐中，标准罐中加入3 mLHNO3,1 mL HCl 和 O. 5 mLHF，控制罐中加入 4 mL HNO3，I mL HCl 和 O. 5 mL HF。采用多步消解，第一步，压强为10 atm，温度为140°C，时间为4 min ;第二步，压强为15 atm，温度为170°C，时间为4 min ;第三步，压强为20 atm，温度为200°C，时间为5 min (WX-4000微波快速消解系统说明书)。测定最后消化液用1%的HNO3溶解、定容至25 mL。采用TAS-990原子吸收分光光度计测定其中Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的含量。1.5数据处理
数据分析利用SPSS 11. 5软件进行处理，图表采用Excel 2003作图。2结果与分析
2.I温度对堆肥重金属淋洗影响
图I是重金属Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的淋洗结果。如图所示，第一次的淋洗时，Cr和Ni的淋出量随着温度的升高有很大程度的增大，与10°C时相比，Cr在20°C和30°C时，淋出液中的浓度分别提高了 41. 9%和95. 0%，Ni分别提高了 26. 4%和85. 4%，但当达到30°C以后，淋出液中的Ni浓度又开始下降；Cd和Cu随着温度变化相对平稳，而Pb在20°C时淋出液中浓度相对10°C下有所增加(约增大了 9%)，但是在30°C时，浓度迅速增大，约为20°C时的200%，40°C时又略微降低。由图I可以看出，淋出液中不同重金属随温度的变化规律是不同的，对于Cr，Ni和Pb，30°C下，淋出液中这些重金属的浓度最大，与其他温度下都有显著差异性；淋出液中Cu的浓度随温度的变化较小，说明温度不是影响其淋出的重要因素；淋出液中Cd的浓度在10°C时较小，随着温度的增加，即20°C以后，浓度有很大增加，20°C后又开始略有下降，说明对于Cd的淋洗，20°C时较适宜，但是与30°C和40°C时差异较小。第二次和第三次淋洗时，相对第一次，所有的重金属的淋出量都有很大程度的减少，其中Cd下降较少，与第一次淋洗相比，第二次淋洗液中Cd在10°C，20 V，30 V和40 V时分别下降了 13. 1%, 27. 7%, 24. 1%和21. 4%。Pb下降幅度最大，在各个温度下分别下降了43. 1%，35. 8%, 56. 9% 和 57. 3%, Cr 分别下降了 35. 8%, 39. 1%，37. 0% 和 28. 2%, Cu 分别下降了46. 5%, 45. 4%, 34. 0% 和 45. 3%, Ni 分别下降了 26. 9%, 22. 8%, 21. 0% 和 35. 3%。第二次淋洗液中各种重金属的浓度随温度变化规律与第一次淋洗较为相似，主要在30°C时浓度最大。而第三次淋洗液中，各种重金属浓度下降更多，而随温度的变化趋势与前两次不同，随温度的变化规律较小。这主要由于第一次和第二次淋洗出大部分可溶性的金属盐后，第三次淋洗出的重金属含量少很多，温度对其影响也不是重要的因素2.2温度对重金属迁移和滞留的影响
表2为各种重金属在不同温度下的迁移率，反映了不同温度下用于土壤的生活垃圾堆肥中重金属迁移和滞留的影响，重金属迁移出的越多，则滞留的越少。从表中可以看出，Cr的迁移率都是随着温度的改变变化较明显，在30°C和40°C时的迁移率最大，与20°C和10°C时差异显著0X0. 05)。Cd，Ni和Pb的总淋出量都是在30°C时达到最大，40°C时相对减少，其中Cd在20°C时与30°C时的迁移率是相等的，Pb从20 V到30 V的增幅较大约增大了 60%，Ni随温度的升高迁移率也明显的增大0X0. 05)，但是20°C和40°C时，Ni的迁移率相等。Cu的迁移率随温度的变化规律与Cr相似，但是不如Cr变化显著，在30°C和40°C迁移率达到最大。表中还显示,相比较其他重金属，Ni的迁移率最大,最大可以达到147. 59%o;Cr次之，在 10。。，20。。，30。。和 40°C 时分别可以达到 60. 66%, 83. 98%, 110. 75%。和 112. 82%0；Cd最大迁移率可以达到18. 83%。，Cu最大也可以达到11. 38%。，Pb的迁移率最小,最大仅能达到 O. 75%0。表2不同温度下各种金属的迁移率(％。)
II重金属I
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不同字母表示相互间差异明显ΟΚΟ. 05);以一下相同 3 .结论
本实验结果发现，淋出液中不同重金属含量随温度的变化规律是不同的，30°C时，淋出液中Cr，Ni和Pb三种重金属的浓度最大，与其他温度下都有显著差异性0X0. 05);淋出液中Cu的浓度随温度的变化较小，说明温度不是影响其迁移的重要因素；淋出液中Cd的浓度在20°C时最大，说明对于Cd的迁移，20°C时较适宜。从迁移率看，Cr的迁移率在30°C和40°C时的迁移率最大，与20°C和10°C时差异显著0X0. 05)，Cd，Ni和Pb的总迁移量都是在30°C时达到最大。Cu的迁移率随温度的变化规律与Cr相似，但是不如Cr变化显著，在30°C和40°C迁移率达到最大。本研究结果，除了 Cu外，其他重金属在温度为40°C时，淋洗出的重金属量出现降低现象，可能由于40°C时，超出了土壤的一般温度以及生物生长的最佳温度，导致土壤性质发生一定的变化，使重金属与土壤螯合的更紧密，不利于重金属的迁移，原因还有待进一步研究。第二次和第三次淋洗时，相对第一次，所有的重金属的迀移量都有很大程度的减少，其中Cd下降较少，Pb和Cu下降较多。实验结果表明，在温度较高时，所有重金属都比较容易淋洗出，Ni的迁移率最大，最大可以达到147. 59%。；Cr次之，但是除了 Ni和Cr之外，其他Cd，Cu和Pb的迁移率都较低，尤其是Pb，最大仅为O. 75%。。这可能由于垃圾堆肥中有机质含量很高，堆肥中的重金属与有机质以比较稳定的形式结合在一起，使得重金属不容易被迁移出来。土壤Pb易被有机质、氧化物、黏土矿物复合或吸附，且易形成磷酸盐、碳酸盐沉淀，所以土壤中Pb的溶解度及生物有效性都很低。当垃圾堆肥长期用作肥料施入农田时，最易造成土壤Pb污染。而在温度在30°C左右的地区，其他金属迁移出的量相对较大，造成土壤重金属污染的风险相比较其他条件较大，尤其是Cr和Ni ;如果长期使用，不仅滞留在土壤中的重金属含量高，迁移进入地下水的含量也较高。本研究不仅能让人们对用于土壤的生活垃圾堆肥中重金属迁移行为有一定的认识，更重要的是能为垃圾堆肥在农业中的合理利用提供依据。
图I不同温度下以及不同次数淋洗液中各种重金属的浓度。
具体实施例方式下面结合实施例说明本发明，这里所述实施例的方案，不限制本发明，本领域的专业人员按照本发明的精神可以对其进行改进和变化，所述的这些改进和变化都应视为在本发明的范围内，本发明的范围和实质由权利要求来限定。所用到的试剂有市售。实施例I
(1)材料准备
1)堆肥和细沙筛选出粒径60目土壤和沙子；土壤去掉杂质和大块，筛选出均匀细土，沙子用自来水洗净后再用蒸馏水清洗两遍，最后用(w/w) 1%的HNO3溶液浸泡24小时，然后将堆肥和细沙放入烘箱60°C条件下烘干；淋洗柱选用内径为3. 5cm、长度为25 cm的PVC管；纱布清洗晾干后用剪刀剪成大小合适的圆形绑在淋洗柱的一端；
2)称取20g细沙装入淋洗柱底部，再称取100 g 土壤均匀装入淋洗柱中，最后称取20g堆肥均匀撒在土壤上；用同样方法装好12个淋洗柱(在所有PVC管的底部都固定O. 2 mm尼龙网以支撑管内的土壤和堆肥);
(2)淋洗实验
1)将12个淋洗柱分别放入4个培养箱中，每个培养箱各有3个，用蒸馏水滴至饱和，并在每个培养箱中放置I个装蒸馏水的试剂瓶，以保证淋洗液与淋洗柱温度一致，4个培养箱的温度分别设为10°C、20°C、3(TC、4(rC ；
2)平衡48小时后，分别按原先顺序用50mL蒸馏水淋洗，收集淋洗液，采用TAS-990原子吸收分光光度计测定重金属Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的含量。其中所述的淋洗指的是，用滴管滴加的方式进行淋洗，滴完I mL后滴加下一个淋洗柱，依次滴加淋洗，平均淋洗速率为8mL/h,每隔48小时淋洗I次，每次50 mL,最后收集3次淋洗液。实施例2
(I)材料准备
I)堆肥和细沙筛选出粒径40目土壤和沙子；土壤去掉杂质和大块，筛选出均匀细土，沙子用自来水洗净后再用蒸馏水清洗两遍，最后用(w/w) 1%的HNO3溶液浸泡24小时，然后将堆肥和细沙放入烘箱60°C条件下烘干；淋洗柱选用内径为3. 5cm、长度为25 cm的PVC管；纱布清洗晾干后用剪刀剪成大小合适的圆形绑在淋洗柱的一端；
2)称取20 g细沙装入淋洗柱底部，再称取100 g 土壤均匀装入淋洗柱中，最后称取20g堆肥均匀撒在土壤上；用同样方法装好12个淋洗柱(在所有PVC管的底部都固定O. 2 mm尼龙网以支撑管内的土壤和堆肥); (2)淋洗实验
1)将12个淋洗柱分别放入4个培养箱中，每个培养箱各有3个，用蒸馏水滴至饱和，并在每个培养箱中放置I个装蒸馏水的试剂瓶，以保证淋洗液与淋洗柱温度一致，4个培养箱的温度分别设为10°C、20°C、3(TC、4(rC ；
2)平衡48小时后，分别按原先顺序用50mL蒸馏水淋洗，收集淋洗液，采用TAS-990原子吸收分光光度计测定重金属Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的含量。其中所述的淋洗指的是，用滴管滴加的方式进行淋洗，滴完I mL后滴加下一个淋洗柱，依次滴加淋洗，平均淋洗速率10mL/h,每隔48小时淋洗I次，每次50 mL,最后收集3次淋洗液。
权利要求
1.一种垃圾堆肥重金属淋洗修复中调节温度的方法，其特征在于按如下的步骤进行 (1)材料准备 1)堆肥和细沙筛选出粒径60-20目土壤和沙子；土壌去掉杂质和大块，筛选出均匀细土，沙子用自来水洗净后再用蒸馏水清洗两遍，最后用(w/w)l%的HNO3溶液浸泡24小吋，然后将堆肥和细沙放入烘箱60°C条件下烘干；淋洗柱选用内径为3. 5cm、长度为25 cm的PVC管；纱布清洗晾干后绑在淋洗柱的一端； 2)称取20g细沙装入淋洗柱底部，再称取100 g 土壤均匀装入淋洗柱中，最后称取20g堆肥均匀撒在土壌上；用同样方法装好12个淋洗柱； (2)淋洗实验 1)将12个淋洗柱分别放入4个培养箱中，用蒸馏水滴至饱和，并在每个培养箱中放置I个装蒸馏水的试剂瓶，以保证淋洗液与淋洗柱温度一致，4个培养箱的温度分别设为10°C、20°C、30°C、40°C ； 2)平衡48小时后，分别按原先顺序用50mL蒸馏水淋洗，收集淋洗液，采用TAS-990原子吸收分光光度计测定重金属含量。
2.权利要求I所述的的方法，其中所述的淋洗指的是，用滴管滴加的方式进行淋洗，滴完I mL后滴加下一个淋洗柱，依次滴加淋洗，平均淋洗速率为8-10 mL/h,每隔48小时淋洗I次，每次50 mL，最后收集3次淋洗液。
3.权利要求I所述的的方法，其中所述的重金属指的是Cd、Cr、Cu、Ni和Pb的含量。
全文摘要
本发明涉及一种垃圾堆肥重金属淋洗修复中调节温度的方法，它是在12个淋洗柱中分别放入土壤和沙子，然后放入4个培养箱中，用蒸馏水滴至饱和，并在每个培养箱中放置1个装蒸馏水的试剂瓶，以保证淋洗液与淋洗柱温度一致，4个培养箱的温度分别设为10℃、20℃、30℃、40℃；平衡48小时后，分别按原先顺序用50mL蒸馏水淋洗，收集淋洗液，测定重金属含量。本法明采用淋洗法研究温度对生活垃圾堆肥重金属在土壤中迁移行为的作用，以探讨重金属淋洗过程中的迁移行为，以及生活垃圾堆肥使用的地区适宜性问题，旨在为垃圾堆肥在农业中的合理利用提供参考依据。
文档编号A01B77/00GK102630394SQ20121013481
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者多立安, 尚小娟, 赵树兰 申请人:天津师范大学