专利名称：一种治理土壤或水体砷污染的方法
技术领域：
本发明涉及环境污染治理技术领域，具体涉及一种利用植物治理土壤或水体砷污染的方法。
背景技术：
由于砷化合物生产、含砷矿物冶炼以及化石燃料燃烧造成的砷污染，已影响到土壤、水体和空气的环境质量。据估计，全球每年人为向土壤排放的As量达28400-94000t。在20世纪70年代，所生产的As约80％用于农业生产(杀虫剂、除草剂等)；目前，农业砷用量正日益减少，但近97％的As产量以白砷的形式进入终产品的生产，其余的3％用于冶金添加剂特别是铅铜合金的制造中。
砷及其化合物是众所周知的“三致物质”，即致畸、致癌和致突变。据报道，我国自1956-1984年间曾发生30余起砷中毒事件，砷引起的公害事件时有发生。因此，砷污染土壤的治理日益引起国内外广泛关注。
当前，治理土壤重金属污染可供选择的方法主要有理化修复法和生物修复法。
理化修复法如有客土(换土)法、沉淀法、淋洗法、电化法、磁化法等。这些物理或化学方法各有其优点，但都存在花费高、工程量较大、易造成二次污染等问题。
生物法有微生物和植物修复方法两种。微生物修复的局部成功仅局限于一些有机污染物的降解，在处理重金属污染上并非有效。植物修复是一种新兴的重金属污染原位绿色修复技术，作为其核心技术之一的植物提取技术，已发展成为环境科学领域的研究与应用热点，并引起政府、学术界和企业界的高度重视。
从当前国内外植物提取技术研究与实践进展来看，尚存在并需解决以下问题(1)砷超富集植物的研究才刚起步，可供选择的能(超)富集砷的植物品种较少；(2)被推荐优先使用的超富集植物，普遍生物量偏低，重金属的总体去除效率较低，同时还存在异地气候适应等问题；(3)污染土壤中重金属生物有效性有待提高；(4)从应用来看，发达国家的植物修复技术部分已投入实际应用，并获得了较好的环境、经济和社会效益，而我国尚处于起步阶段，相关技术还处于实验室或中试阶段。
发明内容
本发明的目的是针对目前土壤或水体砷污染严重的问题，提供一种利用植物治理土壤或水体砷污染的方法。
本发明利用斜羽凤尾蕨(Pteris oshimensis)、金钗凤尾蕨(P.fauriei)、紫轴凤尾蕨(P.aspericaulis)和齿翅井栏边草(P.multifida f.serrulata Miau)中的一种或一种以上，连续提取并活化土壤或水体中的砷，同时向上转运到地上部，待地上部形成一定的生物量，定期收割地上部，则可进行连续提取，连续转移土壤或水体中大量的砷，从而经过一定的提取周期清除土壤或水体砷污染，或将土壤或水体中的砷含量降至环境标准允许的范围。
本发明所用的超富集砷植物斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨和齿翅井栏边草，分别在广东阳春、广西宾阳、云南大理和广东乳源等地自然生长，较多分布。这四种植物均为凤尾蕨科凤尾蕨属植物，其分类学特征如下(1)斜羽凤尾蕨(Pteris oshimensis)植株高50-80厘米，根状茎短而直立，叶簇生；叶片长圆形，长30-40厘米，中部宽10-18厘米，二回深羽裂；侧生羽片对生，极斜向上或斜向上。羽轴光滑，上面有纵沟，沟旁的狭边上有针状长刺，主脉上面有少数针状刺或无刺。叶脉明显，自基部以上二叉，斜展。叶草质，干后暗绿色或棕绿色，无毛。
(2)金钗凤尾蕨(P.fauriei)植株高50-90厘米，根状茎短而斜生，叶簇生；叶片卵形至卵状三角形，长25-45厘米，宽17-24(30)厘米，二回深羽裂；侧生羽片斜展，偶或略斜向上。羽轴下面隆起，禾秆色，光滑，上面有狭纵沟，沟两旁有针状扁刺，裂片的主脉上面有少数小刺。侧脉两面均明显，斜展，自基部以上二叉，裂片基部下侧一脉出自羽轴，上侧一脉出自主脉基部。叶干后纸质，浅绿色至棕绿色，无毛。
(3)紫轴凤尾蕨(P.aspericaulis)植株高1-1.5米，根状茎短而斜生，叶簇生；柄约与叶片等长，粗4-5毫米，连同叶轴、羽轴、叶边或囊群盖多少饰有浅紫色；叶片长圆状卵形，长50-80厘米，宽20-25厘米，二回深羽裂或基部三回深羽裂；侧生羽片对生，斜展。羽轴下面隆起，光滑，上面有狭纵沟，沟两旁有刺。侧脉两面均明显，斜展，从基部二叉，裂片基部下侧一脉出自羽轴，基部相对的两条小脉向外斜行达到缺刻上面的叶边。叶干后近革质，灰绿色，边缘常为浅紫色，无毛。
(4)齿翅井栏边草(P.multifida f.serrulata Miau)植株高30-45厘米，根状茎短而直立；叶二型，多数，密而簇生，草质，无毛；叶柄禾秆色或带褐色；能育叶片长卵形，长20～45厘米，宽15～25厘米，一回羽状，但下部羽片往往二至三叉，除基部一对有柄外，其他各对基部下沿，在叶轴两侧形成具尖齿的狭翅；羽片或小羽片条形，宽3～7厘米，顶部渐尖，不育，有细锯齿，向下为全缘；不育叶的羽片或小羽片较宽，边缘有不整齐的尖锯齿。主脉两面均隆起，禾秆色，侧脉明显，稀疏，单一或分叉。
本发明的治理土壤或水体砷污染的方法是利用植物斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨和齿翅井栏边草中的一种或一种以上种植于待治理的土壤或水体中，连续提取土壤或水体中的砷。
上述本发明方法一般包括如下具体步骤(1)控制待治理的土壤或水体pH为弱酸性至中性；
(2)在待治理的土壤或水体中种植斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨和齿翅井栏边草中的一种或一种以上；对植物在水体中生长的支撑处理为将植物植入浮床，根部通过浮床上钻制的小孔直接与污染水体接触，生长前期加海绵或脱脂棉于小孔中稳固植株；(3)连续定期收割所种植植物的地上部，直到土壤或水体砷含量达安全标准。
按照上述本发明的方法，所述步骤(1)可以是通过施用酸性肥料或碱性肥料或石灰控制待治理的土壤或水体为弱酸性至中性(通常为pH 6.5～7.5)。
按照上述本发明的方法，所述步骤(3)的连续定期收割为一年收割2-3次，收割植物的地上部时留茬3～5厘米。让植物连续生长，连续收割其地上部，直到土壤或水体砷含量达安全标准。收割的地上部可进行统一处理，如在垃圾填埋区安全填埋或焚烧。
按照上述本发明的方法，所述用于植入待治理土壤或水体中的斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨或/和齿翅井栏边草可以是直接移栽的野生植株；或者是通过孢子萌发，温室培育幼苗，生长至10～15厘米或生长3～4周的植株。所述孢子萌发的培育条件通常为将上述植物的成熟孢子，均匀播于过筛并蒸炒过的腐叶土上，保湿并置阴暗处，昼温20～25℃，夜温10～15℃，空气湿度60～80％；所述温室培育幼苗的培育条件通常为昼温20～25℃，夜温10～15℃，空气湿度60～80％。
本发明所用斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨和齿翅井栏边草的叶片、叶柄和根对砷均有较大的富集量，以叶片对砷的富集量最大。例如在自然条件下，斜羽凤尾蕨叶片、叶柄和根的平均砷含量分别为789±499、115±95和53±39mg/kg(干重)；金钗凤尾蕨叶片、叶柄和根的平均砷含量分别为1362±169、456±67和190±25mg/kg(干重)。
本发明的有益效果1.本发明使用的四种植物对砷具有超富集能力，用于治理土壤或水体砷污染，具有成本低、修复效率高等优点，潜在经济效益可观；2.本发明使用的四种植物，根系发达，生长旺盛，容易繁殖。除齿翅井栏边草外，其余3种植物均具有较大生物量，适合于砷污染土壤或水体的植物修复；3.本发明建立了一套连续提取模式，简化了修复土壤或水体砷污染的程序，容易推广应用；4.本发明建立的修复模式系绿色原位修复，所收获的地上部进行集中安全填埋或焚烧，不会造成二次污染，同时修复进程不会破坏土壤或水体生态系统，并有助于改善土壤或水体因重金属污染而引起的土壤或水体退化和生产力下降，恢复并提高土壤或水体生物多样性。
具体实施例方式实施例1砷污染土壤修复试验将野外移栽的斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨和齿翅井栏边草幼苗于温室正常土壤中培育，空气相对湿度60～80％，昼温20～25℃，夜温10～15℃，待幼苗生长至6～10厘米，移栽入砷污染土壤，供试土壤砷含量为200mg/kg，N∶P2O5∶K2O＝0.15∶0.10∶0.15g/kg干土，调节pH至6.5～7.5。生长3个月收获地上部，留茬3～5厘米。第一次收获的斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨和齿翅井栏边草，经测定叶片砷含量分别为1335、3224、4036和3634mg/kg(干重)；四种植物连续生长、连续提取土壤砷，连续收割其地上部，土壤中的砷含量不断减少，直至正常水平。
实施例2砷污染水体修复试验将野外移栽的斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨和齿翅井栏边草幼苗于温室正常土壤中培育，空气相对湿度60～80％，昼温20～25℃，夜温10～15℃，待幼苗生长至6～10厘米，将植物移植入浮床，根部通过浮床上钻制的小孔直接与污染水体接触，生长前期加海绵或脱脂棉于小孔中稳固植株。供试水体砷含量为100mg/kg，调节pH至6.5～7.5。生长两个月收获地上部，第一次收获的斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨和齿翅井栏边草，经测定叶片砷含量分别为1021、2864、3842和3082mg/kg(干重)；四种植物连续生长、连续提取水体中的砷，连续收割其地上部，水体中的砷含量不断减少，直至正常水平。
权利要求
1.一种治理土壤或水体砷污染的方法，其特征在于利用植物斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨和齿翅井栏边草中的一种或一种以上种植于待治理的土壤或水体中，连续提取土壤或水体中的砷。
2.如权利要求1所述的治理土壤或水体砷污染的方法，其特征在于具体包括如下步骤(1)控制待治理的土壤或水体pH为弱酸性至中性；(2)在待治理的土壤或水体中种植斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨和齿翅井栏边草中的一种或一种以上；对植物在水体中生长的支撑处理为将植物植入浮床，根部通过浮床上钻制的小孔直接与污染水体接触，生长前期加海绵或脱脂棉于小孔中稳固植株；(3)连续定期收割所种植植物的地上部，直到土壤或水体砷含量达安全标准。
3.如权利要求2所述的治理土壤或水体砷污染的方法，其特征在于所述步骤(1)是通过施用酸性肥料或碱性肥料或石灰控制待治理的土壤或水体为弱酸性至中性。
4.如权利要求2所述的治理土壤或水体砷污染的方法，其特征在于步骤(3)所述的连续定期收割为一年收割2-3次，收割植物的地上部时留茬3～5厘米。
5.如权利要求1-4之一所述的治理土壤或水体砷污染的方法，其特征在于所述的用于植入待治理土壤或水体中的斜羽凤尾蕨、金钗凤尾蕨、紫轴凤尾蕨或/和齿翅井栏边草为直接移栽的野生植株；或者是通过孢子萌发，温室培育幼苗，生长至10～15厘米或生长3～4周的植株。
6.如权利要求5所述的治理土壤或水体砷污染的方法，其特征在于所述孢子萌发的培育条件为将上述植物的成熟孢子，均匀播于过筛并蒸炒过的腐叶土上，保湿并置阴暗处，昼温20～25℃，夜温10～15℃，空气湿度60～80％；所述温室培育幼苗的培育条件为昼温20～25℃，夜温10～15℃，空气湿度60～80％。
全文摘要
本发明公开了一种治理土壤或水体砷污染的方法。本发明利用能超富集砷的蕨类植物斜羽凤尾蕨(Pteris oshimensis)、金钗凤尾蕨(P.fauriei)、紫轴凤尾蕨(P.aspericaulis)和齿翅井栏边草(P.multifida f.serrulata Miau)，种植于待治理的土壤或水体中，活化并吸收污染土壤或水体中的砷，连续定期收割地上部，即可进行连续提取，直至土壤或水体砷含量达环境安全标准。本发明方法具有成本低、修复效率高、易于推广应用等优点，应用本发明方法不会造成二次污染，同时修复进程不会破坏土壤或水体生态系统，并有助于改善土壤或水体因重金属污染而引起的土壤或水体退化和生产力下降，恢复并提高土壤或水体生物多样性。
文档编号B09C1/10GK1785538SQ20051010064
公开日2006年6月14日 申请日期2005年10月28日 优先权日2005年10月28日
发明者王宏斌, 叶志鸿, 蓝崇钰, 束文圣 申请人:中山大学