专利名称：一种重金属污染土壤的生物修复方法
技术领域：
本发明涉及环境污染治理技术领域，尤其涉及一种重金属污染土壤的生物修复方法。
背景技术：
随着工农业生产的发展，土壤重金属污染愈加严重，特别是铜、镉、铅这三种重金属的单一污染或复合污染。土壤重金属污染是影响人类健康和环境质量的主要问题之一， 它不仅影响农作物生产，而且也影响大气和水环境质量，甚至通过食物链危害人类的健康。 因此，土壤重金属铜、镉、铅的污染急需治理。目前，世界各国都在对土壤重金属污染修复技术进行广泛研究，其主要途径有3 种①改变重金属状态，降低其活性，使其钝化，以降低毒性；②用工程技术将重金属变为可溶态、游离态，再经过淋洗，然后回收，以降低土壤中的重金属含量；③利用超积累植物吸收土壤中的重金属，然后收割，达到移除土壤中的重金属的目的。具体操作方法一般有以下几种(1)客土法、换土法和深耕翻土 ；( 电动修复和电热修复；(3)化学淋洗；(4)化学修复，包括化学改良剂、表面活性剂和重金属拮抗剂修复；( 生物修复，包括植物修复、动物修复和微生物修复。前四种方法通常成本较高、有些还容易破坏土壤结构，而生物修复对土壤扰动少、成本低且能大面积推广应用，故受到了越来越多的关注。生物修复是20世纪90年代初发展起来的利用生物技术治理污染土壤的一种新方法。其基本原理是利用特定的植物、动物或微生物削减、净化土壤中的重金属或降低重金属的毒性。该方法为一种原位修复，成本低，效果好，易于操作，日益受到人们的重视，成为污染土壤修复研究的热点。目前应用较多的为植物、微生物联合修复或动物修复，而利用动物、植物和微生物联合修复的比较少。蚯蚓，作为典型的土壤动物，被称之为“改良土壤的能手”。有研究证实蚯蚓一方面可以改善土壤结构和肥力、促进植物根系生长，另一方面可通过体外分泌物和蚓粪提高土壤微生物的数量和活性，蚯蚓已被成功运用于城市生活垃圾、污泥处理中。白三叶(Trifolium repens)为豆科多年生草本。茎匍匐，掌状复叶有3小叶，小叶倒卵形或倒心形，花序头状，花冠白色。白三叶作为常用牧草，适应性广，栽培技术成熟， 利于推广利用。黑麦草(Lolium perenne)为禾本科多年生草本。叶条形，茎秆丛生，质地较软。黑麦草是具有经济价值的栽培牧草，适应性广，栽培技术成熟，利于推广应用。鸭跖草(Commelina communis)为鸭跖草科一年生草本，叶形为披针形至卵状披针形，茎匍匐，花朵顶生或腋生，花蓝白色。鸭跖草目前还呈野生状态，开发甚少。
发明内容
本发明提供了一种重金属污染土壤的生物修复方法，该方法经济合理，操作简单， 修复效果好，易于推广且绿色环保。
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一种重金属污染土壤的生物修复方法，包括(1)在重金属污染土壤中施加蚯蚓饲料，翻土混勻，放入蚯蚓养殖；养殖观-35天后，收集上层土壤中的蚓粪，再采用自然光照法收集成蚓，将幼蚓和蚓卵留于土壤中；(2)采用条植的方式种植植物，植物生长至78-90天时对其地上部分进行刈割，再生长50-70天将植物整体移除；种植植物期间，每隔观-35天，采用野外收集法收集成蚓1-3天；植物整体移除后， 采用自然光照法收集所有成蚓、幼蚓，并收集蚓粪和蚓卵；其中，当春季或夏季种植植物时，所述的植物为白三叶(Trifolium repens)和鸭跖草(Commelina communis)，两种植物间隔条植；所述白三叶以根瘤菌拌种后播种种植；当秋季或冬季种植植物时，所述的植物为黑麦草(Lolium perenne) 0本发明采用动物、植物、微生物联合修复的方法，对重金属污染土壤进行修复。步骤(1)为动物修复阶段，修复过程持续观-35天。该步骤中，所述的重金属可以为镉、铜和铅中的一种或多种。所述的重金属污染土壤可以为长期堆放电子产品造成重金属污染的土壤。所述的重金属污染土壤可以为中度或轻度污染土壤；优选地，所述的重金属污染土壤为中度污染土壤，含有浓度为0. 6-3. 6mg/kg的镉、浓度为86. 2-135. 4mg/kg的铜和浓度为 67. 1-154. 8mg/kg 的铅。所述的蚯蚓饲料优选为柠檬渣。常用的有机肥如牛粪、猪粪、鸡粪等，由于动物饲养过程中以喂食饲料为主，所以有机肥中重金属含量通常比较高，会影响土壤修复的进度； 而柠檬渣为玉米或木薯发酵生产柠檬酸后得到的副产品，经检测其重金属含量低，仅有含量为7mg/kg的Cu，Cd和1 的含量均为0，同时，柠檬渣也是蚯蚓非常喜欢的饲料之一，利于蚯蚓的生长。所述柠檬渣的施加量优选为0. 8-1. 5kg/m2 ；施加柠檬渣后翻土均勻能使柠檬渣分散，便于蚯蚓分散觅食。所述的蚯蚓优选为大平二号蚯蚓。该蚓种的蚯蚓生长速度快，繁殖能力强，对重金属铜、镉、铅具有较强耐性。所述大平二号蚯蚓的投放密度优选为0. 5-0. ^g/m2。根据蚯蚓排泄蚓粪的习性，所述的蚓粪一般集中分布在土壤上层，通过收集该层土壤，即可收集大部分的蚓粪。所述的自然光照法可以通过如下步骤于自然光照下将土壤逐层扒开，将底层土壤过筛，分离出其中的成蚓，收集成蚓后将土壤回铺。由于蚯蚓有避光性，采用自然光照法可以使蚯蚓集中在土壤底层，收集底层土壤再过筛，就能分离出成蚓，将幼蚓和蚓卵留在土壤中，后续不需再投放。步骤O)为动物、植物、微生物联合修复阶段，修复过程持续U8-160天。该步骤中，优选地，所述鸭跖草的种植方式为幼苗种植；白三叶和黑麦草的种植方式为播种种植。鸭跖草由于种子收集困难，但其无性繁殖系数较高，故采用幼苗种植；白三叶和黑麦草由于种子容易收集，易成活，可直接播种种植，操作方便，能节省大量的人力资源。所述白三叶以根瘤菌拌种后再种植。由于白三叶为豆科植物，拌种根瘤菌有利于增强其固氮能力，促进其生长，促进其对重金属的吸收；同时，根瘤菌的活动能改变植物根系的微环境，使土壤中的重金属转变为可交换态，或使高毒的重金属形态转变为低毒状态， 更利于植物和动物富集。优选地，所述白三叶刈割后留茬3-5cm，鸭跖草刈割后留茬12-18cm，黑麦草刈割后留茬6-8cm，便于植株继续生长。所述的野外收集法可以通过如下步骤在重金属污染土壤边缘铺设含有浓度为 3-5kg/m2蚯蚓饲料的土壤，1-2天后收集铺设土壤中的成蚓和蚓粪，将幼蚓和蚓卵留于土壤中，之后将该土壤回填到重金属污染土壤中。铺设含高浓度蚯蚓饲料的土壤，能将蚯蚓吸引过来，便于收集。所述收集成蚓的时间为1-3天，该条件下，所收集的蚯蚓数量合适。收集时间过长，原土壤中的蚯蚓会大量集中到铺设土壤中，会导致原土壤中蚯蚓数量不足。整个生物修复过程中，为了减少雨水的影响，同时方便保温，优选在连栋大棚中进行。所述蚯蚓养殖过程中，每周施加一次蚯蚓饲料，蚯蚓饲料的施加量优选为 0. 5-0. 6kg/m2。优选地，在蚯蚓养殖和植物种植过程中及时浇水，使重金属污染土壤的含水量保持在 70-85%。所述重金属污染土壤表面可以覆盖有稻草或秸秆，便于保湿。所述土壤温度优选为5_25°C。温度过低时，可以覆盖塑料薄膜保温；温度过高时， 可以覆盖遮荫网降温。本发明中，蚯蚓一方面通过蠕动、取食可以改善土壤结构、肥力、水分、养分和通气状况，促进植物根系生长，另一方面可通过体外分泌物和蚓粪提高土壤微生物的数量和活性。经初步试验发现，大平二号蚯蚓对重金属具有富集特性，在重金属含量较高的土壤中蚯蚓蚓体和蚓粪重金属含量较高，具有较好的重金属污染土壤修复潜力。在土壤中养殖蚯蚓， 蚯蚓通过被动扩散作用和摄食作用富集重金属，定期收集成蚓、蚓粪，再进行灰化处理，即可去除土壤中的重金属。由于不同植物具有不同的生长期，为了一年四季都能进行土壤的修复，在不同季节选取不同的植物进行种植。经前期研究发现，白三叶、鸭跖草和黑麦草都对镉、铜、铅复合污染的土壤具有良好的修复效果，能同时富集镉、铜、铅三种金属元素。这三种植物在自身生长过程中，能同时将土壤中的重金属吸收、富集在植株的地上部分或地下部分中，当植株的地上部分生长达到一定生物量时进行刈割，富集在植株地上部分的重金属随着地上部分的收割而被除去；该阶段结束时，将植株整体移除，即可去除整株植株中富集的所有重金属。每次刈割获得部分及最后整体移除的植株经晒干后进行灰化，作为危险废物处理，由此即可有效去除土壤中的重金属。以根瘤菌对白三叶拌种，白三叶为豆科植物，拌种根瘤菌有利于增强其固氮能力， 促进其快速生长及繁殖；同时根瘤菌的活动改变了植物根系微环境，使土壤中的重金属转变成可交换态，或使高毒的重金属形态转变成低毒状态，利于植物和动物富集。另外，土壤本身含有丰富的微生物群系，能对重金属进行降解，蚯蚓的排泄物蚓粪能提高土壤中生物的有效性，提高微生物的活性，加速降解。
为了提高重金属污染土壤修复效率、促进修复进程，可以半年为一周期，每周期中，先进行动物修复(持续观-35天)，再进行动物、植物和微生物联合修复(持续128-160 天)。根据土壤的重金属污染程度，进行多个修复周期，即可使土壤中的重金属含量逐渐下降，从而达到环境安全标准。本发明方法特别适合于轻度或中度重金属污染土壤的修复，对轻度污染土壤，修复1-2个周期即可；对中度污染土壤，修复2-5个周期即可。本发明采用动物、植物和微生物联合，通过合适的修复顺序和修复周期，实现对重金属污染土壤的修复，具有如下有益效果(1)采用本发明修复重金属污染土壤，能同时富集土壤中的重金属铜、镉、铅，复合治理效果好，且富集量可观。(2)太平二号蚯蚓生长快，繁殖系数大，繁殖比可达1 1500，即一次性投放蚯蚓 100条，年可繁殖15万条，且对重金属铜、镉、铅具有较强耐性，蚓体和蚓粪中铜、镉、铅含量可观。(3)本发明所采用的植物均为研究过程中筛选出来的重金属富集效果良好的植物。其中，白三叶、黑麦草是常用的牧草，生物量大，易栽培，繁殖能力强，生长速度快，生长过程中可采用粗放式管理，操作简单，管理成本较低，适用范围广，容易推广；鸭跖草虽为野生植物，但其野外植株量大，繁殖体容易采集，且繁殖容易。(4)动物、微生物的活动有效地改善了土壤环境，促进了植物的生长，提高了植物对重金属的富集，协同效果显著，有效地缩短了修复周期。运用本发明，可使中低度铜、镉、 铅复合污染的土壤在1-2年内重金属含量大幅降低，顺利达到安全生产的要求，修复效率高，特别适用于耕地的治理。
具体实施例方式实施例1试验地点设在浙江省台州一电子废物长期堆放地块，该地块土层厚度10-25cm，主要为镉、铜、铅复合污染。根据均勻可操作的原则，将地块分成IOmX IOm的样地，以每个样地为单位布点采集，以实现数据的典型性。以一个样地为单位，每个样地选5个点，采用梅花式布点法，在选取的中心点周围再以辐射状取4个点。用土壤采样器分别在每个点采集土壤(0-20cm)，然后将5点土壤混合均勻，挑拣掉石块、植物残体等杂物后装入具有编号的塑封袋中，作为一个土样。土样带回后风干，将土块粉碎，取适量过100目筛后备用。土壤检测对取回的土样进行检测，前处理及检测方法参照《土壤环境质量标准》 (GB15618-1995)所述执行，检测结果见表1。表1修复前土壤重金属污染情况
权利要求
1.一种重金属污染土壤的生物修复方法，包括(1)在重金属污染土壤中施加蚯蚓饲料，翻土混勻，放入蚯蚓养殖；养殖观-35天后，收集上层土壤中的蚓粪，再采用自然光照法收集成蚓，将幼蚓和蚓卵留于土壤中；(2)采用条植的方式种植植物，植物生长至78-90天时对其地上部分进行刈割，再生长 50-70天将植物整体移除；种植植物期间，每隔观-35天，采用野外收集法收集成蚓和蚓粪1-3天；植物整体移除后，采用自然光照法收集所有成蚓、幼蚓，并收集蚓粪和蚓卵；其中，当春季或夏季种植植物时，所述的植物为白三叶(Trifolium repens)和鸭跖草 (Commelina communis)，两种植物间隔条植；所述白三叶以根瘤菌拌种后播种种植；当秋季或冬季种植植物时，所述的植物为黑麦草(Lolium perenne) 0
2.根据权利要求1所述的生物修复方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的重金属为镉、 铜和铅中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的生物修复方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的重金属污染土壤中含有浓度为0. 6-3. 6mg/kg的镉、浓度为86. 2-135. 4mg/kg的铜和浓度为 67. 1-154. 8mg/kg 的铅。
4.根据权利要求1所述的生物修复方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的蚯蚓饲料为柠檬渣，柠檬渣的施加量为0. 8-1. ^g/m2。
5.根据权利要求1所述的生物修复方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的蚯蚓为大平二号蚯蚓，大平二号蚯蚓的投放密度为0. 5-0. f^kg/m2。
6.根据权利要求1所述的生物修复方法，其特征在于，步骤⑴或(2)中，所述的自然光照法包括于自然光照下将土壤逐层扒开，将底层土壤过筛，分离出其中的成蚓，收集成蚓后将土壤回铺。
7.根据权利要求1所述的生物修复方法，其特征在于，步骤O)中，所述鸭跖草的种植方式为幼苗种植；所述黑麦草的种植方式为播种种植。
8.根据权利要求1所述的生物修复方法，其特征在于，步骤(2)中，所述白三叶刈割后留茬3-5cm，鸭跖草刈割后留茬12-18cm，黑麦草刈割后留茬6_8cm。
9.根据权利要求1所述的生物修复方法，其特征在于，步骤O)中，所述的野外收集法包括在重金属污染土壤边缘铺设含有浓度为3^kg/m2蚯蚓饲料的土壤，1-2天后收集铺设土壤中的成蚓，将幼蚓和蚓卵留于土壤中，之后将该土壤回填到重金属污染土壤中。
10.根据权利要求1所述的生物修复方法，其特征在于，在蚯蚓养殖和植物种植过程中及时浇水，使重金属污染土壤的含水量保持在70-85%。
全文摘要
本发明公开了一种重金属污染土壤的生物修复方法，包括在重金属污染土壤中施加蚯蚓饲料，翻土混匀，放入蚯蚓养殖；养殖28-35天后，收集上层土壤中的蚓粪，再采用自然光照法收集成蚓，将幼蚓和蚓卵留于土壤中；采用条植的方式种植植物，植物生长至78-90天时对其地上部分进行刈割，再生长50-70天将植物整体移除；种植植物期间，每隔28-35天，采用野外收集法收集成蚓和蚓粪1-3天；植物整体移除后，采用自然光照法收集所有成蚓、幼蚓，并收集蚓粪和蚓卵。本发明采用动物、植物和微生物联合，通过合适的修复顺序和修复周期实现对土壤的修复，经济环保，操作简单，修复效率高，易于推广，特别适合于轻度或中度铜、镉、铅复合污染土壤。
文档编号B09C1/00GK102553904SQ20121001416
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者冯猛, 田伟莉, 陈昆柏 申请人:浙江博世华环保科技有限公司