一种重金属污染土壤的综合修复方法及应用的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种重金属污染土壤的综合修复方法及应用，属于环境污染治理和新能源【技术领域】。本发明所提供的方法是在重金属污染的土壤上种植甜高粱，利用甜高粱吸收重金属，成熟后收获甜高粱，并将甜高粱秸秆粉碎后进行固体发酵，发酵后蒸馏回收发酵产物中的乙醇，将蒸馏残渣初步干燥后与作物根叶混合燃烧，回收处理灰分中的重金属。本发明所提供的方法具有作物生物量大、对重金属吸附效率高，同时产生的秸秆可用于发酵生产生物燃料，发酵后不会产生沼液、沼渣等二次污染物，具有良好的环境效益；高粱穗可用于制作培养基或做饲料，具有巨大的社会效益和经济效益，适于产业化推广。
【专利说明】一种重金属污染土壤的综合修复方法及应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种重金属污染土壤的综合修复方法及应用，尤其涉及一种重金属镉 污染土壤的修复方法，属于环境污染治理和新能源【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 由于采矿、冶金、化工等行业造成的污染，我国受重金属污染的耕地面积已达2000 万公顷，占全国总耕地面积的1/6,其中以镉的污染最为严重，防治形势十分严峻，并且还呈 现不断加剧的趋势。与其他主要重金属污染物相比，镉更容易被农作物所吸附。因其具有 很强的生物毒性，造成严重的食品安全隐患。镉污染源主要是铅锌矿以及有色金属冶炼、电 镀和用镉化合物作原料或触媒的工厂。相当数量的镉通过废气、废水、废渣排入环境。镉对 土壤的污染主要有气型和水型两种。气型污染主要是含镉工业废气排放造成的。含镉飞灰 经空气扩散并自然沉降，蓄集于工厂周围的土壤中，污染范围有的可达数公里。水型污染主 要是含镉工业废水排入地面水或渗入地下水引起的，污染面积随流域影响更为广泛。
[0003] 近年爆发的"镉大米"问题表明我国耕地已经受到重金属镉的严重污染，土壤修复 成为重要的民生问题。目前正对重金属污染土壤修复主要利用物理、化学和生物的方法转 移、吸收、降解和转化土壤中的重金属，使其浓度降低到可接受水平，满足相应土地利用类 型的要求。其中物理和化学修复法尽管有其各自的优点，但是普遍存在造价高，工程量大， 技术难度大以及可能造成二次污染的问题。
[0004] 植物修复法利用在受污染土地上种植对重金属有吸收能力的植物，通过植物的吸 收和运输把土壤中的重金属转运到植物体内，通过移除富含重金属的植株达到土壤修复的 目的。植物修复法相对于物理和化学修复法具有修复费用低，不干扰土壤环境，不造成次生 污染的优势。目前，植物修复多采用重金属富集或超富集植物进行土壤修复。但是具有重 金属富集和超富集能力的植物通常来源于野生植物，一般植株矮小，生物量低，生物修复效 率低下。而且，现有开发的重金属富集植物自身的经济价值都比较低，富集重金属后的植物 还需进行进一步处理，避免其果实，枝叶等重新回到生态环境中降低修复效率。综合评价以 重金属超富集植物为对象的重金属土壤修复技术属于成本投入型技术，并不能产生任何经 济效益，使得大面积污染土地的修复成为政府巨大的经济负担。
【发明内容】
[0005] 为解决现有技术中，对重金属超富集植物生物量低，吸收重金属种类单一，作物产 品没有明显经济价值的问题，本发明提供了一种重金属污染土壤的综合修复方法，本发明 所提供的方法是以能源作物种植和生物燃料生产为途径的综合治理重金属污染土壤的方 法（图1)，所采取的技术方案如下：
[0006] 本发明的目的在于提供一种重金属污染土壤的综合修复方法，该方法是在重金属 污染的土壤上种植甜高粱，利用甜高粱吸收重金属，成熟后收获甜高粱，并将甜高粱秸杆粉 碎后进行固体发酵，发酵后蒸馏回收发酵产物中的乙醇，将蒸馏残渣初步干燥后与作物根 叶混合燃烧，回收处理灰分中的重金属。
[0007]所述方法的步骤如下：
[0008] 1)在重金属污染的土壤上种植甜高粱，甜高粱成熟后获得污染甜高粱，收割污染 甜高粱后进行分解处理；
[0009] 2)粉碎步骤1)所得污染甜高粱的秸杆，转移到发酵罐中进行固体发酵，发酵结束 后获得发酵产物；
[0010] 3)将步骤2)所得的发酵产物转移到蒸馏塔中蒸馏回收乙醇，回收结束后获得蒸 馏渣料；
[0011] 4)将步骤3)所得的蒸馏渣料进行干燥后与甜高粱的根叶混合后燃烧；
[0012] 5)回收处理步骤4)灰分中的重金属。
[0013] 其中，步骤1)所述重金属污染土壤，镉含量彡50mg/Kg，锌含量彡250mg/Kg，铜含 量彡200mg/Kg，铅含量彡300mg/Kg。所述收割污染甜高粱，一年一季的甜高粱整株收割， 一年多季保留根部收割，全年种植完成后整株收割；所述分解处理，是将整株甜高粱分解成 根、結杆、叶、_粱穗。
[0014] 步骤2)所述粉碎污染甜高粱秸杆，是将污染甜高粱的秸杆粉碎为0. 5_5cm长纤 维状颗粒；所述固态发酵，发酵菌种为酿酒酵母TSH-03,发酵温度为15-40°C，发酵时间为 24-3011，种子液接种量为秸杆质量的5-20%，发酵器旋转速度为0.5-3印111。
[0015] 步骤3)所述蒸馏回收乙醇，是以直接或间接加热蒸馏的方式回收乙醇。
[0016]步骤4)所述干燥，是利用锅炉烟道气进行初步干燥。
[0017] 步骤5)所述回收处理，是回收灰分中的重金属或者直接将灰分固定深埋。
[0018] 所述方法的具体步骤如下：
[0019] 1)在重金属污染的土壤上种植甜高粱，成熟后收割甜高粱，收获后，脱穗去除根叶 后获得甜闻梁結杆；
[0020]所述重金属污染土壤，镉含量彡50mg/Kg，锌含量彡250mg/Kg，铜含量彡200mg/ Kg，铅含量彡300mg/Kg;
[0021] 2)将步骤1)所得的甜高粱秸杆粉碎粉碎为0. 5-5cm纤维状颗粒，再转移到发酵 罐中进行固态发酵，发酵条件：接种占秸杆质量5-20 %的酿酒酵母TSH-03种子液后，在 15-40°C、发酵器旋转速度为0. 5-3rpm的条件下发酵24-30h，发酵结束后获得发酵产物；
[0022] 3)将步骤2)所得的发酵产物转移到蒸馏塔中蒸馏回收乙醇，回收结束后获得蒸 馏渣料；
[0023] 4)利用锅炉烟道气对步骤3)所得的蒸馏渣料进行初步干燥后与污染作物的根叶 混合后燃烧；
[0024] 5)回收步骤4)燃烧所得的灰烬，提取重金属或进行固定深埋处理。
[0025] 所述方法用于治理重金属污染的土地、回收重金属和制备燃料乙醇。
[0026] 本发明有益效果：
[0027] 1.在受镉污染的土地上种植大生物量的甜高粱，由于甜高粱的生物量不受土壤中 重金属镉的影响，且随着镉浓度的提高甜高粱对镉的吸收量也随之升高，可以有效地吸收 土壤中的重金属镉，从根本上改善土壤质量。
[0028] 2.以固态发酵生物乙醇生产技术作为修复植物的后处理技术，在修复植物的后处 理环节中导入可再生能源生产，具有显著的经济效益。
[0029] 3.通过对收获的甜高粱秸杆进行固态发酵，生产燃料乙醇作为新能源。可以有效 减少石油燃料的使用，能够降低对大气环境的污染，具有减排的作用。
[0030] 4.整个工艺流程采用固态发酵和蒸馏技术，基本不产生工业废水，尤其是含重金 属的工业废水，提高了重金属回收效率，避免了工业废水的二次污染。
[0031] 5.生产乙醇后的物料经过燃烧，可以提供热能或电力，同时重金属镉进入灰分中， 可以通过固定化深埋处理，避免了对土壤环境的再次污染。
【专利附图】
【附图说明】
[0032] 图1为以能源作物种植和生物燃料生产为途径的综合治理重金属土壤污染示意 图。
【具体实施方式】
[0033] 下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
[0034]实施例1镉污染土壤甜高粱盆栽实验
[0035] 在海南省海口市以盆栽种植法考察了甜高粱对重金属镉的吸收能力。实验选用能 饲，考力两个甜高粱品种，土壤中重金属镉的含量设定为6mg/kg。本实验设两个处理，每个 处理重复九次。
[0036] 盆栽土壤配置方法如下所述：
[0037] 从正常农田田间取土，过5mm筛，将其中石子、草根、地下害虫等杂物筛出，加约 15%的水堆放，并用塑料布覆盖5-7天，杀死土中病虫和杂草，备用。将5-7天后的土壤在 太阳下晒干，混合均匀，使水分和质地一致。将均匀一致的土壤按每盆100公斤装填。称取 每盆所需的重金属镉，溶于土壤重量15%左右的纯水中。先将溶液与十分之一的土混匀，再 与剩下的土混匀。每千克土壤中再加入6克的氮、2克的磷、6克的钾混匀，装盆压实，平衡2 周。甜高粱种植：将生长良好，长势一致的甜高粱幼苗（移植到实验土壤中，每盆3株。视 气候情况，不定期浇灌去离子水，待120天甜高粱成熟后统一收集植株。
[0038] 甜高粱重金属含量测定：将样品植株根茎叶分别分离，用自来水洗去表面泥土污 物，再用去离子水充分淋洗，浙干水分。样品在l〇5°C杀青lh。然后在60°C烘干至衡重，粉 碎备用。根茎叶粉碎样品分别用浓硝酸145°C消解，做ICP-MS，测定样品中重金属含量。结 果如表1所示。
[0039] 表1甜高粱植株中重金属镉含量（mg/kg)
[0040]
【权利要求】
1. 一种重金属污染土壤的综合修复方法，其特征在于，在重金属污染的土壤上种植甜 高粱，利用甜高粱吸收重金属，成熟后收获甜高粱，并将甜高粱秸杆粉碎后进行固体发酵， 发酵后蒸馏回收发酵产物中的乙醇，将蒸馏残渣初步干燥后与作物根叶混合燃烧，回收处 理灰分中的重金属。
2. 权利要求1所述方法，其特征在于，步骤如下： 1) 在重金属污染的土壤上种植甜高粱，甜高粱成熟后获得污染甜高粱，收割污染甜高 粱后进行分解处理； 2) 粉碎步骤1)所得污染甜高粱的秸杆，转移到发酵罐中进行固体发酵，发酵结束后获 得发酵产物； 3) 将步骤2)所得的发酵产物转移到蒸馏塔中蒸馏回收乙醇，回收结束后获得蒸馏渣 料； 4) 将步骤3)所得的蒸馏渣料进行干燥后与甜高粱的根叶混合后燃烧； 5) 回收处理步骤4)灰分中的重金属。
3. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤1)所述重金属污染土壤，镉含量彡50mg/ Kg，锌含量彡250mg/Kg，铜含量彡200mg/Kg，铅含量彡300mg/Kg。
4. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤1)所述收割污染甜高粱，一年一季的甜高粱 整株收割，一年多季保留根部收割，全年种植完成后整株收割；所述分解处理，是将整株甜 高粱分解成根、秸杆、叶、高粱穗。
5. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤2)所述粉碎污染甜高粱秸杆，是将污染甜高 粱的秸杆粉碎为〇. 5-5cm长纤维状颗粒；所述固态发酵，发酵菌种为酿酒酵母TSH-03,发酵 温度为15-40°C，发酵时间为24-30h，种子液接种量为秸杆质量的5-20%，发酵器旋转速度 为 0? 5_3rpm。
6. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤3)所述蒸馏回收乙醇，是以直接或间接加热 蒸馏的方式回收乙醇。
7. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤4)所述干燥，是利用锅炉烟道气进行初步干 燥。
8. 权利要求2所述方法，其特征在于，步骤5)所述回收处理，是回收灰分中的重金属或 者直接将灰分固定深埋。
9. 权利要求2所述方法，其特征在于，具体步骤如下： 1) 在重金属污染的土壤上种植甜高粱，成熟后收割甜高粱，收获后，脱穗去除根叶后获 得甜高粱秸杆； 所述重金属污染土壤，镉含量彡50mg/Kg，锌含量彡250mg/Kg，铜含量彡200mg/Kg，铅 含量< 300mg/Kg ; 2) 将步骤1)所得的甜高粱秸杆粉碎粉碎为0. 5-5cm纤维状颗粒，再转移到发酵罐中进 行固态发酵，发酵条件：接种占秸杆质量5-20%的酿酒酵母TSH-03种子液后，在15-40°C、 发酵器旋转速度为〇. 5-3rpm的条件下发酵24-30h，发酵结束后获得发酵产物； 3) 将步骤2)所得的发酵产物转移到蒸馏塔中蒸馏回收乙醇，回收结束后获得蒸馏渣 料； 4) 利用锅炉烟道气对步骤3)所得的蒸馏渣料进行初步干燥后与污染作物的根叶混合 后燃烧； 5)回收步骤4)燃烧所得的灰烬，提取重金属或进行固定深埋处理。
10.权利要求1-9所述方法，其特征在于，用于治理重金属污染的土地、回收重金属和 制备燃料乙醇。
【文档编号】B09C1/00GK104324933SQ201410613679
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月4日 优先权日:2014年11月4日
【发明者】李十中, 李纪红, 范桂芳, 李光明 申请人:清华大学