一种利用蜈蚣草修复重金属污染尾矿砂的方法

1.本发明涉及植物修复技术领域，具体地，涉及一种利用蜈蚣草修复重金属污染尾矿砂的方法。


背景技术：

2.金属矿业开采与冶炼活动往往会造成砷、铅和锌等重金属的复合污染，而且具有污染范围广、持续时间长和难被生物降解等特点。含砷、铅和锌等重金属的矿产每年采出量巨大，大量砷、铅和锌等重金属存在于尾矿中或以三废形式排放至环境，砷、铅和锌等重金属扩散造成环境污染和健康威胁。尾矿是周边农田土壤砷、铅和锌等重金属污染的重要来源，对尾矿进行修复治理是农田土壤砷、铅和锌等重金属污染源头预防控制中最重要的一环。尾矿的主要成分尾矿砂与土壤不同，其主要是无机矿物质粉末沉积后形成的母质，具有通透性弱、内聚力差、营养元素含量匮乏、保湿保肥能力差、有毒有害元素含量较高等特点。地表堆放的尾矿砂经风化、淋滤作用，砷、铅、锌等重金属被活化逸散到周围环境中。因为尾矿的特殊性质，除了少量先锋植物，一般植物难以生长，此区域往往存在大量直接裸露在地表的高污染土壤，矿渣，砷、铅和锌等污染物极易随剥蚀作用、地表径流等向周边扩散。
3.目前为实现尾矿的生态恢复，往往通过改良尾矿砂，种植耐性植物，实现尾矿植被覆绿。但是缺乏兼顾植被覆绿和通过植物提取有毒有害物质的修复尾矿方法，以从本质上实现尾矿砂中砷、铅和锌等重金属的减量化。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种操作方便、原材料易得、成本低廉且具有良好的环境效益的一种利用蜈蚣草修复重金属污染尾矿砂的方法，兼顾植被覆绿、富集砷和钝化铅和锌等重金属的修复尾矿砂的方法，从本质上实现尾矿砂中砷、铅和锌等重金属的减量化。
5.本发明的第一个目的是提供一种尾矿砂改良剂。
6.本发明的第二个目的是提供一种改良重金属污染尾矿砂的方法。
7.本发明的第三个目的是提供一种改良后的重金属污染尾矿砂。
8.本发明的第四个目的是提供一种利用蜈蚣草修复重金属污染尾矿砂的方法。
9.为了实现上述目的，本发明是通过以下方案予以实现的：
10.一种尾矿砂改良剂，所述尾矿砂改良剂中含有石灰、有机肥、泥炭和钙镁磷肥，其质量比为7～13：24～26：49～51：0.9～51，所述有机肥由动物粪便和草木灰组成，所述钙镁磷肥中p、mg和ca的质量比为5～5.5：4.5～5：17.5～18。
11.优选地，所述尾矿砂改良剂中石灰、有机肥、泥炭和钙镁磷肥的质量比为7～9：24～26：49～51：0.9～51。
12.更优选地，所述尾矿砂改良剂中石灰、有机肥、泥炭和钙镁磷肥的质量比为8：25：50：5，总体上最有利于蜈蚣草生长，并富集大量砷。
13.更优选地，所述尾矿砂改良剂中石灰、有机肥、泥炭和钙镁磷肥的质量比为8：25：50：1，蜈蚣草地上部和地下部砷含量最高，富集砷的含量最多，对有效态锌和铅降低率最高。
14.更优选地，所述有机肥由猪粪和草木灰组成。
15.更优选地，所述有机肥中猪粪和草木灰的质量比为3.9～4.1：0.9～1.1。
16.更优选地，所述有机肥中猪粪和草木灰的质量比为4：1。
17.更优选地，所述钙镁磷肥中p、mg和ca的质量比为5.24：4.8：17.86。
18.一种改良重金属污染尾矿砂的方法，将所述的尾矿砂改良剂与重金属污染尾矿砂混合，得到改良后的重金属污染尾矿砂，所述改良后的重金属污染尾矿砂中石灰、有机肥、泥炭、钙镁磷肥和重金属污染尾矿砂的质量比为7～13：24～26：49～51：0.9～51：859～919.1，所述有机肥由动物粪便和草木灰组成，所述钙镁磷肥中p、mg和ca的质量比为5～5.5：4.5～5：17.5～18。
19.优选地，所述改良后的重金属污染尾矿砂中石灰、有机肥、泥炭、钙镁磷肥和重金属污染尾矿砂的质量比为7～9：24～26：49～51：0.9～51：863～919.1。
20.更优选地，所述改良后的重金属污染尾矿砂中石灰、有机肥、泥炭、钙镁磷肥和重金属污染尾矿砂的质量比为8：25：50：5：912，总体上最有利于蜈蚣草生长，并富集大量砷。
21.更优选地，所述改良后的重金属污染尾矿砂中石灰、有机肥、泥炭、钙镁磷肥和重金属污染尾矿砂的质量比为8：25：50：1：916，蜈蚣草地上部和地下部砷含量最高，富集砷的含量最多，对有效态锌和铅降低率最高。
22.更优选地，所述有机肥由猪粪和草木灰组成。
23.更优选地，所述有机肥中猪粪和草木灰的质量比为4：1。
24.更优选地，所述钙镁磷肥中p、mg和ca的质量比为5.24：4.8：17.86。
25.优选地，所述重金属污染尾矿砂为广东韶关市大宝山尾矿库0～30cm表层，经自然条件下风干后，过2mm筛，制备得到。
26.优选地，所述重金属污染尾矿砂为砷、锌和/或铅中的一种或几种元素污染。
27.更优选地，所述重金属污染尾矿砂ph≤5.5，平均砷含量≥40mg/kg、平均镉含量≥0.3mg/kg、平均铅含量≥70mg/kg、平均锌含量≥200mg/kg。
28.更优选地，所述重金属污染尾矿砂ph为3.63，平均砷含量为248.35mg/kg、平均镉含量为1.8mg/kg、平均铅含量为197.51mg/kg、平均锌含量为541.10mg/kg。
29.一种改良后的重金属污染尾矿砂，为所述的改良重金属污染尾矿砂的方法制备得到。
30.一种利用蜈蚣草修复重金属污染尾矿砂的方法，将蜈蚣草移栽至所述的改良后的重金属污染尾矿砂中培养。
31.优选地，所述蜈蚣草为美国佛罗里达州的多年生蜈蚣草。
32.优选地，培养蜈蚣草的条件为：光照4000～5000lux、温度20～25℃、空气相对湿度50％～60％。
33.更优选地，培养蜈蚣草的条件为：光照5000lux，12h光照、12h黑暗，温度25℃，空气相对湿度50％。
34.优选地，所述的尾矿砂改良剂与重金属污染尾矿砂混合后，需静置平衡6～8d，再
移栽培养蜈蚣草。
35.优选地，所述重金属污染尾矿砂为广东韶关市大宝山尾矿库0～30cm表层，经自然条件下风干后，过2mm筛，制备得到。
36.优选地，所述重金属污染尾矿砂为砷、锌和/或铅中的一种或几种元素污染，通过蜈蚣草积累吸收砷，钝化锌和铅。
37.更优选地，所述重金属污染尾矿砂ph≤5.5，平均砷含量≥40mg/kg、平均镉含量≥0.3mg/kg、平均铅含量≥70mg/kg、平均锌含量≥200mg/kg。
38.更优选地，所述重金属污染尾矿砂ph为3.63，平均砷含量为248.35mg/kg、平均镉含量为1.8mg/kg、平均铅含量为197.51mg/kg、平均锌含量为541.10mg/kg。
39.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
40.本发明提供了一种利用蜈蚣草修复重金属污染尾矿砂的方法。本发明将尾矿砂改良剂与重金属污染尾矿砂混合，得到改良后的重金属污染尾矿砂，所述改良后的重金属污染尾矿砂中石灰、有机肥、泥炭、钙镁磷肥和重金属污染尾矿砂的质量比为7～13：24～26：49～51：0.9～51：859～919.1，所述有机肥由动物粪便和草木灰组成，所述钙镁磷肥中p、mg和ca的质量比为5～5.5：4.5～5：17.5～18。改良后的重金属污染尾矿砂适合蜈蚣草生长并通过蜈蚣草积累吸收砷，钝化锌和铅等元素。
41.所述蜈蚣草具有极强的砷吸收、转运及富集能力，并且耐铅、锌、铜等多种重金属，是开展植物修复砷、锌和/或铅等元素高度污染尾矿的理想材料。蜈蚣草喜钙质碱性土壤，添加石灰、有机肥能够提高土壤ph值，增加表面电荷，促进铅、锌和铜等重金属的吸附钝化；添加有机肥、泥炭可以补充蜈蚣草生长所需n、p和k等养分，泥炭还可以改良尾矿砂板结、硬化等现像，并提高尾矿砂的持水、通气和保肥的能力；添加适量的磷肥可以提高蜈蚣草生物量和增加砷的富集量，但大多磷肥为酸性肥，不可与石灰等混用，添加适量的钙镁磷肥既可以改良酸性的尾矿砂，又可以增加蜈蚣草对砷的富集量，提高植物富集效率。
42.本发明所用尾矿砂改良剂取材方便，成本低廉，蜈蚣草种植期间只需定期对植物浇水，不需要精心养护，管理较为简单。本发明的修复方法具有工程量小、操作方便、所需时间短、成本低和生态协调的优点，并且收割的蜈蚣草地上部可以作为后续植物资源化的原材料，实现边生产边修复，从本质上实现尾矿砂中砷的减量化，同时有效钝化锌和铅等重金属，降低锌和铅等重金属的有效性，对于提高重度砷、锌和铅等重金属复合高污尾矿砂场地的植物修复效率，实现高污尾矿的有效植被覆绿，缩短植物修复周期和重金属风险防控具有重要意义。
附图说明
43.图1为蜈蚣草生长状况(从左到右依次为ck、改良组1、改良组2、改良组3、改良组4、改良组5、改良组6、改良组7)。
44.图2为不同改良组条件下蜈蚣草盆栽60d后，蜈蚣草地上部砷吸收浓度。
45.图3为不同改良组条件下蜈蚣草盆栽60d后，蜈蚣草地上部砷累积总量。
具体实施方式
46.下面结合说明书附图及具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例
只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
47.实施例1改良剂配置与蜈蚣草培养
48.1.重金属污染尾矿砂样品采集：
49.在广东韶关市大宝山尾矿库表层(0～30cm)采集尾矿砂，自然条件下混合均匀并风干，过2mm筛，该尾矿砂ph为3.63，平均砷含量为248.35mg/kg，超过《土壤环境质量农用土地污染风险管控标准》(gb15618-2018)农用地土壤污染砷最高风险筛选值(40mg/kg)。同时平均镉含量为1.8mg/kg、平均铅含量为197.51mg/kg、平均锌含量为541.10mg/kg。
50.2.改良配比：
51.在重金属污染尾矿砂中添加改良剂并混合均匀，得到改良后的重金属污染尾矿砂。以质量计，改良剂各成分占改良后的重金属污染尾矿砂比例为：石灰0％～1.2％、有机肥(猪粪：草木灰质量比＝4：1)0％～2.5％、泥炭0％～5％、钙镁磷肥(质量比计，含p2o5：12％、mgo：8％、cao：25％)0％～5％。根据上述改良剂的各成分共设置8组处理，见下表1。
52.表1改良剂各成分占改良后的重金属污染尾矿砂比例(质量计)
53.组别石灰有机肥泥炭钙镁磷肥ck0000改良组10.4％2.5％00改良组20.4％2.5％00.1％改良组30.8％2.5％5％0.1％改良组40.8％2.5％5％0.5％改良组50.8％2.5％5％1％改良组61.2％2.5％5％2％改良组71.2％2.5％5％5％
54.将500g按表1配置的改良后的重金属污染尾矿砂置于9cm
×
11cm的塑料盆中，每处理组设5个重复，平衡一周。
55.3.蜈蚣草幼苗培养：
56.营养土在撒播蜈蚣草孢子前一天用水浸透，所用营养土的主要成分为优质泥炭藓、完全腐熟树皮堆肥、园艺蛭石、园艺珍珠岩及缓效肥料等。将含蜈蚣草孢子(0.01g)的蒸馏水悬浮液均匀地撒在营养土表面，盖上扎孔塑料薄膜，摆放在人工气候室中以萌发育苗。人工气候室设置条件为：光照5000lux，12h光照、12h黑暗，温度25℃，空气相对湿度为50％。培养期间，早晚各喷水一次，保持营养土湿润，利用蒸发到塑料薄膜内表面滚动的小水珠促进蜈蚣草原叶体的受精，培养30d，得到蜈蚣草幼苗。
57.4.蜈蚣草盆栽：
58.选取步骤3培养的长势较好且相近的高4cm左右的蜈蚣草单株幼苗，将根部洗净后移至盛有改良的砷高污尾矿砂的塑料盆中，摆放在人工气候室并进行培养，人工气候室设置条件同步骤3，每盆种植1苗，每2天施水一次，盆栽60d。实施例2蜈蚣草的生长状况及对砷的富集
59.一、实验方法
60.1.样品采集：
61.对经实施例1步骤4盆栽种植60d后的蜈蚣草进行收样，测量8个改良组中蜈蚣草的株高(蜈蚣草自然生长状态下，植株最高处与根状茎间的垂直距离)，并对各处理组蜈蚣草进行拍照记录。蜈蚣草生长状况见图1，从左到右依次为ck、改良组1、改良组2、改良组3、改良组4、改良组5、改良组6和改良组7。将蜈蚣草根状茎上方枝叶剪下，用自来水冲洗干净，吸水纸擦干后，装入信封，70℃条件下48h烘干至恒重，作为蜈蚣草的地上部枝叶分析样品；将土样和根系全部倒出，取出根际土，然后将根系取出并用自来水冲洗干净，吸水纸擦干后，装入信封，70℃条件下48h烘干至恒重，作为蜈蚣草的地下部分析样品。
62.2.样品测定：
63.将烘干后的蜈蚣草地上部、地下部样品粉碎磨样后，称取每份样品0.05g于消解管中，加10ml硝酸(1：1)于105℃条件下消解，至溶液剩余2ml时，加2ml h2o2，继续消解至不再有气泡上冒；用纯水定容至30ml，取其中10ml经0.45μm孔径过滤器过滤后，使用icp-oes电感耦合等离子体发射光谱仪测定砷含量，依据所测的每盆蜈蚣草地下部根系和地上部枝叶的砷含量，以及所用砷高污尾矿砂平均砷含量、地上部生物量计算出各改良组蜈蚣草的生物富集系数bcf(地上部枝叶砷含量与盆栽所用尾矿砂砷平均含量的比值)、生物转移系数tf(地上部枝叶砷含量与地下部根系砷含量的比值)、地上部砷累积总量(地上部枝叶砷含量与地上部枝叶干重的乘积)
64.二、实验结果
65.测定结果如表2、表3和图1～3所示。
66.表2各改良组蜈蚣草的生长状况(平均值)
67.组别株高/cm地上部干重/g存活率ck——0改良组17.800.09280.6改良组27.860.10420.6改良组311.290.25011.0改良组412.380.27251.0改良组57.840.09310.6改良组69.720.16280.8改良组78.550.11320.8
68.表3各改良组蜈蚣草的指标测定结果(平均值)
[0069][0070]
由表2和图1可知，各改良组处理条件下，蜈蚣草生长状况差异巨大，在不添加改良剂的情况下，蜈蚣草种植2周后全部枯萎死亡，随着石灰和钙镁磷肥添加比例的增加，蜈蚣草的生物量和株高总体上呈现先增高后降低的趋势，在改良组4条件下蜈蚣草生长状况最好，蜈蚣草全部正常生长，地上部生物量(干重)和株高达到最值，分别为0.2725g、12.38cm，是在改良组1条件下蜈蚣草地上部生物量(干重)和株高的2.94、1.59倍。可见通过以上方法选出最适改良剂添加配比，可以大幅提高蜈蚣草生物量，改善蜈蚣草在砷高污尾矿砂中的生长状况，提高植物修复效果，为实际应用提供技术支撑。
[0071]
在改良组3和改良组4条件下，蜈蚣草地上部砷含量、bcf、tf、地上部砷累积总量、地上部铅累积总量、地上部锌累积总量表现最好，在总体上改良组4的条件最有利于蜈蚣草生长并富集大量的砷。
[0072]
实施例3改良修复方法对铅和锌的钝化
[0073]
一、实验方法
[0074]
收集实施例1种植蜈蚣草后的土样，利用dtpa浸提法测定种植蜈蚣草前后的改良尾矿砂中铅、锌的有效性。
[0075]
二、实验结果
[0076]
测定结果如表4。
[0077]
表4添加改良剂和蜈蚣草修复方法对尾矿砂铅、锌有效性的影响(平均值)
[0078][0079]
由表4可知，经改良组3和改良组4的条件改良砷高污尾矿砂并种植蜈蚣草60d后，土壤中有效态铅含量明显降低，有效态锌含量也有所降低。综合考虑蜈蚣草对砷的吸收累积量以及改良后土壤中铅、锌的钝化程度，改良组3的条件最有利于蜈蚣草修复砷、铅、锌复合污染尾矿土壤。
[0080]
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。