一种寒冷地区大面积重金属污染土壤的再生方法与流程

1.本发明涉及土壤修复技术领域；具体是一种寒冷地区大面积重金属污染土壤的再生方法。


背景技术：

2.随着全球经济化的迅速发展，含有重金属的污染物以各种形式进入到土壤环境，污染日趋严重。这些被重金属污染的废弃土壤严重破坏了周围生态环境，并通过各种途径直接或间接威胁周边居民的生命健康。经过近年来不断的探索发展，用于治理土壤重金属污染的修复技术主要有物理修复、化学修复和生物修复，这些方法均可在一定程度上降低土壤中重金属的污染程度，但也存在着局限性，比如物理修复和化学修复技术投资昂贵，对土壤性质、土层结构以及生物多样性的破坏性较大，对大面积的污染土壤不宜使用；生物修复技术修复不彻底，时效长。尤其在寒冷地区，由于气候影响，现有修复技术对重金属土壤的修复效果较差，存在重金属活化以及溢出等问题。近年来，多种方法组合的修复方式成为人们研究的热点，其修复效果显著增强，见效快等优点，是之在重金属土壤修复领域显示出巨大的应用前景。生物炭对于重金属阳离子cd、pb、cu等具有良好的吸附效应，吸附能力优于其他大部分农林废弃物和活性炭。但在寒冷地区实际应用时，其吸附效果会受到影响，难以达到预期效果。因此，制备以改性生物炭为主体负载低温微生物菌的炭基复合材料，辅助以团粒喷播技术，除了可以提高寒冷地区土壤中pb、cd等重金属污染物的吸附率，降低其生物有效性外，也为实现物种多样性和多层次生态功能创造了可能性。其修复效果好，管理方便，社会接受度高，适宜在大面积的重金属污染土壤治理工程中广泛应用。
3.公告号cn109604330a的专利提供了一种冬季通过微生物修复寒冷地区污染土壤的系统及方法，通过微生物修复受污染土壤，在受污染土壤的下部开设沟槽，将发酵物料添加到沟槽中，通过风机和风管将热传递到受污染的土壤中，以维持受污染土壤中微生物生长的温度，修复受污染的土壤。这种方法不适合大面积实施，且修复周期长。
4.公告号cn107115840a的专利公开了一种用于砷镉污染土壤修复的炭基复合材料，根据土壤污染程度及理化性质，按22.5—67.5 t/hm2的施用量将炭基复合材料均匀撒于复合污染土壤表面，随后立即翻耕表面0-10cm的土壤，使炭基复合材料与表层土壤混合均匀，来吸附土壤中as、cd等重金属污染物。该方法没有考虑气候对修复效果的影响。
5.公告号cn108251118a的专利公开了一种生物炭、土壤重金属稳定化药剂及其制备方法，它是几种生物质原料混合粉碎后，置于真空罐中，加入氮气加热，使混合物热解后得到生物炭，进而修复重金属污染的土壤。这种方法存在修复效率低、效果不稳定的问题。
6.公告号 cn1923720a的专利是一种微生物固结重金属离子的方法，菌种的扩大培养。它是将菌株巴氏芽孢杆菌接种在尿素培养基中，振荡培养，然后将溶液加入含有重金属离子的土壤中，产生微生物-重金属复合絮凝体，进一步生成不溶于水的碳酸盐。该方法存在选用的菌种不适合寒冷环境，在寒冷环境下修复效果较差的问题。
7.公告号cn108672482a的专利公开了一种重金属固定剂及重金属污染土壤固化方
法。包括使用破碎机将污染土壤进行粉碎，选取改性膨胀蛭石为预处理固化组，选取的激发固化组包括有消石灰、壳聚糖、水玻璃及粉煤灰调质污染土壤。该方法虽然工艺简单，材料廉价易得，但是因利用固化技术所以存在需要修复后长期监测，耗费人力物力的缺点。
8.生物炭-微生物联合修复方法可实现治理过程的原位性，成本低廉且效果永久，搭配团粒喷播技术更具有后期处理简易和环境美学兼容等优点，是治理重金属污染土壤的优良选择，具有广大的应用前景和诸多优点及显著的环境、经济、社会效益。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种立足寒冷地区立地条件，成本低廉，环保无污染，满足土壤生态修复的要求，而且适合大面积实施的寒冷地区大面积重金属污染土壤的再生方法。
10.本发明的技术方案：一种寒冷地区大面积重金属污染土壤的再生方法，包括如下步骤：s1重金属污染监测；s2划分修复分区，依据综合污染指数法将污染程度分为轻度污染、中度污染和重度污染；s3土壤翻耕破碎，将粒径控制在5cm以下，然后将改性生物炭—谷氨酸棒杆菌混合材料均匀洒至土壤中，用旋耕机深耕混匀搅拌20-30cm，翻土后视田间土壤水分状况决定是否洒水，使土壤含水量在最大田间持水量的65-75％；s4将步骤s3得到的土壤进行覆塑料膜养护，静置7～10d，使混合材料与土壤充分反应；s5喷播基材，在待修复区域喷播基层材料，包括营养层和种子层两层，种子层内的植物种子为富集指数以及转运系数均大于1的种子；s6修复效果监测：在原采样点采集土壤样品及植物样品，在实验室实测重金属含量，利用反演模型监测研究区域的土壤和植被重金属离子变化情况。
11.优选的，步骤s1具体包括以下步骤：在研究区以50*50m均匀布点的方式，采集深度为 0～20 cm 的表层土壤样品，采样时用高精度 gps 记录采样点位置信息；在实验室对样本进行预处理，用便携式地物光谱仪测定样本的重金属含量；利用无人机搭载高光谱传感器获取场地高光谱影像，在对原始光谱数据进行多种变换的基础上，采用相关分析和逐步回归算法确定反演土壤重金属元素含量的特征波段，运用偏最小二乘回归法建立反演土壤重金属含量的高光谱估算模型，通过反演模型计算待测研究区的重金属含量；所述无人机采用dji matrice 600 pro无人机，研究时间要求天气晴朗、无风、近五天没有降水或者人为干扰；无人机飞行高度为100 m，高光谱影像空间分辨率为0.043m。
12.优选的，步骤s2所述综合污染指数法能够反映多种重金属对区域的污染程度，当综合污染指数1＜p≤2时，为轻度污染；2＜p≤3时，为中度污染；p＞3时，为重度污染。
13.优选的，步骤s3所述改性生物炭—谷氨酸棒杆菌混合材料用量为轻度污染地区5t/hm2，中度污染地区10t/hm2，重度污染地区20t/hm2。
14.优选的，步骤s5所述营养层厚度为2cm；所述营养层包括耕植土、草炭土、椰丝纤维、稻纤维、有机肥、稻壳、缓释肥、保水剂、粘合剂和土壤调节剂；耕植土：草炭土：椰丝纤
维：稻纤维：有机肥：稻壳的体积比为1：0.1：0.1：0.15：0.4：0.1；缓释肥：保水剂：粘合剂：土壤调节剂的质量比为4:0.1:0.05:0.05；营养层每1立方米的耕植土所用缓释肥的质量为4kg。
15.优选的，步骤s5所述种子层厚度为3cm；包括耕植土、草炭土、有机肥、稻纤维、稻壳、速效肥、保水剂、粘合剂和土壤调节剂；耕植土：草炭土：有机肥：稻纤维：稻壳的体积比为1:0.4:0.1:0.3:0.2；速效肥：保水剂：粘合剂：土壤调节剂的质量为6:0.2:0.02:0.01；种子层每1立方米的耕植土所用速效肥的质量为6kg。
16.优选的，所述步骤s5有机肥为含有机质的生物有机肥；所述缓释肥包括专用复合肥和过磷酸钙；专用复合肥为含有氮、磷、钾养分的肥料，其中氮、磷、钾的重量比是12：9：9；所述专用复合肥和过磷酸钙的重量比为1:1；保水剂为聚丙烯酰胺型保水剂；粘合剂为聚丙烯酸酯；土壤调节剂包括以下重量份的海泡石粉40-50份、秸秆15-25份、微生物菌剂2-5份、生物炭5-10份、氯元素2-5份、钾元素1-4份、铜元素0.3-0.7份和水35-50份；所述微生物菌剂中含有的细菌菌株为枯草芽孢杆菌；速效肥为磷酸二铵。
17.优选的，所述种子层的种子为灌木和草花混合种子，所述种子种类及质量配比为紫穗槐:紫花苜蓿:黑麦草:大花金鸡菊:油菜=3:2:3.5:1:2，种子用量为35g/
㎡
。
18.优选的，步骤s3所述改性生物炭—谷氨酸棒杆菌混合材料制备方法如下：s31将玉米秸秆风干后去除杂物，经粉碎机打碎过2 mm筛后备用；s32将风干过筛的玉米秸秆放入坩埚，压实后放入马弗炉，在缺氧条件下以 10 ℃
·
min-1的速率升至设定温度600℃后保持2h，自然冷却后取出；s33对生物炭浸泡后用水冲洗3～5遍，直到清洗水体中看不到明显的灰分为止，再用超声波清洗机清洗10分钟；清洗完之后的生物炭，用70℃烘箱烘干至恒重，得到生物炭；s34将得到的生物炭置于cacl2溶液中，搅拌均匀，浸渍24h后置于烘箱中烘干，得到固体混合物；s35将步骤s34得到的固体混合物置于20%的h2o2溶液中充分反应2h后抽滤，并与离子水进行多次洗涤，后置于70℃烘箱烘干，自然冷却后得到改性生物炭；s36将步骤s35制备的改性生物炭材料与低温微生物菌液按照0.5～1g：50～100ml的质量体积比接种后，在35℃下于180r/min的摇床中震荡培养24h，即完成改性生物炭对微生物的固定；s37将步骤s36的改性生物炭分离出来，即可得到改性生物炭—谷氨酸棒杆菌的复合材料。
19.优选的，步骤s3所述改性生物炭—谷氨酸棒杆菌混合材料的粒径为30～100目；步骤s34所述cacl2溶液的浓度为0.25mol/l，生物炭与cacl2溶液的质量体积比为1g：25～30ml；步骤s35所述改性生物炭与h2o2溶液的质量体积比为1g：10ml；步骤s36所述的低温微生物菌液为谷氨酸棒杆菌液，将od
600
值为0.4，2
×
107cfu/ml,的细菌材料，按照2%的比例接入到1000ml液体培养基中，在10℃，160r/min条件下摇床
培养48小时，获得菌株发酵液；所述液体培养基包括牛肉膏3g，蛋白胨5g，nacl5g，用去离子水定容至900ml，放入高压灭菌锅，于121℃灭菌25min，灭菌后待培养基恢复到室温时，加入100ml浓度为150g/l的尿素溶液，过0.45μm滤膜，用naoh溶液调节培养基的ph为7；步骤s37的改性生物炭分离出来的方法为：将步骤6所得溶液静止放置，待生物炭沉淀后去除上清液即可。
20.现有物理、化学修复技术投资昂贵，不适合大面积实施，对土壤性质、土层结构以及生物多样性的破坏性较大，容易产生二次污染，本发明利用提供的修复方法，不仅成本低廉，环保无污染，满足土壤生态修复的要求，而且适合大面积实施。
21.现有修复技术针对性差，没有关注气候条件导致的重金属溢出等问题。本发明立足寒冷地区立地条件，采取适合当地环境的修复材料和修复方法，显著提高了修复效果。
22.土壤环境变化会对植物生长产生不利影响，传统的生物修复技术对此缺乏关注。本发明采用的团粒喷播技术，通过在污染的土壤上方建立保护系统，减少了气候对土壤修复效果的影响，给植物生长提供了良好的立地条件。
23.本发明的有益效果：本发明通过添加改性生物炭，低温微生物菌以及在污染土壤上多层喷播建立保护系统的方式解决了寒冷环境下重金属污染土壤修复效果不稳定，易活化溢出的技术问题；利用无人机高光谱技术实现大面积原位监测，可以实时、快速、主动监测土壤重金属污染，掌握大面积土壤重金属污染的程度、类型和深度，以此早发现、早治理。依据监测结果进行分区修复解决了现有修复技术粗放，没有针对性的问题。改性生物炭—低温微生物菌—团粒喷播联合修复技术环保无污染，经济便捷，解决了现有技术投入高、存在二次污染的问题。
24.具体涉及以下几点：（1）传统的检测方法流程复杂且无法做到大面积监测，而高光谱遥感技术可以实现大面积原位监测，可以实时、快速、主动监测土壤重金属污染，掌握大面积土壤重金属污染的程度、类型和深度。以此早发现、早治理。
25.（2）寒冷地区冻融作用和土壤ph下降会使生物炭固定的重金属溶出。针对寒区的土壤类型、气候特征，本发明采用的改性生物炭—低温微生物菌复合材料性能稳定，能够很好的应对寒冷气候，减少重金属离子的溶出，有效改善土壤重金属污染。
26.（3）相比传统单一的修复方法，本发明采用的联合修复方法能更高效的修复污染土壤。生物炭官能团能与重金属离子相互作用来降低土壤毒性，定植在生物炭中的微生物可进一步降解吸附无机污染物，微生物菌和生物炭可以促进根系生长与活力，有利于植物对污染物的吸收。
27.（4）本发明依据污染物类型精心选择修复植被，并对植被进行合理搭配组合，充分发挥植被的修复机制，不仅满足土壤生态修复，有效地保持水土，也为实现物种多样性和多层次生态功能创造了可能性。
28.（5）喷播技术种植成本低，修复效果好，管理方便，社会接受度高，适宜在大面积的重金属污染土壤治理工程中广泛应用。
附图说明
29.图1为步骤s3-s5的结构示意图；图中，1-改性生物炭—低温微生物菌液—种植土混合物、2-营养层、3-种子层、4-灌木、5-草花。
实施方式
30.如图1所示，下面将阐述本发明的实施例，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.s1对张家口崇礼区重金属矿区的土壤进行修复，修复前首先选择晴朗无风的天气，利用dji matrice 600 pro，获取场地高光谱影像，同时在污染地段划分50*50m的样方进行土壤采样，采样深度为 0～20 cm 土壤表层。剔除土样中植物根茎残体及砖瓦片等侵入体，经室内进行自然风干、研磨并通过 1 mm 孔筛后，用便携式地物光谱仪采样分析土壤重金属成分及含量。利用gis软件对影像进行预处理，运用偏最小二乘回归法建立反演土壤重金属含量的高光谱估算模型，计算待测研究区的重金属含量以及分布情况。无人机飞行高度为100 m，高光谱影像空间分辨率为0.043m。
32.调查发现土壤中cd、pb和zn的平均含量显著高于土壤风险筛选值，分别达到pb265.74mg/kg，zn394.25mg/kg，cd184.36mg/kg，利用改性生物炭—低温微生物菌—团粒喷播技术联合修复重金属土壤，步骤如下：s2划分修复分区，依据综合污染指数法将污染程度分为轻度污染、重度污染和重度污染。所述综合污染指数法能够反映多种重金属对区域的污染程度，当综合污染指数1＜p≤2时，为轻度污染；2＜p≤3时，为中度污染；p＞3时，为重度污染。
33.s3土壤翻耕破碎，将粒径控制在5cm以下，然后将改性生物炭—谷氨酸棒杆菌混合材料均匀洒至土壤中，用旋耕机深耕混匀搅拌20-30cm。改性生物炭—谷氨酸棒杆菌混合材料用量为：轻度污染地区5t/hm2，中度污染地区10t/hm2，重度污染地区20t/hm2。对土壤进行洒水，使土壤含水量在最大田间持水量的65-75％。
34.所述改性生物炭—谷氨酸棒杆菌混合材料的粒径为30～100目；所述改性生物炭—谷氨酸棒杆菌混合材料制备方法如下：s31将玉米秸秆风干后去除杂物，经粉碎机打碎过2 mm筛后备用；s32将风干过筛的玉米秸秆放入坩埚，压实后放入马弗炉，在缺氧条件下以 10 ℃
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min-1的速率升至设定温度600℃后保持2h，自然冷却后取出；s33对生物炭浸泡后用水冲洗3～5遍，直到清洗水体中看不到明显的灰分为止，再用超声波清洗机清洗10分钟；清洗完之后的生物炭，用70℃烘箱烘干至恒重，得到生物炭；s34将得到的生物炭置于cacl2溶液中，搅拌均匀，浸渍24h后置于烘箱中烘干，得到固体混合物；所述cacl2溶液的浓度为0.25mol/l，生物炭与cacl2溶液的质量体积比为1g：25～30ml；s35将步骤s34得到的固体混合物置于20%的h2o2溶液中充分反应2h后抽滤，并与离子水进行多次洗涤，后置于70℃烘箱烘干，自然冷却后得到改性生物炭；所述改性生物炭与h2o2溶液的质量体积比为1g：10ml；
s36将步骤s35制备的改性生物炭材料与低温微生物菌液按照0.5～1g：50～100ml的质量体积比接种后，在35℃下于180r/min的摇床中震荡培养24h，即完成改性生物炭对微生物的固定；将所述的低温微生物菌液为谷氨酸棒杆菌液，将od
600
值为0.4，2
×
107cfu/ml,的细菌材料，按照2%的比例接入到1000ml液体培养基中，在10℃，160r/min条件下摇床培养48小时，获得菌株发酵液；所述液体培养基包括牛肉膏3g，蛋白胨5g，nacl5g，用去离子水定容至900ml，放入高压灭菌锅，于121℃灭菌25min，灭菌后待培养基恢复到室温时，加入100ml浓度为150g/l的尿素溶液，过0.45μm滤膜，用naoh溶液调节培养基的ph为7；s37将步骤s36的改性生物炭分离出来，即可得到改性生物炭—谷氨酸棒杆菌的复合材料。改性生物炭分离出来的方法为：将步骤6所得溶液静止放置，待生物炭沉淀后去除上清液即可。
35.s4将混匀的土壤进行覆塑料膜养护，静置7～10d，使混合材料与土壤充分反应。
36.s5喷播基材，在待修复区域喷播基层材料，分营养层、种子层两层喷播。营养层厚2cm，每100
㎡
材料用料如下：耕植土3m
³
，草炭土0.3m
³
，椰丝纤维0.3m
³
；稻纤维0.45m
³
；有机肥1.2m
³
，稻壳0.3m
³
，缓释肥12kg，保水剂0.3kg，粘合剂0.15kg，土壤调节剂0.15kg。种子层厚3cm，每100
㎡
材料用料如下：耕植土4m
³
，草炭土1.6m
³
，有机肥0.4m
³
，稻纤维1.2m
³
，稻壳0.8m
³
，速效肥24kg，保水剂0.8kg，粘合剂0.08kg，土壤调节剂0.04kg；缓释剂为高锰酸钾缓释剂；土壤调节剂包括以下重量份的海泡石粉40-50份、秸秆15-25份、生物菌剂2-5份、生物炭5-10份、氯元素2-5份、钾元素1-4份、铜元素0.3-0.7份和水35-50份；速效肥为磷酸二铵；有机肥为含有功能菌和有机质的生物有机肥。
37.缓释肥为重量比1:1的专用复合肥和过磷酸钙；专用复合肥为含有氮磷、钾养分的肥料，其中氮、磷、钾的重量比是12：9：9；保水剂为聚丙烯酰胺型保水剂，具有使用周期长，稳定性和耐盐性好的优点；粘合剂为聚丙烯酸酯；面层中种子为灌草混合种子，植物种类及质量配比为紫穗槐:紫花苜蓿:黑麦草:大花金鸡菊:油菜=3:2:3.5:1:2，种子用量为35g/
㎡
种子层。
38.s6修复效果监测：在原采样点采集土壤样品及植物样品，在实验室实测重金属含量，利用反演模型监测研究区域的土壤和植被重金属离子变化情况。
39.经过为期三年改性生物炭—低温微生物菌—团粒喷播的联合修复，有效降低了土壤有效态cd、pb、zn的含量，其中有效态cd含量降低为23%、68%、85%，有效态pb降低17.3%、27.8%和54.1%，有效态zn降低35%、59%和78%。此外，改性生物炭和低温微生物菌的使用，有效提高了喷播植被的成活率，促进了植物对重金属的富集，其中油麦菜的根、茎、叶对重金属cd的吸收量分别增加53.75%、180.24%和78.34%。