申请日2013.09.09
公开(公告)日2014.06.11
IPC分类号C09K101/00; C09K17/40
摘要
本发明公开了一种重金属复合污染土壤的石灰干化污泥稳定剂，由以下重量份的成分组成：石灰干化污泥10份、硫酸亚铁2-3份。本发明还提供所述石灰干化污泥稳定剂的使用方法，具体步骤如下：1)将重金属复合污染土壤破碎后平铺于平地上;2)将石灰干化污泥稳定剂撒于重金属复合污染土壤上;3)第一次旋耕;4)干湿交替15天进行，第二次旋耕得到稳定化的土壤;5)按体积比掺入秸秆，第三次旋耕得到可耕作的修复后土壤。本发明还提供所述石灰干化污泥稳定剂及其使用方法在土壤重金属污染治理上的应用。本发明还提供所述石灰干化污泥稳定剂使用方法得到的修复后土壤在农作物种植中的应用。本方法处理后的土壤重金属稳定化效果明显。
权利要求书
1.一种重金属复合污染土壤的石灰干化污泥稳定剂，其特征在 于，由以下重量份的成分组成：石灰干化污泥10份、硫酸亚铁2-3 份;所述石灰干化污泥破碎至粒径≤2cm。
2.权利要求1所述重金属复合污染土壤的石灰干化污泥稳定剂， 其特征在于，由以下重量份的成分组成：石灰干化污泥10份、硫酸 亚铁3份。
3.权利要求1或2所述石灰干化污泥稳定剂的使用方法，具体 步骤如下：
1)将重金属复合污染土壤破碎后平铺于平地上;
2)将石灰干化污泥稳定剂撒于步骤1)所述重金属复合污染土 壤上;
3)在完成步骤2)的重金属复合污染土壤上进行第一次旋耕;
4)干湿交替处理15天，第二次旋耕，得到稳定化的土壤;
5)按稳定化的土壤：秸秆体积比为10:1掺入秸秆，第三次旋耕， 得到可耕作的修复后土壤。
4.根据权利要求3所述石灰干化污泥稳定剂的使用方法，其特 征在于，步骤1)金属复合污染土壤破碎的标准为土壤颗粒直径≤ 2cm，平铺厚度为25cm。
5.根据权利要求3所述石灰干化污泥稳定剂的使用方法，其特 征在于，步骤2)所述的石灰干化污泥稳定剂的使用量为：每100重 量份重金属复合污染土壤用石灰干化污泥稳定剂10-30重量份。
6.根据权利要求3所述石灰干化污泥稳定剂的使用方法，其特 征在于，所述旋耕深度为25cm，旋耕方式为呈螺旋状前进旋耕。
7.根据权利要求3所述石灰干化污泥稳定剂的使用方法，其特 征在于，步骤5)所述的秸秆为事先进行粉碎的秸秆，粉碎后的粒径 范围为1～3mm。
8.权利要求1或2所述石灰干化污泥稳定剂在修复重金属复合 污染土壤上的应用。
9.权利要求3-7任一项所述的石灰干化污泥稳定剂的使用方法 在重金属复合污染土壤治理上的应用。
10.权利要求3-7任一项所述的石灰干化污泥稳定剂的使用方法 得到的可耕作的修复后土壤在农作物种植中的应用。
说明书
重金属复合污染土壤的石灰干化污泥稳定剂及其使用方法
技术领域
本发明属于生态环境治理领域，特别涉及一种重金属复合污染土 壤的石灰干化污泥稳定剂及其使用方法。
背景技术
目前，重金属土壤污染的修复主要采用物理法、化学法和植物修 复法。无论是物理化学修复还是植物或微生物修复，可以从机理上概 括为2类：一是改变重金属在土壤中的存在形态，使其由活化态转变 为稳定态从而降低其在环境中的迁移性和生物可利用性;二是从土壤 中去除重金属，以使其存留浓度接近或达到背景值。常用的重金属污 染土壤修复技术主要包括挖掘、稳定/固化(S/S)、化学淋洗、气提、 热处理、生物修复等。根据场地修复技术年度报告(ASR)第12版， 1982-2005年间，美国超级基金共对977个场地进行修复或拟修复， 其中，有217个场地修复使用S/S技术。由于S/S技术具有快速、有 效、经济等特点，被广泛应用于各类危险废物的处理，目前已经从现 场测试阶段进入了商用阶段。
根据EPA的定义，稳定化是指从污染物的有效性出发，通过形 态转化，将污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式来实 现无害化，以降低其对生态系统的危害风险。就是向土壤中加入化学 药剂，改变土壤的物理、化学性质，通过pH控制技术、氧化还原电 势技术、沉淀技术、吸附技术、离子交换技术等改变重金属在土壤中 的赋存状态，从而降低其生物有效性和迁移性。目前，国内外重金属 稳定化研究中，稳定剂多选用无机物。常见的有石灰、粘土矿物、硫 化物和磷酸盐等。
李春萍等人在脱水污泥中添加石灰后，残渣态的Pb含量变化不 大，有机结合态的含量则略有增加;酸可提取态的Cd、Cu、Zn含量 均显著降低，而铁锰氧化态、有机结合态和残渣态的含量增加。陈世 宝等采用磷酸氢钙、磷矿粉及羟基磷灰石处理铅污染土壤。王碧玲等 用连续提取法研究了不同磷肥对铅锌矿污染土壤中铅化学形态的影 响、磷肥降低铅毒性的机理以及磷肥的有效使用条件。结果表明，3 种磷肥都具有显著降低铅的各种非残渣形态含量的作用。我国粘土矿 物具备资源种类丰富、分布广、储量太和价格低廉等优势，以及粘土 矿物特殊的晶体结构赋予其许多的优异特性，在影响土壤中重金属的 生物有效性方面，粘土矿物同土壤有机质作用相当。也有研究表明， 土壤中粘土矿物是吸附和固定重金属的重要组分。
有机质在土壤重金属稳定化中的主要作用有：(1)吸附作用，固 定土壤中的重金属离子;(2)改良作用，使重金属的生物有效性降低。 由于有机物质在稳定重金属的同时，对提高土壤肥力具有十分重要的 意义，而且取材方便、成本低廉，所以在重金属污染土壤改良中得到 了广泛的应用。作为有效的重金属稳定剂，有机物质可以通过形成金 属-有机复合物、增加土壤阳离子交换量、降低土壤中重金属水溶态 及可交换态的形态，从而降低重金属的生物有效性。较常用的有机物 稳定剂有有机堆肥、畜禽粪便、城市污泥等。另外，生物炭具有高比 表面积、孔隙率和离子交换能力，可以吸附重金属，其作为改良剂常 被用于重金属污染土壤的修复、改良和植被重建。
一些研究表明，堆肥等有机物不但可以显著降低污染土壤中的 As、Cd、Pb、Zn等重金属的生物有效性，降低植物的吸收，并可显 著促进植物生长。Brown等研究表明，使用堆肥、污泥等可显著降低 土壤中重金属可交换态的含量，并可在重金属污染严重的矿区生产出 符合安全标准的蔬菜。此外，Hashimoto等研究了畜禽粪便对Pb淋 溶性的影响，结果发现畜禽粪便能显著降低Pb水溶态及可交换态含 量，促使其向稳定的残留态转化，从而降低其迁移和生物可利用性。 张亚丽等通过向Cd污染土壤施加猪粪等有机物料，也得到类似结果。
另外，城市污泥中丰富的有机质对土壤的物理性质影响很大，如 减小容重、增加聚集作用、改善团粒结构、增加孔隙率、提高保水能 力和持水性等。土壤容重的减小可为植物根系的生长提供更好的环 境。污泥也可以显著增加栽培基质的保水能力，提高土壤持水量，改 善三相分布和紧实度。同时提高栽培基质的萎蔫点和植物的抗旱能 力。污泥中的氮源主要以有机氮的形式存在，以及高有机碳含量等这 些物质可以改良土壤、增加聚集作用，使土壤既具有一定的抗剪强度 和抗侵蚀性，有利于增强基质层的稳定性，也为植物生长提供了良好 的物理结构，从而有利于耕作，也可减少对土壤的侵蚀和土壤流失。 城市污泥中丰富的有机质和氮源对土壤肥效(城市污泥堆肥不仅可以 明显提高栽培基质的有效氮、磷含量)的增加、腐殖质的形成也有很 明显的效果。另外堆肥能够调节土壤C/N比，有利于有机质在陡峭 的石质土壤中的储存，限制了氮素的矿化，防止养分尤其是NO3-的 淋失，促进作物的生长且获得了较高产量。污泥的这些特性也成为用 于矿山废弃地复垦基质的前提条件。
但是，现有的重金属复合污染土壤原位修复技术中存在单一稳定 剂对于重金属的稳定化效果具有选择性的问题，急需解决。
随着我国城市污水处理率的不断提高，污水处理过程产生的污泥 量急剧增加。寻求合理的处理处置途径已然成为亟待解决的热点问 题。以北京市为例，2010年北京市污泥产量为3800t/d，预计2015 年污泥年产量将达到5000t/d。目前，只有不足50%的污泥进行了堆 肥和建材利用等处置和资源化利用，其余污泥进行简单临时堆置，缺 乏有效的最终出路。城市污泥富含有机质及氮、磷等养分，若处理和 利用得当，可提高修复土地的土壤肥力，改善土壤结构;而且城市污 泥的结构有利于优化土壤的团粒结构，增强其水稳定性，从而增强水 土保持能力;处理得当的污泥(例如石灰干化污泥和堆肥污泥)可以 有效控制重金属元素的浸出和极端pH条件所造成的环境污染和生态 破坏。另外，利用城市污泥人工配制的复垦基质可部分替代废弃矿山 生态客土，节约购买运输客土的经济成本;在环境效益方面，实现了 资源的循环利用。因此，城市污泥在矿山废弃地复垦基质的构造上应 用前景广阔。
发明内容
针对现有的重金属复合污染土壤原位修复技术中单一稳定剂对 于重金属的稳定化效果具有选择性的缺陷，本发明的目的在于提供一 种重金属复合污染土壤的石灰干化污泥稳定剂及其使用方法。
本发明提供的一种重金属复合污染土壤的石灰干化污泥稳定剂， 由以下重量份的成分组成：石灰干化污泥10份、硫酸亚铁2-3份; 优选石灰干化污泥10份、硫酸亚铁3份。所述石灰干化污泥破碎至 粒径≤2cm。
其中，所述的石灰干化污泥为污水处理厂二沉池污泥经石灰脱水 处理后得到的石灰干化污泥。
本发明提供所述石灰干化污泥稳定剂的使用方法，具体步骤如 下：
1)将重金属复合污染土壤破碎后平铺于平地上;
2)将石灰干化污泥稳定剂撒于步骤1)所述重金属复合污染土 壤上;
3)在完成步骤2)的重金属复合污染土壤上进行第一次旋耕;
4)干湿交替处理15天，第二次旋耕，得到稳定化的土壤;
5)按稳定化的土壤：秸秆体积比为10:1掺入秸秆，第三次旋耕， 得到可耕作的修复后土壤。
其中，所述的重金属复合污染土壤为铅锌矿区及其附近区域受重 金属复合污染的土壤。
其中，步骤1)金属复合污染土壤破碎的标准为土壤颗粒直径≤ 2cm，平铺厚度为25cm。
其中，步骤2)所述的石灰干化污泥稳定剂的使用量为：每100 重量份重金属复合污染土壤用石灰干化污泥稳定剂10-30重量份，优 选每100重量份重金属复合污染土壤用石灰干化污泥稳定剂20重量 份，具体视重金属的总量、形态分布及土壤的pH值而定。
其中，所述旋耕深度为25cm，旋耕方式为呈螺旋状前进旋耕。
其中，步骤4)所述干湿交替处理15天，为喷水一次使土壤层 湿润后晾晒5天，反复进行3次，共15天。
其中，步骤5)所述的秸秆为事先进行粉碎的秸秆，粉碎后的粒 径范围为1～3mm。
其中，步骤5)所述的秸秆为农作物秸秆，可为玉米秸秆、水稻 秸秆、小麦秸秆、大豆秸秆、高粱秸秆等中的一种或几种。
本发明还提供所述石灰干化污泥稳定剂在修复重金属复合污染 土壤上的应用。
本发明还提供所述石灰干化污泥稳定剂的使用方法在重金属复 合污染土壤治理上的应用。
本发明还提供所述石灰干化污泥稳定剂的使用方法得到的可耕 作的修复后土壤在农作物种植中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：
本发明以重金属复合污染土壤为处理对象，采用污水处理厂二沉 池污泥经石灰脱水处理后得到的石灰干化污泥和硫酸亚铁为重金属 复合稳定剂，以粉碎秸秆为质地改良剂，处理过的土壤重金属稳定效 果好，可浸出成分减少，难于作物吸收，同时物理性质改良明显，利 于作物生长，为重金属复合污染土壤的修复提供了方法，为修复后土 壤的资源化利用提供了一个具有优势的方向，同时也为我国重金属复 合污染土壤的治理和处置提供了一定的理论依据和参考。
发明人从重金属赋存形态和作物吸收的角度，通过重金属的浸出 试验(TCLP)和作物种植试验，证明了处理后土壤中的重金属有良 好的稳定效果，防止了污染土壤在利用中的二次污染问题，为修复土 壤的进一步利用打下了良好的基础。
经实际测试，本发明所述方法处理后的土壤，重金属Zn、Pb、 Cd和As的稳定化效果明显，种植的作物春小麦中的重金属含量显著 降低。