CN107900090B - 一种镉污染农田集成修复方法 - Google Patents

Abstract

一种镉污染农田集成修复方法，所述集成修复方法包括前端处理、过程控制过程与末端深化处理，所述前端处理为农田灌溉水净化处理，所述过程控制过程为农田土壤多效镉钝化处理，所述末端深化处理为农闲期在农田中种植植物进行植物修复处理。经过本发明的集成修复处理后，在不调整水稻种植结构的前提下，通过前端处理、过程控制过程、末端深化处理三个处理系统可实现水稻种植区土壤镉有效态含量降低25％以上，农产品(如稻米)的降镉率不低于50％。

Description

一种镉污染农田集成修复方法

技术领域

本发明属于农业污染控制领域，尤其涉及一种农田集成修复方法。

背景技术

2002年农业部对全国市场稻米安全抽检结果显示，稻米中超标最严重是铅超标率28.4％，其次是镉超标率10.3％。湖南是著名的有色金属之乡，从全国范围来看，湖南是重金属重点污染区。据郭朝晖等报道，湖南省因有色金属矿山开采被铅、镉、铜、砷、汞等重金属污染的土地面积达2.8万平方公里，占全省总面积的13％。随着本省工业和城市化的快速发展，加剧了省内土壤环境质量的进一步恶化，而湖南省又是我国水稻的主产区，对维持我国粮食安全生产和社会稳定起着至关重要的作用。据调查，省内多处临近采矿区和冶炼厂的稻田土壤遭到了来自镉、铅、铜、砷等重金属不同程度的污染，其中以镉污染最为严重。水稻是对镉有较强耐受性和富集能力的大宗类作物，即使中低浓度的镉也不会对水稻生长产生明显的毒害作用，但镉会富集到稻米中影响食品安全和人类健康。我国有超过65％的人口以大米为主食，而湖南作为“全国的鱼米之乡”，每年受污染的粮食数量也巨大，本区稻米安全生产的问题备受社会各界关注。

国内已经在重金属污染土壤修复方面开展了一系列的研究工作，主要包括化学淋洗法、植物修复法、钝化法等。化学淋洗法因其成本高、容易引发二次污染等，很难广泛应用。化学钝化技术是一种简单、廉价、见效快的修复方法，是重金属污染土壤修复中普遍采用的方法之一，其原理是向土壤中添加钝化剂来降低土壤中重金属有效性，减少植物对重金属的吸收和积累。有研究报道，石灰、磷灰石、沸石、铁锰氧化物、硅酸盐、海泡石、骨炭、堆肥、钢渣、蒙脱石、凹凸棒石和蛭石等可以有效地固化、稳定化土壤中的重金属，降低重金属的生物有效性。但采用单一化学钝化法成本会很高，想到达到很好的效果钝化剂的使用量会很多。植物修复技术也是目前国际上比较认同的廉价且环境友好型的生物修复技术，虽然植物修复所用时间较长，但因具有成本低、不破坏土壤生态环境、避免二次污染等优点，也被广泛应用。目前，用于植物修复的植物称之为超累积植物，现阶段已发现的超累积植物大概有500种，约占被子植物总数的0.2％。植物修复技术处理效果有限，无法从源头上彻底消除重金属污染物。

目前传统的农田修复技术比较单一，要么存在二次污染、成本较高，要么处理效果有限。且仅仅靠单一技术难以使稻米中镉达到食品污染物限值标准，难以保障粮食安全生产，开发出一种高效、绿色的集成修复技术具有广阔的市场应用前景。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高效、绿色的镉污染农田集成修复方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种镉污染农田集成修复方法，所述集成修复方法包括前端处理、过程控制过程与末端深化处理，所述前端处理为农田灌溉水净化处理，所述过程控制过程为农田土壤多效镉钝化处理，所述末端深化处理为农闲期在农田中种植植物进行植物修复处理。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述农田灌溉水净化处理包括采用生态拦截沟渠系统处理农田灌溉水和/或采用灌溉水净化装置处理农田灌溉水。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述采用生态拦截沟渠系统处理为将农田灌溉水的沟渠改造成生态拦截沟渠系统，所述生态拦截沟渠系统两侧沟壁上种植镉富集植物(如蒌蒿)，沟渠水面(如凤眼莲)与底面(如香蒲、菖蒲)上种植水净化植物。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述生态拦截沟渠系统中设有用于控制所述生态拦截沟渠系统中水位的拦截坝，所述拦截坝的中部与底部开设有排水孔，所述排水孔配有用于开启或关闭所述排水孔的孔塞。为避免生态拦截沟渠在枯水期干涸导致植物死亡，在沟渠内一定距离构建小拦截坝，拦截坝上设中位、底位两个排水孔，根据需要可将拦截段的水位分为排干、半满和溢流三种状态。

生态拦截沟渠是一种经人工干预的，生长有水生或湿生植物，以排水和灌溉为主要目的，兼具农田径流污染物截留和生物栖息、生态廊道等生态效益的沟渠湿地系统。在生态拦截沟渠两侧沟壁上种植镉富集植物蒌蒿，沟渠水面上种植对水质具有强效净化作用的凤眼莲，同时在沟渠底部间或种植香蒲、菖蒲等水生植物构建生态系统，净化水质的同时，还可改善沟渠景观环境。在对生态拦截沟渠的管理过程中，应适时对植物进行收割，以维持生态拦截沟渠对水体的持续净化作用，避免植物枯落物对水体产生二次污染，对收割的植物要进行妥善处理。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述灌溉水净化装置处理为在农田灌溉水的沟渠中设置灌溉水净化装置，所述灌溉水净化装置包括沿沟渠水流方向设置的灌溉水进水单元、灌溉水处理单元和灌溉水出水单元，各单元的两侧均与灌溉沟渠两侧固定；所述灌溉水进水单元包括竖向布置的进水板和水平布置的进水布水板，所述进水布水板设置在进水板的中下部、且与进水板连接位置的下方相通；所述灌溉水出水单元包括竖向布置的出水板和水平布置的出水布水板，所述出水布水板设置在出水板的中下部、且与出水板连接位置的下方相通；所述进水布水板与出水布水板位于进水板和出水板之间，且所述进水布水板和出水布水板之间设有隔板，所述灌溉水处理单元设置在隔板两侧、进水布水板和出水布水板上方。

上述灌溉水净化装置中，通过隔板使得灌溉水处理单元分左右两个处理区，镉污染灌溉水从进水板下部进水，即进水板截留水中的悬浮物或漂浮物，避免灌溉水中的树叶等杂质进入到灌溉水处理单元，保证了装置正常运行、延长了装置使用寿命；而后灌溉水由进水布水板向上进入灌溉水处理单元，灌溉水中的镉污染物与灌溉水处理单元填料中的活性反应介质(可为市场上能吸附镉的成熟的活性介质或者吸附材料之类的物质)产生沉淀、吸附等作用而被去除，然后，净化后的灌溉水经由出水布水板从底部排出集水再经出水板排出。较传统结构而言，本装置置于灌溉沟渠中，通过与沟渠的固定，可随用随安装，安装使用方便；本装置顺水流安装，无需对灌溉水进行抽提，结构简单，易于加工，造价低，运行费用低；本装置由底部进水，向上通过灌溉水处理单元，再向下通过灌溉水出水单元，过水路径长，处理效果好，灌溉水能达到《农田灌溉水质标准》中规定的镉小于0.01mg/L。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述隔板的高度大于灌溉水处理单元的高度、小于进水板和出水板的高度。上述设置能保证水呈“几”字方向流动，充分利用了空间，且其结构简单紧凑、设计巧妙。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述进水板下方开设有多个均匀间隔布置的进水口，所述出水板下方开设有多个均匀间隔布置的出水口，所述进水布水板和出水布水板设置在高于进水口和出水口的位置。将进水布水板和出水布水板设置在高于进水口和出水口的位置，能保证水的流向的一致性而不至于产生紊流。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述进水布水板上开设有多个均匀间隔布置的进水布水孔，所述出水布水板上开设有多个均匀间隔布置的出水布水孔。进水布水孔和出水布水孔的孔隙率均为30％，确保进出水的布水均匀。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述进水板、隔板和出水板的两端与灌溉沟渠两侧壁插接固定。安装时，预先在灌溉沟渠两侧壁设置卡槽，进水板、隔板和出水板的两端插入卡槽以实现固定。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述进水板和出水板顶部设有一块用于遮盖灌溉水处理单元顶部的盖板，所述盖板顶部设有提手。该盖板的设置一方面能避免人为的损坏灌溉水处理单元；另一方面能风雨带来的沉渣落入灌溉水处理单元，起到很好遮盖保护作用。提手的设置便于盖板的启闭，提高了使用的方便性。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述灌溉水进水单元的上游设有与灌溉沟渠两侧固定的格栅板。格栅板的设置相当于在上游进行了灌溉水的初滤，减小了后续部件的负荷。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述多效镉钝化处理为在农田土壤中添加镉钝化剂，所述镉钝化剂的pH值为9.5-12.0，所述镉钝化剂由以下质量分数的组分经研磨后混合而成：海泡石：20％-25％，赤泥：45％-50％，泥炭：28％-32％。采用多效镉钝化技术，在农田土壤中添加多效镉钝化剂，提高农田土壤的pH值，使农田土壤中的镉形成碳酸盐等难溶性化合物，以及通过粘土矿物的物理化学吸附、粘土矿物的层间结构离子的交换嵌合，来改变镉在农田土壤中的存在形式，将镉污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式，从而降低土壤中镉有效性，实现对镉污染稻田的原位钝化修复。多效镉钝化剂主要成分为氧化钙和氧化硅，所有材料均取自于天然粘土矿物、废渣及天然有机物，药剂本身不含重金属或含量很低，不存在二次污染的风险。药剂获得或制备成本较低，且含有农作物需要的必须元素如Mg、Si、K等，在修复农田土壤的同时还可改善土壤肥力。多效镉钝化处理的主要优点有：(1)调节酸性土壤的酸碱度；(2)成分接近原生态成土母质，是一种环境友好型材料；(3)含有农作物需要的必须元素如Mg、Si、K等，改善土壤肥力。

上述镉污染农田集成修复方法中，优选的，所述农闲期植物修复处理为在农闲期在农田土壤中种植宝山堇菜，农闲期结束后收割并处理；所述宝山堇菜的幼苗的获得方法包括以下步骤：选取野生宝山堇菜的叶片或叶柄为外植体，消毒后接种于添加的激素配比为0.5-1.0mg/L6-BA(细胞分裂素)和0.5-1.5mg/LNAA(生长素)、或0.5-1mg/LKT(激动素)和1-1.5mg/L2,4-D的MS诱导培养基上，诱导不定芽和愈伤组织生成，再经生根培养及炼苗、移栽，得到幼苗。繁育的幼苗在培养基上和土壤中均能完成生活史，移栽成活率大于80％，从接种到驯化，周期为2-3个月，繁殖系数高。收割的植物体集中收集，统一处理，不进入农田，防治二次污染。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明采用集成修复方法处理镉污染，前端处理为对存在重金属污染风险的农田灌溉水进行净化处理，一方面保证灌溉水源的清洁，另一方面，避免农田排水对周围环境和下游水体的污染。过程控制过程为多效镉钝化技术，通过在土壤中添加多效镉钝化剂，通过对重金属的吸附、沉淀(共沉淀)、络合作用来降低重金属在土壤中的迁移性和生物有效性。末端深化处理为植物修复技术，在农闲期(如冬歇期)内，通过实施农田镉植物修复技术使农田中镉的含量得到去除和控制，进一步降低农田土壤中镉的含量，最终达到减少镉在农作物中的富集量。经过本发明的集成修复处理后，在不调整水稻种植结构的前提下，通过前端处理、过程控制过程、末端深化处理三个处理系统可实现水稻种植区土壤镉有效态含量降低25％以上，农产品(如稻米)的降镉率不低于50％。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例中灌溉水净化装置的结构示意图。

图2是图1的A-A剖视结构示意图。

图3是图1的B-B剖视结构示意图。

图4是图1的C-C剖视结构示意图。

图5是实施例中进水布水板的结构示意图。

图6是图1的D-D剖视结构示意图。

图7是实施例中出水布水板的结构示意图。

图例说明：

1、灌溉水进水单元；11、进水板；111、进水口；12、进水布水板；121、进水布水孔；2、灌溉水处理单元；3、灌溉水出水单元；31、出水板；311、出水口；32、出水布水板；321、出水布水孔；4、隔板；5、盖板；51、提手；6、格栅板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例：

一种镉污染农田集成修复方法，该集成修复方法包括前端处理、过程控制过程与末端深化处理。其中，前端处理为农田灌溉水净化处理，过程控制过程为农田土壤多效镉钝化处理，末端深化处理为农闲期在农田中种植植物进行植物修复处理。具体分析如下：

1、前端处理：农田灌溉水净化处理

农田灌溉水净化处理包括采用生态拦截沟渠系统处理农田灌溉水和/或采用灌溉水净化装置处理农田灌溉水。其中，采用生态拦截沟渠系统处理为将农田灌溉水的沟渠改造成生态拦截沟渠系统，生态拦截沟渠系统两侧沟壁上种植镉富集植物蒌蒿，沟渠水面种植凤眼莲)，底面种植如香蒲、菖蒲等水净化植物。同时，为避免生态拦截沟渠在枯水期干涸导致植物死亡，在沟渠内一定距离构建小拦截坝，拦截坝上设中位、底位两个排水孔，根据需要可将拦截段的水位分为排干、半满和溢流三种状态。

生态拦截沟渠在净化水质的同时，还可改善沟渠景观环境。在对生态拦截沟渠的管理过程中，应适时对植物进行收割，以维持生态拦截沟渠对水体的持续净化作用，避免植物枯落物对水体产生二次污染，对收割的植物要进行妥善处理。

如图1-7所示，灌溉水净化装置包括沿灌溉沟渠水流方向并排设置的灌溉水进水单元1、灌溉水处理单元2和灌溉水出水单元3，各单元的两侧均与灌溉沟渠两侧固定。灌溉水进水单元1包括竖向布置的进水板11和水平布置的进水布水板12，进水布水板12设置在进水板11中下部、且与进水板11连接位置的下方相通。灌溉水出水单元3包括竖向布置的出水板31和水平布置的出水布水板32，出水布水板32设置在出水板31的中下部、且与出水板31连接位置的下方相通。进水布水板12与出水布水板32位于进水板11和出水板31之间，且进水布水板12和出水布水板32之间设有隔板4，灌溉水处理单元2设置在隔板4两侧、进水布水板12和出水布水板32上方。上述结构中，通过隔板4的设置使得灌溉水处理单元2分左右两个处理区，不会产生过多交叉。镉污染灌溉水从进水板11下部进水，即进水板11截留水中的悬浮物或漂浮物，避免灌溉水中的树叶等杂质进入到灌溉水处理单元2，保证了装置正常运行、延长了装置使用寿命；而后灌溉水由进水布水板12向上进入灌溉水处理单元2，灌溉水中的镉污染物与灌溉水处理单元2填料中的活性反应介质产生沉淀、吸附等作用而被去除，然后，净化后的灌溉水经由出水布水板32从底部排出集水再经出水板31排出。较传统结构而言，本装置置于灌溉沟渠中，通过与沟渠的固定，可随用随安装，安装使用方便；本装置顺水流安装，无需对灌溉水进行抽提，结构简单，易于加工，造价低，运行费用低；本装置由底部进水，向上通过灌溉水处理单元2，再向下通过灌溉水出水单元3，过水路径长，处理效果好。

上述灌溉水净化装置中，隔板4的高度大于灌溉水处理单元2的高度、小于进水板11和出水板31的高度。上述结构能保证水呈“几”字方向流动，充分利用了空间，其结构简单紧凑、设计巧妙。

上述灌溉水净化装置中，进进水板11下方开设有多个均匀间隔布置的进水口111，出水板31下方开设有多个均匀间隔布置的出水口311，进水布水板12和出水布水板32设置在高于进水口111和出水口311的位置。上述结构中，将进水布水板12和出水布水板32设置在高于进水口111和出水口311的位置，能保证水的流向的一致性而不至于产生紊流。

上述灌溉水净化装置中，进水布水板12上开设有多个均匀间隔布置的进水布水孔121，出水布水板32上开设有多个均匀间隔布置的出水布水孔321。上述结构中，进水布水孔121和出水布水孔321的孔隙率均为30％，确保进出水的布水均匀。

上述灌溉水净化装置中，进水板11、隔板4和出水板31的两端与灌溉沟渠两侧壁插接固定。安装时，预先在灌溉沟渠两侧壁设置卡槽，进水板11、隔板4和出水板31的两端插入卡槽以实现固定。

上述灌溉水净化装置中，进水板11和出水板31顶部设有一块用于遮盖灌溉水处理单元2顶部的盖板5，盖板5顶部设有提手51。该盖板5的设置一方面能避免人为的损坏灌溉水处理单元2；另一方面能风雨带来的沉渣落入灌溉水处理单元2，起到很好遮盖保护作用。提手51的设置便于盖板5的启闭，提高了使用的方便性。

上述灌溉水净化装置中，灌溉水进水单元1的上游设有与灌溉沟渠两侧固定的格栅板6。该格栅板6的设置相当于在上游进行了灌溉水的初滤，减小了后续部件的负荷。

2、过程控制过程：多效镉钝化处理

本实施例中，多效镉钝化处理为在农田土壤中添加镉钝化剂，所述镉钝化剂的pH值为9.5-12.0，由以下质量分数的组分经研磨后混合而成：海泡石：20％-25％，赤泥：45％-50％，泥炭：28％-32％。采用多效镉钝化技术，在农田土壤中添加多效镉钝化剂，提高农田土壤的pH值，使农田土壤中的镉形成碳酸盐等难溶性化合物，以及通过粘土矿物的物理化学吸附、粘土矿物的层间结构离子的交换嵌合，来改变镉在农田土壤中的存在形式，将镉污染物转化为不易溶解、迁移能力或毒性更小的形式，从而降低土壤中镉有效性，实现对镉污染稻田的原位钝化修复。

3、末端深化处理：植物修复处理

农闲期植物修复处理为在农闲期在农田土壤中种植宝山堇菜，农闲期结束后收割并处理；所述宝山堇菜的幼苗的获得方法包括以下步骤：选取野生宝山堇菜的叶片或叶柄为外植体，消毒后接种于添加的激素配比为0.5-1.0mg/L6-BA和0.5-1.5mg/LNAA、或0.5-1mg/LKT和1-1.5mg/L2,4-D的MS诱导培养基上，诱导不定芽和愈伤组织生成，再经生根培养及炼苗、移栽，得到幼苗。繁育的幼苗在培养基上和土壤中均能完成生活史，移栽成活率大于80％，从接种到驯化，周期为2-3个月，繁殖系数高。收割的植物体集中收集，统一处理，不进入农田，防治二次污染。

经过本实施例的集成修复处理后，在不调整水稻种植结构的前提下，通过前端处理、过程控制过程、末端深化处理三个处理系统可实现水稻种植区土壤镉有效态含量降低25％以上，农产品(如稻米)的降镉率不低于50％，使农田灌溉水满足《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)，使稻米中镉达到食品污染物限值标准，保障粮食安全生产。

Claims (7)

1.一种镉污染农田集成修复方法，其特征在于，所述集成修复方法包括前端处理、过程控制过程与末端深化处理，所述前端处理为农田灌溉水净化处理，所述过程控制过程为农田土壤多效镉钝化处理，所述末端深化处理为农闲期在农田中种植植物进行植物修复处理；

所述农田灌溉水净化处理包括采用灌溉水净化装置处理农田灌溉水；

所述灌溉水净化装置处理为在农田灌溉水的沟渠中设置灌溉水净化装置，所述灌溉水净化装置包括沿沟渠水流方向设置的灌溉水进水单元（1）、灌溉水处理单元（2）和灌溉水出水单元（3），各单元的两侧均与灌溉沟渠两侧固定；所述灌溉水进水单元（1）包括竖向布置的进水板（11）和水平布置的进水布水板（12），所述进水布水板（12）设置在进水板（11）的中下部、且与进水板（11）连接位置的下方相通；所述灌溉水出水单元（3）包括竖向布置的出水板（31）和水平布置的出水布水板（32），所述出水布水板（32）设置在出水板（31）的中下部、且与出水板（31）连接位置的下方相通；所述进水布水板（12）与出水布水板（32）位于进水板（11）和出水板（31）之间，且所述进水布水板（12）和出水布水板（32）之间设有隔板（4），所述灌溉水处理单元（2）设置在隔板（4）两侧、进水布水板（12）和出水布水板（32）上方；

所述进水板（11）下方开设有多个均匀间隔布置的进水口（111），所述出水板（31）下方开设有多个均匀间隔布置的出水口（311），所述进水布水板（12）和出水布水板（32）设置在高于进水口（111）和出水口（311）的位置；

所述进水板（11）、隔板（4）和出水板（31）的两端与灌溉沟渠两侧壁插接固定。

2.根据权利要求1所述的镉污染农田集成修复方法，其特征在于，所述农田灌溉水净化处理还包括采用生态拦截沟渠系统处理，该处理具体为：将农田灌溉水的沟渠改造成生态拦截沟渠系统，所述生态拦截沟渠系统两侧沟壁上种植镉富集植物，沟渠水面与底面上种植水净化植物。

3.根据权利要求2所述的镉污染农田集成修复方法，其特征在于，所述生态拦截沟渠系统中设有用于控制所述生态拦截沟渠系统中水位的拦截坝，所述拦截坝的中部与底部开设有排水孔，所述排水孔配有用于开启或关闭所述排水孔的孔塞。

4.根据权利要求1所述的镉污染农田集成修复方法，其特征在于，所述隔板（4）的高度大于灌溉水处理单元（2）的高度、小于进水板（11）和出水板（31）的高度。

5.根据权利要求1所述的镉污染农田集成修复方法，其特征在于，所述进水布水板（12）上开设有多个均匀间隔布置的进水布水孔（121），所述出水布水板（32）上开设有多个均匀间隔布置的出水布水孔（321）。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的镉污染农田集成修复方法，其特征在于，所述多效镉钝化处理为在农田土壤中添加镉钝化剂，所述镉钝化剂的pH值为9.5-12.0，所述镉钝化剂由以下质量分数的组分经研磨后混合而成：海泡石：20%-25%，赤泥：45%-50%，泥炭：28%-32%。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的镉污染农田集成修复方法，其特征在于，所述农闲期植物修复处理为在农闲期在农田土壤中种植宝山堇菜，农闲期结束后收割并处理；所述宝山堇菜的幼苗的获得方法包括以下步骤：选取野生宝山堇菜的叶片或叶柄为外植体，消毒后接种于添加的激素配比为0.5-1.0mg/L 6-BA和0.5-1.5mg/L NAA、或0.5-1mg/L KT和1-1.5mg/L 2,4-D的MS诱导培养基上，诱导不定芽和愈伤组织生成，再经生根培养及炼苗、移栽，得到幼苗。

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