一种电流下聚集重金属铜离子联合植物修复污染土壤中重金属铜的方法

摘要

本发明公开了一种电流下聚集重金属铜离子联合植物修复污染土壤中重金属铜的方法，属于重金属污染土壤治理领域。本发明方法包括以下步骤：采用稳压直流电源用导线将其阳极与石墨电极连接放置于重金属污染土体表层，阴极与碳纤维经编导电网连接，将碳纤维经编导电网埋置于土体下，后续移植或种植铜离子的富集植物，启动电源，持续通电至富集植物对重金属铜的吸收达到最高值或已成熟衰老时，将富集植物整株去除。本发明方法工艺简单、不会破坏土壤结构，不向土壤加入非农用化学物质，对环境更友好，价格低廉，修复成本较低，具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于重金属污染土壤治理领域，具体涉及一种电流下聚集重金属铜离子联合植物修复污染土壤中重金属铜的方法。

背景技术

近年来，随着工业企业的不断壮大，特别是电镀、化工、矿产等行业的快速发展，环境中重金属污染日益增加，土壤中含铜量已超过土壤背景值的几倍甚至几十倍，这已经远远超出土壤环境的承受能力。虽然铜是人体及植物必须的微量元素，但是过量的摄取会危及人类健康，当动物体内铜含量过高时，很容易对动物体的肝和胆造成危害。此器官出现问题时，动物体正常的代谢就会紊乱，进而导致动物体出现其他不良症状；铜污染主要集中在植物的根部，其直接导致植物根系生理作用紊乱，进而对植物产生毒害作用。重金属铜污染土壤不仅会对植物、动物和土壤中的微生物构成威胁，甚至对整个生态系统的稳定和人类的安全构成了一定的威胁。同时土壤重金属铜污染具有隐蔽性、不可逆性、长期性、累积性和难治理性的特点。当前经济快速发展下，土地资源日益紧张，土地污染问题也加剧了资源的过度消耗，这种现象如果长时间得不到制止和处理，就会影响经济的可持续发展，因此，土壤重金属铜污染的治理问题逐渐成为工程界的研究热点之一。

面对土壤重金属污染的严峻形势，迫切需要研发经济、绿色的修复方法。目前有物理修复、化学修复、生物修复等多种土壤重金属污染修复技术，其各自存在优缺点和一定的适用范围。生物修复是指利用某些特定的动物、植物和微生物降低土壤中重金属污染物而达到净化土壤的目的。生物修复包括土著动物修复、微生物修复和植物修复。其中，植物修复技术近年来备受人们的关注，被学术界称为“绿色修复”，对铜污染土壤的植物修复主要是对铜超积累植物的研究，从“超积累植物”概念提出以后，以鸭跖草为代表有关耐金属与超富集植物的研究逐渐增多。但是对于大面积污染土壤，植物根系相对仅能超量富集根际范围内且有效性较高的重金属，有很大的局限性，同时大面积的植物修复从种植到后期除草维护工作量较大，需要消耗大量的人力物力，且只能修复表层污染土壤，限制了植物修复的潜力发挥。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的问题，提供一种电流下聚集重金属铜离子联合植物修复污染土壤中重金属铜的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种电流下聚集重金属铜离子联合植物修复污染土壤中重金属铜的方法，包括以下步骤：

(1)用导线将稳压直流电源阳极与石墨电极连接放置于重金属污染土体表层，稳压直流电源阴极与碳纤维经编导电网连接。

(2)将碳纤维经编导电网埋置在重金属污染土体下，向重金属污染土壤中注水，提高土壤导电性以加速重金属铜离子的迁移速率。

(3)在重金属污染土壤区域移植或种植重金属铜离子的富集植物，启动稳压直流电源开关。

(4)持续通电至植物对重金属铜的吸收达到最高值或已成熟衰老时，将植物整株去除。

优选的，上述方法的步骤(1)中，稳压直流电源的电压为40～60V，电流为20～30A。

优选的，上述方法的步骤(2)中，碳纤维经编导电网的埋置为，在重金属污染土体下挖直径30～40cm、深30～40cm的圆坑，碳纤维经编导电网沿坑的内壁放置，放置完毕后回填土壤。

优选的，上述方法中，每150～200m

优选的，上述方法的步骤(3)中，重金属铜离子的富集植物移植或种植在装置点位半径3～5m附近。

优选的，上述方法的步骤(3)中，所述的重金属铜离子的富集植物为鸭跖草，鸭跖草的移植要选用长势良好，高度12～18cm的幼苗，后期生长过程中不定期除草、浇水、施肥。

上述方法工作状态下的结构示意图见图1。

本发明方法固化修复重金属铜的原理为：为改善植物修复中的一些弊端，通过施加电场增大铜离子在植物根部的迁移性和可利用性，提高植物根部对污染物的吸收和利用，把电极插入受污染土壤区域并通入直流电，发生土壤孔隙水和带电铜离子的迁移，土壤中的污染物质在外加电场作用下发生定向移动并在电极附近累积。通过施加电场引起对植物的变化，电场通过对重金属铜进行解吸和短距离运输来提高其生物有效性，进而促进植物对营养物质和污染物的吸收，提高金属从地下部分转移到地上部分的效率。

本发明方法也可用于修复污染土壤中的其他重金属，将所述方法中的铜离子的富集植物替换为其他重金属离子的富集植物即可实现修复污染土壤中的其他重金属。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)相比于传统的植物修复，用电场作用增大铜离子在植物根部聚集，对于大面积污染土壤的修复，工作量降低明显，不需要消耗大量的人力物力，仅需要在装置点位附近种植小面积植物即可完成修复，污染土壤的定位准确，不需大量开挖土壤。

(2)采用的植物为铜离子的富集植物鸭跖草，鸭跖草作为非食用性植物用于修复土壤有效避免了污染物再次进入食物链，最大限度的减少了治理土壤中可引起的二次污染。

(3)与前人研究成果相比，本方法采用电流聚集铜离子，操作简单，不需要复杂的设备，易于在野外大田中操作，容易应用推广。

(4)采用电流聚集铜离子结合植物修复去除率高，而且将重金属固定在土壤深层，比常规方法将重金属提出土壤明显降低成本。

(5)与物理修复技术相比，不容易导致土壤结构破坏、肥力下降和二次污染问题；与化学方法相比，不向土壤加入非农用化学物质，对环境更友好。

附图说明

图1是本发明方法工作状态下的结构示意图，图中，1-直流电源、2-石墨电极、3-碳纤维经编导电网、4-植物，箭头表示铜离子移动方向。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。

选取整块重金属铜污染土壤实验区域，取土壤下30cm处的土样进行毒性浸出，毒性浸出结果见表1中“未处理”所示。

实施例1：本实施例为与未处理下的土壤毒性浸出结果形成对比，采用电流聚集重金属铜离子，具体包括以下步骤：

(1)在重金属铜污染土壤实验区域选取装置点位，在装置点位下挖直径30cm、深40cm的圆坑。

(2)采用电压为60V、电流为20A的蓄电池，用导线将蓄电池阳极与石墨电极连接放置于重金属污染土体表层，蓄电池阴极与碳纤维经编导电网连接。

(3)将碳纤维经编导电网埋置在重金属污染土体下，沿圆坑的内壁放置，放置完毕后回填土壤。向重金属铜污染土壤实验区域的土壤中注水至饱和。

(4)启动蓄电池开关，持续时间为7天，随后移除该装置。

(5)选取装置点位下以及距装置点位每间隔3m土壤下30cm的土样进行毒性浸出。

采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T299-2007)对未处理过和用电流下聚集重金属铜离子污染土壤的分别进行毒性浸出，结果显示土壤中重金属铜离子在外加电场作用下明显定向移动并在电极附近累积，毒性浸出结果见表1中“未处理”和“实施例1”所示。

表1电流聚集重金属铜污染土壤处理前、处理后的浸出浓度(mg/L)

实施例2：本实施例采用电流下聚集重金属铜离子联合植物修复污染土壤中重金属铜的方法，具体包括以下步骤：

(1)在重金属铜污染土壤实验区域选取装置点位，在装置点位下挖直径30cm、深40cm的圆坑。

(2)采用电压为60V、电流为20A的蓄电池，用导线将蓄电池阳极与石墨电极连接放置于重金属污染土体表层，蓄电池阴极与碳纤维经编导电网连接。

(3)将碳纤维经编导电网埋置在重金属污染土体下，沿圆坑的内壁放置，放置完毕后回填土壤。向重金属铜污染土壤实验区域的土壤中注水至饱和。

(4)选用长势良好、高度12～18cm的幼株鸭跖草移植在之前装置点位半径3m附近处，后期生长过程中不定期除草、浇水、施肥，启动蓄电池开关。

(5)植物鸭跖草种植前和种植完成后7天、14天、28天、60天，取装置点位处土壤下30cm的土样进行毒性浸出。

采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T299-2007)对用电流聚集重金属铜离子联合植物修复污染土壤中重金属铜的方法处理过的土壤进行毒性浸出，毒性浸出结果表2中“实施例2”所示。

表2电流下聚集重金属铜离子联合植物修复处理后的浸出浓度(mg/L)

实施例3：为与在施加电场下植物吸收后的土壤毒性浸出结果形成对比，本实施例在铜离子聚集完成，撤除电场后采用单一植物修复的方法，具体包括以下步骤：

(1)在重金属铜污染土壤实验区域选取装置点位，在装置点位下挖直径30cm、深40cm的圆坑。

(2)采用电压为60V、电流为20A的蓄电池，用导线将蓄电池阳极与石墨电极连接放置于重金属污染土体表层，蓄电池阴极与碳纤维经编导电网连接。

(3)将碳纤维经编导电网埋置在重金属污染土体下，沿圆坑的内壁放置，放置完毕后回填土壤。向重金属铜污染土壤实验区域的土壤中注水至饱和，启动蓄电池开关，持续时间为7天，7天后，关闭电源，移除装置。

(4)选用长势良好、高度12～18cm的幼株鸭跖草移植在之前装置点位半径3m附近处，后期生长过程中不定期除草、浇水、施肥。

(5)植物鸭跖草种植前和种植完成后7天、14天、28天、60天，取装置点位处土壤下30cm的土样进行毒性浸出。

采用《固体废物浸出毒性浸出方法硫酸硝酸法》(HJ/T299-2007)对用电流聚集重金属铜离子联合植物修复污染土壤中重金属铜的方法处理过的土壤进行毒性浸出，毒性浸出结果表2中“实施例3”所示。通过表2结果可以看出，在持续电流下，植物修复铜离子的效率得到极大的提高。