水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法及装置，本发明专利技术耦合干湿交替水分管理、极性交换电场、柠檬酸协同电动修复、植物修复技术，所述方法包括以下步骤：采用柠檬酸溶液对田间土壤进行预酸化；在稻田土壤中竖直插入第一电极板和第二电极板，在两极电极板中间位置种植富集植物，并根据触发条件反复交换第一电极板和第二电极板的极性。所述装置包括太阳能供电系统、化学

【技术实现步骤摘要】
水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法及装置


[0001]本专利技术涉及一种修复土壤的方法及装置，尤其涉及一种水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法及装置。

技术介绍

[0002]土壤是人类赖以生存的重要资源，与粮食、资源和环境等问题息息相关。土壤既是农业活动的基础，也是人类活动产生的污染物的重要接收者。2014年《全国土壤污染调查公报》显示我国土壤环境状况不容乐观，其中耕地土壤环境质量堪忧，点位超标率可达19.4％。无机型污染物中，镉(Cd)污染物以7.0％的点位超标率位居第一，被认为是土壤主要污染元素；铬(Cr)以1.1％点的点位超标率位居第六。
[0003]水稻是我国的大宗粮食作物，全国超过65％的人口以大米为主食，且水稻具有较强的吸收Cd、Cr的能力。据统计，全国约5万吨大米受到Cd、Cr污染，市售大米重金属含量超标比例在2.2％
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10％左右。耕地土壤重金属污染以轻度、中度污染为主，稻田土壤重金属污染威胁人类健康，修复污染土壤和减少重金属在农产品中的累积是目前所面临的紧急任务。目前，适用于大面积稻田土壤重金属污染原位修复技术可分为三种：一是筛选低累积品种；二是降低土壤重金属生物有效性；三是通过植物修复、电动修复或土壤清洗来去除土壤中的重金属污染物。尽管前两种修复技术可以阻碍作物吸收重金属并降低其在食物链中的传递风险，但并没有达到去除土壤污染物的目的，酸雨等外部因素会降低土壤pH值，并活化土壤中的重金属污染物，土壤重金属的长期稳定性并不能得到保证。植物修复和电动修复能够将重金属污染物从土壤中转移，从而达到去除污染物、实现土壤净化的目的，是值得进一步探索和完善的土壤修复技术。
[0004]在发展节水农业的背景下，控制灌溉作为节水高效灌溉模式，成为水稻种植的必然选择。控制灌溉稻田干湿交替的水分特征可以满足电动修复对土壤水分的要求，但是针对稻田水分环境开展电动修复的相关研究较少。电动修复作为一种原位土壤清洁技术一直备受关注，其缺点之一是容易引起土壤pH值的变化，如果要实现现场大规模应用，必须采取措施，将电动修复对土壤理化性质造成的负面影响降到最低。极性交换电场通过不断交换阴极、阳极，可维持土壤pH值稳定，避免氢氧化物在阴极处沉淀而导致土壤堵塞，增加土壤电阻。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种实现了可交换态Cd/Cr的定向迁移和定向富集的水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法；本专利技术的另一目的是提供一种水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的装置。
[0006]技术方案：本专利技术的水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法，所述方法包括以下步骤：
[0007](1)采用柠檬酸溶液对田间土壤进行预酸化，之后采用水源进行灌溉，水稻全生育
期内保持干湿交替的土壤水分条件；
[0008]其中，在干湿交替条件下的稻田进行原位修复，在田间竖直插入电极板，而非使用循环液，利用水稻田间较高的土壤水分促进污染物迁移，具有降低成本、避免二次污染的优势。
[0009](2)在稻田土壤中竖直插入第一电极板和第二电极板，在第一电极板和第二电极板附近的土壤种植水稻，在两极电极板中间位置种植富集植物；具体的，采用水稻作物与富集植物间套作修复技术，水稻种植于第一电极板和第二电极板附近土壤，富集植物种植于两行水稻中间的重金属污染物富集区；
[0010]其中，在电极板附近种植水稻植株，可增加联合修复的可靠性。在电场作用下，由于土壤加热、电化学反应等造成靠近电极板区域的土壤有机碳组分的变化与流失，降低土壤微生物和水稻根系活性，从而阻止水稻根系吸收被活化的重金属离子。
[0011](3)电极板通电，并根据触发条件反复交换第一电极板和第二电极板的极性；触发条件为：监测第一电极板和第二电极板附近的土壤的pH值，分别记为第一pH值和第二pH值，当其中任一pH值变化显著时，交换第一电极板和第二电极板的极性；其中，采用极性交换电场解决土壤pH值极化问题，避免了阴极板沉淀和发生堵塞，延长了电极板的使用寿命；利用土壤pH值传感器控制极性交换时间；电极板通电过程中保持干湿交替的土壤水分条件，并利用较高的土壤含水率维持较高的土壤电流强度；
[0012](4)修复完成后，移走两极电极板间的富集植物。
[0013]上述方案中，利用土壤水分促迁移、柠檬酸协同电动力促解吸、极性交换控制迁移方向、富集植物提取修复联合，在田间原位修复下实现生产和修复统一；其中，向土壤中添加柠檬酸可以促使重金属离子溶解，采用极性交换电场避免土壤pH值极化，同时，利用较高的土壤含水率维持较高的土壤电流强度，促进有机结合态和残渣态Cd/Cr的解吸以及可交换态Cd/Cr的定向迁移和定向富集，采用水稻作物与富集植物间套作修复技术进一步吸收土壤中的污染物，实现去除污染物、净化土壤的目的。
[0014]作为上述方案的进一步改进，还包括步骤(5)，修复完成后，向田间施用生物炭，改善土壤酸碱度，固定被活化的重金属离子，并达到补充碳库的目的。在修复完成后，需向田间施用20t/hm2的生物炭。原因是在极性交换电场作用下，土壤pH值会略微降低；部分被活化的重金属仍留在土壤中；以及由于电化学反应过程(氧化还原反应、热效应等)，会带来土壤有机碳及其活性组分变化与流失的问题。因此需向田间施用生物炭，以提高土壤pH值、固定重金属、补充土壤碳库。
[0015]作为上述方案的进一步改进，步骤(1)中，预酸化的方法为：将柠檬酸溶液灌溉至饱和并稳定一段时间，以促进土壤重金属解吸。具体的，通电前利用0.1mol/L的柠檬酸溶液灌溉至饱和并稳定24h，柠檬酸为小分子有机酸，具有较高的缓冲能力、生物可降解、无毒无害、环境友好等优势，帮助重金属从土壤中解吸，且不会引起土壤pH值剧烈变化。
[0016]作为上述方案的进一步改进，步骤(1)中，干湿交替的土壤水分条件为：田间灌溉上限为土壤饱和含水率(不建立水层)，田间灌溉下限为土壤质量含水率达到0.35g/g。
[0017]优选的，步骤(2)中，第一电极板和第二电极板插入深度10cm的土层处，净化0
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10cm土层土壤，这与水稻根系生长规律相关，水稻是浅耕作层作物，80％以上的根系分布在0
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10cm土层，因此去除0
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10cm土层的重金属污染物，即可保证作物安全生产。
[0018]作为上述方案的进一步改进，步骤(3)中，任一pH值变化幅度超过0.4个单位则为变化显著。
[0019]作为上述方案的进一步改进，步骤(3)中，电极板在1.0
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2.0V/cm的电压梯度下通电。
[0020]另一方面，本专利技术提供一种利用上述的水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法的装置，所述装置包括
[0021]第一电极，用于插入待修复土壤；
[0022]第二电极，与第一电极电连，用于插入待修复土壤，并与第一电极间隔一定距离；
[0023]第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)采用柠檬酸溶液对田间土壤进行预酸化，之后采用水源进行灌溉，水稻全生育期内保持干湿交替的土壤水分条件；(2)在稻田土壤中竖直插入第一电极板和第二电极板，在第一电极板和第二电极板附近的土壤种植水稻，在两极电极板中间位置种植富集植物；(3)电极板通电，并根据触发条件反复交换第一电极板和第二电极板的极性；触发条件为：监测第一电极板和第二电极板附近的土壤的pH值，分别记为第一pH值和第二pH值，当其中任一pH值变化显著时，交换第一电极板和第二电极板的极性；(4)修复完成后，移走两极电极板间的富集植物。2.根据权利要求1所述的水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法，其特征在于，还包括步骤(5)，修复完成后，向田间施用生物炭，改善土壤酸碱度，固定被活化的重金属离子，并达到补充碳库的目的。3.根据权利要求1所述的水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法，其特征在于，步骤(1)中，预酸化的方法为：将柠檬酸溶液灌溉至饱和并稳定一段时间，以促进土壤重金属解吸。4.根据权利要求1所述的水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法，其特征在于，步骤(1)中，干湿交替的土壤水分条件为：田间灌溉上限为土壤饱和含水率，田间灌溉下限为土壤质量含水率达到0.35g/g。5.根据权利要求1所述的水稻种植过程中联合修复土壤镉/铬微污染的方法，其特征在于，步骤(2)中，第一电极板和第二电极板插入深度10cm的土层处，净化0
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10cm土层土壤。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：栾雅珺，徐俊增，王海渝，李亚威，陈跃，周靖，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：