一种沼渣基土壤修复剂及其修复轻微镉污染土壤的方法

本发明属于土壤改良，具体涉及一种沼渣基土壤修复剂及其修复轻微镉污染土壤的方法。

背景技术：

0、技术背景

1、镉(cd)是农用田地土壤首要重金属污染物。农田土壤中，不同程度cd污染农田土壤占比高达65.71％，其中以中轻度污染为主。镉污染具有不可降解性、不可逆性和持久性等特点，高浓度的镉会严重破坏土壤的基本功能，加速土壤退化，影响农作物的品质和产量。相比之下，当土壤中镉浓度不高时，土壤污染更具有隐蔽性，因为在此类土壤中植株往往能正常的生长，但土壤中的cd却依然会在植株中富集。长期摄入受镉污染的食物会对人体健康造成严重的威胁，如引发骨质疏松、肾脏损伤和癌症。因此，轻微镉污染(<10mg/kg)土壤的安全风险和环境威胁也不容忽视，寻找适宜的修复方法来减少土壤cd污染是必要的。

2、当前，物理修复、生物修复、化学修复等修复技术被广泛应用于土壤cd污染治理。其中，化学修复技术是一种利用无机或有机钝化剂来减少或去除土壤重金属cd的方法，具有高效率、适用性广和操作简便等特点，应用最为广泛。通常来说，多数常见的碱性钝化物质(如石灰、沸石等)都属于无机钝化剂，其能够通过提高土壤ph、共沉淀作用、离子交换作用或吸附作用降低土壤中重金属的可迁移性和生物可利用性。然而，无机钝化剂的施用无法同时实现重金属cd的钝化和土壤增肥，甚至长期施用无机钝化剂还易造成土壤板结。有机钝化剂能克服上述困难。以生物炭为代表的有机钝化剂通常具有较高的孔隙率、较大的比表面积、较丰富的官能团以及更佳的环境友好性，主要通过沉淀、络合和吸附作用限制土壤中重金属的活性。但生物炭肥效低，无法同时实现重金属污染土壤修复和土壤增肥的双重目的。随后不少研究开始探索生物炭与有机废物(例如秸秆、有机堆肥、腐殖质、动物排泄物、污水污泥和生物固体等)的耦合使用，尤其以有机堆肥最为广泛。有机肥中的有机物质一方面可作为土壤生物的能量来源，另一方面也可作为调节土壤重金属活性的钝化材料，使腐殖化程度较高的有机物质和部分土壤微生物与重金属间通过一系列物理化学反应达到降低重金属毒性和生物可利用性的作用。然而，由于大多有机肥腐殖化程度、有机质和营养元素含量低，肥效不高，这使得其在与生物炭联用的过程中往往重金属钝化效果不佳或土壤改良性能有限，于是大量研究还将微生物菌剂或其他有机无机添加剂加入其中配合使用。但这种做法不仅增加了钝化剂的制备成本，同时也使得制备过程变得更为繁琐和复杂，甚至还可能因原材料使用不当或过量引入新的污染风险。

3、如现有技术中cn114854423a公开了一种土壤镉钝化剂及制备方法和应用，其以饼粕类有机肥、生物炭、海藻酸钠和复合微生物菌剂制备土壤镉钝化剂。虽然能降低土壤中有效镉含量，还能减少种植于改良后的土壤中的农作物镉累积，提高农作物的安全性。然而，额外添加海藻酸钠和复合微生物菌剂将大幅提高产品生产成本，降低了经济性和规模化应用潜力。此外，该专利配方复杂，制备工序繁琐，不利于规模化生产。

4、cn110724012a公开了一种用于修复南方碱性镉污染土壤的调理剂及其制备、使用方法，其以有机肥、凹凸棒、锰肥、锌肥、改性生物炭和微生物菌剂制备土壤修复调理剂，达到调节土壤ph值，改善土壤地力，钝化土壤重金属，抑制农作物对土壤重金属镉吸收、促进农作物生长、提高农作物产量、以及减少农药用量的目的。一方面，该发明配方复杂，进而导致钝化剂生产成本过高，产品规模化应用困难；另一方面，锰肥和锌肥的长期施用具有重金属锰和锌富集超标，造成土壤污染的风险。

5、cn113083884a公开了一种用稻秸沼渣基土壤修复剂修复重金属污染土壤的方法，其以稻秸沼渣基有机肥与微生物菌剂联合使用，能够有效地吸附固定重金属离子，降低重金属的迁移性和生物有效性。然而，该发明中制备沼渣基有机肥时，采用豆饼和尿素态氮源调节碳氮比，会增加额外的成本，且尿素是水溶性氮，此类钝化剂在环境中施用后，其中的氮素容易随着地表径流流失，不仅影响产品肥效，还容易造成地表地下水环境的富营养化，经济和环境效益均存疑。

6、可见，化学修复技术具有高效率、适用性广和操作简便等特点，应用最为广泛。早期以生物炭为典型代表的有机钝化剂存在肥效低，无法同时实现重金属污染土壤的修复和增肥等难题。因此，其通常与有机肥耦合使用，在保证其钝化能力的前提下又增强了土壤肥力。然而，由于传统堆肥产品有机质和营养元素含量低，肥效不高，这使得现有研究在追求更高钝化效果或土壤品质的过程中，往往需要将生物炭及有机肥与微生物菌剂或其他有机无机添加剂复配使用，这不仅增加了钝化剂的制备成本，同时也使得制备过程变得更为繁琐和复杂，并且钝化效果也并不理想。

7、鉴于此，探索更为经济高效且环境友好的原料组合与修复剂制备工艺，以更简单的配方实现更高效的重金属污染土壤的治理与改良是必要的。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种沼渣基土壤修复剂及其修复轻微镉污染土壤的方法，该沼渣基土壤修复剂用于轻微镉污染土壤修复时，能够促进污染土壤中重金属镉的钝化、改良土壤理化性质、促进作物生长，同时降低作物中的重金属含量。

2、本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

3、本发明提供了一种沼渣基土壤修复剂，所述沼渣基土壤修复剂由富腐殖酸沼渣肥和生物质废物基生物炭按照重量比为2.5-4：1的比例复配得到。

4、本发明还提供了一种富腐殖酸沼渣肥的制备方法，包括以下步骤：

5、(1.1)将沼渣与调理剂按质量比例6-9.5：1混合，得到混合料a；

6、(1.2)混合料a经高温预处理并降温后回喷沼液接种，得到含水率60-65％的混合料b；

7、(1.3)将混合料b经强制通风静态垛堆肥后即得富腐殖酸沼渣肥。

8、进一步的，在步骤(1.1)中，所述沼渣为包括秸秆、厨余、畜禽粪便在内的生物质废物厌氧消化系统的消化液经固液分离后获得的固态部分，所述调理剂为包括桦木屑、麦秸秆、枯叶、菌渣及酒糟在内的蓬松生物质废物，所述混合料a的堆积密度为500-600kg/m3。

9、进一步的，在步骤(1.2)中，所述经高温预处理并降温的具体参数为在75-85℃下高温预处理2-4h，再在0.5-0.75h内降温至45℃，所述沼液为包括秸秆、厨余、畜禽粪便在内的生物质废物厌氧消化系统的消化液经固液分离后获得的液态部分，所述混合料b的含水率为60-65％。

10、进一步的，在步骤(1.3)中，所述堆肥时间为15d，所述富腐殖酸沼渣肥的含水量为35％-45％。

11、本发明还提供了一种生物质废物基生物炭的制备方法，包括以下步骤：

12、(2.1)将生物质废物经除杂、干燥、粉碎后得到生物质废物原料；

13、(2.2)将生物质废物原料进行碳化处理即得生物质废物基生物炭。

14、进一步的，在步骤(2.1)中，所述干燥过程中的温度为100-110℃。

15、进一步的，在步骤(2.2)中，所述碳化处理具体操作为：以水蒸气为活化剂，以5-10℃/min的升温速率在n2氛围下加热到650-800℃，并在该温度下保持1.5-2h，冷却至室温后得到生物质废物基生物炭。

16、本发明还提供了一种修复轻微镉污染土壤的方法，所述方法包括以下步骤：

17、s1、对轻微镉污染土壤严格执行灌溉水质和化肥农药使用标准，切断污染源，防止含镉污染物再次进入土壤修复区域，并按常规农事操作在修复剂施加前进行地块的整理；

18、s2、根据田块面积准备所述的沼渣基土壤修复剂，施用量控制为耕层土壤质量的0.5％-5.5％，在耕作前的休耕期，将所述沼渣基土壤修复剂一次性均匀地撒施于污染土壤表面上：随后平整土地，用旋耕机旋耕，翻耕深度不低于8cm，不超过15cm，翻耕过程中使沼渣基土壤修复剂与污染土壤充分混合；

19、s3、沼渣基土壤修复剂与镉污染土壤混合均匀后，调节土壤含水率至20％-45％，保证微生物生长的适宜环境；待沼渣基土壤修复剂稳定至少14d后，浇水并播种，之后按常规技术进行田间管理：修复种植过程中定期取土样，成熟后收割作物，通过对设施大棚的作物种植情况进行监测来进行重金属修复效果的评估，据此确定下一轮修复时间和修复剂用量。

20、本发明还提供了一种沼渣基土壤修复剂在土壤修复中的应用。

21、本发明有益效果在于：

22、(1)高效：通过短期高温及快速降温预处理，促进了腐殖质前体物质的溶出，加快了后续堆肥的腐殖化过程，提高了沼渣肥产品的肥效和腐殖化程度，为土壤重金属的钝化提供了更多螯合基团，这些螯合基团能够通过螯合重金属降低其生物有效性；同时，采用生物质废物作为原料，通过水蒸气活化，在高温下制得的生物炭展现出卓越的吸附性能。该生物炭具有极高的比表面积，能够提供更多的吸附位点，供吸附反应发生。此外，其高吸附性能意味着生物炭能够有效地吸附并稳定土壤中的镉离子，从而降低镉在土壤中的迁移性和生物可利用性，减轻镉对土壤生态系统和农作物安全的威胁。基于此，沼渣肥复配生物炭制得的沼渣基土壤修复剂修复效率高、重金属污染土壤修复周期短，在休耕期施用，稳定14d后即可在修复期间进行农艺活动。

23、(2)经济：生物炭和沼渣肥的制备原料均来自于生物质固体废物或其厌氧消化后的副产物，没有成本，还可提升其资源化利用价值；且配方简单，无需额外的微生物菌剂或添加剂。

24、(3)环保：组分安全，原料均源自生物质废物，不含具有潜在风险的有害物质，更为绿色低碳，还可以实现以废制肥。

25、综上，本发明的沼渣基土壤修复剂以生物质废物厌氧消化沼渣为原料，经短期升温、降温热冷预处理后进行静态堆肥，再配以一定比例的生物炭即可制备得到，其配方简单，无额外使用添加剂，原料均来自生物质废物，绿色低碳，实现了变废为宝、以废制肥；此外，经过热冷预处理后的有机肥料腐殖化程度较高，且富含腐殖酸、有机质和营养元素，提升了重金属污染土壤钝化效果且提高了加富土壤的潜能。