硫素-二维电场-植物联合修复镉污染土壤的方法和结构与流程

本发明涉及土壤污染治理技术领域，特别是涉及重金属污染土壤的修复治理领域，更为具体的说是涉及硫素-二维电场-植物联合修复镉污染土壤的结构和方法。

背景技术：

随着工业化和城市化的加快，污水灌溉、涉重企业“三废”的大量排放、农药化肥的不合理使用等导致我国农田重金属污染问题日益严重。2014年环境保护部和国土资源部联合发布的《全国土壤污染状况调查公报》显示，我国耕地土壤点位超标率达19.4％。重金属等无机污染物超标点位占总超标点位的82.8％，其中以镉污染最为严重，样品点位超标率达到7％。每年生产的镉含量超标农产品已超过14.6亿kg，形式十分严峻。

镉是生物毒性最强的重金属元素之一，其生物有效高，在土壤中移动性强，极易被植物吸收而进入食物链，严重影响我国农作物及产品安全，进而威胁居民人体健康。因此，修复镉污染土壤对于保障作物安全生产和居民人体健康具有十分重要和迫切的现实意义。

植物修复技术作为一种新兴的绿色环保生物技术，与传统修复方法相比，具有成本低、效益高、环境友好，且可大面积进行原位修复等优点，逐渐引起社会广泛关注。其中，利用超积累(镉富集)植物进行植物提取的修复技术已逐渐成为修复重金属污染土壤的有效途径。但是大多数镉超富集植物根系较浅，生物量较小，仅能超量镉富集根际范围内且有效性较高的重金属，其修复效率受到土壤中重金属可及性和生物有效性的限制。

农艺措施、化学辅助以及生物强化技术等可增加超积累植物对土壤中重金属的吸收积累，提高植物提取效率。但是，在化学辅助方法中添加的络合剂如edta，会抑制植物的生长并导致重金属的淋溶风险。

目前，也有利用电动-植物联合修复的方法，在这一修复方法中电极的布置方式对于植物富集重金属镉具有重要的影响。目前研究较多的一维水平电场无法实现重金属在垂直方向上的迁移。垂直直流电场与络合剂联合使用，可有效控制络合诱导植物修复过程中的环境风险。然而，垂直电场在实际修复过程中需要挖掘土壤安装电极，存在实施难度大、修复成本高的问题。因此，无法经济、有效解决植物修复技术中存在的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是如何合理布设电场，从而不仅能够解决植物修复中存在的根系短、重金属可及性低、有效性低所产生的修复限制问题，而且更重要的是该方法要具有在实际应用中的可操作性。

为了解决这一技术问题，本发明首先公开了一种化学试剂结合二维电场及超富集植物联合修复镉污染土壤的结构，该结构以硫素作为化学修复剂，通过构建二维电场，结合镉超富集植物，实现对镉污染土壤的修复，所述二维电场由位于土壤表层水平位的阴极电极与位于较低水平位的阳极电极组成，所述阴极电极位于两个阳极电极连线的中点处，所述镉超富集植物种植在阳极电极与阴极电极水平间隔内，所述硫素施加在污染土壤的耕层中，所述阳极电极和阴极电极分别连接至供电系统。

同时，在本发明中，还优选所述阳极电极为石墨棒电极。

同时，在本发明中，进一步优选所述阴极电极为不锈钢网状电极。

作为一个优选的技术方案，本发明进一步公开所述石墨棒阳极电极垂直安装深度为土壤20-30cm，所述不锈钢网状阴极电极垂直安装于土壤表层。

优选的，不锈钢网状电极网孔直径为1-2cm。

更为优选的是，所述石墨棒电极的尺寸为d3cm×l30cm。

优选的，所述不锈钢网状电极长度以1m或者2m为单位，宽度为10-15cm。

作为一种优选，所述两阳极之间的间距为1-2m。

优选的，所述镉超富集植物为东南景天，伴矿景天，印度芥菜，宝山堇菜，天蓝遏蓝菜，三叶鬼针草，龙葵，球果蔊菜中的任意一种或者几种。

进一步优选的是，所述供电系统为太阳能供电系统。

同时，本发明还公开了一种化学-电场-植物联用修复镉污染土壤的方法，包括以下步骤：

s1：首先在被镉污染土壤中施加一定量的硫素，优选为硫粉，进一步优选的该硫粉的施加量为0.5g/kg-2g/kg；

s2：在田间布设二维电场：将阴极电极垂直插入土壤表层，并且将阳极电极垂直插入较深的土壤处，并且在水平方向上，所述阴极电极位于两个阳极电极连线的中点处；优选的，阳极电极选用石墨棒电极，进一步优选的，该石墨棒电极的尺寸为d3cm×l30cm，更为优选的是将该石墨棒电极垂直插入土壤中，安装深度为20-30cm，优选的，阴极电极选用不锈钢网状阴极，进一步优选的该不锈钢网状阴极宽度为10-15cm，网孔直径为1-2cm，长度为1m或者2m；

并且将阴极和阳极分别连接至供电系统中；优选的该供电系统为太阳能供电系统，进一步优选的，该太阳能供电系统由太阳能电池组件和太阳能控制器组成；

s3：将镉超富集植物种植在阳极电极与阴极电极之间，优选的所述镉超富集植物为东南景天，伴矿景天，印度芥菜，宝山堇菜，天蓝遏蓝菜，三叶鬼针草，龙葵，球果蔊菜中任意一种或者几种；

作为一种优选，每延米长度上平行布置三组阳极电极，作为另一优选，每延米长度上设置一组供电系统。

进一步优选的是，土壤含水量保持在60％-80％田间饱和持水量。

采用上述技术手段，可以实现非均匀二维电场的布置，从而实现土壤中镉定向迁移。一方面利用施加化学增强试剂硫素，降低土壤ph，促进重金属镉的形态转化，提高其生物有效性。另一方面利用二维电场促进有效态镉从土壤深处向植物根部迁移富集，同时抑制活化镉淋溶至深层土壤。最后利用种植在土壤中的超富集植物吸收富集有效态镉，同时利用中低强度电场可促进植物的生长，提高植物对土壤中重金属的提取效率，加快修复进程。

利用硫素对土壤中重金属的活化能力，以及二维电场对重金属的定向迁移能力，能有效提高超富集植物对土壤中重金属的提取效率，同时降低化学诱导过程中重金属的淋溶风险。

本发明具有如下优点：(1)利用化学增强试剂硫素提高土壤中镉的生物可利用性；(2)利用二维电场促进深层土壤中镉向植物根系迁移，同时降低化学诱导过程中重金属向下的淋溶风险；(3)实现浅根系镉超富集植物对深层污染土壤重金属的修复。

附图说明

图1是二维电场联合超富集植物修复镉污染土壤的包含土壤纵向截面的示意图。

图2是二维电场联合超富集植物修复镉污染土壤的俯视图。

图1和图2中1-镉污染土壤；2-镉超富集植物；3-阳极；4-阴极；5-太阳能控制器；6-太阳能电池组件。

图3是硫素-二维电场-伴矿景天联合修复后土壤各层镉的分布结果示意图，其中每组柱状图形横坐标由左至右分别为表层、中层、下层。

图4是硫素-二维电场-伴矿景天联合修复后伴矿景天对镉的吸收结果示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面我们结合具体的实施例对本发明进行进一步的阐述。

实施例1

镉污染土壤1取自张家港市某污染农田，土壤ph7.5，土壤中镉浓度为25mg/kg。

向镉污染土壤1中加入硫粉(2g/kg)，搅拌均匀后装入已经装有污染土壤的方形花盆(长×宽×高25cm×25cm×20cm)中，从而模拟实际应用中的耕层施加硫粉的状态。安装电极，包括石墨阳极3(长25cm，直径0.6cm)、不锈钢网状阴极4(20cm×10cm，网格间距1.0cm)和直流电源，在本实施例中优选的使用包括太阳能电池组件6和太阳能控制器7的太阳能供电。

柱状石墨阳极3(两个)垂直分布在花盆的两端，不锈钢网阴极4垂直放置两阳极中间位置并靠近土壤表面，其结构参考图1和图2。

镉超富集植物2(伴矿景天)经人工培育后，选取大小均匀、长约5cm的植株为供试材料，取相同数量(12株)扦插于污染土壤中，待育根完成后(约15天)进行通电处理。电场强度梯度分别设置为5v，10v和15v，同时设置不加电场的对照处理(安装电极但不通电)。试验周期为30天，每天通电8小时。试验中每隔一天加入去离子水保持土壤含水率为田间持水量的70％。

试验结束后将土壤从上向下分为三层，测定每层土壤镉含量，同时测定伴矿景天对镉的吸收量，结果如图3和图4所示。由图3可知，施加电压越高，镉从底层向表层的迁移越明显，其中施加电压为10v时伴矿景天对土壤中镉的吸收量最大，为不加电场对照的5倍，同时控制了镉向下的淋溶风险。

以上所述是本发明的具体实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。