（环境工程专业论文）矿化垃圾园林绿化利用技术研究.pdf

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2 m 以下的深层土被用得最多。深层土在外形上具备土 壤的形状，但是由于没有生物的活动，有机质含量小于1 0g k g ，p h 值为碱性或 强碱性，有效养分含量非常低。；，虽然用来种植植物后，土壤质量有所改善，但 完全不能满足植物生长的需要。随着人口不断增长，土地耕作强度加大，造成土 第1 章引言 壤质量每况愈下。缺少微生物的活动，有机质含量小于l og ，l ( g ，p h 值为碱性或 强碱性，有效养分含量非常低，不能完伞满足植物生长的需要。大量的人为建设 工程造成城市土壤的严重恶化趋势，城市土壤具有表1 1 所示的特点。 表1 1 城市土壤特点以及危害 城市土壤特点原因危害 土壤板结严土体在机械和人为外力挤压作用下， 破坏土壤中通透性良好的 重、结构较差致使土壤密度高，破坏了通透性良好团粒结构，降低土壤持水 的团粒结构通气等理化性能差 层次不明显，翻土或挖土、填土等基础建设工程使导致缺乏供应植物生长的 腐殖质层浅薄土壤表层破坏严重厚土壤表层或腐殖质层， 其它层次紊乱，从而造成 土体构造层次无规律、腐 殖质层浅薄 土壤杂物多建筑活动产生了大量的建筑垃圾，相影响到土壤结构、质地、 当一部份侵入土壤各层中 孔隙度以及士壤水、气、 热、养分的分布状况 土壤微生物由于七壤结构、层次变化，加上日常影响到土壤有机质的分解 活性差管理中长期使用化肥，喷洒农药，减及其它化学性能 少了土壤好气性细菌及微生物的活动 有机质含量城市绿地中的动物残体、凋落物、自城市土壤养分收支失去平 低、土壤贫瘠然枯枝落叶及修剪枝叶皆被清除，大衡，土壤愈加贫瘠，植物 量土壤的有机质主要来源生长不良 上海城市的土壤一般p h 值偏高，有机质含最低，质地粘重、通气性差，较 差的土壤质量一直是限制上海绿化建设发展的关键因素之一。 另一方面，上海老港填埋场符合开采年限的矿化垃圾也逐渐增多，矿化垃圾 中含有丰富的有机质和植物生长所需要的氮，磷，钾等营养物质，矿化垃圾的这 些特性正好与本地绿化土特性互补，因而可以考虑用矿化垃圾和本地绿化土按照 一定的比例混配，使得混配的土壤质量能够满足植物生长的需要，这样既可以缓 解上海城市要建设国家园林生态城市所面临的绿化土严重不足的现状，也为矿化 垃圾找到一条切实可行而又经济的资源化利用方法。 1 1 3 矿化垃圾的特性 填埋场封场数年后( 在南方地区至少在8 - 1 0 年以上，北方地区1 0 一1 5 年以上) ， 垃圾中易降解物质将完全或接近完全降解，填埋场表面沉降量非常小( 小于1 - 5 第1 章引言 m m 年) ，垃圾自然产生的渗滤液和气体量极少或不产生，垃圾中可生物降解的 物质( b d m ) 含量下降到3 以下，渗滤液c o d 浓度下降到2 5 5 0m g l 以下，此 时的垃圾填埋场可以认为达到稳定化状态，其垃圾称之为矿化垃圾“。l 。 矿化垃圾n ，p ，k 含量较高，有机质含量是绿化土的1 0 2 0 倍左右，其在 理化性质和生物学性质方面都有无法比拟的优势。作为园林种植介质，矿化垃圾 可以和土壤混合使用，以改善土壤的理化性质。在某些情况下，可能需要单独作 为种植介质，矿化垃圾优越的酸碱度，吸附能力，有机质，营养元素含量，容重 和紧实度1 , 1 2 1 使其能够胜与本地土壤形成良好的互补，改善种植基质的营养水 平，有效地促进植物的生长。 1 2 课题来源 本课题来源于上海城市有机废弃物土地循环利用技术的示范研究 ( z x 0 5 0 2 0 5 ) 子课题之三。上海市不断产生的矿化垃圾出路问题成为人们关注 的焦点，另外上海要建设国际性大都市，园林绿化是必不可少的，但是上海城市 的绿化土质量较差，不能满足园林绿化种植土的要求。矿化垃圾与上海本地绿化 土的良好互补，可解决城市绿化问题。 1 3 课题研究意义 矿化垃圾的开采和资源化不仅可以回收可资源化组分，还可以腾出填埋空间 再次填埋新鲜生活垃圾，从而实现填埋场库容的动态循环使用，延长填埋场的使 用年限。因此，近年来矿化垃圾的开采和资源化受到越来越多的重视，已经成为 欧盟和日本等国家的重要研究与实践领域。我国有些填埋场已使用多年，当中的 一部分垃圾已成为矿化垃圾，完全可开采利用。针对上海老港填埋场的矿化垃圾 资源化研究表明，每开采1 0 0 0 0 吨矿化垃圾，所腾出的空间可以回填7 0 0 0 8 0 0 0 吨新鲜的生活垃圾”：。矿化垃圾的开采和新生活垃圾的回填，可以尽可能延长 填埋场的使用寿命，无论对节约土地资源和建设填埋场的庞大投资，还是解决上 海市生活垃圾出路问题，均有重大意义。 为了延长填埋场的使用寿命，对矿化垃圾进行开采和资源化利用是实现可持 第1 章引言 续填埋的最佳途径。矿化垃圾作为填埋场稳定化进程的主要产物，蕴含着大量易 被综合利用的资源，因此，对其有计划的合理开采，既符合自然界物质和能量循 环的基本规律、可从中回收有用物料( 循环物料、覆盖材料、可燃垃圾、建筑材 料、生物填料、绿化用土等) ”“，又是一种比较新颖的增加现有填埋场库容、延 长其使用年限的有效方法。上海老港填埋场有许多填埋单元接近开采年限，开采 其中的矿化垃圾，加以资源化利用是上海城市实施循环经济的一个重要方面，同 时也符合可持续发展的宏观战略。 矿化垃圾应用在园林绿化上的应用不进入食物链，降低了土地利用风险，而 且在城市绿地中应用又减少运输费用，节约肥料，实现了城市废弃物的循环利用， 同时节约了填埋场地和填埋费用又为填埋场地的复用打好基础，所以矿化垃圾的 园林利用是比较理想的资源化途径。矿化垃圾含有丰富的n ，p 和有机质等植物 生长所需要的营养成分，与上海城市的绿化土混配，可以明显改善上海城市绿化 土的理化性质，提高绿化植物种植介质的质量，添加合适比例的矿化垃圾能够更 好地满足植物生长的要求。因此矿化垃圾的园林资源化利用一方面可以解决部分 矿化垃圾的处置问题，另一方面可以利用矿化垃圾有利的理化性质改善本地绿化 土贫瘠的现状。因此，有必要进行矿化垃圾在园林绿化利用中的有关研究。 1 4 课题研究内容和技术路线 1 4 1 课题研究内容 本课题选取上海老港填埋场埋龄为8 年的矿化垃圾和上海程桥污水处理厂 的干化造粒污泥为研究对象，各项指标都在土地利用的控制标准以下。矿化垃圾 和上海城市绿化土按照不同比例混配研究混配土壤的理化性质，并进行了不同 污泥比例的混配土壤的盆栽实验研究。具体研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 矿化垃圾园林利用的风险评价，进行矿化垃圾重金属淋溶和植物种子发 芽实验；利用污染综合指数法分析矿化垃圾中重金属对地下水影响。 ( 2 ) 矿化垃圾混配介质的盆栽种植研究，包括矿化垃圾污泥土壤的三重混配 介质以及矿化垃圾土壤的双重混配介质的盆栽实验；按照不同矿化垃圾比例进 行混配介质盆栽实验；测定盆栽实验后矿化垃圾混配介质的理化性质和植物样品 的理化性质。分析矿化垃圾的施加对植物的影响。 4 第1 章引言 ( 3 ) 上海老港填埋场当地开展植物生长适应性调查，以了解适应矿化垃圾以 及填埋场环境的植物种类以及其生长情况； ( 4 1 设计并完成矿化垃圾防渗绿化示范基地的施工方案和建设 1 4 2 技术路线图 本课题的实验研究按照技术路线如下： 图1 1技术路线图 矿化垃圾，干化造粒污泥，绿化土 基本理化性质分析li 模拟土柱实验ll 植物发芽实验研究 矿化垃圾理化性质| | 矿化垃圾混配介质的| i 矿化垃圾生 和特性优势分析i l 重金属淋溶特性研究| | 态毒性研究 混配介质的地下 水污染风险分析 矿化垃圾混配介质盆栽实验 双重混配介质ll 三重混配介质 植物重要理 化性质分析 植物体内营养 元素吸收分析 植物体内重金 属累积分析 最优化的矿化垃圾施用配比 2 0 0 m 2 矿化垃圾现场防渗示范基地的中试试验设计方案 第2 章矿化垃圾资源化利用研究进展 第2 章矿化垃圾资源化利用研究进展 2 1 矿化垃圾再生利用研究进展 上海老港填埋场填埋龄为7 至1 0 年的矿化垃圾开采后，组分如表2 1 所示， 能从中回收大量有用物资。 表2 - 1矿化垃圾的成分组分 矿化垃圾中粗料密度大、强度赢，可用于填埋场内部道路的修筑和外围造地， 以节省建材费用。每开采1 0 0 t ) t 矿化垃圾可筛分出约3 0 0t 粗大物料，能造地约 3 0 6m 3 。矿化垃圾中的废旧塑料、玻璃、金属、纤维、陶瓷、橡胶、木料等，经 预处理后可用作工业原料或燃料，以节省资源和能源，而矿化垃圾细料往往可占 到总量的4 0 7 0 ，其用途更为广泛，在园林绿化中利用的就是矿化垃圾的细料。 1 ) 作填埋场口覆盖材料 c l a i r e ”。在将陈垃圾用作日覆盖材料防治恶臭的研究中发现，除臭速率随垃 圾堆积密度的提高而增加，在堆积密度为5 9 0k g m 3 和7 4 0k g m 3 时，恶臭的去 除率分别为6 9 0 和9 7 ；张华发现矿化垃圾床层可有效处理n o x 气体，其硝化 能力可达0 8 3g n ( k g 干矿化垃圾蛹，在n o x 气体浓度为0 6 0 0m g m 3 时，当 水力停留时间为1 5m i n 和1 5m i n 时，n o x 的平均去除率可分别达到7 6 7 和 9 1 0 r 目前，国内大多数填埋场都存在覆土难取、外购成本高、周边农田土壤资源 浪费严重等问题。据估计，垃圾日处理量1 0 0 0 吨的填埋场，日覆土需用量约为 5 0 m 3 ，若外购土以3 0t h m 3 计算，则日覆土费用约为1 5 0 0 元、年覆土费用约为 5 0 万元，而若就地取材，开采利用填埋多年的矿化垃圾细料代替土壤作日覆盖 材料，可节约相当可观的费用”7 。同时由于其疏松多孔、吸附能力强，还能脱 除新鲜垃圾产生的恶臭，明显改善填埋操作的环境卫生效果。 2 ) 加工成建筑材料 上海老港填埋场建立的垃圾制砖生产线，用矿化垃圾中的煤灰、地灰、砖头、 6 第2 章矿化垃圾资源化利用研究进展 瓦石等经粉碎后与辅料混合，压制成路面砖。产品无毒、无味、无菌，表面光洁， 耐腐蚀，耐磨，风化程度极低，抗压强度筮5m p a ，抗折强度2 3 5m p a ，吸水率 为9 ，低温时强度损失5 2 5 。其性能质量达到j c 4 4 6 9 1 标准一等品要求，而 造价仅是水泥路面砖的7 0 l 婚 。 矿化垃圾中的煤渣和碎石经粉碎后可与4 2 5 号水泥、黄沙掺合后制作大型砖 块，用作建筑材料。用矿化垃圾代替泥土作制砖原料，操作方便、工艺成本低， 有利于保护耕地，减少泥土使用量。长春、哈尔滨等地用陈腐垃圾代替粘土煅烧 水泥熟料也有成功应用”9 】。 3 ) 作生物反应床的填料 赵由才课题组在矿化垃圾用作生物填料方面开展了卓有成效的研究工作，开 仓性地构建了各种“矿化垃圾生物反应床”i ：2 。l ，在填埋场渗滤液、城市生活污 水【2 1 】、禽畜废水| 2 2 l 、焦化废水1 1 3 i 、含酚废水川、印染废水等多种废水和有机废 气的净化处理上，取得了突破性进展。 2 2 新鲜生活垃圾和生活垃圾堆肥的园林资源化利用研究进展 把城市生活垃圾作为有机肥料用于城市园林绿她的建设，实现城市废物循环 利用，不仅是有效的处置途径，而且是城市绿化的需求，其用途主要包括市政绿 化( 林地、草地) 、花卉及育苗基质，甚至市郊果园、菜地等等。在城市园林绿化 电中，施用污泥和垃圾堆肥，绿化效果相当显著，与施用化肥或其它商品有机肥相 比，效果相当甚至更好。 矿化垃圾是一种含有丰富有机质和多种植物营养元素的腐殖土，可用于终场 。绿化，也可根据市场需求，用于防护林、植物园、公共绿地，或施用于观赏花卉、 二草皮、经济林木等。目前，上海市区的绿化用土已引入一些堆场筛分后的矿化垃 圾细料，种植植物后基本上无须再另行施肥，效果良好。 2 2 1 园林利用的实验方法 在填理场垃圾园林种植实验方面，国内外已经有许多学者和工程人员作了积 极的尝试。填埋场垃圾种植实验的方法主要有两种，盆栽实验法和现场实验法 2 6 1 0 所谓盆栽实验法是指将种植介质按照实验方案的配比放入指定花盆中，挑 7 第2 章矿化垃圾资源化利用研究进展 选不同类别的植物，在上苗之后移入花盆中进行种植。田问实验法是指将指定地 域划分成若干块，按照不同介质配比种植不同类型的植物，进行对比和分析。高 英吉等用盆栽法研究了垃圾土种植不同植物的效果及其生态毒性! ”。华东师范 大学在上海老港填埋场以现场实验法利用矿化垃圾进行花卉苗木的种植。同济大 学采用现场实验法对矿化垃圾的植物生长效应进行测试试验现场大小为1 0 m x l 0m ，共设置了1 2 个小型种植单元，分别根据所用土壤( 包括矿化垃圾) 类 型的不同，进行了编号。每一个小单元的大小为1 5r e x 4 5m ，所加垃圾厚度为 3 0c m 。 2 2 2 新鲜生活垃圾和生活垃圾堆肥园林利用的配比方案 在重新利用新鲜生活垃圾和生活垃圾堆肥，要考虑其在种植介质中的比例， 以及与其混合的其他介质成分。合适的混合配比可以使矿化垃圾的营养成分被植 物得以充分利用，同时也可以避免矿化垃圾对植物造成的毒害。矿化垃圾在种植 介质中可分为低配比，中配比和高配比。 邵海林利用低配比方案和中配比方案研究了卫生填埋场中半腐熟的生活垃 圾对植物和土壤的效应| 2 引，将矿化垃圾与土壤混合，设对照、化肥1 ( 尿素0 5 9 k g 土，磷酸二氢钾1 2 5g k g 土) 、化肥2 ( 尿素1 5g k g 土，磷酸二氢钾3 7 5g k g 土) 、 1 垃圾、3 垃圾、共5 个处理，重复三次。中配比方案设对照、化肥l ( 尿素o 5 9 k g 土，磷酸二氢钾1 2 5g k g 土) 、化肥2 ( 尿素1 5g k g 土，磷酸二氢钾3 7 5 9 k g 土1 、8 垃圾、1 0 垃圾。 p e t e rh i c k l e t o n 等人将矿化垃圾与泥炭混合，采用高配比方案，矿化垃圾的 配比分为2 5 ，5 0 ，7 5 ，1 0 0 研究对灌木，花卉等影响”1 。 2 2 3 新鲜生活垃圾和生活垃圾堆肥对植物的影响 新鲜生活垃圾和生活垃圾堆肥对植物的影响可以分为三个方面，一是对植物 生长以及形态方面的影响，二是对植物生理活动的影响，三是对植物组织内有害 元素的积累效应。 由于新鲜生活垃圾和生活垃圾堆肥营养元素含量丰富，对植物形态方面有积 极作用l i 。可使植物生长形态参数，如植物鲜重，干重，叶片宽度，叶片数， 植物株高明显高于空自对照。卜玉山等人在研究垃圾堆肥对油菜和甘蓝的鲜重、 干重和叶绿素含量影响的实验中发现加入垃圾堆肥的处理组与空白组差异显著， 第2 章矿化垃圾资源化利用研究进展 施用垃圾堆肥处理的油菜鲜重、干重和叶绿素含量都显著高于对照及化肥处理。 随着垃圾用量的增加，油菜的干重、鲜重也明显增加。可见，添加生活垃圾堆肥 可以提高了油菜和甘蓝的品质。 赵莉等人在生活垃圾堆肥对草坪草生长形态的研究中表明，1 0 0 生活垃圾 堆肥对草坪草生长有毒害，其余配以生活垃圾的处理草坪草叶片颜色为暗绿，明 显比对照( 纯土壤) 深t ”l 。配以生活垃圾堆肥处理的草坪草叶绿素含量和单株干重 都显著地高于对照。且随着生活垃圾堆肥比例的增加，草坪草叶绿素含量有明显 的增加趋势。随着生活垃圾堆肥比例的增加单株干重达到相对最大且趋于稳定。 其中以4 ：1 的土壤垃圾比和纯土壤的生长量相对最高，即生活垃圾堆肥含量为 2 5 时对草坪草的生长最有利。 张增强”2 | 等的研究表明，施用来自生活污水厂的污泥使草坪草的生物量增 大，绿色期延长。花卉和草坪草的施用污泥，花卉开花的时间提前、花期延长、 开花量增加，草坪草生物量增大、绿色期延长 ”。生活污水厂污泥和生活垃圾 堆肥应用于城市园林绿地建设，只要进行适当的预处理或加工，如高温堆肥等， 控制污泥和垃圾堆肥中的污染物含量”“，保证生活污水厂的污泥和生活垃圾堆 肥的质量，不会引起土壤、地表水和地下水的污染。城市生活垃圾和污泥用于园 林绿地具有如下几方面的好处；其一，污泥和垃圾中有毒有害物质不进入食物链， 对人体没有危害；其二，园林、花卉、草地对污泥和垃圾中有毒有害物质有一定 的吸收净化功能，能减少污染物对土壤、地下水等的负面效应；其三，污泥和垃 圾中含有丰富的营养成分，可以促进草坪草、苗木花卉的生长，是城市、荒山、 荒坡绿化以及防护林体系建设的良好的肥料资源。生活垃圾堆肥和生活污水厂污 泥用于园林绿地既实现了减量化、资源化、无害化，同时又带来了较高的经济、 社会和环境效益”q ；其四，生活污水厂污泥和生活垃圾堆肥还有改土的作用。因 此，在控制生活垃圾堆肥和生活污水厂的污泥肥用量前提下，园林绿化不失为生 活垃圾堆肥处置利用的良好选择。 王立”“在封场单元覆盖系统中添加矿化垃圾，可以有效改善植被层土壤的 营养状况；在其上种植耐受性较强的苗木和草类品种( 如夹竹桃，黄杨和狗尾草) ， 既可强化植被恢复的进程，又可增加土壤- 植物系统降解污染物的能力。赵由才 等32 利用矿化垃圾细料，在0 2 7h m 2 的稳定化填埋单元进行种植研究，品种包 9 第2 章矿化垃圾资源化利用研究进展 括葱兰，麦冬，黄杨，海桐，紫薇，棕榈，丝兰，合欢，女贞，香樟等，成活率 均相当高。不仅明显地改善了封场填埋单元的生态环境，而且取得了年产值6 0 万元的经济效益。 各种重金属对水稻的毒性顺序为c d c u n i z n m n f e 。因为重金属即使进 入植物体内，也主要分布在根系，其次才是茎叶，果实或籽粒内含量往往最低。 并且不同植物对重金属的耐受能力也是不同的，一般来说，蔬菜的耐受力最差， 谷类较高，草类最高，草花类植物更适合矿化垃圾为种植介质”。 2 2 4 适宜生活垃圾堆肥种植的植物 虽然生活垃圾堆上栽种各种植物均可成活但由于作物和牧草可食部分的重 金属含量超标，因此垃圾堆上宜直接种植草坪和观赏花卉等，而不宜直接种植粮 食作物和牧草。 华东师范大学在一1 2 海老港填埋场的矿化垃圾种植的中试结果证明棉花、夹竹 桃、女贞、黄杨、柏类等长势最佳。 在上海老港填埋场中夹竹桃是最容易种植，同时也是最适应现场环境、生长 最为旺盛的品种，建议作为封场单元植被恢复的首选树种之一：女贞和小叶女贞 虽然容易存活，生长也比较旺盛，但是易受病虫害侵扰，且不耐冬季低温。 美国圣地亚哥( s a n t i a g o ) 的m i r a m a r 填埋场在当地环境服务部门的帮助下， 使用高质量的矿化垃圾和填埋场育苗基地培育的本地植物品种，在1 的封场区 域进行了大规模的植被种植与场地恢复，培育的植物包括加州山艾树、鹿草、漆 树”，而且长势良好。 第3 章实验材料和分析方法 3 1 实验材料 第3 章实验材料和分析方法 本论文中涉及的实验所用的栽培介质如下： 1 ) 矿化垃圾：上海老港填埋场埋龄为8 年的矿化垃圾。 2 ) 污泥：上海程桥污水处理厂经干燥堆肥造粒后的污泥。 3 ) 绿化土：上海园林绿化研究所的本地土壤。 三种栽培介质的无机营养含量和重金属含量列于表3 - 1 与表3 2 中。 表3 - l 盆栽实验的三种材料的n ，p ，k 营养含量 表中：t n - 全氮，a n 水解氮，t p 全磷，a p 速效磷，t k 全钾，a k - 速效钾 表3 - 2 供试土壤、污泥和矿化垃圾的理化性质 表3 3盆栽实验的三种材料的重金属含量 第3 章实验材料和分析方法 3 2 实验分析方法 3 2 1 种植介质样品预处理和测定指标的方法 用多点混合的方法取得土壤样品后，放于塑料薄膜上，自然风干，然后分别 过2 m m 筛，l m m 筛，1 0 0 目筛，作为备用。 表3 - 4 土壤理化性质测定方法 注：l y t 为国家林业中华人民莛和园林业行业标准推荐方法 种植介质的重金属含量采用h f h c i h n 0 3 消解法，之后通过i c p 测定各重 金属含量。具体步骤如下：用万分之一天平准确称取过1 0 0 目的1 0 0 0g 左右风 干土样置于聚四氟乙烯烧杯中，加入1 0m l 浓硝酸于电热板上低温加热，烧杯上 放一耐腐盖子，以免蒸发过快。缓慢蒸发至约剩余5m l 时，加入5m lh c i ，继 续加热至近似粘稠状，再加入5m l 氢氟酸打开污泥中的胶体，将铅、镍等包藏 在内部的金属熔出。稍冷后加l ：1 盐酸! - 2 滴洗入5 0m l 容量瓶中，用蒸馏水定 容。经过消解处理后的样品溶液通过i c p 测定其中重金属含量，然后再换算成土 样中的重金属含量。 3 2 2 植物样品预处理和测定指标的方法 植物样品采集后要及时杀青，杀青的作用是：避免植物发霉，并减少植株体 内由酶的催化作用而造成有机质的严重损失。杀青方法是：把采集的植物鲜样 ( 采集植物地下样品时，需要将植物表面的土壤洗尽，然后晾干) 放入大的纸质信 封中，放入烘箱中，先在1 0 5 时烘半小时，然后将烘箱温度调到6 0 ，直至 第3 章实验材料和分析方法 植物样品烘干为止。将烘干的植物样品用粉碎机粉碎，然后过o 5m m 筛孔的筛 子，得到的粉碎样品留作备用。 植物的测定指标主要有：地上生物量、地下生物量、体内叶绿素、有机碳和 植物的氮磷钾含量。 植物的重金属含量采用h 2 0 2 h c l 0 4 消解法“；，之后通过i c p 测定各重金属 含量。具体方法如下：用万分之一天平准确称取0 5 0g 左右的粉碎的植物样品放 入三角瓶中，加入3m l 高氯酸过夜后放在电热板上低温加热，到液体开始沸腾 时加几滴双氧水，同时在三角瓶上放小漏斗，继续加入，过一段时间再加几滴双 氧水，直到样品变为白色液体为止，然后冷却过滤到5 0m l 容量瓶中，加蒸馏 水定容到标度。所得的植物样品溶液通过i c p 测定其中的重金属含量，然后再换 算成植物样样中的重金属含量。 第4 章矿化垃圾混配种植介质的园林利用风险评价 第4 章矿化垃圾混配种植介质的园林利用风险评价 4 1 矿化垃圾混配介质的重金属淋溶实验研究 4 1 1 实验装置和实验方案 实验柱材料为p v c 管，内径1 5c n l ，高1 0 0c n l ，底部用p v c 板封住，板 上钻有5m m 孔径，过滤板上装有高5e m 的卵石，用做过滤层和保持柱内外气 流的畅通。淋滤液通过过滤层和过滤板后从底部流出。上海的平均地下水位在 1 0 0 c m 左右，故实验柱的工作高度也设置在9 0c m 左右( 淋滤层除外) 。供试 土壤采自上海园林科学研究所内，土质为典型灰潮土；污泥为卜- 海程桥经堆肥 化处理的污泥；矿化垃圾来自上海老港填埋场，埋龄为l o 年。经风干磨细过3 m m 筛后装柱。 匡至至了出水收集器 图4 1 实验所用实验柱示意图 实验设置全矿化垃圾( z o ) ，下部6 5 c m 为矿化垃圾，上部2 5 c m 为污泥 重量比例分别为1 0 ( z 1 0 ) 、2 0 ( z 2 0 ) 、4 5 ( z - 4 5 ) 的矿化垃圾与污 泥混合物。每个处理重复4 次。装土柱时使实验柱下层土呈自然状态下的容重， 上部混合土壤自然沉实。首先用蒸馏水从下往上饱和土体，当水面达到土柱顶 面后，开始从土柱上部加蒸馏水，每次1 0 0 0m l ，4 天一次，共2 0 次。在下部 1 4 第4 章矿化垃圾混配种植介质的园林利用风险评价 出口出放置塑料瓶用来接每次的淋滤液进行测定，测定元素为a s ，c d ，c o ， c r ，c u ，f e ，m n ，n i ，p b ，z n 。 4 1 2 矿化垃圾污泥混合介质淋溶液中各重金属含量分析 z 系列实验柱，下层6 5c m 全部为矿化垃圾，上层2 5 c m 为矿化垃圾和污 泥的混合介质，其中0 ，1 0 ，2 0 ，4 5 分别表示上部混合土壤中污泥的百分含量 为o ，1 0 ，2 0 ，4 5 。 aa s 浓度bc r 浓度 c 办浓度 dn i 浓度 图4 - 2z 系列实验柱重金属浓度值变化图 第4 章矿化垃圾混配种植介质的园林利用风险评价 淋溶液中【a s 】的呈现相同的变化趋势，在第2 次淋溶时【a s 】达到峰值，随 后降低( 图4 - 2 a ) 。 a s 】在淋溶中期和后期阶段呈振荡式递减趋势，说明在淋 溶初期易对地下水造成a s 污染，中期和后期基本不会对地下水造成a s 污染的 风险。四条曲线基本保持相同浓度水平，说明上部污泥的加入对淋溶液中【a s 】 值的影响不大。降雨初期要密切监测a s 浓度的变化并控制矿化垃圾使用量。 在淋溶前期和中期【c r 】值波动较大，初始值较大，随后逐渐减少( 图4 - 2 b ) ， 这可能是因为c r 元素在矿化垃圾中大多以水溶态存在，立即淋出。在第l o 次 淋溶时又出现峰值，可能因为淋溶中期矿化垃圾系列土壤对c r 的吸附能力有 所减少”。，造成以有机结合态存在的部分c r 也淋出。在淋溶初期或者自然降 雨初期会对地下水有一定的c r 污染风险，中后期没有影响。 1 0 0 矿化垃圾土柱淋出液【z n 】在初期两次达到峰值( 图4 2 c ) ，说明矿 化垃圾中z n 元素迁移能力较强，【z n 】最大值随上部混合土壤中污泥比例增大 而减小；随着上部混合土壤中污泥比例逐渐增加，【z n 】在整体浓度水平有所减 小，说明污泥的加入对矿化垃圾中z n 元素的迁移有一定的抑制作用。 1 0 0 矿化垃圾土柱淋出液中【n i 】在第11 次淋溶时达到最值，除此之外在 整个实验过程中【n i 】基本保持较低的稳定浓度范围内( 图4 - 2 d ) 。随着上部混 合土壤中污泥比例的增加，【n i 】的整体浓度水平有所上升。原因是污泥中n i 的背景浓度值高于矿化垃圾，造成添加污泥比例越高，淋出液中【n i 】越高： e p b 浓度 fc o 浓度 第4 章矿化垃圾混配种植介质的园林利用风险评价 gc u 浓度hf e 浓度 im n 浓度jc d 浓度 图4 2z 系列实验柱重金属浓度值变化图 矿化垃圾淋溶液中各种重金属浓度均较低，未超过地下水的允许浓度范 围。单独使用矿化垃圾作为土壤基质，或者混以少量污泥都不会对地下水造成 重金属污染。 污泥中p b 元素的背景浓度值大于矿化垃圾，但是图4 2 ) 中显示淋出液 中p b 的整体浓度水平并没有随着污泥比例的增大而变大，说明矿化垃圾作为 土壤基质对p b 元素有更高的吸附能力。这与垃圾中可生物降解的物质( b d m l 含量下降到3 以下有关，p b 元素在矿化垃圾和污泥中大多以残渣态和有机结 1 7 第4 章矿化垃圾混配种植介质的园林利用风险评价 合态为主，p b 随可溶性有机质( d o c ) 流失p “，矿化垃圾中可生物降解物质 比例少，所以降低了p b 向地下水淋溶的风险性，这对减少地下水的铅污染有 利。 从图4 - 2 ( f ) 中【c o 】浓度值变化趋势来看，四条浓度曲线都呈先扬后抑态势。 随着上部污泥比例增加，【c o 整体浓度水平有所上升，说明单独使用矿化垃圾 对地下水造成c o 污染可能性更小。图中显示所有【c o 】值都郢0 4m g l ，完全达 到地下水质量标准中i i 级标准【c o 】如0 5m g l 的要求。说明矿化垃圾作为土壤 基质完全不会对地下水造成c o 污染。 矿化垃圾和污泥中f e 的浓度值都较大，所以造成淋滤液中f f e 】值较大。淋 溶初期淋滤液中【f e 】值波动较大( 图4 - 2 h ) ，这与f e 元素本身活动性较强有 关，在淋溶的第2 次或第3 次都达到一次峰值。淋溶中期 f e 】值保持较低的稳 定值。淋溶后期淋溶液【f e 】值很大，这可能是因为淋溶后期土柱含水量非常高， 呈水饱和状态，在潮湿土层中f e 大多以可交换态存在，造成f e 元素较易淋出 f 。 四条【m n 】值变化曲线呈现相同趋势，淋溶初期浓度波动较大( 图4 2 1 ) ， 除z - 4 5 浓度变化曲线外，其他曲线都在淋溶前期呈现浓度逐渐递增态势，这 可能是因为矿化垃圾为主体的土壤中可溶性的m n 元素呈递增状态，可溶性 m n 元素淋尽之后，淋溶液中【m n 】逐渐降低。在自然降雨或者淋溶初期m n 元 素活动比较活跃，淋出液中【m n 】值超出地下水质量标准中v 类水的 m n 】值，对 地下水造成m n 污染的可能性较大。淋溶中期和后期【m n 】值保持较低的稳定浓 度水平，不会对地下水造成威胁。 【c d l 值基本未检出，出现三个非零值，在第l o 次淋溶时出现两次( 图4 - 2 j ) ， 说明淋溶中期有部分有机结合态的c d 转变为水溶态c d ，在淋溶中期要注意监 测【c d 】值。 4 1 3z 系列土柱淋溶液各重金属平均浓度的污染评价 表4 - 4z 系列土柱重金属平均浓度和地下水质量标准比较( g b1 4 8 4 8 9 3 ) ( 单位：r a g l ) 十柱平 a s 】【c d 】 c o 】【c r 【c u 】【f e 【m n 】 n i 】【p b 】【z n 】 均浓度 z 000 3 40 0 0 0 00 0 7 0 0 0 60 1 1 912 8 l2 0 9 10 0 5 1 0 0 6 90 9 3 3 z 1 00 0 3 50 0 0 0 0 0 1 3 0 0 0 60 2 1 41 5 3 93 1 6 60 0 5 3 0 0 6 60 7 2 3 1 8 第4 章矿化垃圾混配种植介质的园林利用风险评价 z 2 00 0 3 20 0 0 0o 0 1 5 0 0 0 5 0 1 6 0 0 9 7 l3 2 0 50 0 5 4o 0 6 lo 5 “ z - 4 50 0 3 60 0 0 0o 0 2 l0 0 0 60 3 6 01 4 2 32 3 7 60 0 7 9o0 4 70 4 2 8 地下水0 0 0 0 i0 0 50 0 11 01 51 50 11 01 0 质蔗标 0 0 5 i 类h 类类类类v 类类类类 准 i i i 类 从表4 - 4 可见，以矿化垃圾为基质的土柱系列淋溶液中各种金属元素的平 均浓度与地下水质量标准比较基本全部相同。 c d 】、【c r 、【c o l 、【n i 】全部符 合地下水质量i 和i i 类标准，【a s 、【c u 】，【z n 】符合地下水质量i i i 类标准， 基本无污染地下水的风险。【f e 】，【p b “m n 符合，v 类标准，这三种元 素超过地下水质量标准，如施用不当会对地下水造成f e 、p b 、m n 污染。 2 0 次取样的浓度平均值看成在整个淋溶过程中或自然降雨过程中矿化垃 圾以及加入污泥的矿化垃圾混合土壤介质淋出液中重金属的近似值，取地下水 质量标准m 级标准临界值为背景值，用单因子污染评价法和多因子评价法对淋 溶液对地下水造成潜在污染的程度作出评价。 以单因子污染指数大小进行地下水单一污染参数的评价。计算公式如下： p i = c j c o i 式中：p i 是地下水中污染参数i 的污染指数； c i 是污染参数i 的实测浓度( m g l ) ； c 0 。是地下水中污染参数i 的背景值或对照值( r a g l ) 。 以综合污染指数进行多因子评价。计算公式如下：p = ( e p i ) n 式中：p 是地下水综合污染指数；n 是污染物种类数：p 是地下水中污 染参数j 的单因子污染指数p ”。 表4 - 5 污染程度分级 l 综合污染指 l o l 数 污染程度 未轻中 重严重极严重 表4 6污染评价结果 土柱综合污单因r 污染指数 污染染 指数 程 a s 】【c d 】 c o 】【c r c u 】【f e 】 【m n 】 n i 】 p h i【z n 】 度 z 0 2 9 5 7 中 0 6 8 0 0 0 0 0 0 1 4 0 01 2 00 1 1 9 42 7 02 0 9 1 01 0 2 01 3 8 00 9 3 3 2 1 1 04 1 1 9 重 0 7 0 00 0 0 00 2 6 00 1 2 0o 2 1 4 5 ，1 3 03 1 6 6 01 0 6 01 3 2 00 7 2 3 1 9 第4 章矿化垃圾混配种植介质的州林利用风险评价 z - 2 03 9 3 7 重 0 6 4 00 0 0 00 3 0 00 1 0 0o 1 6 03 2 4 0 3 2 0 5 01 0 8 0i 2 2 00 5 8 4 z - 4 5 3 3 0 7重0 7 2 00 0 0 00 4 2 00 1 2 00 3 6 04 7 4 32 3 7 6 01 5 8 0 0 9 4 0 0 4 2 8 单因子污染指数中，【m n 值最高，说明m n 元素是综合污染指数中比重最 高的污染因子( 表4 - 6 ) 。【f e 值也较高，同样对综合污染指数有较人贡献。综 合污染指数评价说明矿化垃圾以及矿化垃圾与污泥混合土壤的淋溶液对地下 水造成潜在污染的关键因子为m n ，其次足f e 。 4 2 矿化垃圾对植物种子发芽与根伸长的生态毒性效应研究 由于矿化垃圾要应用到园林和农业中，因此进行矿化垃圾对高等植物的生 态毒性研究很必要。有研究表明，植物根伸长实验、种子发芽率实验和幼苗的 早期生长实验是运用高等植物来评价污染物毒性最常用的方法。目前已建立的 高等植物毒理试验方法有3 种：根伸长试验，种子发芽试验和早期植物幼苗生 长试验l “l 。利用高等植物毒理试验评价纯化学品的毒性有2 大优点：是方法 简单，持续时间短；- - 是这种方法对毒物毒性比较敏感。 最初这类试验主要用于杀虫剂及其它化学品的毒性检验，但随着对土壤污 染生态毒理学评价需求的e t 益增加，该方法的应用范围已扩展到对废物倾倒 点、土壤污染现场以及土壤生物修复过程的生态毒理评价l “l 。 通过植物发芽和根伸长受抑制程度，对矿化垃圾的生物毒性进行检验和评 价有坚实的理论基础本文选用孔雀草和大麦种子进行了植物发芽毒性试验，以 了解矿化垃圾对种子萌发的影响，可以清楚地认识矿化垃圾对植物生长的毒害 作用，从而实现对矿化垃圾的使用量的控制，利用矿化垃圾而不使其对植物产 生毒害有具有重大的现实意义。 4 2 1 实验设计和方法 将矿化垃圾与绿化土以不同配比混合作为发芽床基质，处理组设矿化垃圾 的含量为o ，2 0 ，4 0 ，6 0 ，8 0 ，1 0 0 ，对应的处理组名称分别为c k ， l 2 0 ，l 4 0 ，l 6 0 ，l 8 0 ，l 1 0 0 。各个处理组基质的重金属含量见表4 。 称取2 0g 各个处理组的发芽基质放于直径1 0 c m 的培养皿中，用蒸馏水调 节发芽基质含水量至最大持水量的6 0 ，筛选出饱满且大小一致的小麦和孔雀 第4 章矿化垃圾混配种植介质的园林利h j 风险评价 草种子，用次氯酸钠溶液灭菌处理5 分钟，用蒸馏水反复冲洗后均匀播种于发 芽基质中( 放置小麦种子时，保持种子胚根末端和生长方向呈一直线) ，每个 处理组为1 0 个种子，每个处理组三个重复。盖好玻璃培养皿，将其置于生化 恒温培养箱中( 2 0 士1 ) ，暗处培养7 2 4 h , 每隔2 4 小时观察发芽种子个数，并 计算发芽率【柏j 。在七天后，用游标卡尺测定大麦种子和孔雀草种子的根伸长长 度以及芽长度。以c k 处理组作为对照根长，根长抑制率为对照组根长与各处 理组根长之差与对照组根长的比值。 表4 7各个处理组基质的重金属含量 4 2 2 矿化垃圾对孔雀草和大麦种子发芽率的影响 a 孔雀草 图4 1 3 植物种子发芽率 2 l b 大麦 第4 章矿化垃圾混配种植介质的尉林利用风险评价 图4 3 ( a ) 和( b ) 表明孔雀草和大麦的种子发芽率变化趋势相似，发芽率都随 着时问的上升而增大。矿化垃圾含量的改变不会影响发芽率随时间而增大的趋 势。l s 0 对孔雀草和大麦种子的抑制效应都较大。l 4 0 处理组对孔雀草种子和 大麦种子发芽都有促进效应，说明矿化垃圾含量为4 0 时是种子发芽的最佳浓 度，一般可以作为植物种植时的矿化垃圾浓度的参考值。 在孔雀草种子发芽结果中可以看到不论矿化垃圾在芽床中的含量如何，发 芽率都随着时间的上升而增大。在前1 至4 天中。c k 处理组的发芽率比l 系 列处理组的发芽率要高，说明在发芽前期，加入矿化垃圾的发芽基质对种子发 芽都有抑制性。第2 - 4 天时，l 6 0 和l 1 0 0 发芽率最低，说明在种子发芽前期， 种子的生长机制比较脆弱，若外源加入的矿化垃圾量比较大，种子比较敏感1 4 ”。 从第五天开始，种子发芽率都达到了4 0 左右，l 6 0 和l 1 0 0 的抑制效应不再 明显，说明种子对高浓度的矿化垃圾已经产生了一定抗性，发芽能力有所加强。 到了第6 天和第7 天l 6 0 ，l s 0 ，l 1 0 0 处理组能够达到6 0 和7 0 左后的发芽 率，效果比较理想。因此只要过了发芽初期阶段，矿化垃圾对孔雀草种子发芽 没有抑制作用，矿化垃圾对孔雀草种子基本没有毒性。 图4 - 3 ( b ) 表明l 8 0 在第2 3 天对大麦种子发芽的抑制最为明显，第2 和第 3 天l 8 0 处理组的大麦种子发芽率仍然为0 和8 ，说明大麦种子对矿化垃圾 含量为8 0 的基质产生的抑制效应最为敏感。 值得一提的是，在大麦种植发芽前期，l 1 0 0 处理组基本不产生抑制效应， 在第2 天时的发芽率达到3 8 ，仅次于l 4 0 和c k 处理组。这是因为大麦种子 的粒径要比孔雀草种子大许多，种子颗粒尺寸越大，抵抗外源基质所造成的不 利影响的能力越强o f 。粒径和尺寸大的种子本身含有更多的蛋白质，营养元素 和其他生长要素，对发芽基质中提供的生长要素依赖性不大。因此大麦种子在 矿化垃圾含量为1 0 0 时不产生抑制现象。 4 2 3 矿化垃圾对孔雀草和大麦种子根伸长以及芽长度的影响 除l s 0 外，矿化垃圾含量对孔雀草种子的根和芽生长的影响基本呈现相同 趋势( 图4 5 ) 。l 2 0 处理组对孔雀草根伸长抑制率最大，达到6 8 9 ；l 8 0 处理 组对孔雀草芽长度抑制率最大，说明根伸长抑制率比芽长度抑制率对外源的矿 化垃圾更为敏感，这可能与种子发芽和根生长过程有关，种子发芽过程受胚内 第4 章矿化垃圾混配种植介质的园林利用风险评价 养分供应。因此，土壤污染对种子发芽的毒害作用被部分掩盖，很可能是造成 种子发芽对重金属污染不敏感的原因之- - i 。，。而根从一开始就完全暴露于土壤 中，其生长和发育全过程受土壤条件的控制，因此，根对土壤污染的反应更直 接、敏感。 葛z 剖2 2 蛆2 0 轴1 8 嚣1 6 * ，。 掣。 簖 a 孔雀草 图4 4 植物种子根伸长和芽长度 矿化垃敷古量t 时 b 大麦 孔雀草b 大麦 图4 5植物种子根伸长和芽长度抑制率 图4 5 表明l 4 0 处理组对孔雀草和大麦种子根仲长和芽长度的抑制率最 低。l 4 0 处理组对孔雀草根和芽生长的抑制率为负值，说明孔雀草釉子在矿化 垃圾含量为4 0 时的根和芽长度值比c k 处理组要大。i a 0 处理组对孔雀草种 子的根和芽生长有良好的促进作用。i a 0 处理组对应的大麦根和芽生