（环境工程专业论文）植物对城市污泥中重金属富集效果的研究.pdf

植物对城市污泥中重金属富集效果的研究 于葡要 本文采用污水处理厂污泥种植观赏性植物，利用所种植物吸附污泥中的重金属，降 低城市污泥中的重金属含量，使污泥得到合理的利用。由于城市污泥中不仅含有有害物 质，还含有大量的n 、p 、k 等对植物生长有益的物质，所以将污泥农用是有效解决城市 污泥的方法，也是符合我国国情的处理方法。本文探索性的从农艺价值的角度出发，对 于污泥的合理利用加以实践，评价其农用的风险，并指出其中存在的一些问题。初探城 市污泥添加量不同时，重金属对植物生长状况的影响及植物中重金属富集的规律。希望 以此来实现降低处理城市污泥的成本，同时又能产生一定的经济效益的目的，为城市污 泥利用的研究提供依据。 在前人研究的基础上，对植物中重金属的富集效果作进一步研究。主要针对城市污 泥中含量最高的锌和含量较高的铜，试图找到对植物生长最有利的城市污泥与土壤混合 的比例。同时对比两种植物，比较出对重金属富集效果相对较好的植物。 试验结果表明： ( 1 ) 城市污泥的添加量在一定范围内，对植物的正常生长情况不产生影响。在对植物 中丙二醛、叶绿素及根长、株高、鲜重等的测定结果中表明，城市污泥中的营养成分被 植物很好的吸收利用，丙二醛的含量随添加量增加而减少，叶绿素含量则随添加量增加 而增大。添加城市污泥的植物在长势上呈现先抑后扬的趋势，而植株也随着添加量的增 大，比相应的空白试验长势更好。重金属的含量增加并没有抑制植物的正常生长，反而 是城市污泥中的营养成分给植物带来了肥料，植物生长更加显著。 ( 2 ) 重金属在植物体内的富集效果。试验结果表明：重金属锌在植物体内富集比较有 规律，随着时间与添加量的增长而增长。而重金属铜在植物体内的富集量无显著变化趋 势。富集量也随时间的推移而增加，但不随添加量的增大而增加。两种植物中，苜蓿各 盆栽的锌的富集效果随添加量变化极显著，随时间的富集效果变化趋于平缓。经对比， 苜蓿更适合做锌的富集植物。而两种植物都不适合做铜的富集植物。 ( 3 ) 土壤中重金属的残留。在盆栽试验最后测定土壤中重金属含量，结果显示：大部 分添加的城市污泥中的重金属还残留在土壤中。铜的残留率大于锌，而锌的残留量与添 加量成正比。但是并没有造成对土壤的污染，重金属铜、锌含量都符合土壤环境质量 标准中二级标准限制的要求。 ( 4 ) 经运用单项污染指数法计算，城市污泥中重金属铜、锌含量超过了农用污泥中 污染物控制指标，但是按比例添加在土壤里之后，经植物对其重金属进行富集后，符 合土壤环境质量标准中的二级标准。这说明本试验中的城市污泥与土壤混合质量比， 是可行的。种植观赏植物，重金属不会经过食物链进入人体。将污泥农用不仅减少了城 市垃圾的处理费用，还能创造一定的经济价值。 本试验为污泥农用提供一些理论和试验上的支持，为城市污泥用于农业肥的配比情 况提供依据，也为研究把城市污泥变废为宝，创造经济价值提供参考。 关键词：城市污泥，重金属，植物富集，农用风险评价 s t u d yo nt h ee f f e c to fp l a n tc o n c e n t r a t e s t h eh e a v ym e t a li nt h eu r b a ns l u d g e a b s t r a c t t h i sa r t i c l eu s e st h es e w a g et r e a t m e n tp l a n ts l u d g ep l a n t e ro r n a m e n t a lp l a n t , u s e si nt h ek i n do fp l a n t a d s o r p t i o ns l u d g eh e a v ym e t a l ，r e d u c e si nt h eu r b a ns l u d g et h eh e a v ym e t a lc o n t e n t , e n a b l e st h es l u d g et o o b t a i nt h er e a s o n a b l eu s e n o to n l yb e c a u s ei nt h eu r b a ns l u d g ei n c l u d e st h ed e l e t e r i o u ss u b s t a n c e ，b u ta l s o i n c l u d e sm a s s i v en ，eka n ds oo nt ot h ep l a n tg r o w t hb e n e f i c i a lm a t e r i a l ，t h e r e f o r et h es l u d g ea g r i c u l t u r a l u s ei st h ee f f e c t i v ea d d r e s s i n gc i t ys l u d g em e t h o d , a l s oc o n f o r m st oo u rc o u n t r yn a t i o n a lc o n d i t i o n p r o c e s s i n gm e t h o d t h i sa r t i c l ee x p l o r i n g 舶ma g r o n o m yv a l u ea n g l ee m b a r k i n g ，p r a c t i c e sr e g a r d i n gt h e s l u d g er e a s o n a b l eu s e ，a p p r a i s e si t sa g r i c u l t u r a lu s et h er i s k , a n dp o i n t e do u te x i s t ss o m eq u e s t i o n s i n i t i a l l y s e a r c h e sw h e nt h eu r b a ns l u d g er e c r u i t m e n ti sd i f f e r e n t , h e a v ym e t a lr u l ew h i c ht h eh e a v ym e t a l c o n c e n t r a t e st ot h ep l a n tg r o w t hc o n d i t i o n si n f l u e n c ea n dt h ep l a n t t h eh o p er e a l i z e sb yt h i sr e d u c e s p r o c e s s e st h eu r b a ns l u d g et h ec o s t , s i m u l t a n e o u s l yc a nh a v ec e r t a i ne c o n o m i ce f f i c i e n c yg o a l s t u d i e si n t h ep r e d e c e s s o ri nt h ef o u n d a t i o n , t h eh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t e st h ee f f e c tt ot h ep l a n tt od of u r t h e rs t u d i e s m a i n l ya i m si nt h eu r b a ns l u d g et h ec o n t e n th i g h e s tz i n ca n dt h ec o n t e n th i g hc o p p e r , a t t e m p t e dt of i n dt o t h ep l a n tg r o w t hm o s ta d v a n t a g e o u sc i t ys l u d g ea n dt h es o i lm i xp r o p o r t i o n s i m u l t a n e o u s l yc o n t r a s t st w o k i n do fp l a n t s ，c o m p a r e dw i t hc o n c e n t r a t e se f f e c tr e l a t i v e l yg o o dp l a n tt ot h eh e a v ym e t a l t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e d ： ( 1 ) t h eu r b a ns l u d g e 。sr e c r u i t m e n tb a s e do nt h i s ，d o e sn o th a v et h ei n f l u e n c et op l a n t sn o r m a lg r o w t h s i t u a t i o n t ot h ep l a n ti nt h et h i r dd i a l ，t h ec h l o r o p h y l la n dt h er o o tl o n g ，h i g h , t h ef r e s hw e i g h ta n ds oo n t h ed e t e r m i n a t i o nr e s u l ti n d i c a t e dt h a ti nt h eu r b a ns l u d g e sn u t r i e n tc o n t e n tb yt h ep l a n tv e r yg o o d a b s o r p t i o nu 驼，t h et h i r dd i a l sc o n t e n ti si n c r e a s e da l o n gw i t ht h er e c r u i t m e n tr e d u c e s ，t h ec h l o r o p h y l l c o n t e n ti n c r e a s e sa l o n gw i t ht h er e c r u i t m e n ti n c r e a s e s t h et e n d e n c yw h i c hi n c r e a s e st h eu r b a ns l u d g et h e p l a n tp r e s e n t sa f t e rt h eg r o w i n gt r e n dd a m p sf n - s tr a i s e s ，b u tt h ea d u l tp l a n ta l o n gw i t hr e c r u i t m e n t e n l a r g e m e n t , i sa l s ob e t t e rt h a nt h ec o r r e s p o n d i n gb l a n kt e s tg r o w i n gt r e n d t h eh e a v ym e t a lc o n t e n t i n c r e a s e sh a sn o ts u p p r e s s e dt h ep l a n tt h en o r m a lg r o w t h , i n s t e a dw a si nt h eu r b a ns l u d g en u t r i t i o nb e c o m e s a p p o r t i o n st h ep l a n tt ob r i n gt h ef e r t i l i z e r , t h ep l a n tg r o w t hh a sb e e nm o r er e m a r k a b l e ( 2 ) t h eh e a v ym e t a lc o n c e n t r a t e st h ee f f e c ti np l a n ti nv i v o t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e d ：t h eh e a v ym e t a l z i n cc o n c e n t r a t e si np l a n ti nv i v oi sq u i t eo r d e r l y , g r o w sa 1 0 n gw i t ht h et i m ea n dt h er e c r u i t m e n tg r o w t h b u tt h eh e a v ym e t a lc o p p e rc o n c e n t r a t e st h eq u a n t i t yn o tr e m a r k a b l ec h a n g et e n d e n c yi np l a n ti nv i v o c o n c e n t r a t e st h eq u a n t i t ya l s ot oi n c r e a s ea l o n gw i t ht h et i m ep a s s a g e ，b u td o e sn o ti n c r e a s ea l o n gw i t ht h e r e c r u i t m e n ti n c r e a s e s i nt w ok i n do fp l a n t s t h ea l f a l f av a r i o u sb o m f i s z i n cc o n c e n 仃a 伦st h ee f f e c tt ob e e x t r e m e l yr e m a r k a b l ea l o n gw i t ht h er e c r u i t m e n tc h a n g e ，c o n c e n t r a t e st h ee f f e c tc h a n g ef l a t t e no u ta l o n g w i t ht h et i m e a f t e rt h ec o n t r a s t ，t h ea l f a l f ai sm o r es u i t a b l et on l a k et h ez i n ct oc o n c e n t r a t et h ep l a n t b u t t w ok i n d o fp l a n t sa r en o tb o t hs u i t a b l et om a k et h ec o p p e rt oc o n c e n t r a t et h ep l a n t ( 3 ) i nt h es o i lt h eh e a v ym e t a lr e m a i n s i nt h ep o te x p e r i m e n td e t e r m i n e si nf i n a l l yt h es o i lt h eh e a v y m e t a lc o n t e n t ，t i n a u yd e m o n s t r a t e d ：i nt h em a j o r i t yo fi n c r e a s e su r b a ns l u d g e 。sh e a v ym e t a la l s or e m a i n si n t h es o i l t h ec o p p e rr e m a i n sr a t ei sb i g g e rt h a nt h ez i n c ，b u tt h ez i n cr e s i d u a lq u a n t i t ya n dt h er e c r u i t m e n t a r ep r o p o r t i o n a l b u th a sn o tc r e a t e dt ot h es o i lp o l l u t i o n , t h eh e a v ym e t a lc o p p e r , t h ez i n cc o n t e n tc o n f o r m t o ”s o i le n v i r o n m e n tq u a l i t ys p e c i f i c a t i o n ”t h es e c o n d a r ys t a n d a r dl i m i tr e q u e s t “) a f t e ru s i n gt h es i n g l ei t e mp o l l u t i o ne x p o n e n t i a lm e t h o dc o m p u t a t i o n , i nt h eu r b a ns l u d g et h eh e a v y m e t a lc o p p e r , t h ez i n cc o n t e n th a ss u r p a s s e d “i na g r i c u l t u r a lu s es l u d g ep o l l u t a n tg u i d ep o s t s ”，b u t i n c r e a s e si np r o p o r t i o na f t e rt h es o i l ，c a r r i e so na f t e rt h ep l a n ta f t e rt h ea m o n gt h e mh e a v ym e t a l c o n c e n t r a t e s ，c o n f o r m st o ”s o i le n v i r o n m e n tq u a l i t ys p e c i f i c a t i o n ”t h es e c o n d a r ys t a n d a r d t h i si n d i c a t e si n t h i se x p e r i m e n t a lt h eu r b a ns l u d g ea n dt h es o i lm i xm a s sr a t i o ，i sf e a s i b l e t h ep l a n t e rd e c o r a t i v ep l a n t , t h e h e a v ym e t a lc a n n o te n t e rt h eh u m a nb o d ya f t e rt h ef o o dc h a i n n o to n l yr e d u c e dt h et o w nr e f u s ed i s p o s a l c o s tt h es l u d g ea g r i c u l t u r a lu s e ，b u tc a na l s oc r e a t ec e r t a i ne c o n o m i cv a l u e t h i se x p e r i m e n tp r o v i d e si n s o m et h e o r i e sa n dt h ee x p e r i m e n t a ls u p p o r tf o rt h es l u d g ea g r i c u l t u r a lu s e ，u s e si nt h ea g r i c u l t u r a lf a t a l l o c a t e dp r o p o r t i o ns i t u a t i o nf o rt h eu r b a ns l u d g ep r o v i d i n gt h eb a s i s ，a l s or e c y c l e sw a s t ef o rt h er e s e a r c h t h eu r b a ns l u d g e ，t h ec r e a t i o ne c o n o m i cv a l u ep r o v i d e sr e f e r st o k e yw o r d s ：t h eu r b a ns l u d g e ，t h eh e a v ym e t a l ，t h ep l a n tc o n c e n t r a t e s ，a g r i c u l t u r a lu s er i s k 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得吉林农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 学位论文作者签名：孜往 签字日期珈莎年月伊 关于论文使用授权的说明 本人完全了解吉林农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。同意吉林农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：弱乏 签字日期：。田年移月毽日 导师签名事刁压三 签字日期：埘年石月彳日 吉林农业大学硕士论文 植物对城市污泥中重金属的富集效果研究 l刖吾 城市污泥( s e w a g es l u d g e 或b i o s o l i d s ) 是一种含粗蛋白高达占2 0 ( 占污泥有机物三分之 一) 的亲水胶团，污泥中7 0 为细菌菌体胶团，干化则硬结。它以好氧颗粒物为主体， 同时包括混入生活污水或工矿废水中的泥沙、纤维、动植物残体等固体颗粒物及被吸附 的有机物、金属、病菌、虫卵等物质的综合体。美国环保署对污泥的早期定义是指污水 处理过程中产生的固体、半固体或液体残留物。1 9 9 5 年，世界水环境组织( w w o ) 为准确 反映绝大多数污水污泥具有重新利用价值，将污水污泥( s e w a g es l u d g e ) 更名为“生物固 体”( b i o s o l i d s ) 其确切含义为“一种能够有效利用的富含有机质的城市污染产物”。城市污泥 中既含有大量n 、p 、k 等养分资源又含有重金属、有机污染物和病原体等有害物质。其 中污泥中的重金属是最早引起人们重视的污染物，近年来国外有关污泥中重金属方面的 研究最多。与国外相比，我国污水处理产业发展较晚，总体上研究的深度不够，目前多 停留于总结国外研究状况、探讨污泥稳定方法和污泥的农艺价值等方面，这也符合我国 是农业大国的基本国情。鉴于此，本文探索性的从农艺价值的角度出发，对于污泥的合 理利用加以实践，评价其农用的风险，并指出其中存在的一些问题。希望以此来实现降 低处理城市污泥的成本，同时又能产生一定的经济效益的目的，为城市污泥利用的研究 提供依据。 1 1 城市污泥的来源及产生现状 1 1 1 城市污泥的来源 根据城市污水处理厂污泥从污水中分离的过程，城市污泥分为初沉池污泥( 初沉池污 泥、混凝沉淀污泥和化学沉淀污泥) 、二沉池污泥( 腐殖污泥和剩余污泥) 和消化池污泥( 经 发酵后的污泥) 1 1 2 】 ( 1 ) 初沉池污泥 在处理污水时，经由初步混凝絮凝后，再以重力沉降或溶气浮除等初级废水处理分离 所得到的污泥。污泥胶羽颗粒的形成主要靠化学絮凝剂聚集等化学处理产生，粒径相对较 小( 1 0 0 i t m ) 而致密，胶质性生物聚合物( b i o p o l y m e r ) 或细胞间质( e c p s ) 的量也少。悬浮固体 与多数溶解性有机物并未经微生物消化分解。 ( 2 ) 二沉池污泥 主要是由生物处理产生的污泥，在处理过程中增生的胶羽形成菌( f l o cf o r m i n gb a c t e r i a ) 会与自身分泌的e c p s 、水相中的剩余悬浮固体、丝状菌( f i l a m e n t o u sb a c t e r i a ) 、真菌( f u n g i ) 、 原生动物( p r o t o z o a ) 以及二价钙、镁离子，共同聚集连结成大小约数百微米的污泥胶羽。其 结构松散，含水率高，平均粒径在1 0 0 5 0 0 灿之间。 吉林农业大学硕士论文 植物对城市污泥中重金属的富集效果研究 ( 3 ) 厌氧消化污泥 初沉池污泥与二级生物污泥产生后，通常会混合在一起送进消化槽( d i g e s t e r ) 中，进一 步减容化与稳定化得到厌氧消化污泥。消化后的污泥( d i g 眦ds i u d g c ) 颜色较深、稳定度高， 并且呈现深色的腐植土状( n u m u s ) 。在消化过程中污泥胶羽的高比表面积结构受到破坏，原 本吸附于其上的水份便被剥离成为自由7 j ( ( f r e em o i s t u r e ) 。因此，消化后的污泥沉降性与脱 水性都会获得改善。 1 1 2 城市污泥的产生现状 随着城市化进程的加快和生活水平的提高，我国城市污水处理率迅速提高。2 0 0 0 年， 我国城市生活污水排放量达至u 2 2 1 亿吨。目前，全国己建成运转的城市污水处理厂有4 0 0 余座，日处理能力2 5 3 4 万吨。在城市污水处理中，一般会产生占污水体积0 0 2 的城市污 泥。随着污水处理厂不断修建，城市污泥的产生量将越来越多。充分利用污泥中的大量有 机物质堆肥可改善农田的土质状况，减轻污水处理厂处理污泥的负担。但是，污泥虽富含 大量有用的有机物，也含有不少有害物质，重金属便是其中的一类。因此，重金属问题一 直以来都是人们担心城市污泥农用的环境风险，并且成为限制其大规模土地利用的障碍因 素。与此同时，国外资料统计，英国在过去的5 年中，污泥每年的增长率为5 1 0 ，达 到1 7 x 1 0 6 吨干污泥每年；美国在其1 5 3 0 0 个城市污水处理厂中，每年所积累的干污泥达1 千万吨以上；欧盟1 2 国年产干污泥6 5 0 万吨；日本为2 4 0 万吨【3 1 。城市污泥的合理利用问题， 已经成为全球性问题。 1 2 城市污泥的性质 1 2 1 城市污泥的基本性质 一般污水处理厂产生的污泥为含水量在7 0 0 - - 9 7 0g k g d 之间的固体或流体状物质， 其中的固体成分主要是有机残片、细菌菌体、无机颗粒和胶体等，但主要以有机成分为主， 其中包含对农业有潜在利用价值的有机质、n 、p 、k 和各种微量元素养分。有机质的含 量通常可占污泥干重的3 0 - - 4 0 ，相当于一般的农家肥。由于污泥来源于各种污水，所 以污泥中不可避免地含有各种有毒有害物质，如重金属、有机污染物和病原物等，且因为 污泥含较多的易分解或腐化的成分，通常会散发出难闻的气味。污泥中有益成分和有害成 分共存的特点，使它的利用成为复杂的问题。 1 2 2 污泥中的重金属 污泥中的重金属种类繁多，主要有c u 、p b 、z n 、n i 、c r 、h g 和c d 等，是污泥资源 化利用的最主要障碍【4 。】。我国各地污泥所含重金属的种类大同小异，但其含量相差甚大 【6 1 。以处理生活污水为主所产生的污泥，重金属含量通常较低，如佛山市污泥t 6 1 ；而以处 吉林农业大学硕士论文植物对城市污泥中重金属的富集效果研究 理工业污水为主所产生的污泥，重金属含量往往较高。随着社会、经济的发展和人们环保 意识的不断提高，污泥中的重金属含量会逐渐降低。在不发达国家，由于经济和政策的限 制，污泥管理的风险大于污水灌溉的风险【刀。重金属是污泥中最主要的污染物之一，由于 重金属具有难迁移、易富集和危害大等特点已成为限制污泥农业利用的最主要因素弘一j 。 对国内( 1 9 9 4 - 2 0 0 1 年) 有关污泥要中重金属的资料进行统计分析表明【1 0 】，我国污泥中 重金属n i 、p b 、c r 、c u 和z n 含量变化幅度很大，极差最高达n 1 0 3 n a g k g ；z n 是含量 最高的元素，c u 和c r 次之：毒性较大的重金属h g 、c d 和缸含量往往较低，通常在1 1 到n x l o m g k g 1 范围内。从统计结果和我国污泥农用标准来看，c u 和z n 是我国污泥中含 量最高的元素，也是限制其土地利用的主要因素之一。近年来，由于我国环境污染管理制 度和法规的逐步完善与实施，污水达标排放率不断提高，城市污水中h g 、c d 、a s 和p b 等 重金属含量逐年下降【1 0 】，这将有利于污泥的农用，降低污泥土地利用的环境风险。 1 3 城市污泥的处理现状及趋势 1 3 1 城市污泥的处理现状 ( 1 ) 国内污泥的处置现状 我国污泥处置从一开始就以土地利用为主。如最早的上海、北京几家污水处理厂，大 多采用湿污泥做农家肥，直接施到附近的农田中【1 0 】。近些年，随着污水处理产业的迅速发 展，污泥产生量不断增加，对污泥的处置也开始走向多元化，但仍以土地利用和土地填埋 为主。对我国2 9 家污水处理厂的调查结果表明，采用土地利用、土地填埋和堆肥处置污 泥的污水处理厂比例为1 4 ：1 0 ：l ，4 3 个城市7 5 家污水处理厂中约有9 0 的污泥用作农 家肥【1 1 】。对长江三角洲地区实地调查发现【1 2 】，该地区对污泥产生量、成分和性质等缺少清 楚的认识，其利用和处置方式的选择往往贪图简单、节省，就近随意处置，有些甚至任意 丢弃；采取土地填埋的污泥往往也没有预先脱水，填埋场也往往没有采取有效的防渗漏、 防废气爆炸的措施，因此很有可能造成二次污染和其他环境安全隐患；土地利用的污泥中 有些污染物含量往往很高，施用前常常缺少有效的稳定化措施，对施用方法和施用量缺少 科学的依据。因此在很大程度上，污泥的处置与利用存在着盲目性。同时，对污泥放任自 流，在实际中制定的标准也没有得到有效的贯彻实施。特别在今后1 0 - 2 0 年里污水处理 量和处理水平将会有更大的发展，势必会产生更多的污泥。如果还是采取原来的态度对污 泥进行处置，必将会对我国环境质量和公众健康造成很大的威胁，同时也违背了资源循环 利用和可持续发展的要求。 ( 2 ) 国外污泥的处置状况 根据资料统计，英国在过去的5 年中，污泥每年的增长率为5 l o ，达到1 7 1 0 6 吉林农业大学硕士论文 植物对城市污泥中重金属的富集效果研究 吨干污泥每年。美国在其1 5 3 0 0 个城市污水处理厂中，每年所积累的干污泥达l 千万吨 以上：欧盟1 2 国年产干污泥6 5 0 万吨；日本为2 4 0 万吨。为避免处理厂污泥对环境的 二次污染，各国政府及研究机构对污泥的最终处置问题十分重视并根据各国的国情制定 出污泥处置的法规和具体方案。国外污水厂产生的污泥大多用于农林绿化、或采取焚烧 处理、或投海疏散。另有很少部分以其他方式处置或利用，但是投海的禁止使许多以前 以投海为污泥主要处置方式的国家如英国、日本等不得不重新考虑污泥的其他处置方式。 一般来说，污泥农用费用最低；其次为填埋方法；处理费用最高为焚烧方法，其处理费 用约为污泥农用费用的3 8 倍，约为污泥填埋费用的2 1 倍。由此可见，农用和污泥填埋 是国外大多数国家进行污泥处置的两种主要方法。农用和陆地填埋方案的选择很大程度 上取决于各国政府有关的法律、法规和污染控制状况，同时也与国家的大小和农业发展 情况有关。近年来，随着污泥农用标准( 如合成有机物和重金属含量) 日益严格的趋势， 许多国家，如德国、意大利、丹麦等，污泥农用的比例不断降低，而污泥填埋的比例有 增加的趋势；但也有一些国家，如美国、英国和日本等污泥农用的比例呈增加趋势，填 埋呈减少趋势。美国环保署对美国近1 0 年内的污泥产生和处置的预测表明，在最近1 0 年中美国污泥产生量将稳步增加；污泥有益利用的数量和比例将显著提高，采取焚烧填 埋处置方式的污泥将较少；土地利用将成为污泥有益利用的主要方式，在2 0 1 0 年将占 到污泥总量的4 8 ，远远高于填埋和焚烧等其他处置方式。欧盟诸国也有类似的趋势p j 。 1 3 2 城市污泥处理的趋势 目前，污泥的主要处置方式有填埋、焚烧、土地利用和用作建材等。一般来说，各地 区对于污泥处置方式的选择是根据本地区的地理环境、经济水平、技术措施和交通运输等 因素确定，且随着公众认识的提高和兴趣的改变而发生变化。通常在实际应用时各种处置 方法的选择主要体现在技术要求、费用和安全性等方面。由于操作简便、处理费用较低等 优点，海洋倾倒曾是污泥处理的主要途径之一。但是投海的禁止，使许多国家不得不重新 考虑污泥的其他处置方式。随着人们生态环境意识的加强，向海洋倾倒废物对生态环境的 严重影响已引起人们的广泛关注。由于可供填埋的场地越来越少，今后土地填埋必将受到 严格控制，一些国家和地区已对污泥的土地填埋实行收费制度【1 3 】。由于大量污泥的填埋影 响了垃圾场的正常使用寿命，我国长江三角洲地区的部分城市垃圾填埋场已拒绝接受污 泥，这迫使污水处理厂为污泥寻找新的出路。由于焚烧法具有设备及运行费用昂贵、投资 大且可能有二次污染及浪费能源等缺点，无法得到推广应用。根据人类可持续发展及对可 再生资源循环利用的要求，土地利用己成为最有前景的污泥处置方式之一。由于污水处理 技术和法规的日益完善和提高，近些年美国、欧盟等发达国家的污泥中污染物的含量有了 明显的下降【8 】。在我国，由于工业污水达标排放等原因，污泥中的污染物含量也有逐年下 降的趋势【l0 1 。这一系列因素都促使人们对污泥的土地利用日渐关注。 吉林农业大学硕士论文 植物对城市污泥中重金属的富集效果研究 1 4 重金属对植物的危害 1 4 1 金属铜对植物生长发育的影响 铜是植物体内多酚氧化酶、氨基氧化酶、酪氨酸酶、抗坏血酸氧化酶、细胞色素氧化 酶等组分，是各种氧化酶活性的核心元素，与这些酶的电子接受与传递有关。一般禾本科 植物对铜元素很敏感，土壤缺铜时植物分蘖数量多但不抽穗，子粒不饱满，叶片失绿，牧 草出现白瘟病一样的缺铜症状。过量的铜元素会对生长发育产生危害，主要是妨碍植物对 二价铁的吸收和在体内运转，造成缺铁病。在生理代谢方面，过量的铜抑制脱羧酶的活性， 间接阻碍了n h 4 + 向谷氨酸转化，造成n h 4 + 的累积，使根部受到严重损伤：首先主根不能 伸长，常在2 - 4 c m 就停止，根尖硬化，生长点细胞分裂受到抑制，根毛少甚至枯死；其次， 光合作用对铜毒很敏感，铜对光合作用的抑制还与其抑制1 ，5 二磷酸核酮糖羧化酶 ( r u b p c a s e ) ；f 1 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶( p e p a s e ) 的活性有关；同时，植物体内过量的铜会影 响酶的活性，尤其是植物体内碳水化合物和氮代谢酶类的活性。过量的铜会抑制脱羧酶的 活性，间接阻碍n i - 1 4 + 向谷氨酸转化。过量铜影响t c a 循环，在受铜胁迫的玉米中，叶片和根 系的过氧化物酶、根系苹果酸酶、谷氨酸脱氢酶、6 一磷酸葡萄糖脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶 的活性均普遍升高，但叶片中的6 磷酸一葡萄糖脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶的活性则严重受抑 制。 1 4 2 金属锌对植物生长发育的影响 锌元素是植物生长发育不可缺少的元素，并把硫酸锌作为一种微量元素肥料。锌是部 分酶的组分，与叶绿素和生长素的合成有关。缺锌时叶片失绿，光合作用减弱。但过量的 锌也会伤害植物根系，使植物根系的生长受到阻碍，此外地上部分有褐色斑点和坏死。当 用污水灌溉水稻，土壤中锌含量达2 2 5 m g k g 1 左右时，叶片出现褪绿；土壤中锌含量达 4 5m g k g d 左右时时，叶片变成淡绿色，生长不良；土壤中锌含量达1 1 4n l g k g 1 左右时， 叶片出现褐色斑点，严重抑制分蘖，根系短而稀疏。 1 5 植物富集重金属的机理 普通植物根中重金属的浓度通常是地上部浓度的1 0 倍以上【1 4 】，但在富集植物中地上 部浓度一般超过根中的浓度。这是因为植物体内某些物质能与重金属结合形成稳定的结合 物。一些糖类具有还原性，重金属阳离子易被还原，导致活性下降而沉淀，并和糖类结合。 蛋白质和氨基酸也具有和重金属结合的能力。其主要是形成金属硫蛋白。许多氨基酸还含 有n 基、s h = 基等，这些基团也能与重金属结合成复杂的金属鳌合环。例如，当重金属 与咪唑核的n 基或半胱氨酸的s h 基结合形成多核鳌合环时，其稳定性增加。核酸是极性 化合物，既含有磷酸基又含有碱性基，属两性电解质。在一定的p h 条件下能解离而带电 吉林农业大学硕士论文植物对城市污泥中重金属的富集效果研究 荷，所以能和重金属离子结合，因而也是植物富集重金属的重要原因之一【1 5 】。黄瓜茎叶可 溶性组分的凝胶层析及h p l c 的分析结果表明：c d 、p b 可与细胞内的肽类物质( 或蛋白质) 结 合形成分子量不等的复合物【1 6 】。k r a m e l 等( 1 9 9 6 ) 对3 种n i 的富集植物( a 1 e s b i a c u m 、a m a r a l e 和a b e r t o l o i l i i ) 进行研究，发现在n i 的富集植物叶片中，n i 主要以柠檬酸盐存在，但木质 部液中4 0 的n i 是以组氨酸盐存在，且几乎全部的组氨酸都与n i 络合；在水培条件下， 苗中n i 含量与自由组氨酸浓度成线性关系。添加组氨酸可提高富集植物的生物量和木质 部中n i 的含型1 7 1 。h o m e r ( 19 9 7 ) 对3 种菲律宾的n i 富集植物( w a l s u r am o n o p h y l l a 、p h y l l a n t h u s p a l a w a n e n s i s 和d i c h a p c t a l t t mg e l o n i o i d e s ) 进行研究，认为植物叶片中n i 可能是与极小分子结合； 连续浸提表明有柠檬酸、苹果酸等羧酸存在；富集植物与非富集植物木质部中的n i 都可 以与氨基酸结合【1 8 l 。乙的富集植物t c a a u l e s c o i l s 比普通植物含有更高浓度的苹果酸和芥 子油甙f 1 9 l 。c d 的富集植物b j t m c e a 木质部液中的c a 主要通过氧键或氮键与有机酸结合1 2 0 1 。 1 6 研究内容、目的及意义 1 6 1 研究内容 本论文采用污水处理厂污泥种植观赏性植物，利用所种植物吸附污泥中的重金属， 降低城市污泥中的重金属含量，使污泥得到合理的利用。初探城市污泥添加量不同时， 重金属对植物生长状况的影响及植物中重金属富集的规律。同时对植物中重金属的富集 效果作进一步研究。主要针对污泥中含量最高的锌，以及其次的铜，试图找到对植物生 长最有效，而对重金属富集效果又最好的城市污泥添加比例。同时对比两种植物，比较 出富集效果相对较好的植物。 1 6 2 研究目的 ( 1 ) 城市污泥农用研究。城市污泥是一种既含有大量n 、p 等养分资源又含有重金 属、有机污染物和病原体等有害物质的混合物。污泥中的重金属是最早引起人们重视的 污染物，近年来国外有关污泥中重金属方面的研究最多。与国外相比，我国污水处理产 业发展较晚，总体上研究的深度不够，目前多停留于总结国外研究状况、探讨污泥稳定 方法和污泥的农艺价值等方面，这也符合我国是农业大国的基本国情。鉴于此，本文探 索性的从农艺价值的角度出发，对于污泥的合理利用加以实践，评价其农用的风险，并 指出其中存在的一些问题。 ( 2 ) 研究植物体内重金属的富集规律。通过盆栽试验，定期测定以不同城市污泥含 量的土壤种植的植物中，植物对于不同重金属的富集情况。同时根据植物的生长情况判 断更适合植物生长的城市污泥添加量，即可以促进植物生长的城市污泥添加量。最后判 定出适合富集土壤中不同重金属的植物。所选植物均为观赏性植物，希望以此来实现降 吉林农业大学硕士论文 植物对城市污泥中重金属的富集效果研究 低处理城市垃圾的成本，同时又能产生一定的经济效益的目的，为城市污泥利用的研究 提供依据。 1 6 3 研究意义 我国土地资源总量多，人均占有量少，尤其是耕地少，耕地后备资源少( 即”一多三 少“) 这是我国土地的基本国情。我国国土总面积为9 6 0 万平方千米，居世界第三位，但 人均占有国土面积仅为1 1 6 5 亩左右，不到世界人均水平的l 3 。2 0 0 4 年我国耕地面 积净减少1 2 0 0 4 万亩，截至2 0 0 4 年1 0 月3 1 日，全国耕地面积为1 8 3 7 亿亩，人均 占有耕地面积仅为1 4 1 亩，只相当于世界人均占有耕地面积的3 7 左右。随着人口的 增加和经济的发展，土地资源形势日趋严峻。一方面，我国耕地面积大量减少，土地退 化、损毁严重，土地后备资源严重不足，6 0 以上的耕地分布在水源不足或者水土流失、 沙化、盐碱化严重的地区，通过开发补充耕地的潜力也十分有限；另一方面，土地利用 粗放，利用率和产出率低，浪费土地的情况十分严重。 城市污泥迫切需要寻求一种处理量大、环境安全和经济可行的处置方法。实践证明， 农用资源化正是这样一种具有广阔前景的污泥处置方法，一直深受世界各国重视。目前英 国、法国、瑞士、瑞典和荷兰等国城市污泥的农用率达5 0 左右，卢森堡达8 0 以上。 英、美等国还以城市污泥为原料进行规模化、商品化生产有机肥料并出口。污泥农用资 源化有利于维持和提高土壤肥力，有利于土壤资源的可持续利用和农业可持续发展。研 究表明，施用污泥或污泥堆肥栽种水稻、玉米、小麦、棉花、蔬菜等作物，植株的生长 状况、产量和品质明显比不施肥好，与施用化肥或优质农家肥