赤红壤种植作物对污泥的利用研究

赤红壤种植作物对污泥的利用研究

污泥是处理城市化疾病的产物，主要来自原始沉积池和剩余污泥的排放。城市污水厂的大力兴建及污水处理量的提高不可避免地带来了污泥产量的剧增,国内个别发达城市在2010年之前的45年内污泥产量增加了143倍。国内外对城市污泥的利用情况开展了大量研究,充分肯定了含高养分的污泥的土地利用效果。在欧美等发达国家,污泥农用是主要处置方法。但污泥含可利用成分的同时,也含有一定量的重金属(如Cu、Pb、Zn、Ni、Cr、Hg、Cd等)、有机污染物、病原菌、寄生虫卵等有害物质,这成为大力推广污泥安全农用的限制性障碍。广东赤红壤多分布在省内南部海拔300~450m以下的丘陵地带,利于开垦,但人类生产活动频繁,致使生态环境恶化,土壤肥力下降,不利于发展生产。如果因地制宜,结合污泥的养分特性,将污泥合理农用于当地赤红壤,可对生产起到显著的肥效补给效果,更能充分发挥赤红壤地区的生产潜力和经济优势。本研究立足于寻找污泥在农用中减少重金属等有害物质进入农田的方法,将污泥配合一定量的固定剂作为缓释肥料,为在赤红壤上种植的作物生长提供养分的同时,减少污泥重金属释放到土壤中,从而降低污泥直接施入土壤而带来的次生污染风险,为污泥合理农用提供一种有效方式。1材料和方法1.1试验材料1.1.1供试土壤及材料作物盆栽试验所用污泥为未消化的脱水污泥,取自广州大坦沙污水处理厂;供试土壤为广东赤红壤,风干后混土均匀,过5mm粗木筛备用。污泥和土壤的主要理化性状见表1。1.1.2种子和种子购买玉米(Zeamaysvar.Yunshi-5)种子购买于云南省农科院育种中心;超富集植物东南景天采自浙江衢州古老铅锌矿,后在实验室育苗培养。1.2育苗板、玉米苗的种植玉米育苗过程中,先用自来水浸泡玉米种子,将浮在水面的干瘪种子去掉,滤干水分后,再用蒸馏水冲洗3~4次,吸干水分。将选好的约200颗玉米种子均匀撒至育苗板的基质土上,再盖上约1cm厚的营养土,不使种子露出,育苗板的土层约8cm厚。玉米种子播种后在培育过程中每天用去离子水淋浇,保持土壤湿润,待玉米出苗长至10cm左右,挑选大小、高度均匀的玉米苗用于移栽,种植过程不施任何肥料,期间浇水和除草,种植满4个月后收获。超富集东南景天先在基质土上扦插茎繁殖育苗,选择均匀的壮苗进行移栽,每个塑料容器中有3棵。1.2.1渗滤试验设计盆栽试验采用直径30cm、高30cm、容积20L的瓷盆(底部有孔,可以漏水),每盆内装15kg赤红壤;将鲜污泥(以干污泥∶干土=1∶100处理)装在圆筒形塑料容器中,在塑料容器直径8.5cm、高18.5cm、距底部1cm的一周均匀凿直径1cm的小孔10个,以便于污泥中的养分释放。盆栽试验设8个处理:(1)对照1(无污泥);(2)对照2(污泥混入土中);(3)污泥装入塑料容器;(4)污泥+粉煤灰(10g/kg干污泥)装入塑料容器;(5)污泥+硫酸钾(10gK2O/kg干污泥)装入塑料容器;(6)污泥+石灰(5g/kg干污泥)装入塑料容器;(7)污泥+超富集东南景天(3棵东南景天/瓶)装入塑料容器;(8)晒干污泥(只经光照而不淋雨,测定其自然干燥作用)装入塑料容器。上述8个处理分别简称为无、混、污、污粉、污K、污石、污东、晒样处理,每个处理4次重复,随机摆放。渗滤模拟试验设7个处理:(1)污泥;(2)污泥+粉煤灰(10g/kg干污泥)+混匀;(3)污泥+K2SO4(10gK2O/kg干污泥)+混匀;(4)污泥+石灰(5g/kg干污泥)+混匀;(5)污泥+粉煤灰(10g/kg干污泥)置于瓶底;(6)污泥+K2SO4(10gK2O/kg干污泥)置于瓶底;(7)污泥+石灰(5g/kg干污泥)置于瓶底。上述7个处理分别简称为污泥、粉混、钾混、石混、粉底、钾底、石底处理,每个处理3次重复。1.3样品分析和测定1.3.1土壤、污泥化学性质表征收获植物后,将土壤、污泥均匀取样,污泥一部分新鲜样品用于测定水分含量、水堇(LepidiumsativumL)种子发芽系数和大肠杆菌数量(GB7959-1987);另一部分风干后磨样过孔径850μm、150μm尼龙筛,备测理化性质。土壤、污泥的含水量、有机质、全N、全P、pH值均采用农业化学常规分析方法。土壤、污泥的全K、全Zn、全Cu、全Cd测定采用HCl-HNO3-HF-HClO4消煮-原子吸收测定法(GB/T17138-1997)。土壤有效态Zn、Cu测定采用DTPA(二乙基三胺五乙酸)溶液浸提-原子吸收光谱法。称取10g风干土(大小850μm)于50mL塑料离心管中,加入20mLDTPA浸提剂,25℃振荡2h,过滤后原子吸收分光光度法测定滤液的Zn、Cu含量。1.3.2样品采集和测定收获植物的不同器官,分别用自来水和去离子水洗净,吸水纸吸干表面水,测定鲜重。玉米收获根、茎、叶和籽粒;东南景天只收获地上部位。首先将样品置于烘箱105℃杀青30min,然后70℃烘干,记录干重。干样用玛瑙粉碎机粉碎过0.25mm尼龙网筛,备测氮磷钾和重金属。植物全N、全P、全K含量测定采用H2SO4-H2O2消煮法,重金属含量测定采用干灰化-原子吸收光谱法。1.3.3微量元素测定滤液的全N测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法,全P测定采用钼锑抗分光光度法,全K和Zn测定采用HNO3-HClO4消煮-原子吸收法。2结果与分析2.1盆栽试验2.1.1污泥与粉煤灰的混合对玉米产量的影响盆栽试验的玉米产量结果(图1)表明,没有施加污泥的处理与污泥和土壤混合的两个对照之间相比,混合处理显然更利于玉米产量的增加。污泥与粉煤灰混合的处理对玉米的产量影响最为显著,与两个对照相比,显著大于无污泥处理,和污泥混入土壤的对照相比,没有显著性差异。污泥和石灰混合处理以及污泥种植东南景天的处理,和污泥混入粉煤灰的处理相差不大。单用污泥的处理与污泥和K2SO4混合的处理都介于两对照之间,与两对照相比都无显著差异。2.1.2污泥和集体土壤的玉米吸收zn表2列出了玉米各器官的重金属含量,玉米根内Zn、Cu含量最高的处理是对照无污泥处理,这是由于此处理的玉米生物量最小(图1),重金属在其体内产生了浓缩效应,反而使其重金属的浓度表现最高。茎叶内Zn含量最高的是土壤中混入污泥的处理,与其他处理相比具有显著差异。无污泥的处理由于所用赤红壤贫瘠,其中养分缺乏,不足以提供植物生长所必需的营养,导致玉米生长不好,没有结籽。而其他处理的玉米籽粒内的Zn、Cu含量均低于国家粮食和饲料卫生标准(Zn50mg/kg,Cu10mg/kg)。污泥混入土壤的处理玉米吸收Zn量最高(表3),和其他处理相比具有显著差异,可见直接将污泥施入土壤会对植物吸收重金属影响较大,具有一定的风险性;无污泥处理、污泥处理、污泥和K2SO4混合的处理,这3个处理的玉米吸收Zn的量都相对小于其他处理,结合图1也可以看出,这3个处理中,污泥和K2SO4混合的处理玉米的生物量最大,比较结果表明,污泥和K2SO4混合的处理比较适合玉米生长,并且玉米体内也相对不会富集太高的重金属Zn。污泥和粉煤灰混合的处理虽然玉米产量最高,但它的玉米吸收Zn量也相对较高,比污泥和K2SO4混合的处理高出1.8mg/pot,二者的产量和吸收重金属的量相比都没有显著差异,仅以体内吸收重金属的量来比较,污泥和K2SO4混合的处理对于玉米生长更为安全。其他处理例如污泥和石灰混合处理,污泥种植东南景天的处理,它们的玉米吸收Zn量都较高,与污泥和K2SO4混合的处理具有显著差异。玉米体内吸收Cu的量在各处理之间没有表现出显著差异(表3)。种植玉米后的土壤Zn浓度在各处理之间差异不显著,只有混入污泥的对照处理比原土略偏高出11.1mg/kg;而Cu浓度在各处理之间略有差异(表4)。塑料容器内的污泥在处理后与新鲜污泥相比,Zn、Cu的浓度都有所降低,尤其种植有东南景天的处理,下降比较明显,这与超富集东南景天可以吸收Zn有关。除了污泥和粉煤灰混合处理中Cu的浓度较高外,其他的处理之间差别不大。2.1.3城市污泥重金属污染的主要形态分布曾有研究表明,DTPA可以快速简便地浸提出土壤中被认为是更具生物有效性的水溶性、交换态、吸附态、有机固定态和部分氧化态的金属。对玉米盆栽试验不同处理的土壤中DTPA-Zn、DTPA-Cu的含量作了测定,从图2可以看出,污泥混入土壤这一处理中的土壤有效态Zn、Cu浓度都比其他处理要高,具有显著差异,而其他处理之间差异不明显。这说明,将污泥直接施入土壤进行农业利用,会增加土壤内重金属污染的风险度,如果污泥施入量控制不好,重金属进入土壤植物生态体系后,由植物吸收于体内积累,从而通过生物链进入人体造成危害。而通过利用塑料容器将污泥装入其内,间接再加以农用,不但减少了重金属污染土壤的机率,并且可以重复利用一些废弃的塑料容器、粉煤灰等固体废弃物,充分发挥污泥的肥效作用,扬长避短,实现一定的经济效益。污泥重金属的生物化学活性、迁移性及毒性在很大程度上取决于其存在形态,重金属的不同形态表现出不同的生物毒性和环境行为。为了更好了解各处理的污泥性质,对于其中污泥的Zn、Cu含量作了不同形态分布图(图3、图4)。城市污泥中的Zn在塑料容器内大部分以铁锰氧化物结合态存在,其次是水溶态和交换态,最少的是残渣态部分(图3);污泥中的Cu主要以相对稳定的有机结合硫化物态存在,这与Zn的分布明显不同,Cu的这种分布状态与其易于同有机质牢固结合的特性是相吻合的(图4)。从Zn、Cu重金属形态分布的总趋势来看,较易被当季植物吸收的水溶态和交换态的含量相对较低,在短时间内重金属不易被淋失而对土壤造成重金属污染。处理之后污泥和K2SO4混合的处理中Zn的分布形态主要以铁锰氧化物结合态、水溶态和交换态存在,而结合此处理中玉米体内的Zn(6.6mg/盆,表3)在各个处理水平之间含量较低进行考虑,不难发现经植物处理后污泥重金属Zn易被植物吸收的部分还是残留在塑料容器内的含量较多。2.1.4不同处理的污泥中n、p、k养分含量的变化未处理的新鲜污泥中大肠杆菌的量为5.2×105MPN/g,处理之后各个处理的污泥中都没有检出大肠杆菌的存在,原因一是污泥经过处理后其中的重金属含量降低,其生物毒性减少;另外污泥经过日晒发生干化,致使污泥含水量下降,也会抑制污泥内大肠杆菌繁殖。污泥中的含水量由处理前的新鲜污泥的828.6g/kg降至处理后的600g/kg左右,除了晒样降低最多,比新鲜污泥含水量要少339.5g/kg,其他处理之间没有显著性差异。污泥的水堇种子发芽系数只有新鲜污泥和晒样的数值较低,分别只有60.1%、62.7%,而其他经过不同处理后的污泥发芽系数有明显增加,都大于100%,这说明处理后的污泥对水堇种子的发芽没有抑制作用(表5)。对于污泥的酸度而言,除了晒样的pH值有所升高之外,其余的处理均有降低趋势。综合上述污泥指标结果,经过不同处理后的城市污泥基本达到农业利用所要求的生物稳定性。不同处理前后污泥的N、P、K营养元素的量见表6。从N、P、K整体来看,处理之前的污泥N、P、K含量比较高,与处理之后的各个处理相比具有显著差异性,处理之后的污泥N、P、K含量都有降低的趋势;晒样的N、P、K含量与新鲜污泥相比降低的不多,N、P、K含量分别减少了3.1、3.0、0.9g/kg;污泥和K2SO4混合处理的N含量降低也较少,此处理的P、K含量相对其他处理也较高,说明污泥和K2SO4混合处理之后的污泥具有较长肥效性。N、P、K含量减少最多的是污泥和超富集东南景天的处理,超富集东南景天在生长过程中也利用消耗了污泥内营养元素。其他处理N、P、K含量也有所下降,但是处理之间数值相差不大。2.2渗滤试验2.2.1s1e-sas-zn的去除为进一步验证上述试验结果,开展了渗滤模拟试验。将污泥装入塑料容器内,通过隔天淋入去离子水,记录淋出水样体积,然后测定其重金属含量。图5给出了渗滤液中Zn的含量,图中5次渗滤液,计算时将每次取样进行累加。Zn淋出总量最低的是污泥和石灰混合的处理,这可能和石灰混入污泥使其pH值升高而钝化污泥内重金属所致;其次是Zn含量较低的是将K2SO4置于塑料容器底部上面装有污泥的处理,而且后期效果更明显,可能与K2SO4中的SO42-转化成S2-固定重金属需要一定的时间有关。而其他的处理渗滤液中的Zn含量都较高,Zn含量最高的是塑料容器内仅装有污泥的处理;污泥和K2SO4混合处理中污泥的Zn含量在各个处理之间居中。2.2.2污泥和kso4混合处理中渗滤液中p总量的变化污泥渗滤液中N、P、K的总量见图6。由图6A可知,将K2SO4置于塑料容器底部上面装有污泥的处理中,淋滤出来的N总量在各处理之中是最高的;污泥和K2SO4混合处理中渗滤液中N总量比污泥和粉煤灰、石灰混合处理的都高;图6B显示,将K2SO4置于塑料容器底部上面装有污泥的处理中,淋滤出来的P总量在各处理之中也是最高的;污泥和K2SO4混合处理中渗滤液中P总量比污泥和粉煤灰、石灰混合处理的都要高;仅有污泥的处理淋出P量相对其他处理而言较高一些;对于K