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污泥堆肥化对重金属生物可利用性的影响

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第29卷第3期 重庆建筑大学学报 Journal of Chongqing Jianzhu University Vo1.29 NO.3 2007年6月 Jun.2007 污泥堆肥化对重金属生物可利用性的影响 孙颖, 桂长华 (上海大学 环境与化学工程学院环境工程系,上海 200072) 摘要:通过重金属形态分析及在模拟雨水、酸雨淋溶条件下重金属迁移实验和理论分析,研究了堆肥化 处理对污泥中重金属生物可利用性的影响。结果表明:堆肥化处理使重金属的不稳定形态含量降低,原 污泥在酸雨淋溶下重金属已经迁移到约16厘米深的土柱中,而经过处理后的污泥淋出液中的重金属含 量很低,仅有少量污泥中含量较高的元素向土柱深层迁移。迁移量及深度明显低于未处理的原污泥。 实验及理论分析均证明了堆肥化处理可以降低污泥中重金属在土壤中的迁移性,使重金属的生物可利 用性 降低。 关键词:污泥;重金属;堆肥化;生物可利用性 中图分类号:X705 文献标志码:A 文章编号:1006—7329(2007)O3一O11O—O5 Effects of Sludge Composting on Bi0aVailability of Heavy Metals SUN Ying,GUI Chang—hua (College of Environmental and Chemical Engineering,Shanghai University,Shanghai 200072,China) Abstract:With form analysis of heavy metals,the transportation experiment and theoretical analysis of heavy metals by simulated rain and acid rain showering were carried out,the effects of sludge composting on Bioavail— ability of heavy metals in sludge were studied.The results indicated that the ratio of the unsteady species of heavy metals in sludge is reduced after composting.The heavy metal elements in leachate of original sludge trea— ted with acid rain had moved down to the layer of soil with the depth of 1 6 cm,while the content of heavy metal of treated one is lower and only a small quantity of elements had moved down to the deep layer of the soil.Both the volume and the depth of the composted sludge are lower apparently than those before composting.The ex— periment and theoretical analysis verified that both the transportation of heavy metals in soil and the bioactivity of heavy metals are reduced by sludge composting. Keywords:sludge;heavy metals;composting;bioavailability 污泥是污水厂污水处理的二次产物,大量污泥的 化转化的过程。堆肥过程可以使污泥中挥发性物质含 处置问题是目前所面临的重要问题。污泥农林利用将 量降低,臭味减小,物理性状明显改善(含水量降低,呈 是污泥处置的一个重要途径。污泥中含有丰富的氮、 疏松、分散、粒状),便于贮藏、运输和使用口 ]。而污 磷、钾、有机质和植物生长所需的其它营养物质,是一 泥吸附了进入水体的绝大部分重金属离子,重金属因 种良好的有机肥料。同时污泥中浓缩了锌、铜、铅和镉 其不可降解性和持久性,易于通过食物链在动植物体 等重金属化合物、有毒的有机化合物、杀虫剂等,直接 内蓄积,是污泥资源化利用优先控制的污染物。土壤 农用可能会进入食物链导致严重的健康问题。因此大 中重金属的迁移因其形态不同而存在较大的差异,决 量的污泥需经过处理后才能农林利用。 定了重金属的生物有效性和对生态环境的危害程度。 堆肥化处理技术是目前常用的污泥处理技术。堆 目前堆肥化处理对污泥中重金属的影响作用研究 肥化是利用自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微 较少。本研究采用城市污水厂污泥及经过堆肥化处理 生物,人为地促进可降解的有机物向稳定的腐殖质生 后的污泥,通过堆肥前后重金属形态变化的分析及模 收稿日期:2006—12—16 基金项目:上海市教委基金(04AC101);长江水环境教育部重点实验室开放基金(YRWEF06008) 作者简介:孙颖(1973一),女,山东济南人,讲师,博士,主要从事固体废弃物处理处置的研究。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 孙 颖:污泥堆肥化对重金属生物可利用性的影响 l11 拟雨水、酸雨条件下的重金属迁移实验,探讨堆肥化前 每根土柱约淋雨3 500 mL,调节淋溶速度为50 mL/ h,每天连续淋溶10 h。淋出液定期收集待测。 1.4分析方法 后污泥中的重金属在土壤中的迁移规律,研究污泥堆 肥化处理对重金属生物活性的影响。 1材料与方法 1.1供试材料 淋出液经0.45 mm滤膜过滤后,用电感耦合等离 子直读光谱仪(ICP—AES)测定其中重金属元素的含 量。实验结束后,将土柱中的土壤取出,均匀地分五层 采集,风干,磨细过100目筛,采用HNO。一HCLO 一 HF法对取出的土壤样品进行消解后,用电感耦合等 污泥样品:上海市城市污水处理厂脱水污泥样(含 水率约80 ~85 ,基本无杂质,黑褐色,有刺激臭 味)风干后过20目筛。污泥及背景土壤的重金属含量 如表1,其中三种金属元素(Cu、Ni、Zn)超过污泥农用 ’标准。 背景土壤:普通土壤,淡黄色,泥质疏松,颗粒均 匀,不需碾磨。 表1 污泥及背景土壤重金属的含量 样品 Zn Cu Ni Pb Hg Cd Cr As 污泥 2 986 821 461 98 1.71 4.50 59 12.9 土壤40.6 5.20 14.4 6.20<O.005 0.07 11.5 5.45 堆肥污泥:脱水污泥样品经过堆肥化处理(堆肥过 程中搅拌并添加一定比例的微生物菌剂)并风干后过 20目筛。 1.2重金属形态分析 参照Tessier(1979)l3 的五步连续提取法测定污 泥及土壤中的重金属形态,方法如表2。 表2重金属形态分析方法 交换态 加入16 mL MgCL2溶液,室温下连续振荡2 h。 碳酸盐结提取组份1后的残渣,加16mL 1M NaA。一HAc(PH5. 合态 O),室温下连续振荡5 h。 Fe—Mn提取组份2后的残渣用40mL 0.04 M NH2OHHCL(氯 氧化物结化羟胺),在85℃水浴5 h,并定时晃动使固体均匀分散 合态 于溶液中。 提取组份3后的残渣,加6 mL 0.02 M HNO3和10 mL 物结 ; 篡荤 薯 : H2O2重复以上过程3 h。冷却,最后加3.2 mol/L NH4Ac(20%HNO3配制)连续搅拌30 min。 残渣态 嚣 霆 渣加入浓HN()。及HcL 消化。用 1.3重金属迁移实验 ‘ 1.3.1原污泥模拟雨水,酸雨淋溶土柱组将土壤按 实际容重装入直径为8 cm,高为50 cm的有机玻璃圆 柱内。另取70 g克污泥风干磨细后与土壤均匀混合, 均匀铺在已加入土壤的圆柱内。土柱高40 cm,上层 约6 cm为污染土,下层34 cm为原土壤。土柱实验按 不同pH值(3.0,5.0,7.0)分为三组(采用pH5.0是 由于上海地区酸雨平均值为5.0)。每组含有三根土 柱。 1.3.2堆肥污泥模拟雨水,酸雨淋溶土柱:实验方法 同上模拟一年降雨量,将混合的硫酸和加入到 去离子水中来模拟酸雨,调节pH为3.0、5.0和7.0。 离子直读光谱仪(ICP—AES)测定重金属总量[4l5_。 2实验结果与讨论 2.1堆肥前后污泥的形态分布 污泥中的重金属可以分为五种形态: 1)交换态。这部分金属位于粘粒矿物或腐殖质等 活性组分的交换位上,对植物的有效性或活性较大,其 中水溶态活性最大。 2)碳酸盐结合态。这部分金属或者被吸持于碳酸 盐表面,或者以共沉淀存在。 3)铁锰氧化物结合态。这部分金属吸持在氧化铁 和氧化锰上或与之形成共沉淀。 4)有机结合态,是有机质中各官能团与之结合的 部分即有机质所固定的部分,通常情况下不参与对植 物的供给。 5)残渣态。这部分金属牢固结合于矿物品格中, 经过相当长的时间也不易释放到土壤中去。 其中,前三种形态在土地利用中有效性较强,属于 不稳定形态,后两种形态可认为是相对较稳定的形态。 图1 污泥形态分布变化图 污泥进入土壤后,交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧 化物结合态三种形态易于迁移和被植物所利用。从图 1分析可知,经过堆肥化处理后污泥中的Zn元素的有 机结合态和残渣态含量提高,碳酸盐结合态和交换态 的含量降低。其中交换态含量降低了62 9/6,碳酸盐结 合态含量降低了约42.3 ,总不稳定形态的含量比处 理前减少了约30 ;Cu元素在污泥中主要以有机结 合态和残渣态形式存在,堆肥化处理对两种形态的影 响不明显,但不稳定形态的含量比处理前减少了35 以上;Ni元素不稳定形态的含量比处理前减少了约 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 孙 颖:污泥堆肥化对重金属生物可利用性的影响 113 露 图5堆肥污泥淋溶后土柱中重金属元素的含量/mg・kg 属元素在第三层的含量随淋溶液pH值的下降而升 全量影响很小,因此k值降低,生物可利用性亦有所降 高,说明施加的重金属已经迁移到土柱的第三层。Cu 元素和Ni元素的变化相对较小。 将堆肥后的污泥施加到土壤中后,在模拟酸雨,雨 水的淋洗下,重金属元素主要在第一层富集。在土柱 第一层的含量随淋溶液pH值的下降而降低。从第二 层开始重金属元素的累积量迅速下降。在淋溶液pH 为3.0时,重金属元素中仅Zn元素和Cu元素在第二 层土柱中含量略有增加,其含量随淋溶液pH值的下 降而升高,在土柱的第三层以下均未测出重金属含量 的增加。说明施加的重金属仅有少量迁移到土柱的第 二层。而在淋溶液pH为5.0及pH为7.0时,重金 属元素中仅Zn元素在第二层土柱中的含量略有增 加。其它两种元素均未测出含量有增加的现象。 比较图4和图5可以看出,把经过重金属堆肥化 处理后的污泥施加到土壤中后,在模拟酸雨淋溶条件 下,重金属在土柱中的迁移量和迁移的深度都低于未 经过处理的污泥。即使在pH3.0条件下,迁移量也很 低,充分说明堆肥化效果。 2.3堆肥化处理对重金属生物可利用性的影响分析 土壤中重金属的生物活性可用生物可利用性、迁 移和淋溶能力来表述[6]。 1)生物可利用性系数忌描述[7]:忌一可交换态+碳 酸盐结合态/全量 2)迁移系数M 及淋溶系数L,[8 ]:迁移系数反映 重金属在土壤中迁移能力的大小,淋溶系数反映重金 属在土壤中淋溶能力的大小。 ” r、/ 4 M,一 L — M, 式中:i为被采样土壤, 为J元素在土壤i中可交换 态的含量,T 是元素J在土壤i中的全量, 为土壤采 样点的数量。 由堆肥前后的污泥形态变化分析可知:堆肥前污 泥中重金属Zn、Cu、Ni中可交换态+碳酸盐结合态的 含量比例分别为36.96 ;5.97 ;33.72 ;而经过堆 肥后重金属Zn、Cu、Ni中可交换态+碳酸盐结合态的 含量比例分别为20.81 ;3.79 ;20.86 。可交换 态+碳酸盐结合态均有所降低,而堆肥化对重金属的 低。 同样的, 为可交换态的含量,堆肥前污泥中重 金属Zn、Cu、Ni中可交换态比例分别为2.66 ; 0.75 ;6.62 ;而经过堆肥后重金属Zn、Cu、Ni中可 交换态比例分别为1.01 ;0.53 ;3.26 。Fi降 低,由此淋溶系数,迁移系数M L 均有所降低,与重 金属迁移实验结论相符。进一步验证了堆肥处理可以 降低重金属的生物可利用性。 3 结论 1)污泥经过堆肥化处理后,重金属不稳定形态的 含量明显降低,.Zn元素不稳定形态的含量比稳定化处 理前减少了约30 ,Cu元素及Ni元素不稳定形态的 含量比稳定化处理前减少了约40 。堆肥处理可以 降低重金属不稳定形态的含量。 2)模拟酸雨淋溶重金属迁移实验证明了,未经过 处理的污泥随淋溶量的增加污泥中的重金属已逐渐向 土柱深层迁移(重金属已经迁移到土柱的第三层约16 cm深)。把重金属堆肥化处理后的污泥施加到土壤中 后,随淋溶量的增加,淋出液中的重金属含量很低,仅 有少量污泥中含量较高的元素向土柱深层迁移。迁移 量和迁移深度明显低于处理以前的污泥。 3)堆肥化处理可以有效的降低重金属在土壤中的 生物可利用性,迁移系数及淋溶系数M ,L,均有所降 低。未经处理的污泥直接投加到土壤中,重金属迁移 量大,会对土壤及地下水造成很大的污染,需经过处理 后才能农林利用。而经过重金属堆肥化处理以后的污 泥施用到土壤中,重金属在土壤中的迁移量小,可能对 地下水和土壤产生的污染较小,更适合于污泥的农用。 参考文献: [1]吴正松,彭绪亚,蔡华帅,等.微生物在堆肥化中的应用研 究[J].重庆建筑大学学报,2005,27(1):92—96. 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