全 文 ：收稿日期:2008-04-05
作者简介:廖凌(1976-),男,硕士,工程师
城市污泥(MunicipalSewageSludge)是指城市生活
污水、工业污水处理过程中所产生的固体废弃物,是城
市污水处理厂的经常性产物。城市污泥产量随着城市
化的发展和城市生活污水处理行业的兴起而增加,大
量污泥的任意排放和堆放不仅对周围环境造成二次污
染,而且使到污水处理厂不能充分发挥消除环境污染
的作用。因此,城市污泥的妥善处置已成为当务之急。
城市污泥的成分较复杂,是由多种微生物形成的
菌胶团与其吸咐的有机物和无机物组成的集合体,含
有大量的有机质和N、P、K等营养元素,这此营养元素
能够被植物利用,是良好的有机肥源,因此欧美发达国
家都将农业利用作为处置城市污泥的主要方法 [1]。但
是,城市污泥中也含有多种重金属元素如Cu、Pb、Zn、
Ni、Cr、Hg和 Cd等,是污泥资源化利用主要障碍 [2-3],
其中 Cu、Zn等重金属污染问题一直是我国污泥农用
最主要的障碍因素[4-5]。
植物修复是一种采用植物的方法来缓解或净化土
壤污染的技术。植物抽提金属的数量不仅受土壤溶液金
属浓度的控制,而且与土壤固相结合态金属的浓度密切
相关,如能活化固相态金属,促使其溶解释放进入液相,
成为植物可利用的生物有效态,必将增加植物吸收,从
而提高植物修复效率。电解法是基于电流能打开所有的
金属-土壤键,且在电压固定时金属的脱除率与通电时
间成正比,因此在污染土壤中插入电极并通直流电,使
土壤温度升高并降低电阻,土壤中的重金属在电解、电
迁移、电渗和电泳等作用下于阳(或阴)极被转移。另外,
利用K+较高的阳离子交换能力,将吸附在土壤胶体的
Cu2+和Zn2+交换到污泥液相中,成为植物可利用的生物
有效态和能够进行电迁移的溶于污泥液相的金属离子,
提高植物对Cu2+和Zn2+的吸收,从而达到既除去污泥中
金属离子又能提高植物的生物量的目的。本研究首次尝
试将植物修复和电修复两种方法相结合及在污泥中加
入一定浓度的KCl进行盆栽野芋试验,探讨该处理方法
对城市污泥中重金属Cu、Zn的治理效果。
通电和KCl处理对野芋吸收城市污泥
重金属Cu、Zn的影响
廖 凌
(广州市环境保护科学研究院,广东 广州 510620)
摘 要:采用植物修复与电修复相结合并加入KCl的处理方法进行野芋盆栽试验,研究了该处理方法对城市污泥中重
金属Cu、Zn的治理效果,以及对植物的生物量及Cu、Zn在植物体内的积累和根际土壤pH值等的影响。结果表明:污泥中
加入KCl和进行通电处理均能提高野芋对Cu、Zn的吸收,且野芋根、茎对Cu、Zn的吸收量随着处理时间的延长而增加,但
在经通电和KCl处理的野芋生物量下降,这可能与通电后污泥酸化及野芋植株对Cu、Zn的耐受力有关。
关键词:城市污泥;重金属;植物修复
中图分类号:X53 文献标识码:A 文章编号:1004-874X(2008)05-0078-04
StudiesontheuptakeandaccumulationofAlocasiamacrorhiza
toCu、Zninmunicipalsewagesludge
LIAOling
(GuangzhouResearchInstituteofEnvironmentalprotection,Guangzhou510620,China)
Abstract:Withthedevelopmentofthesocietyandeconomy,municipalsewagesludgethatisproducedinsewage
treatmentprocesshasbecomeoneofthefocuses.Weatemptedfirstlytotreatheavymetalsinmunicipalsewagesludgeunder
KClandelectricitytreatment,whichAlocasiamacrorhizawastestedinthisstudy.Thebiomass,contentofCu,Zn,pHinsewage
sludgewereanalyzed.TheresultsshowedthatthecontentofCu,ZninAlocasiamacrorhizaincreasedunderelectricityandKCl
treatment,andthelongertheelectricitytimewas,thehigherthecontentwas.Incontrast,thebiomassdecreasedincomparison
tothecontrol.PHwasdecreasedinsewagesludgeunderKClandelectrotothecontroltreatment.Itisnecessarytolookfora
hyper-accumulatortotestinordertotreatheavymetalsinsludgeandbringnoharmtotheplanttested.
Keywords:municipalsewagesludge;heavymetals;phytoremediation
广东农业科学 2008年第5期78
DOI:10.16768/j.issn.1004-874x.2008.05.003
注:表中数据为 5次重复的平均值,同列数据后小写英文字母不同者表示经 DMRT法测验差异显著,表 2同。
表1通电和 KCl处理对野芋和污泥中Cu、Zn含量(mg/kg)的影响
Cu
18.83a
15.62b
15.15b
12.09c
11.7c
8.38d
处 理
KCl+通电10d
通电10d
KCl+通电5d
通电5d
KCl
常规种植(CK)
根
Zn
87.19a
77.66b
74.42b
66.7cd
62.11c
55.54d
Cu
4.54a
4.159b
4.233b
3.94c
3.817cd
3.541d
茎
Zn
64.42a
59.39b
59.95b
56.42c
52.53d
47.18e
Cu
207.3a
203.0a
214.0a
216.8a
197.2a
196.8a
根际污泥
Zn
1146a
1193a
1116a
1156a
1166a
1146a
Cu
207.5a
215.7a
191.8a
198.0a
198.8a
197.0a
非根际污泥
Zn
1284a
1280a
1136a
1231a
1241a
1236a
1材料与方法
1.1试验材料
供试污泥采自广州市大坦沙污水处理厂(城市生活污
水和工业污水的比例为 3∶2),其主要理化性质为:pH
6.52,含水量80.1%,Cond.1.9ms/cm,全N32.25g/kg、
全 P(P2O5)12.185g/kg、全 K(K2O)10.02g/kg、Cu2+
218.5mg/kg、Zn2+1285mg/kg。其中,pH值采用 pH计
电位法(水∶土 =2.5∶1)测定,Cond采用电位法测定,全
N含量采用半微量开氏法测定,全P含量采用浓硫酸-
硝酸消解-钼蓝比色法测定,全K含量采用碱熔-火焰
光度法测定,Cu和 Zn含量用 HNO3-HF-HCl4消煮后
以ICP法测定。
供试植物为野芋(Alocasiamacrorhiza),采自华南
农业大学网球场边绿地,株高25cm左右,且未受重
Cu、Zn污染。
1.2试验方法
试验设KCl+通电 10d、通电10d、KCl+通电 5d、
通电5d、KCl和常规种植(CK)等6个处理,5次重复,
每个重复1盆,每盆种2株野芋。野芋采用直径20cm
、深 30cm的瓦盆栽植,每盆装入污泥 3.5kg。移栽后
适时浇水,并用塑料盆盛接渗出液,然后倒回瓦盆中。
KCl于移栽后 70d加入,每盆用量为 13g(污泥的 K
含量达2%),将KCl粉末均匀撒于污泥表面并疏松土
表;移栽后80d开始进行通电(15V直流电)处理,先
给通电时间为 10d的处理通电,5d后再同时对通电
时间为5d的处理通电,并测定各处理污泥的pH值。
通电处理结束后(移栽后 90d)进行采收,将野芋
植株拔出,采集根际污泥和非根际污泥样品,测定全
Cu和全Zn含量。
野芋植株采收后先用自来水清洗干净,再用去离
子水冲洗,吸干表面水珠后称量鲜重,然后放入鼓风烘
箱内于 90℃下烘 30min,降温至 70℃烘干称重。将烘
干后野芋植株分为地上部和地下部,用不锈钢剪刀剪
碎后按四分法取样,置于玛瑙研钵中研磨,过1mm的
尼龙筛,充分混匀后保存于磨口的广口瓶中,待测。植
株中的 Cu、Zn含量参照《土壤农业化学分析》中的方
法[6]进行测定。
2结果与分析
2.1通电和 KCl处理对野芋和污泥中 Cu、Zn含量的
影响
在污泥中加入KCl及进行通电的条件下,与对照
(常规种植处理)相比,野芋植株体内的 Cu、Zn含量
随着加入KCl和通电时间的延长而提高(表1)。
从表1可以看出,污泥加入 KCl后,在不通电的
情况下,野芋植株根部的Cu、Zn吸收量分别比对照增
加40%和12%,茎部的吸收量分别增加了8%和 11%;
在通电的情况下,通电5d后植株根部的吸收量分别
增加 80%和 34%、茎部的吸收量分别增加 20%和
27%,而通电10d后根部的吸收量分别增加 124%和
57%、茎部的吸收量分别增加28%和37%,通电时间延
长 1倍时根部对 Cu和 Zn的吸收分别提高了 44、23
个百分点,而茎部对Cu和Zn的吸收分别提高了20、
17个百分点。
从表1还可以看出,不加KCl处理与对照相比,通
电 5d后,根部的 Cu、Zn吸收量分别增加 44%和
20%,茎部的吸收量分别增加 11%和 20%;通电 10d
后,根部的吸收量分别增加 86%和 40%,茎部的吸收
量分别增加 17%和 26%,通电时间延长 1倍,根部对
Cu、Zn的吸收分别提高了 46个百分点和 20个百分
点,茎部分别提高了7个百分点和6个百分点。
研究结果表明,污泥中加入KC1和通电处理均能
提高野芋对Cu、Zn的吸收,且以处理时间较长(10d)
的时的吸收量较高。
污泥直接电解能够打开金属-土壤键,使金属离子
由正极向负极移动,富集在负极,从而使正极附近的重
金属得以去除,且通电时间越长,正极附近的去除效果
越好。本研究的结果与这一理论相符。另外,加入 KCl
对植株吸收重金属有一定的促进作用,因K+作为交换
性阳离子进入污泥液相,将吸附在污泥胶体的重金属
离子交换至污泥液相中,使重金属成为能被植物吸收
79
由表2可以看出,通电和KCl处理对野芋生物量
产生了较大的影响,野芋的生物量均降低。在不通电条
件下,污泥中添加 KCl的植株生物量比不加KCl的植
株减少 38%;在通电条件下,无论在污泥中是否添加
KCl,野芋植株的生物量都显著比常规种植处理低。
从表2还可以看出,在相同电压下,通电时间越
长,对植株的毒害越大,生物量下降越明显。其中,与对
照(常规种植处理)相比,添加KCl处理,通电5d后的
生物量增量占对照增量的20%,通电10d后的生物量
增量占对照增量的 10%,通电时间增加 1倍,植株生
物量增量降低1倍;而不加KCl处理,通电5d后生物
量增量占对照增量的81%,通电10d后的生物量增量
占对照增量的 66%,通电时间增加 1倍,植株生物量
仅降低 15%;在通电时间相同的情况下,添加 KCl处
理与不加KCl处理相比,通电后5d的植株生物量增
量降低61%,通电后10d降低56%。
供试植物野芋由于本身对 Cu和 Zn的耐受力较
差,虽然植株体内吸收的 Cu、Zn量较少,且远远没有
达到1%的超累积水平,但是仍对植株生物量产生较
大的影响,说明野芋不能作为污泥重金属治理中的超
富集植物。此外,野芋植株也可能由于通电后污泥酸化
而生长缓慢,以致降低了生物量。
3结论与讨论
由于利用化学方法和物理方法处理污染物容易造
成二次污染,且成本高,因而对大面积低浓度的污染物
的处理难度更大。1983年,Chaney[12]首次提出利用某些
能够超富集重金属的植物清除土壤重金属。实践证明,
利用植物修复受污染的水体和土壤具有操作简单、投
资少、不造成二次污染等优点。近年来我国对重金属污
染植物修复技术有不少研究[13-15],但大多数研究主要集
中在运用超富集植物对被重金属污染水体或土壤的治
理或酸选各中各样的对重金属吸收的超富集植物等方
面。本研究采用植物修复和电修复相结合的方法,对城
市污泥中的重金属进行治理,结果与前人的研究报道
一致[16-17],即在通电的条件下均能提高对重金属的去除
率,且在电压固定时,随着通电时间的延长,植株对重
金属的吸附量更大。
本研究结果表明,污泥中加入KCl能促进植株对
重金属Cu和Zn的吸收,这与加入 H2SO4、(NH3)2CO3、
EDTA的作用相似,即加入的化合物将污泥或土壤中
的重金属从不溶态转换为可溶态的离子进入污泥液相
中,并被植物吸收。因此,通过向污泥中加入 KCl的方
法可以提高重金属的去除率,以达到治理城市污泥重
金属污染的目的。
目前,利用植物的超常规耐性对污染土壤和废水
进行处理已成为国内外环境科学研究的热点和前沿领
域[18-20]。有关研究表明,部分植物可在高浓度重金属条
件下正常生长发育,并在体内累积大量的重金属,最高
时可达植株干重的 1%以上[18,21-23],而植物修复的效率
利用的有效态,促进植株对重金属的吸收。前人的研究
表明,有机络合物如EDTA等能显著地活化土壤中的
Pb[7]、Cu、Zn、Cd[8-9]、Cr和Ni[10],而H2SO4、(NH3)2CO3可以
使 Cu、Zn严重超标的污泥得到有效的治理[11]。本研究
污泥中添加的 KCl与 H2SO4、(NH3)2CO3、EDTA等的作
用相似,即均能将污泥或土壤中的重金属从不溶态的
化合物向可溶态的离子转换,提高对重金属的吸附,从
而使治理后的污泥达到农用标准。
统计分析结果(表1)显示,在不同处理条件下,植
株根际污泥和非根际污泥中的 Cu、Zn含量没有显著
差异;而在相同处理条件下,根际污泥中的 Cu、Zn含
量比非根际污泥略低。其原因可能是由于处理时间较
短,植株吸收的Cu、Zn较少,而大量的 Cu、Zn仍残存
在污泥中所致。
2.2通电和KCl处理对污泥pH的影响
在通电和加入KCl处理的情况下,污泥的 pH值
普遍低于对照,但各处理的差异均不显著(表 2)。从表
2可以看出,污泥通电处理后发生了酸化,pH值普遍
低于 6,这可能是插在污泥中的正极电解水后产生
H+,以及植株根部呼吸作用放出的CO2溶于污泥溶液
后电离出H+,从而造成污泥酸化。
2.3通电和KCl处理对野芋生物量的影响
表2通电和 KCl处理对污泥pH值及野芋生物量的影响
处 理
KCl+通电10d
通电10d
KCl+通电5d
通电5d
KCl
常规种植(CK)
处理前
105.2
110.1
98.9
104.4
110.5
104.2
植株鲜重(g)
处理后
115.5
179.5
120.4
188.5
150.3
228.7
污泥pH
6.024±0.0726
5.866±0.0480
6.026±0.0759
5.870±0.0485
6.002±0.0803
5.878±0.0770
增重
10.3d
69.5b
21.4c
84.1b
39.8c
104.5a
植株干重
(g)
17.4
23.5
19.6
25.2
24.2
27.0
植株含水率
(%)
84.50
86.86
83.65
87.47
84.50
88.00
80
主要取决植物地上部分的重金属含量、生物量以及生
长速率[24]。本研究结果表明,野芋植株地上部分的重金
属含量均随着污泥加入 KCl和通电时间的延长而提
高,但对其生物量产生较大的影响,与常规种植处理相
比,污泥加入KCl和通电处理的植株生物量均有所下
降,通电时间越长,对植株的毒害越大,野芋生物量下
降的幅度越大,说明野芋对重金属的吸入量与生物量
形成呈反比。本研究结果还表明,虽然野芋植株体内吸
收的 Cu、Zn量较低,远没有达到植株干重的 1%以
上,但仍对植株的生物量产生了较大的影响,所以供试
植物野芋不能作为重金属Cu、Zn的超富集植物。
酸度是影响污泥重金属可移动性和生物有
效性的主要因子[25],pH值较低时可增加水溶态金属浓
度,从而促进更多的水溶态金属向超富集植物一侧移
动,有利于超富集植物吸收较多的重金属。本研究结果
显示,各添加KCl和通电处理污泥的pH值都低于常
规种植处理的污泥,污泥酸化后有利于重金属被植物
体吸收,而对重金属的吸收又直接影响到植株的生物
量。所以,一方面可能是污泥 pH值的降低,间接影响
了野芋的生物量;另一方面则可能是由于野芋植株所
适宜生长的土壤pH范围较小,通电后污泥酸化使野
芋植株生长缓慢,从而降低了野芋的生物量。因此,建
议采用超富集量大的植物和改善污泥或土壤的酸碱
度,使植物在稳定的污泥或土壤介质中生长,以达到治
理城市污泥重金属污染的目的。
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