堆肥污泥重金属在黄土层中的淋溶迁移试验

2012-04-29曾正中,王智博,潘玉,张贺飞,南忠仁

湖北农业科学 2012年5期

曾正中,王智博,潘玉,张贺飞,南忠仁

摘要：采用经强化重金属后的堆肥污泥作为淋溶土柱的重金属来源，通过土柱淋溶试验，研究了堆肥污泥Ｃｄ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ５种重金属在黄土层中的垂直迁移特征，探讨了堆肥污泥施用量及不同淋溶水量对黄土层中重金属迁移分布的影响。结果表明，Ｃｄ、Ｎｉ的淋溶迁移性较好，Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ整体迁移性较差。Ｃｄ和Ｃｕ随淋溶水量增加淋出作用明显增强，增大淋溶水量对Ｎｉ和Ｐｂ的淋出影响无明显增强，表层土中Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｂ含量随淋溶水量增大而累积，深层土情况各异。

关键词：堆肥污泥；重金属；黄土；淋溶；迁移

中图分类号：Ｘ７０５文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）05－0903-04

ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎＬｅａｃｈｉｎｇａｎｄＭｏｖｉｎｇｏｆＨｅａｖｙＭｅｔａｌｓｏｆＣｏｍｐｏｓｔｅｄＳｌｕｄｇｅｉｎＬｏｅｓｓ

ＺＥＮＧＺｈｅｎｇ－ｚｈｏｎｇ，ＷＡＮＧＺｈｉ－ｂｏ，ＰＡＮＹｕ，ＺＨＡＮＧＨｅ－ｆｅｉ，ＮＡＮＺｈｏｎｇ－ｒｅｎ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Uｓｉｎｇｃｏｍｐｏｓｔｅｄｓｌｕｄｇｅａｄｄｉｎｇｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ as the heavy metal resource of leaching loess column， tｈe ｖｅｒｔｉｃａｌｍｉｇｒａｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ（Ｃｄ，Ｎｉ，Ｐｂ，Ｃｕ，Ｚｎ）ｉｎｃｏｍｐｏｓｅｄｓｌｕｄｇｅ was studied；ａｎｄｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｃｏｍｐｏｓｅｄｓｌｕｄｇｅａｎｄｌｅａｃｈｉｎｇｗａｔｅｒｏｎｍｉｇｒａｔｉｏｎｏｆｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓｉｎｌｏｅｓｓ was investigated．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔs ｓｈｏｗｅｄｔｈａｔＣｄ，Ｎｉｈａｄｇｏｏｄｌｅａｃｈｉｎｇｍｉｇｒａｔｉｏｎ ability；ｂｕｔＰｂ，Ｃｕ，Ｚｎｈａｄ ability；ｐｏｏｒｍｉｇｒａｔｉｏｎ ability．Ａｓｔｈｅｗａｔｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ＣｄａｎｄＣｕｌｅａｃｈｅｄｍｏｒｅａｐｐａｒｅｎｔｌｙ；ｂｕｔ it did ｎｏｔ work ｆｏｒＮｉａｎｄＰｂ．ＴｈｅａｍｏｕｎｔｏｆＺｎ，Ｎｉ，Ｐｂｉｎｓｕｒｆａｃｅｌｏｅｓｓｗａｓａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄａｓｔｈｅｔｈｅｗａｔｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｄ，ｂｕｔｉｎｄｅｅｐ loess ｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｗａｓｖａｒｉｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｔｅｄｓｌｕｄｇｅ；ｈｅａｖｙｍｅｔａｌｓ；ｌｏｅｓｓ；ｌｅａｃｈ；ｍｉｇｒａｔｅ

据统计，２００９年全国城镇污水处理厂产生含水率８０％的污泥约２００５万ｔ［１］。随着城镇化水平加快和污水处理量的增加，污泥量将很快突破３０００万ｔ。污泥已成为仅次于城市生活垃圾的第二难处理的固体废物［２］。

我国城市污泥含有大量的有机质及一些植物所需的养分，污泥土地利用具有一定的价值和潜在的优势［３］。研究表明，城市污泥用于农田、林地、草地、市政绿化等有明显效果［４－６］。污泥中有害重金属是制约污泥土地利用的主要瓶颈［７，８］，重金属会在土壤中发生迁移、累积和富集［９－１１］。本研究针对黄土土壤贫瘠，施用污泥可弥补黄土肥力不足的特点，通过室内土柱淋溶试验，旨在探讨污泥重金属在黄土层中的淋溶迁移及分布特征，以期为污泥在黄土地区的利用提供参考。

１材料与方法

１．１供试材料

堆肥污泥（以下简称污泥）为兰州市某污水处理厂脱水污泥经硝酸盐溶剂强化，重金属含量接近《城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质》（ＣＪ２４８—２００７）浓度限值后，再添加木屑及粉煤灰堆肥而成，有机质含量为５８．７％，５种重金属含量见表１。黄土取自兰州市东岗镇黄土梁，分为表层土（表层０～３０ｃｍ）和下层土（表层３０ｃｍ以下），将土样自然风干，碾碎后混匀装袋保存备用。供试黄土基本性质见表２。淋溶水为自来水，ｐＨ７．８３。淋溶水一次取够，装入塑料桶，密封桶口，水浴冷藏。

１．２试验装置及方法

土柱淋溶试验装置见图１。渗透土柱为有机玻璃管内填黄土，管长１ｍ，截面积２７２ｃｍ２。土柱表层２０ｃｍ施用污泥为污泥－黄土混合层，其下为原生黄土，厚４５ｃｍ，上、下端各设３ｃｍ厚的砂滤层及滤网。装土时，控制干密度为１．３６ｇ／ｃｍ３。为消除侧壁效应，填土前柱内壁涂抹凡士林。采用马氏瓶原理供液，土柱上端进液，保持柱顶面液层厚５ｃｍ，使淋液在重力作用下自然流出，每次淋溶完毕稳定３ d后再进行下次淋溶，下端用１０００ｍＬ量筒收集淋出液。为了模拟灌溉条件下重金属在黄土中的淋溶迁移行为，采用自来水进行淋溶试验。

淋溶水量参照农田灌溉旱作用水量４５００ｍ３／（ｈｍ２·年），设计每个试验柱１年期淋溶水量为１２Ｌ，淋溶水量３６Ｌ相当于３年灌溉量。

试验柱表层施用干污泥质量参照污泥农用标准［１２］，堆肥物料按照５５％含水率计，并考虑污泥所占的质量分数，设计试验柱组成方案见表３。

以上５个试验柱可组成２种情况的对比试验，即１年灌溉水量与不同污泥施用量的对比试验；相同污泥施用量与１年或３年灌溉水量的对比试验。

１．３测定内容及方法

测定内容主要包括淋溶后土柱剖面中重金属Ｃｄ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ总量。淋溶试验期间，观察和记录试验现象和数据，淋溶结束后，土柱每隔１０ｃｍ分层取样，将每层所取土样混匀，风干碾磨，测定土样重金属含量。重金属含量测定先采用硝酸－氢氟酸－高氯酸消解土样，再利用原子吸收分光光度计法测定其含量。

２结果与讨论

２．１污泥施用量对土柱剖面中重金属迁移的影响

２．１．１对Ｃｄ、Ｎｉ的分布影响１年灌溉水量淋溶下，不同污泥施用量对Ｃｄ、Ｎｉ在土柱剖面中的影响分布见图２。由图２可知，随着表层污泥施用量的增多（柱２＜柱３＜柱４），对应土柱剖面中Ｃｄ、Ｎｉ的浓度也相应增大，其中表层０～２０ｃｍ增加明显，影响较大；下层土中Ｃｄ、Ｎｉ浓度影响较小，但均高于背景柱浓度，说明有部分Ｃｄ、Ｎｉ随淋溶水的渗入发生向下迁移作用，而大部分仍残留于表层土中。由于天然黄土Ｃｄ含量很低，使得Ｃｄ在剖面中的迁移分布量明显大于背景柱１，Ｎｉ在表层以下呈略大于背景值分布。

２．１．２对Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ的分布影响１年灌溉水量淋溶下，污泥施用量对Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ分布的影响见图３。随着表层黄土施用污泥量的增多（柱２＜柱３＜柱４），土柱表层Ｐｂ的浓度增大特征与Ｃｄ、Ｎｉ相同。Ｃｕ、Ｚｎ增加特征各异，如０～１０ｃｍ表土层中，柱３和柱４中的Ｃｕ浓度较接近、而Ｚｎ则出现柱３浓度大于柱４。

总体讲，Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ大多累积于表层０～２０ｃｍ。除柱３有部分Ｚｎ迁移至３０～４０ｃｍ剖面中，在下层土中Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ浓度均和背景柱比较接近，说明Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ整体迁移性较差。

２．１．３土柱表层重金属残留量比较淋溶结束后，将土柱每隔１０ｃｍ分层取样，测定土样中重金属含量，扣除背景值后，计算表层０～２０ｃｍ中重金属含量占土柱重金属总含量的比例，即表层重金属截留比例（表４）。

比较５种重金属在表层的截留比例，可分析各自在表层的富集性。由表４可知，除Ｃｄ、Ｎｉ外，Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ随污泥施用量的增多（柱２＜柱３＜柱４），其表层残留量增多，二者呈正比关系。总体讲，５种重金属的表层截留比例均较大，在１年灌溉水量淋溶下重金属大多数残留在表层，向下迁移的量较少，表层富集性Ｐｂ＞Ｚｎ＞Ｃｕ＞Ｎｉ＞Ｃｄ。

２．２淋溶水量对土柱剖面中重金属迁移的影响

通过１年和３年不同灌溉水量的淋溶试验，得出淋溶水量对重金属Ｃｄ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ在土柱剖面分布的影响曲线（图４）。现对１年柱３和３年柱５不同灌溉水量的影响分析如下。

１）经１年１２Ｌ和３年３６Ｌ水量分别淋溶后，土柱剖面中Ｃｄ、Ｃｕ含量分布特征相似。３年曲线值都明显少于１年曲线值，在下层土柱剖面中３年Ｃｄ浓度接近背景值，而Ｃｕ浓度则小于背景值。这说明Ｃｄ、Ｃｕ随淋溶水量增加而大量淋出，土壤中残留量减少。

２）对比分析图４（ｂ）和图４（ｃ）两种水量的淋溶曲线说明，淋溶水量对Ｎｉ、Ｐｂ在黄土中的迁移影响不明显，反倒出现随淋溶水量的增加而累积的现象。如在表层土中，３年淋溶后的Ｎｉ、Ｐｂ含量均高于１年淋溶值，但均低于背景值，说明Ｎｉ、Ｐｂ有一定量的淋出。在下层土柱剖面中，１年淋溶Ｎｉ浓度接近背景值，３年淋溶Ｎｉ浓度仍保持向下累积作用而高于１年淋溶值（深度２０～５０ｃｍ），而两种淋溶后的Ｐｂ含量均接近背景值。

３）在表层０～２０ｃｍ污泥黄土混合层中，两种淋溶后的Ｚｎ含量曲线非常相似于Ｐｂ的分布曲线，即３年淋溶值大于１年淋溶值，出现随淋溶水量的增加而累积的现象，但二者均小于背景值。在２０ｃｍ以下，两种淋溶后的Ｚｎ含量曲线呈交叉现象，但均大于背景值，说明有一定量的Ｚｎ自表土层向下迁移。

３结论

１）淋溶土柱０～２０ｃｍ为堆肥污泥和黄土按不同比例均匀混合而成的施肥层，构成了淋溶作用下不同重金属浓度水平的源强。施肥层重金属浓度随污泥施用量增大而增大，２０ｃｍ以下土层中重金属含量为黄土背景值。

２）１年灌溉水淋溶后，不同源强土柱中Ｃｄ、Ｎｉ浓度均高于背景柱浓度，说明有部分Ｃｄ、Ｎｉ随淋溶水的渗入发生迁移，且Ｃｄ的程度大于Ｎｉ；２０ｃｍ以下剖面中，Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ浓度与背景值接近，说明Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ整体迁移性相对较差。

３）１年灌溉水淋溶后，５种重金属的表层截留比例均较大，向下迁移的量较少，Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ的表层截留比例与污泥施用量呈正比关系。表层富集性Ｐｂ＞Ｚｎ＞Ｃｕ＞Ｎｉ＞Ｃｄ。

４）Ｃｄ和Ｃｕ随淋溶水量增加而大量淋出，在黄土中的残留量减少；淋溶水量增加对Ｎｉ和Ｐｂ的淋出作用不明显；表层土中Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｂ含量随淋溶水量增大而累积，深层土情况各异。

参考文献：

［１］中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国国家发展和改革委员会．城镇污水处理厂污泥处理处置技术指南（试行）［Ｚ］．２０１１.４－５．

［２］曾正中，张贺飞，潘玉，等．污泥添加粉煤灰堆肥化对Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｂ形态的影响［Ｊ］．水土保持学报，２０１１，２５（５）：１４４－１４６．

［３］李艳霞，陈同斌，罗维，等．中国城市污泥有机质及养分含量与土地利用［Ｊ］．生态学报，２００３，２３（１１）：２４６４－２４７４．

［４］王新，周启星，陈涛，等．污泥土地利用对草坪草及土壤的影响［Ｊ］．环境科学，２００３，２４（２）：５０－５３．

［５］张增强，殷宪强．污泥土地利用对环境的影响［Ｊ］．农业环境科学学报，２００４，２３（６）：１１８２－１１８７．