基于发酵残留物改良修复后土壤的试验研究

王　晋,李习伟,徐　冉,方新磊,李定龙

(常州大学环境与安全工程学院,江苏 常州 213164)



基于发酵残留物改良修复后土壤的试验研究

王晋,李习伟,徐冉,方新磊,李定龙

(常州大学环境与安全工程学院,江苏 常州 213164)

摘要：为了提高修复后土壤的肥力，从而重建修复土壤的生态系统，以修复后土壤的理化性质为基础，研究基于发酵残留物改良修复后土壤的利用方案。分析经淋洗修复的镉污染土壤和经热解析修复的苯系物污染土壤与普通农田土壤的土壤肥力差异，并对两类修复后土壤添加发酵残留物，通过试验综合考察不同类型土样的碱性磷酸酶活性、土壤孔隙度和植物中污染物浓度，研究发酵残留物改良修复后重金属污染土壤和有机物污染土壤的效果。结果表明：将发酵残留物与修复后土壤配比以达到改良土壤的方法是可行的，一方面可以满足植物的生长需要，另一方面可以降低植物中污染物的浓度。

关键词：发酵残留物；修复后土壤；碱性磷酸酶活性；土壤肥力；污染物浓度

2014年环境保护部和国土资源部联合发布了《全国土壤污染状况调查公报》，调查结果显示，我国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出,全国土壤总的点位超标率为16.1%[1]。其中，以无机重金属和有机化合物污染为首。在针对这些污染土壤修复的具体实践中，多采用化学修复或物理化学修复为主[2]，而此类修复虽然降低了污染物的生物有效性，但也降低了土壤肥力和破坏了原有生态系统[3]。因此，有必要对修复土壤掺杂土壤改良物质提高微生物和微量元素的生物有效性，继而提高修复后土壤的肥力，从而重建修复土壤的生态系统，恢复周边环境质量以及土地的经济利用价值。

在城市剩余污泥的处置中，厌氧处理正逐渐成为污泥高效利用的途径，但厌氧发酵之后的残留物并没有得到充分利用[4]。由于发酵残留物含有丰富的活性微生物和氮、磷等微量元素以及腐殖酸、磷酸酶等生物活性物质，可以将其进行适当处理以改良修复后土壤[5-6]。国内有研究将农用沼气发酵残留物施加在农田土壤中，增加土壤肥力从而使农作物产量增加、质量提高[7]。沼气发酵残留物主要应用于肥料、饲料、生物农药和培养料液等农产品生产中，很少应用在盐碱土壤改良中，尤其是修复土壤的改良。国外有研究采用有机废弃物堆肥修复土壤金属污染[8-9]，这种方法理论上可直接与金属产生氧化还原作用、沉淀作用和吸附作用，间接改变酸碱度、氧化还原电位等土壤理化性质，从而降低土壤重金属的生物有效性和移动性。但在实际操作中，由于土壤的类型(细质、砂质土壤等)、重金属的种类(铜离子、铬离子等)和堆肥的物质组成不同，其修复效果各有不同，且限于时限性，反应产生的络合金属可能重新得到活化。

本文基于发酵残留物改良修复后土壤，既能够减少城市污泥和发酵残留物对环境的污染，又可以提高化学修复土壤的有益活性物质的生物有效性，也可以将土壤修复和污泥处置协同利用，最终达到固体废弃物资源化处理和增加物质循环有效途径的目的。

1材料与方法

1.1试验药剂和仪器

试验药剂：氯化镉；间二甲苯；30%H2O2；氢氟酸；浓硝酸；甲醇等。

试验仪器：火焰原子吸收分光光度计(NovAA300，德国耶拿分析仪器股份公司)；高效液相色谱仪(Agilent1200，美国安捷伦科技有限公司)；微波消解仪(TOPwave，德国耶拿分析仪器股份公司)等。

1.2试验方法

1.2.1样品采集与处理

发酵残留物取自课题组厌氧发酵试验的发酵罐内剩余物质，将其搅拌2min，静置沉淀3h后倒出上部沼液。

修复后的污染土壤配制：取农田土风干过20目筛，接着用典型重金属污染物镉(Cd)和有机污染物苯系物(间二甲苯)分别对土壤进行染毒，浓度分别为100mg/kg(氯化镉)和128mg/kg(间二甲苯)，最后按照文献[10]和文献[11]的修复方案分别处理染毒后土壤，即为修复后的污染土壤。

1.2.2室内种植培养

测量农田土壤、修复Cd污染土壤、修复间二甲苯污染土壤和发酵残留物4种土壤的肥力(即pH值、总有机质含量、碱性磷酸酶活性、总孔隙度)，并根据土壤脲酶和碱性磷酸酶活性与土壤肥力之间呈显著相关关系[12]，基于农田土壤与修复Cd污染土壤、修复间二甲苯污染土壤碱性磷酸酶活性的差异添加发酵残留物。4种土壤的理化性质见表1。

表1　土壤的理化性质

设置农田土壤(A)、未添加发酵残留物修复Cd污染土壤(B)、未添加发酵残留物修复间二甲苯污染土壤(C)、添加发酵残留物修复Cd污染土壤(D)、添加发酵残留物修复间二甲苯污染土壤(E)共5种类型土样，选择含羞草作为种植植物。其中，D和E类型土样基于碱性磷酸酶活差异值的0.5倍(D1和E1)、1倍(D2和E2)、2倍(D3和E3)、3倍(D4和E4)添加发酵残留物，每个类型土样分别设置三个平行样。

在植物种植过程中测量各种类型土样的碱性磷酸酶、总孔隙度，种植完成后测量植物中的污染物残留量。

1.3分析方法

有机质含量采用重铬酸钾容量法测定[13]；碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法测定[12]；总孔隙度采用环刀法测定[14]；间二甲苯浓度采用高效液相法测定[15]；镉浓度采用火焰原子吸收分光光度计测定[10]。

2结果与讨论

2.1发酵残留物改良修复后重金属污染土壤的效果

2.1.1不同配比情况下土壤碱性磷酸酶活性的变化

土壤碱性磷酸酶是一类催化土壤有机磷化合物矿化的酶,可催化磷酸脂类或磷酸酐的水解,其活性高低直接影响着土壤中有机磷的分解转化及生物有效性[16]。D4类型土样种植的含羞草未见发芽生长，因此图1仅列出5种类型土样碱性磷酸酶活性的变化情况。由图1可见，同一时段不同类型土样的碱性磷酸酶活性表现为：B

图1　不同类型土样碱性磷酸酶活性随时间的变化Fig.1　Changes of alkaline phosphatase activity of　　　different types of soil samples with time

2.1.2不同配比情况下土壤孔隙度的变化

经测量土壤容重计算得出的不同类型土样孔隙度见图2。由于厌氧污泥发酵残留物黏度较高，土样中发酵残留物越多，会致其总孔隙度越低，而D4类型土样经配比完成后土壤在第2天呈现板结，最终致使D4类型土样不能成功种植植物。

图2　不同类型土样的孔隙度Fig.2　Porosity of different types of soil samples

2.1.3种植完成后植物中重金属含量分析

将种植30d后每种类型土样中的含羞草取出并测定其镉浓度，其结果见图3。由图3可见，未添加发酵残留物修复Cd污染土壤(即B类型土样)植物中镉浓度最高，为1.23mg/kg，而添加发酵残留物修复Cd污染土壤(即D1、D2和D3类型土样)植物中镉浓度明显下降，其中D3类型土样植物中镉浓度仅为B类型土样的50%左右。出现该试验结果的主要原因是发酵残留物中含有大量的腐殖酸(约为30%)，腐殖酸与重金属镉结合形成络合物，从而降低了镉的移动性[18]。

图3　不同类型土样植物中镉浓度Fig.3　Cd concentration in the plants from different　　　types of soil samples

2.2发酵残留物改良修复后有机物污染土壤的效果

2.2.1不同配比情况下土壤碱性磷酸酶活性的变化

图4　不同类型土样碱性磷酸酶活性随时间的变化Fig.4　Changes of alkaline phosphatase activity of　　　different types of soil samples

C类型土样种植的含羞草虽有部分发芽，但到第5天全部枯死，因此图4中仅列出其他5种类型土样的碱性磷酸酶活性。由图4可见，同一时段不同类型土样的碱性磷酸酶活性表现为：E1

2.2.2不同配比情况下土壤孔隙度的变化

经测量土壤容重计算得到的不同类型土样孔隙度见图5。由图5可见，基于发酵残留物高黏度的特点，随着土样中发酵残留物的增加，土样孔隙度也在不断下降。6种类型土样的最低孔隙度为28%，在其后的含羞草种植过程中土样未发生板结情况，除了C类型土样养分流失严重之外，其他土样都能满足含羞草正常生长的需求。

图5　不同类型土样的孔隙度Fig.5　Porosity of different types of soil samples

2.2.3种植完成后植物中有机物含量分析

图6　不同类型土样植物中间二甲苯浓度Fig.6　Xylene concentration in the plants from different　　　types of soil samples

将种植30d后每种类型土样中的含羞草取出并测定其间二甲苯浓度，其结果见图6。由图6可见，添加发酵残留物修复间二甲苯污染土壤(即E1、E2、E3和E4类型土样)植物中间二甲苯浓度明显下降，含羞草中间二甲苯浓度由0.325mg/kg降至0.075mg/kg。出现该试验结果的主要原因是腐殖酸可通过疏水作用、配位交换及氢键作用固定有机污染物(即间二甲苯)[19]。

3结论

本文通过试验基于发酵残留物改良修复后重金属污染土壤和有机物污染土壤，得到如下结论：

(1) 从不同类型土样的碱性磷酸酶活性、土壤孔隙度和植物中镉浓度的分析来看，D4类型土样不能成功种植植物；B类型土样虽有近半含羞草能生长，但其含羞草中镉浓度较高(1.23mg/kg)；D1、D2和D3类型土样都能满足含羞草生长需要，其中D3类型土样植物中镉浓度最低(0.58mg/kg)，因此最佳配比土壤为D3类型土样。

(2) 从不同类型土样的碱性磷酸酶活性、土壤孔隙度和植物中间二甲苯浓度的分析来看，C类型土样不能成功种植植物；E1类型土样虽能满足含羞草生长，但其含羞草中间二甲苯浓度较高(0.325mg/kg)；E2、E3和E4类型土样都能满足含羞草生长需要，其中E3、E4类型土样植物中间二甲苯浓度相差无几，因此最佳配比土壤为E3类型土样。

(3) 将发酵残留物与修复后土壤配比，可以限制重金属在土壤中的移动，从而降低所在区域植物的重金属含量，也可以固定有机污染物继而降低区域植物的有机污染物含量，可见将发酵残留物与修复后土壤配比以达到改良土壤的方法是可行的。

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Experiment Study on Improving Repaired Soil BasedonFermentationResidues

WANGJin,LIXiwei,XURan,FANGXinlei,LIDinglong

(School of Environment & Safety Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)

Abstract:In order to improve fertility of the repaired soil and reconstruct the soil ecosystem,this paper explores the application scheme of improving repaired soil by fermentation residues based on the physicochemical properties of repaired soil.The paper analyses the differences of soil fertility among the cadmium contaminated soil by leaching remediation,the BTEX contaminated soil by thermal desorption remediation and ordinary agricultural soil.Then,by adding fermentation residues into the two types of repaired soil,the paper comprehensively investigates the alkaline phosphatase activity,soil porosity and concentrations of pollutants in the plants from different types of soil samples,and anzlyzes the effect of fermentation residues on improving the repaired soil contaminated with heavy metal and organics.The experimental results show that it is feasible to mix the fermentation residue into repaired soil to improve soil fertility,which not only meets the demand of plant growth but also reduces the concentration of the pollutants in the plant.

Key words:fermentation residues;repaired soil;alkaline phosphatase activity;soil fertility;pollutant concentration

文章编号：1671-1556(2016)03-0053-05

收稿日期：2015-10-23修回日期：2015-12-09

基金项目：江苏省产学研联合创新前瞻性研究项目(BY2014037-25)；江苏省研究生培养创新工程项目(1110)

作者简介：王晋(1974—)，男，副教授，主要从事固体废弃物资源化处置方面的研究。E-mail:wangjin001@cczu.edu.cn

中图分类号：X53

文献标识码：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.009