施加污泥堆肥对铅锌尾矿中黑麦草长势及重金属稳定性影响

2021-10-12艾艳君卢赛李富平俞强谢雯倩谷海红

矿产综合利用 2021年4期

艾艳君，卢赛，李富平,3,4，俞强，谢雯倩，谷海红,3,4

(1.华北理工大学矿业工程学院，河北唐山 063210；2.华北理工大学化学工程学院，河北唐山 063210；3.河北省矿区生态修复产业技术研究院，河北唐山 063210；4.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北唐山 063210)

一般地，尾矿中的重金属不能被生物降解，易在水蚀、淋洗和径流等作用下污染周边土壤和水体，甚至可能直接威胁到高等生物包括人类的生命健康[1]。如Cu和Zn虽然是植物动物和人体必须的微量元素，但当其含量超过较高允许浓度时，将会使动植物受到危害；Pb和Cd都是动、植物非必需的有毒有害元素。如果尾矿中的重金属迁移到周边土壤并累积，则有可能通过食物链进入人体，给人类带来危害。我国铅锌矿产资源丰富，生产能力、消费量和出口量都居世界前列，是我国矿种。但铅锌尾矿由于酸性较强、重金属含量高和理化性质不良等因素导致修复困难，单一修复效果有限，可以考虑综合利用植物、微生物和化学等修复方法，进行联合修复[2]。

1983年，美国科学家CHANEY[3]首次提出植物修复的概念。植物修复技术经济性较好，对环境友好，能够保持土壤生产力和无二次污染等优点，近年来一直是国内外重金属污染矿山修复的研究热点[4-5]。尾矿植被修复可以利用植物的根系稳定重金属，有效控制重金属的淋洗，同时植被恢复可以降低重金属的有效态含量，使重金属的活性降低，有效实现对尾矿库重金属污染的修复[6]。有研究显示，黑麦草易于种植，生物量较大，对多种重金属均具有的优势较好的抗耐性，且具有一定的观赏价值，是较好的修复被重金属污染的土壤修复植物[7]。朱佳文等[8]在研究黑麦草、黑麦草联合菜园土和赤泥等改良剂对铅锌尾矿的理化性质和微生物性状的改良影响中证明，添加改良剂显著增加了黑麦草的生物量，减少了黑麦草根部重金属含量。

有研究发现，有机肥在改善土壤理化性质方面有特殊作用。目前我国城镇化水平不断提高，污水处理设施建设高速发展，污水处理厂的建设投运会产生大量的剩余污泥，按照预测，到2020年污泥产量将突破年6000万t[9]。国内外城市污泥的处理和处置方法主要有填埋、焚烧和土地利用。污泥填埋需要投入较高的运输成本，而且占用大量土地；而污泥焚烧和干化成本较高；露天堆放和外运成本高，而且容易造成环境污染。近年来，越来越多的人开始研究将污泥堆肥化处理制成有机肥。王建湘等[10]发现使用污泥堆肥作为栽培基质可以明显改善凤仙花的生长发育。Warman等[11]研究发现，施加污泥堆肥能为作物生长提供氮、磷和钾等养分。不过，污水处理厂产生的污泥可能含有微生物病原体、微量金属元素和有机污染物，Lakhdar等[12]人在麦田施加污泥堆肥后，小麦地上部分的Ni、Pb、Cu和Zn等重金属含量显著增加。因此，污泥堆肥对铅锌尾矿的修复作用还有待研究。

本研究以铅锌尾矿为研究对象，选用污泥堆肥作为改良剂，耐性较强的黑麦草作为修复植物，研究施加不同剂量的污泥堆肥对黑麦草生长情况以及对铅锌尾矿重金属稳定效果的影响，为污泥堆肥的合理利用提供依据，并为矿区生态修复提供技术支持。

1 实验原料和实验方法

1.1 实验原料

供试尾矿取自河北省保定市涞源县铅锌尾矿库，污泥堆肥取自河北省唐山市丰润污水处理厂。尾矿及污泥堆肥基本理化性质见表1。

从表1可以看出，尾矿中氮和磷等养分含量很低，尾矿重金属含量高，Cd、Zn、Pb和Cu的含量分别为GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准》的52.3、45.3、38.0和22.5倍，不适宜植物生长，并容易对周围环境造成污染。而污泥堆肥中养分含量高，重金属含量比较低，有利于改善尾矿环境质量。

表1 实验材料基本理化性质/（mg·kg-1）Table 1 Basic physical and chemical properties of materials

1.2 实验方法

污泥堆肥与尾矿质量比分别为0%（CK）、5%、10%、20%、30%、40%、50%和100%八个施加剂量。选用口径12 cm，深度11 cm的花盆，每盆装粒度2 mm的风干尾矿0.5 kg，表层覆盖厚度4 cm不同剂量的污泥堆肥与尾矿混合物（2 mm），种植黑麦草并观测其生长。植物培育60 d后收获地上部分植株，收获后采集尾矿样品，收获的植物105 ℃杀青，80 ℃烘干24 h。

1.3 分析方法

用碱解扩散法测定尾矿中速效氮含量。用碳酸氢钠法测定尾矿中速效磷含量。尾矿NH4NO3提取态重金属的测定：将2.0000 g土样加入20 mL的1 mol/L NH4NO3溶液，20 ℃振荡2 h，离心10 min（6000 r/min），过滤，加2滴稀硝酸，置于50 mL塑料瓶，采用电感耦合直读光谱仪测定重金属含量。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2007 软件及SPSS 19.0软件处理数据，并进行Duncan多重比较分析，Origin 9.0 软件作图。

2 实验结果

2.1 施加污泥堆肥对黑麦草生物量的影响

施加污泥堆肥，可增加铅锌尾矿中黑麦草地上部的干鲜重，且随污泥堆肥施加剂量的增加而增加（见图1）。

图1 黑麦草干鲜重Fig. 1 Dry weight and fresh weight of ryegrass

CK处理中的黑麦草可以生存，但长势缓慢，生物量小，地上部干重只有1.47 g，鲜重只有2.60 g。污泥堆肥施加剂量为20%及30%时，黑麦草上部干鲜重显著增加，其中干重分别为CK处理的1.67倍和2.33倍，鲜重分别为CK处理的3.68倍和2.15倍。污泥堆肥施加剂量为40%时，黑麦草地上部干鲜重均达到最大值，分别为4.16 g和14.63 g。可见，污泥堆肥施加剂量为30%及40%时则可有效促进铅锌尾矿中黑麦草的生长，有效增加黑麦草地上部的干鲜重。

2.2 污泥堆肥对铅锌尾矿中速效氮养分的影响

施加污泥堆肥可以使尾矿中速效氮含量增加。随着污泥堆肥施加量的增加，上、下层速效氮含量均呈增长趋势。不同处理上、下层速效氮含量见图2。

图2 尾矿中速效氮含量Fig. 2 Available nitrogen concentrations in tailings

CK处理速效氮含量少，其中上层和下层速效氮含量分别为31.9 mg/kg和22.14 mg/kg，均为各处理中最低，不适宜植物生长。施加污泥堆肥后，上层速效氮含量分别增长了2.3～18.7倍，污泥堆肥施加剂量达到20%后，速效氮含量随施加量增加变化显著，100%处理速效氮含量为各组处理较高；施加污泥堆肥后，下层速效氮含量分别增加了1.3～5.6倍，下层速效氮含量在CK处理到20%处理增速明显，施加剂量达到30%后下层速效氮含量变化不明显。由上可知，施加污泥堆肥有利于对尾矿中速效氮含量的增加，且污泥堆肥所占比例越大，速效氮含量越高。

2.3 污泥堆肥对铅锌尾矿中速效磷养分的影响

不同处理上、下层尾矿速效磷含量见图3。

图3 尾矿中速效磷含量Fig. 3 Available phosphorus concentrations in tailings

施加污泥堆肥有利于对尾矿中速效磷含量的增加，且随污泥堆肥施加剂量增加显著增加。CK处理上层和下层速效磷含量为2.30 mg/kg和2.37 mg/kg，不能满足植物生长需要。污泥堆肥施加剂量达到20%时上层尾矿在速效磷的含量显著增加，20%处理以后各处理的速效磷含量分别为CK处理的10.89、15.33、19.09和36.22倍；下层尾矿速效磷含量在施加污泥堆肥后呈先增加后减少趋势，在施加剂量为20%时达到了峰值，为9.52 mg/kg，施加剂量达到20%之后各组处理之间差异不明显。说明污泥堆肥有利于对尾矿中速效磷的增长，上层尾矿中污泥堆肥施加剂量越多，速效磷含量越高，下层尾矿中速效磷含量随污泥堆肥施加剂量增加无明显变化。

2.4 污泥堆肥对铅锌尾矿中有效态Pb含量的影响

污泥堆肥对尾矿中的Pb有稳定效果。不同处理上、下层尾矿NH4NO3提取态Pb含量见图4。

图4 尾矿中NH4NO3提取态Pb含量Fig. 4 Pb concentration extracted by NH4NO3 in tailings

施加污泥堆肥的各个处理上层尾矿中NH4NO3提取态Pb的含量均显著低于CK处理，但其含量的变化随着污泥堆肥施加剂量的增加呈先减少后增加趋势。CK处理上层NH4NO3提取态Pb含量为8.01 mg/kg，施加剂量为10%时NH4NO3提取态Pb含量达到最低值，为2.54 mg/kg。10%处理后上层NH4NO3提取态Pb有所增加，30%、40%以及50%处理之间无显著差异。下层尾矿中NH4NO3提取态Pb含量随着污泥堆肥施加量的增加呈先增加后减少趋势，只有40%、50%和100%处理NH4NO3提取态Pb含量略低于CK处理。以上说明施加污泥堆肥可有效降低上层尾矿中NH4NO3提取态Pb的含量，且10%处理效果较好。

2.5 污泥堆肥对铅锌尾矿中有效态Zn含量的影响

图5为不同处理上、下层尾矿NH4NO3提取态Zn含量。在施加污泥堆肥后，上层尾矿中Zn的有效性显著降低，下层尾矿Zn的有效性随污泥堆肥施加剂量的增加呈先升高后降低的趋势，且施加加量达到20%以后显著降低。CK处理上层NH4NO3提取态Zn含量为807.31 mg/kg，施加剂量为30%之前的处理随着污泥堆肥施加量的增加NH4NO3提取态Zn含量明显减少，分别比CK处理减少了25.97%、42.40%、85.79%、93.10%和30%处理后NH4NO3提取态Zn含量无显著性差异，施加剂量为100%的处理NH4NO3提取态Zn含量最低为4.34 mg/kg；污泥堆肥施加剂量为20% ～100%处理下层尾矿中NH4NO3提取态Zn含量分别为CK处理的85.67%、94.98%、85.75%、70.07%和59.39%。由上可知，污泥堆肥施加剂量达到20%以后，上下层尾矿中Zn的有效性均能显著降低。

图5 尾矿中NH4NO3提取态Zn含量Fig. 5 Zn concentration extracted by NH4NO3 in tailings

2.6 污泥堆肥对铅锌尾矿中有效态Cu含量的影响

施加污泥堆肥可有效抑制铅锌尾矿中Cu的活性（见图6）。

图6 尾矿中NH4NO3提取态Cu含量Fig. 6 Cu concentration extracted by NH4NO3 in tailings

且随污泥堆肥施加量的增加，抑制作用增强。CK处理上层NH4NO3提取态Cu含量为193.25 mg/kg，污泥堆肥施加剂量达到20%时，NH4NO3提取态Cu的含量降到CK处理的16.75%，施加剂量为100%的处理NH4NO3提取态Cu的含量最低为2.03 mg/kg；CK处理下层NH4NO3提取态Cu含量为169.50 mg/kg，5%和10%处理与CK处理无显著性差异，20%处理后与CK处理有显著差异，20% ～40%各处理间无显著差异。表明污泥堆肥施加剂量达到20%以后可有效降低铅锌尾矿中Cu的活性。

2.7 污泥堆肥对铅锌尾矿中有效态Cd含量的影响

施加污泥堆肥可使上层尾矿中NH4NO3提取态Cd被钝化，下层尾矿中Cd呈现先活化后钝化。不同处理上、下层尾矿NH4NO3提取态Cd含量见图7。

图7 尾矿中NH4NO3提取态Cd含量Fig. 7 Cd concentration extracted by NH4NO3 in tailings

与CK处理相比，污泥堆肥施加剂量达到10%后可使上层尾矿中NH4NO3提取态Cd含量明显减少，30%处理后NH4NO3提取态Cd含量无显著性差异，100%处理NH4NO3提取态Cd含量最低为0.11 mg/kg；污泥堆肥施加剂量在5%～40%之间下层尾矿在施加污泥堆肥后NH4NO3提取态Cd含量略有增加，50%处理后NH4NO3提取态Cd含量显著低于CK处理，50%处理与100%处理NH4NO3提取态Cd含量无显著差异。

3 讨论

本次研究结果显示，随着污泥堆肥在铅锌尾矿中所占比例的增加，黑麦草地上部干鲜重均有所增加。前人[13-15]实验发现，经过污泥堆肥处理且经过调节pH值后的土壤，春小麦发芽率接近自然土，远高于处理前的土壤；污泥堆肥等有机肥的使用能促进植物在铅锌尾矿基质上的成活和生长，还可以有效促进植物的积累生物量增加，金树权等[16]分析了污泥堆肥草坪基质利用对草坪生长的影响，发现马尼拉草的长势随草坪基质中污泥堆肥添加比例的提高而增强，与本次研究结果一致。前人[17]-18发现，植物生物量的增加主要是因为污泥堆肥等有机肥的施加可增加基质中有机质、氮、磷和钾等营养元素含量，促进植物生长，并能显著降低尾矿中重金属有效态含量，与本次实验结果一致。

Jin等发现由鸡粪和农田废弃物制成的生物炭在提高基质中磷和钾等营养元素含量的同时也能显著降低Cd、Cu和Pb的有效性。本研究也表明在施加污泥堆肥后铅锌尾矿中重金属Pb、Zn、Cu和Cd的有效性降低。这可能有两个原因，一是在施用改良剂后，土壤中重金属形态和pH值发生变化，二是有机肥中的腐殖质通过络合和螯合反应，固定重金属，从而降低重金属对作物的毒害。文星等[19]研究发现，使用以生石灰、白云石粉和海泡石制成的土壤改良剂能显著提高土壤pH值，土壤中的Cd和Zn转变为植物不易吸收的形态，土壤中有效态重金属含量显著减少。还有的研究发现，青椒根际土中重金属含量高于基质土含量，由于青椒根系能分泌具有螯合固定和积累重金属作用的物质，促使重金属Cu、Zn、Cr和Cd向青椒根际土迁移。

有的研究表明，由于污泥堆肥中含有重金属，施入量过大，重金属会抑制污泥堆肥中养分的释放，从而抑制作物对养分的吸收，当污泥堆肥施用量超过一定阈值时，草坪草吸收Zn和Cu不再增加，甚至减少。