污泥源重金属在土壤中的积累、形态和植物有效性研究

发布时间：2020-04-27 18:02

【摘要】：近年来,随着工业化和城市化的迅猛发展,污泥的产生量在急剧增加,如何处置这些大量污泥成为人们高度关注的问题。由于污泥含有促进作物生长发育的有机质、氮、磷和钾等养分,其农业应用被认为是经济可行和环境可持续的方法。但除养分外,污泥所含重金属可随污泥施加进入土壤,若在土壤和作物中积累到一定浓度,则会危害生态安全和人类健康。因此,研究重金属在污泥农用土壤中的积累、形态和植物有效性,对污泥的安全合理施用和农田作物生长都具有重要的指导意义。本研究以山东省德州市陵县定位试验站的小麦-玉米轮作系统为研究样地,选用北京市城市排水集团的污泥为供试污泥,进行为期10年的污泥连续农用田间试验,研究污泥农用后土壤和作物中锌(Zn)、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、镉(Cd)、铅(Pb)、砷(As)和汞(Hg)的含量变化及累积模型,并预测污泥的安全施用年限;采用连续浸提法对污泥农用后土壤中Zn、Cu、Ni、Cd和Pb的形态分布进行研究,并分析其主控因子。取得主要研究结果如下:首先,经过10年的污泥连续施加,耕层(0~20 cm)土壤中Hg、Zn、Cu、Pb和Cd的含量与污泥施加量之间呈显著正相关关系,每年每公顷增施1 t污泥,这五种重金属的增加量分别为6.20、619、92.9、49.2和0.500μg?kg~(-1);而Ni、As和Cr的含量则无明显变化。按照农用泥质标准(CJ/T 309-2009),污泥施用量为7.5 t·ha~(-1)·year~(-1)的情况下,土壤中Hg含量达到土壤环境质量(GB 15618-1995)二级标准之前,污泥可以安全施用18年,对Zn来说为51年,对其他重金属来说,时间更长(Cu:112年;Cd:224年;Pb:902年)。因此,Hg是污泥农用的优先控制污染元素。污泥农用对小麦和玉米籽粒及秸秆中重金属含量的影响因重金属种类的不同而存在一定差异。小麦籽粒中Zn和Ni的含量,玉米籽粒中Zn、Cu和Cr的含量,小麦秸秆中Zn、Cr和Ni的含量,玉米秸秆中Zn、Cu和As的含量随污泥施加量的增加而线性增加;而小麦秸秆中Cu的含量和玉米秸秆中Cr的含量则具有相反的变化趋势,其余重金属含量无明显变化。虽然作物中有些重金属含量随污泥施加量及施加年限的增加出现积累现象,但其含量远低于国家食品卫生标准(GB 2762-2005)规定的限值。因此,对于德州小麦和玉米来说,污泥连续农用10年不会造成农产品的重金属污染,作物籽粒可以安全食用,作物秸秆可以用作秸秆还田和其他用途。通过对重金属在作物中的生物富集系数(BCF,Bioconcentration factor)的研究表明,重金属在小麦和玉米籽粒中的平均BCF均小于0.4,且具有相似的富集顺序(小麦籽粒:ZnCuCdHgNiCrPbAs;玉米籽粒:ZnCuCdHgCrNiPbAs);此外,小麦对重金属的富集能力高于玉米,因此,在进行污泥农用试验时,要更注意可能造成的小麦籽粒中的重金属污染风险。采用连续浸提方法对污泥连续施用8年后石灰性土壤中重金属Zn、Cu、Ni、Cd和Pb的形态进行了研究,结果发现:土壤中Zn、Ni、Cd和Pb主要为残渣态(61%~84%),其次为乙二胺四乙酸(EDTA)提取态,而Cu主要为EDTA提取态(42%);污泥农用提高了土壤中Zn、Cu和Cd的EDTA提取态、Zn和Cu的有机质结合态和Cd的残渣态比例,降低了Zn的残渣态、Zn和Cu的晶体铁铝氧化物结合态、Cu的醋酸-醋酸钠提取态和Cd的可交换态比例,而对土壤中Ni和Pb的形态分布无显著影响。研究还发现土壤重金属总量、pH值和有机质含量是影响重金属形态分布的主控因子。综上所述,本研究可为污泥的资源化利用、农用环境污染风险评估及农用标准的制定和完善提供可靠的理论基础和科学依据。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X53

【参考文献】