城市污泥农用的可行性及风险评价研究

发布时间：2020-11-04 07:11

　　 城市污泥是污水处理厂在废水处理过程中所产生的沉淀物质,是由有机残片、细菌菌体、无机颗粒及胶体等组成的极其复杂的非均质体。随着我国城市化进程的加快和污水处理率的提高,城市污泥的产生量也在急剧增加,急需无害化处理和资源化处置,综合比较各种污泥处置方式,污泥农用是一种经济有效的方法之一。我国在建立基于污泥农用研究的污染物的数据库方面的科学积累严重不足；对污泥农用后的环境效应进行风险评价方面的研究还较为薄弱；缺少长期定位田间试验的数据和结果；另外,由于城市污泥农用引起的氮、磷对土壤的污染风险也没有通过长期田间试验研究来进行分析和评价；以上问题皆是当前迫切需要解决的课题。 本研究针对我国城市污泥的合理施用及我国污泥农用标准的制定中尚须解决的问题,通过代表性的石灰性土田间试验,研究施用污泥对土壤环境质量及作物生长的影响,确定污泥的安全、适宜用量,评估污泥施用的环境和农业风险,为污泥农用的可行性研究提供科学依据；通过对污泥农用的痕量元素土壤—植物间的转移系数的采集及数据库的建立,探讨了物种敏感性分布法在农用污泥中镉的阈值与风险评价研究中的应用,为城市污泥安全合理农用和我国污泥农用标准的制定提供理论依据和数据基础。本研究主要获得以下研究结果： 以北京为例,研究了城市污泥中养分和痕量元素的动态变化,其结果显示北京市污泥呈高氮磷、低钾的特点,养分、有机质含量及pH均符合农业行业有机肥料标准(NY525-2002)。北京市污泥中Zn、Cu、Cr、Pb、Ni、As、Hg、Cd的含量平均值依次为1075、96、78、39、33、13.6、10、1.6mg kg-1,污泥痕量元素Cr、Cu、Cd、Ni、Pb和As的含量都远低于农用泥质标准(CJ/T 309-2009),但Zn含量接近A级污泥限值(1500 mgkg-1),Hg含量高于A级污泥限值(3 mg kg-1)。北京市污泥中的风险元素是Zn和Hg,特别是Hg,是中国城市污泥中Hg平均含量的3.6倍,北京市污泥农用要注意Hg的污染。 选用山东德州田间位点进行了为期5年的污泥农用田间试验,研究结果显示施加污泥处理增加小麦、玉米籽粒中总氮(TN)、总磷(TP)含量,且施加污泥处理的作物产量维持在一个较高水平,其效果如同施加氮肥、鸡粪的处理；根据污泥施用后的小麦、玉米的籽粒产量效应函数得出小麦、玉米当年的最佳施肥量为18t ha1yr-1。 在小麦-玉米轮作系统中,基于作物对氮的需求施用污泥到土壤中会导致土壤磷的累积,土壤中施加可溶性磷肥与施加污泥在土壤有效磷(Olsen-P)的累积方面有相似的趋势；在小麦-玉米轮作的石灰性土壤中,在施用78.6-1274千克污泥磷范围内,建立了以土壤起始的Olsen-P浓度、污泥磷的施用量、作物产量、土壤pH和耕作时间为参数的模型来预测土壤Olsen-P的浓度和磷的累积速率。 德州石灰性土壤经过5年的污泥施加,耕层(0-20 cm)土壤中所有8种痕量元素含量均显著性的增加,尤其是Zn、Cu、Cd和Hg四种元素；而鸡粪处理的土壤中痕量元素含量则没有显著变化；土壤中Zn、Cu、Cd、Hg的含量(mgkg-1)与土壤中污泥施加量(t ha-1)之间存在着显著的线性回归关系,土壤中每年每公顷增施1吨污泥,土壤中Zn、Cu、Cd,Hg含量分别增加1.10、0.128、0.00099、0.0062 mg kg-1；按照农用泥质标准(CJ/T309-2009)每年施用7.5 t ha-1污泥的情况下,土壤中Hg含量达到土壤环境质量二级标准(GB15618—1995)所需要的年限为最短(18年),其次是Zn(30年),其它痕量元素所需年限较长(30年)。 施用污泥处理显著增加了小麦和玉米籽粒中Zn的含量。小麦和玉米籽粒中除Cr、Pb个别处理超过国家食品卫生标准(GB 2762-2005)外,其他元素含量均达标。小麦、玉米籽粒对痕量元素的BCF均小于0.5,小麦籽粒对痕量元素的BCF大小顺序为：Zn＞Cu＞Cd＞Cr、Hg＞Pb＞Ni＞As;玉米籽粒对痕量元素的BCF大小顺序为：Zn＞Cu＞Cd＞Cr＞Pb＞Hg＞Ni＞As。 利用转移系数和物种敏感性分布研究了农用污泥中镉的阈值,研究结果显示土壤镉阈值(HC5值)主要受土壤pH和有机碳含量(OC)的影响,pH是最主要的影响因子,可控制HC5值变异的62.7%,OC可控制HC5值变异的25.2%。通过土壤镉HC5值与土壤pH和OC的关系建立的预测模型能较好地预测不同类型土壤中的镉阈值,为土壤镉生态环境质量标准的制定和执行提供科学基础。基于土壤总镉含量限制的污泥农用风险评价模型的建立较好地控制不同类型土壤中的施加污泥的总量及污泥的总镉含量限制,为城市污泥安全合理农用提供理论依据。 本文的创新点：在我国首次利用长期定位田间试验研究了污泥农用对小麦-玉米轮作体系的影响,利用量化模型研究了污泥养分元素和重金属元素在土壤与植物体系中的积累及转运规律；基于污泥农用的Cd的BCF数据,构建了Cd在不同类型土壤中的SSD曲线,探讨SSD法在农用污泥中Cd的环境风险评价研究中的应用,并提出了污泥中痕量元素首要控制因素,限量标准和使用年限,为污泥资源化利用提供了可靠的依据。
【学位单位】：首都师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：X703
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
图目录
表目录
第一章 综述
    引言
    1.1 城市污泥的性质
        1.1.1 有机质和养分
        1.1.2 重金属
        1.1.3 城市污泥中的有机污染物
    1.2 城市污泥农用的环境效应
        1.2.1 污泥农用对土壤性质的影响
        1.2.2 污泥农用对土壤重金属及其生物有效性的影响
        1.2.3 污泥中有机物对环境的影响
    1.3 我国城市污泥农用标准的研究进展
第二章 研究内容与方法
    2.1 研究内容
    2.2 研究技术路线
    2.3 试验材料与方法
        2.3.1 试验位点、气候及土壤性质
        2.3.2 田间试验设计
        2.3.3 田间试验管理
        2.3.4 试验样品采集和制备
            2.3.4.1 土壤样品的采集和制备
            2.3.4.2 植物样品的采集和制备
        2.3.5 试验样品的分析、测定
            2.3.5.1 土壤样品的分析
            2.3.5.2 植物样品分析
        2.3.6 数据分析
第三章 城市污泥的主要性质和元素组成的动态变化-以北京为例
    引言
    3.1 北京城市污泥养分含量、有机质及pH动态变化
    3.2 北京市污泥痕量元素含量动态分析
    3.3 北京市污泥农用的Hg污染风险
    3.4 小结
第四章 污泥不同用量对作物产量和作物养分含量的影响
    引言
    4.1 污泥施用对小麦产量的影响
        4.1.1 小麦籽粒产量
        4.1.2 小麦生物产量
    4.2 污泥施用对小麦养分吸收量的影响
    4.3 污泥施用对玉米产量的影响
        4.3.1 玉米籽粒产量
        4.3.2 玉米生物产量
    4.4 玉米养分吸收量
    4.5 作物产量效应与污泥施用量
        4.5.1 小麦产量效应与污泥施用量
        4.5.2 玉米产量效应与污泥施用量
    4.6 小结
第五章 污泥农用对土壤中氮、磷的平衡及累积影响
    引言
    5.1 试验材料与方法
        5.1.1 材料与方法
        5.1.2 公式计算
        5.1.3 数据分析
    5.2 结果与分析
        5.2.1 施加污泥的土壤中氮的输入输出平衡
        5.2.2 施加污泥对作物和土壤中氮的影响
        5.2.3 施加污泥的土壤中磷的输入输出平衡
        5.2.4 施加污泥对作物和土壤中磷的影响
    5.3 讨论
    5.4 小结
第六章 污泥农用对土壤中痕量元素的累积影响及其模型研究
    引言
    6.1 材料与方法
        6.1.1 供试材料
        6.1.2 方法与试验
    6.2 结果与分析
        6.2.1 施加污泥对土壤痕量元素含量的影响
        6.2.2 污泥痕量元素在石灰性土壤中的累积模型
    6.3 讨论
    6.4 小结
第七章 长期施用污泥对作物痕量元素含量及其土壤—作物转移系数的影响
    引言
    7.1 材料与方法
        7.1.1 供试材料
        7.1.2 方法与试验
        7.1.3 数据分析
    7.2 结果与分析
        7.2.1 施加污泥对小麦籽粒痕量元素含量的影响
        7.2.2 施加污泥对玉米籽粒痕量元素含量的影响
        7.2.3 施加污泥对痕量元素在土壤-小麦、玉米籽粒中累积及转运的影响
    7.3 讨论
    7.4 小结
第八章 物种敏感性分布在污泥农用土壤镉的阈值建立与风险评价中的应用研究
    引言
    8.1 材料与方法
        8.1.1 污泥镉转移系数的筛选与处理
        8.1.2 基于污泥农用的镉的转移系数数据的归一化处理
        8.1.3 物种敏感性分布拟合函数的选取
    8.2 结果与讨论
        8.2.1 各物种镉转移系数的分布函数的比较与确定
        8.2.2 归一化与未归一化的物种敏感性分布曲线比较
        8.2.3 不同性质土壤中镉的5%危害浓度（HC5）值
        8.2.4 土壤性质对5%危害浓度（HC5）值的影响
        8.2.5 土壤镉HC5值的预测模型
        8.2.6 基于土壤总镉含量限制的污泥农用风险评价模型
        8.2.7 污泥镉含量对污泥施用期的影响
    8.3 小结
第九章 对农用污泥中痕量元素限量标准的探讨
    引言
    9.1 我国污泥农用中痕量元素标准与欧盟和美国标准比较
    9.2 国内外污泥农用痕量元素控制标准制定的差别
    9.3 污泥农用标准的理论基础研究进展
        9.3.1 我国城市污泥中痕量元素含量及存在形态的现状分析
        9.3.2 城市污泥中痕量元素的生物有效性
    9.4 对我国城市污泥农用标准的探讨
        9.4.1 污泥中的镉
        9.4.2 污泥中的铬
        9.4.3 污泥中的汞
        9.4.4 污泥中的铅
        9.4.5 污泥中的砷
        9.4.6 污泥中的铜、锌、镍
    9.5 小结
第十章 结论与研究展望
    10.1 结论
    10.2 本研究的创新点
    10.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简历

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本文编号：2869797