施用污泥后鉛在玉米和土壤中的富集與分布規(guī)律

摘要：開展動電技術(shù)去除污泥中重金屬，研究不同時間、電壓下重金屬鉛的變化規(guī)律，為盆栽試驗提供適合的厭氧污泥。結(jié)果表明，48 V電壓通電60 min時，厭氧污泥中鉛含量降至最低，濃度為4.83 mg/kg，去除率達到61.67%。采用鄭單958為供試玉米品種，設(shè)置5種污泥處理方式，通過盆栽試驗探討了厭氧消化污泥農(nóng)用過程中鉛元素在玉米植株及土壤中的分布情況。結(jié)果表明，厭氧污泥直接施用可引起玉米和土壤中鉛含量增高，而動電處理后厭氧污泥施肥能有效降低玉米和土壤中鉛含量；各處理下，玉米各器官中鉛含量為根系>葉片>莖稈>子粒，富集系數(shù)為根系>葉片>莖稈>子粒，空間表現(xiàn)為地下部>下部>中部>上部，鉛含量在各土層分布規(guī)律是上層土壤<中層土壤<下層土壤。

關(guān)鍵詞：鉛；玉米；土壤；富集；遷移；動電技術(shù)

中圖分類號：X53；X503.23 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）15-3867-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.15.015

Abstract： To provide suitable anaerobic sludge for pot experiment， the heavy metals in anaerobic sludge were removed by electrokinetic technology， and the Pb removal effects were investigated under different voltages and different reaction time. The results showed the lowest Pb content was obtained under 48 V and 60 min，with Pb content of 4.83 mg/kg and removal rate of 61.67%. The distribution of Pb in maize plants and soil was studied during the process of anaerobic digestion sludge for pot experiment. ZhengDan 958 was selected as the seeds of pot experiment and five kinds of sudge application methods were set. The results showed that， anaerobic sludge was applied directly in field could result in the increase of Pb content in maize plants and soil， while the anaerobic sludge after electrokinetic pretreatment as fertilizer could decrease Pb content in maize plants and soil. Under five kinds of sudge application methods，Pb content in different organs of corn was root>leaf>stem>grain；the enrichment coefficient was root>leaf>stem>grain；the spatial distribution was underground part>lower part>middle part>upper part； distribution regularities of Pb content in the soil layer was the upper soil

Key words： plumbum； maize； soil； enrichment； removal； electrokinetic technology

據(jù)統(tǒng)計，中國城市剩余污泥年產(chǎn)量達2.2×107 t，且每年約以10%的速度增長[1，2]。剩余污泥處置已成為中國城市發(fā)展中需面對的重要問題之一[3]。眾多研究表明，污泥中含有豐富的植物生長所需的氮磷等營養(yǎng)元素[4]，表明污泥土地利用是極具前景的處置方法[1，3]。在西方發(fā)達國家，如比利時、荷蘭、西班牙、瑞典、瑞士、美國和英國等，其城市污泥的農(nóng)用率達50%以上，盧森堡和葡萄牙則高達80%以上[4]。但污泥同時含有多種重金屬和有機污染物等有害物質(zhì)[5，6]，這已成為制約污泥農(nóng)用的瓶頸。因此，研究污泥農(nóng)用過程中，重金屬在植株中富集與遷移規(guī)律對污泥土地資源化利用具有重要意義。

污泥中的重金屬處理主要有兩種途徑。一是將污泥中的重金屬轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定形態(tài)，二是將重金屬從污泥中去除[7，8]。而第一種方法并沒有從根本上解決重金屬危害，所以國內(nèi)外很多學者著重于重金屬去除方法的研究[1，9]，主要包括動電技術(shù)法、生物淋濾法、化學試劑浸提法、植物修復(fù)法等[10]。由于后3種方法都存在處理費用昂貴，可能產(chǎn)生二次污染等問題，所以本研究選擇對污泥進行動電處理，并在處理之前對其進行臭氧曝氣前處理。通過臭氧曝氣打破污泥團粒結(jié)構(gòu)，破壞細胞壁并滅菌消毒[11]。動電技術(shù)基本原理是在固/液相系統(tǒng)中插入電極，通過施加微弱直流電形成電場，利用直流電場產(chǎn)生各種電動力學效應(yīng)，使污染物發(fā)生遷移并富集于陰極區(qū)，從而將污染物去除，降低污泥中重金屬含量[12-15]。

本研究利用臭氧曝氣+動電技術(shù)去除厭氧污泥中的重金屬鉛（Pb），分別比較了純土培養(yǎng)、厭氧污泥施肥、臭氧曝氣處理后厭氧污泥施肥、臭氧曝氣+動電技術(shù)處理后厭氧污泥施肥和化學施肥后，Pb在玉米植株各器官內(nèi)的富集與分布規(guī)律，以及在土壤中的淋失殘留情況，以期為鉛污染污泥實際農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)計

1.1.1 臭氧曝氣+動電處理試驗 選用天津市紅橋區(qū)咸陽路污水處理廠的厭氧消化污泥，先經(jīng)臭氧曝氣處理，臭氧濃度為65～85 mg/L，持續(xù)曝氣2 h。對臭氧曝氣后污泥（鉛含量12.6 mg/kg）進行動電處理，設(shè)置4組電壓（12、24、36、48 V）、5組通電時長（10、30、60、120、240 min），共20個組合，分別取樣。將處理后的污泥烘干，研磨，過100目篩。測定污泥中鉛含量。比較20種組合下Pb去除效果。選取去除效果最好的組合開展后續(xù)玉米盆栽試驗。

1.1.2 盆栽試驗 試驗以國家推廣的優(yōu)質(zhì)玉米品種鄭單958作為材料，選取飽滿均一的玉米種子，播種于填滿蛭石的淺盤中，待幼苗長到2葉1心后，選大小均一的玉米幼苗移栽到裝有土壤的塑料桶（塑料桶口徑44 cm，底徑26 cm，高56 cm）中。土壤取自于楊柳青試驗基地大田土壤，自然風干后混勻，過1 cm篩，用作盆栽培養(yǎng)試驗。經(jīng)測定，土壤pH為7.98，全氮含量為0.66 g/kg，氨氮含量為4.94 mg/kg，硝態(tài)氮含量為2.12 mg/kg，全磷含量為0.60 g/kg，速效磷含量為41.6 mg/kg，鉛含量為5.53 mg/kg。

盆栽試驗按照污泥的不同處理方法，設(shè)CK、T1、T2、T3、T4共5個處理，CK為純土壤對照組；T1是厭氧消化污泥+土壤處理組；T2是厭氧消化污泥+臭氧曝氣處理+土壤處理組；T3是厭氧消化污泥+臭氧曝氣處理+動電技術(shù)處理+土壤處理組；T4是有機化肥+土壤處理組。處理后的污泥分別在玉米拔節(jié)期與灌漿期施入，施入總量為10 L，全鹽含量為1%，10 L施入量是按照農(nóng)作物生長需要氮元素的數(shù)量進行折算而得。每個處理3次重復(fù)。試驗過程中，通過稱量法確定灌水量。根據(jù)玉米生長的最佳水分狀況，灌水至田間持水率的100%，經(jīng)計算按各個處理需水量對玉米進行灌水，在玉米整個生育期內(nèi)，不同處理之間土壤含水率相同。玉米成熟后，隨機取每組處理玉米的根、莖、葉、子粒及塑料盆上層、中層、下層土壤測定其中的重金屬含量。

1.2 重金屬含量的測定方法

植物樣品制備：植株樣品用去離子水洗凈，無灰濾紙吸干。將待測樣裝入信封中，置于烘箱中105 ℃殺青15 min，再于75 ℃下烘至恒重。粉碎后分別稱取植株樣0.100 0 g于消煮管中，加入7 mL HNO3浸泡過夜，用消解儀ED36于110 ℃下加熱1.5 h，待其冷卻后加入1 mL H2O2，繼續(xù)加熱2.5 h，趕酸至體積為1 mL左右，定容至25 mL。

污泥、土壤樣品制備：將待測土樣自然風干，再用四分法將土樣磨碎，過100目篩。準確稱取0.100 00 g土樣置于消煮管中，加去離子水數(shù)滴，加10 mL HNO3與4 mL HCL浸泡過夜，之后用消解儀ED 36于120 ℃下加熱0.5 h，150 ℃下加熱3 h，趕酸至體積為1 mL左右，定容至25 mL。

上述樣品的重金屬含量均用TAS-990原子吸收分光光度計和TAS-990AFG型原子吸收分光光度計測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 動電試驗中鉛含量的變化

圖1所示為不同電壓下污泥中鉛含量隨動電時間的變化趨勢。由圖1可知，在不同電壓下，鉛含量均呈先降低再升高的趨勢，0～60 min內(nèi)鉛含量逐漸降低，在電離60 min時降至最低，此時12、24、36、48 V電壓下鉛濃度分別為10.69、10.49、7.16、4.83 mg/kg，去除率分別為15.16%、16.75%、43.17%、61.67%。60 min后鉛含量逐漸升高，最終趨于平穩(wěn)。試驗進行過程中，大量H+在陽極產(chǎn)生，使陽極區(qū)pH不斷降低，形成酸性區(qū)域，在電場力的作用下，H+會向陰極區(qū)移動，同時酸性區(qū)域也會向陰極移動，它能夠?qū)⑽勰嘀蠵b元素的非離子態(tài)溶解轉(zhuǎn)化成離子態(tài)，在直流電場的作用下，有利于Pb離子向陰極移動，進而去除。與此相反，大量OH-會在陰極產(chǎn)生，導(dǎo)致陰極pH不斷升高，形成堿性區(qū)域，在電場力的作用下，OH-不斷向陽極移動，由于OH-能與離子態(tài)鉛形成沉淀，所以會導(dǎo)致鉛離子在污泥區(qū)富集，影響去除效果。由于在電場的作用下，H+的移動速度是OH-的2倍[12]，所以在處理污泥中的鉛元素時，隨時間增長其濃度先降低再緩慢升高。當電壓為24 V時，電離10 min時有小幅度升高，這可能是由于通電后溶液中pH發(fā)生變化，影響去除效果[16]。

不同電壓下，鉛含量均在60 min時最小，說明通電60 min能達到最好的去除效果。并且電壓越大，對鉛元素的去除效果越好，這與林小英[13]的研究結(jié)果一致。綜上所述，玉米盆栽試驗的供試污泥為48 V下通電60 min的厭氧污泥。

2.2 鉛在玉米植株中的分布規(guī)律

2.2.1 玉米根系中的鉛含量 根系是玉米重要的營養(yǎng)器官之一，起著固定玉米植株，促進養(yǎng)分、水分吸收，合成氨基酸、有機磷化合物和某些生理活性物質(zhì)的作用[17]。從圖2可以得知，玉米根系中鉛含量從低到高依次為T3、CK、T2、T4、T1。T1處理組比CK高16.97%，說明厭氧污泥不經(jīng)過處理施入土壤，會帶入大量鉛等有害物質(zhì)，對植株的危害極大。T2處理組比CK高13.55%，但與化肥組無差異，說明臭氧曝氣雖然沒有大量去除Pb元素，但也不會危害玉米生長。T3處理組鉛濃度低于CK，表明經(jīng)過臭氧曝氣和動電處理的厭氧污泥會降低植株根器官中的鉛含量，并且T3處理組比化肥組低18.76%，說明T3處理組既可以為玉米提供營養(yǎng)元素，又不會增加玉米根系中的鉛含量。

2.2.2 玉米莖稈中的鉛含量 莖稈是玉米的中軸，貫穿連接各個器官。從圖3可知，T3處理的鉛含量最低，僅718.22 μg/kg，比CK組低了5.36%。T3處理組低于CK是由于T3組經(jīng)過動電處理，將污泥中易被植株吸收的離子態(tài)鉛去除，剩下非離子態(tài)、不易被吸收的鉛，所以即使向土壤中添加了污泥，也沒有造成鉛在植株莖中的大量殘留。T1處理組是施加污泥處理組中鉛含量最高的一組，比CK高14.55%；T2處理組與CK組差異不大，高出CK組2.92%。但3組污泥處理莖稈中鉛含量均小于化肥處理。

2.2.3 玉米葉片中的鉛含量 葉片是玉米最重要的營養(yǎng)器官之一，是植株光合作用、蒸騰作用的主要場所。其光合作用同化物是玉米植株器官建成的主要物質(zhì)來源，對維持植株生命活動和產(chǎn)量的形成有十分重要的作用。由圖4可知，各處理玉米葉片中鉛含量從高到低依次為T1、T4、T2、T3、CK。未經(jīng)過任何處理的T1處理組，玉米葉片中的鉛含量達到3 434.65 μg/kg，是CK的2倍左右，且高出T4處理組7.86%，說明厭氧污泥不經(jīng)處理施入土壤會嚴重危害玉米葉片。與T1處理組相比，T2處理組玉米葉片中鉛濃度雖有所降低，但仍比CK高30.49%。T3處理組中玉米葉片的鉛含量較少，僅比CK高出458.6 μg/kg，分別比T1、T2處理組低36.67%、11.93%，說明經(jīng)過2次處理后，厭氧消化污泥中的鉛含量明顯減少。與施用化肥組相比，T3處理組降低了31.26%，說明在葉片中厭氧污泥比化肥對鉛的累積更少。

由圖2、圖3可知，根、莖中T3處理組鉛含量要低于CK，葉片中T3處理組鉛含量高于CK，這可能是由于葉片比根、莖更容易累積鉛元素。這與匡少平等[18]的研究結(jié)果一致。

2.2.4 玉米子粒中的鉛含量 子粒是玉米可食用部分，Pb累積過高會危害人類健康。由圖5可知，T1處理組鉛含量最高，分別是T2、T3處理組的2.09、2.25倍；T2處理組的鉛含量為267.37 μg/kg，比CK高出16.00%；T3處理組的鉛含量為248.49 μg/kg，比CK高出9.61%。T2、T3處理組與施用化肥組（T4）相比，鉛含量明顯減少，分別降低了28.89%、33.91%。說明處理后的厭氧消化污泥與化肥相比，不會造成玉米子粒中的鉛含量過高。

由圖2至圖5可知，向土壤中加入?yún)捬跷勰?，會引起植株各器官Pb含量的變化。T1處理組會顯著增加植株各器官Pb含量，由于T1處理組未經(jīng)過任何處理，厭氧污泥中Pb含量較高，玉米吸入的Pb也會隨之升高。T2處理組相比于T1處理組，根系、莖稈、葉片、子粒中鉛含量分別下降了3.96%、11.97%、28.08%、52.22%，說明臭氧曝氣處理雖然沒有降低厭氧污泥中的鉛的總量，但將鉛轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰桌鄯e的形態(tài)，抑制植株地上部對鉛的吸收。T3處理組與T2處理組變化規(guī)律相似，T3處理組各玉米器官中的鉛含量均較低，這不僅是由于臭氧曝氣后改變了的鉛的形態(tài)，同時還因為動電處理去除了大部分的鉛，使其濃度降低?；式M與CK相比，玉米各器官中的鉛含量有所升高，這是由于化肥中含有鉛，并且其形態(tài)也較易于被植株吸收。綜上，污泥經(jīng)過預(yù)處理后，不僅為植株生長提供所需營養(yǎng)物質(zhì)，而且玉米各器官的鉛累積量要少于施用化肥組，所以經(jīng)過處理的厭氧污泥要優(yōu)于化肥。

2.2.5 鉛元素在植株體內(nèi)的空間分布與富集特征 鉛元素在玉米植株中的含量分布比例如圖6所示。在所有處理中，植株從土壤中吸收的鉛元素，在根系中所占比例最高，為40.37%～50.41%；其次是在葉片中，比例為31.52%～41.94；莖稈中的鉛含量較少，只占到10.84%～13.93%；鉛在子粒中的含量最少，只占吸入總量的3.99%～6.83%。因此，從供試植物鄭單958的組織器官來看，鉛元素含量依次為根系>葉片>莖稈>子粒，說明根系能夠起到屏障或者過濾的作用，阻止植株中的鉛元素向地上部遷移，從而減少鉛毒害，而且莖稈、葉片也能起到阻礙鉛向子粒遷移的作用。這與石德楊[17]的研究結(jié)果一致。鉛離子主要集中在細胞壁中，向其他部位遷移和運輸性差[19]，而根系和莖葉主要由構(gòu)成細胞壁的植物纖維組成，子粒主要由淀粉組成，鉛易殘留在纖維素中，所以鉛元素進入子粒之前要先經(jīng)過根系與莖葉的過濾作用，阻止其進一步向上遷移，這也與匡少平等[18]的研究結(jié)果一致。還有小部分學者認為鉛進入植物體后主要集中在根部，其次是莖、葉柄、葉[20]；也有研究指出，對一些耐鉛污染植物，其地上部鉛含量高于根部，表現(xiàn)為葉片>莖稈>根系[2]。但不論哪種植物其子粒中含量均最低。

植物對不同的重金屬均有富集能力，可以用重金屬富集系數(shù)（富集系數(shù)=植物體內(nèi)某種重金屬含量/根區(qū)土壤中該種重金屬含量）來代表重金屬元素在植物不同器官的富集能力。富集系數(shù)可反映重金屬元素富集程度和遷移能力的大小，其值愈大表明作物愈易從土壤中吸收該元素，即該元素的遷移性愈強[18]。在玉米的各器官中，鉛元素的富集系數(shù)如圖7所示。由圖7可知，玉米子粒鉛元素富集系數(shù)最小，這與子粒中鉛含量最低相符合，各處理間子粒富集程度變化不大，T1處理組富集系數(shù)最高，表明厭氧消化污泥直接施入土壤，會提高子粒中鉛元素的含量，危及人類健康。玉米莖稈中鉛的富集系數(shù)相對平穩(wěn)，各處理間差異不大。在根系和葉片中，富集系數(shù)相對較大，由于葉片對鉛元素的富集系數(shù)高于莖稈，表明葉片比莖稈更易吸收鉛。對于不同處理，T3處理組鉛含量稍高于T2處理組，這說明污泥經(jīng)過動電處理后，鉛的形態(tài)更易被玉米吸收，但由于T3處理組污泥鉛總含量降低了，所以玉米各器官中鉛累積含量最低，仍是較優(yōu)處理組。在T1處理組中，玉米葉片的富集系數(shù)要高于根系，這說明鉛元素更易向葉中遷移，影響葉片光合色素的合成，從而降低光合作用，危害植株生長。這表明厭氧污泥不可直接施入土壤。

2.3 鉛在土壤中的分布情況

鉛在土壤中的分布情況如圖8所示。從圖8可以看出，鉛在各土層的含量分布規(guī)律是上層土壤<中層土壤<下層土壤，不同處理間規(guī)律相似，這可能是由于灌水使鉛元素發(fā)生滲透作用，T4處理組各土層間Pb濃度沒有差異，這可能是由于化肥在土壤中的溶解性、均一性較好。對于不同土層總含量的均值，T1處理組最高，達到7.04 mg/kg，是CK組的1.27倍，表明污泥直接施入土壤會導(dǎo)致土壤Pb含量增加。T3處理組鉛含量最低，因為T3處理組Pb的富集系數(shù)高于CK，隨著玉米的生長，部分Pb遷移到玉米各器官中，所以土壤中殘留的Pb降低。

3 結(jié)論

1）動電試驗中，在48 V電壓下處理60 min時，對重金屬鉛的去除效果最好，去除率達到61.6%，剩余鉛含量為4.83 mg/kg。因此，本組處理作為盆栽試驗的污泥前處理。

2）5個處理中，T3處理組植株各器官和土壤中鉛含量較少，與對照組相近，且低于施用化肥組，說明厭氧污泥經(jīng)過動電處理，有效降低了植物中的鉛累積。

3）鉛在植株中大多富集在根系，向上遷移能力弱。試驗中玉米各器官鉛含量由大到小依次為根系>葉片>莖稈>子粒，說明根系阻礙了鉛元素向地上部遷移。

4）玉米子粒的鉛富集系數(shù)最小，表明鉛不易進入子粒，影響作物結(jié)實。但在土壤中，鉛會向下滲透，污染底層土壤，需要進一步研究，防止造成危害。

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