堆肥污泥重金屬在黃土層中的淋溶遷移試驗(yàn)

曾正中,王智博,潘玉,張賀飛,南忠仁

摘要：采用經(jīng)強(qiáng)化重金屬后的堆肥污泥作為淋溶土柱的重金屬來源，通過土柱淋溶試驗(yàn)，研究了堆肥污泥Ｃｄ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ ５種重金屬在黃土層中的垂直遷移特征，探討了堆肥污泥施用量及不同淋溶水量對黃土層中重金屬遷移分布的影響。結(jié)果表明，Ｃｄ、Ｎｉ的淋溶遷移性較好，Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ整體遷移性較差。Ｃｄ和Ｃｕ隨淋溶水量增加淋出作用明顯增強(qiáng)，增大淋溶水量對Ｎｉ和Ｐｂ的淋出影響無明顯增強(qiáng)，表層土中Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｂ含量隨淋溶水量增大而累積，深層土情況各異。

關(guān)鍵詞：堆肥污泥；重金屬；黃土；淋溶；遷移

中圖分類號(hào)：Ｘ７０５文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ａ文章編號(hào)：0439－８114（２０12）05－0903-04

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｎ Ｌｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ Ｍｏｖｉｎｇ ｏｆ Ｈｅａｖｙ Ｍｅｔａｌｓ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｔｅｄ Ｓｌｕｄｇｅ ｉｎ Ｌｏｅｓｓ

ＺＥＮＧ Ｚｈｅｎｇ－ｚｈｏｎｇ，ＷＡＮＧ Ｚｈｉ－ｂｏ，ＰＡＮ Ｙｕ，ＺＨＡＮＧ Ｈｅ－ｆｅｉ，ＮＡＮ Ｚｈｏｎｇ－ｒｅｎ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ， Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Uｓｉｎｇ ｃｏｍｐｏｓｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ａｄｄｉｎｇ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ as the heavy metal resource of leaching loess column， tｈe ｖｅｒｔｉｃａｌ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ（Ｃｄ，Ｎｉ，Ｐｂ，Ｃｕ，Ｚｎ） ｉｎ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｓｌｕｄｇｅ was studied； ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｓｌｕｄｇｅ ａｎｄ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｗａｔｅｒ ｏｎ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ ｉｎ ｌｏｅｓｓ was investigated． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔs ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ Ｃｄ，Ｎｉ ｈａｄ ｇｏｏｄ ｌｅａｃｈｉｎｇ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ability； ｂｕｔ Ｐｂ，Ｃｕ，Ｚｎ ｈａｄ ability； ｐｏｏｒ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ability． Ａｓ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ， Ｃｄ ａｎｄ Ｃｕ ｌｅａｃｈｅｄ ｍｏｒｅ ａｐｐａｒｅｎｔｌｙ； ｂｕｔ it did ｎｏｔ work ｆｏｒ Ｎｉ ａｎｄ Ｐｂ． Ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｚｎ，Ｎｉ，Ｐｂ ｉｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｌｏｅｓｓ ｗａｓ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ， ｂｕｔ ｉｎ ｄｅｅｐ loess ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｗａｓ ｖａｒｉｅｄ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｍｐｏｓｔｅｄ ｓｌｕｄｇｅ； ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌｓ； ｌｏｅｓｓ； ｌｅａｃｈ； ｍｉｇｒａｔｅ

據(jù)統(tǒng)計(jì)，２００９年全國城鎮(zhèn)污水處理廠產(chǎn)生含水率８０％的污泥約２ ００５萬ｔ［１］。隨著城鎮(zhèn)化水平加快和污水處理量的增加，污泥量將很快突破３ ０００萬ｔ。污泥已成為僅次于城市生活垃圾的第二難處理的固體廢物［２］。

我國城市污泥含有大量的有機(jī)質(zhì)及一些植物所需的養(yǎng)分，污泥土地利用具有一定的價(jià)值和潛在的優(yōu)勢［３］。研究表明，城市污泥用于農(nóng)田、林地、草地、市政綠化等有明顯效果［４－６］。污泥中有害重金屬是制約污泥土地利用的主要瓶頸［７，８］，重金屬會(huì)在土壤中發(fā)生遷移、累積和富集［９－１１］。本研究針對黃土土壤貧瘠，施用污泥可彌補(bǔ)黃土肥力不足的特點(diǎn)，通過室內(nèi)土柱淋溶試驗(yàn)，旨在探討污泥重金屬在黃土層中的淋溶遷移及分布特征，以期為污泥在黃土地區(qū)的利用提供參考。

１材料與方法

１．１供試材料

堆肥污泥（以下簡稱污泥）為蘭州市某污水處理廠脫水污泥經(jīng)硝酸鹽溶劑強(qiáng)化，重金屬含量接近《城鎮(zhèn)污水處理廠污泥處置園林綠化用泥質(zhì)》（ＣＪ２４８—２００７）濃度限值后，再添加木屑及粉煤灰堆肥而成，有機(jī)質(zhì)含量為５８．７％，５種重金屬含量見表１。黃土取自蘭州市東崗鎮(zhèn)黃土梁，分為表層土（表層０～３０ ｃｍ）和下層土（表層３０ ｃｍ以下），將土樣自然風(fēng)干，碾碎后混勻裝袋保存?zhèn)溆?。供試黃土基本性質(zhì)見表２。淋溶水為自來水，ｐＨ ７．８３。淋溶水一次取夠，裝入塑料桶，密封桶口，水浴冷藏。

１．２試驗(yàn)裝置及方法

土柱淋溶試驗(yàn)裝置見圖１。滲透土柱為有機(jī)玻璃管內(nèi)填黃土，管長１ ｍ，截面積２７２ ｃｍ２。土柱表層２０ ｃｍ施用污泥為污泥－黃土混合層，其下為原生黃土，厚４５ ｃｍ，上、下端各設(shè)３ ｃｍ厚的砂濾層及濾網(wǎng)。裝土?xí)r，控制干密度為１．３６ ｇ／ｃｍ３。為消除側(cè)壁效應(yīng)，填土前柱內(nèi)壁涂抹凡士林。采用馬氏瓶原理供液，土柱上端進(jìn)液，保持柱頂面液層厚５ ｃｍ，使淋液在重力作用下自然流出，每次淋溶完畢穩(wěn)定３ d后再進(jìn)行下次淋溶，下端用１ ０００ ｍＬ量筒收集淋出液。為了模擬灌溉條件下重金屬在黃土中的淋溶遷移行為，采用自來水進(jìn)行淋溶試驗(yàn)。

淋溶水量參照農(nóng)田灌溉旱作用水量４ ５００ ｍ３／（ｈｍ２·年），設(shè)計(jì)每個(gè)試驗(yàn)柱１年期淋溶水量為１２ Ｌ，淋溶水量３６ Ｌ相當(dāng)于３年灌溉量。

試驗(yàn)柱表層施用干污泥質(zhì)量參照污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)［１２］，堆肥物料按照５５％含水率計(jì)，并考慮污泥所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，設(shè)計(jì)試驗(yàn)柱組成方案見表３。

以上５個(gè)試驗(yàn)柱可組成２種情況的對比試驗(yàn)，即１年灌溉水量與不同污泥施用量的對比試驗(yàn)；相同污泥施用量與１年或３年灌溉水量的對比試驗(yàn)。

１．３測定內(nèi)容及方法

測定內(nèi)容主要包括淋溶后土柱剖面中重金屬Ｃｄ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ總量。淋溶試驗(yàn)期間，觀察和記錄試驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，淋溶結(jié)束后，土柱每隔１０ ｃｍ分層取樣，將每層所取土樣混勻，風(fēng)干碾磨，測定土樣重金屬含量。重金屬含量測定先采用硝酸－氫氟酸－高氯酸消解土樣，再利用原子吸收分光光度計(jì)法測定其含量。

２結(jié)果與討論

２．１污泥施用量對土柱剖面中重金屬遷移的影響

２．１．１對Ｃｄ、Ｎｉ的分布影響１年灌溉水量淋溶下，不同污泥施用量對Ｃｄ、Ｎｉ在土柱剖面中的影響分布見圖２。由圖２可知，隨著表層污泥施用量的增多（柱２＜柱３＜柱４），對應(yīng)土柱剖面中Ｃｄ、Ｎｉ的濃度也相應(yīng)增大，其中表層０～２０ ｃｍ增加明顯，影響較大；下層土中Ｃｄ、Ｎｉ濃度影響較小，但均高于背景柱濃度，說明有部分Ｃｄ、Ｎｉ隨淋溶水的滲入發(fā)生向下遷移作用，而大部分仍殘留于表層土中。由于天然黃土Ｃｄ含量很低，使得Ｃｄ在剖面中的遷移分布量明顯大于背景柱１，Ｎｉ在表層以下呈略大于背景值分布。

２．１．２對Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ的分布影響１年灌溉水量淋溶下，污泥施用量對Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ分布的影響見圖３。隨著表層黃土施用污泥量的增多（柱２＜柱３＜柱４），土柱表層Ｐｂ的濃度增大特征與Ｃｄ、Ｎｉ相同。Ｃｕ、Ｚｎ增加特征各異，如０～１０ ｃｍ表土層中，柱３和柱４中的Ｃｕ濃度較接近、而Ｚｎ則出現(xiàn)柱３濃度大于柱４。

總體講，Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ大多累積于表層０～２０ ｃｍ。除柱３有部分Ｚｎ遷移至３０～４０ ｃｍ剖面中，在下層土中Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ濃度均和背景柱比較接近，說明Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ整體遷移性較差。

２．１．３土柱表層重金屬殘留量比較淋溶結(jié)束后，將土柱每隔１０ ｃｍ分層取樣，測定土樣中重金屬含量，扣除背景值后，計(jì)算表層０～２０ ｃｍ中重金屬含量占土柱重金屬總含量的比例，即表層重金屬截留比例（表４）。

比較５種重金屬在表層的截留比例，可分析各自在表層的富集性。由表４可知，除Ｃｄ、Ｎｉ外，Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ隨污泥施用量的增多（柱２＜柱３＜柱４），其表層殘留量增多，二者呈正比關(guān)系?？傮w講，５種重金屬的表層截留比例均較大，在１年灌溉水量淋溶下重金屬大多數(shù)殘留在表層，向下遷移的量較少，表層富集性Ｐｂ＞Ｚｎ＞Ｃｕ＞Ｎｉ＞Ｃｄ。

２．２淋溶水量對土柱剖面中重金屬遷移的影響

通過１年和３年不同灌溉水量的淋溶試驗(yàn)，得出淋溶水量對重金屬Ｃｄ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ在土柱剖面分布的影響曲線（圖４）。現(xiàn)對１年柱３和３年柱５不同灌溉水量的影響分析如下。

１）經(jīng)１年１２ Ｌ和３年３６ Ｌ水量分別淋溶后，土柱剖面中Ｃｄ、Ｃｕ含量分布特征相似。３年曲線值都明顯少于１年曲線值，在下層土柱剖面中３年Ｃｄ濃度接近背景值，而Ｃｕ濃度則小于背景值。這說明Ｃｄ、Ｃｕ隨淋溶水量增加而大量淋出，土壤中殘留量減少。

２）對比分析圖４（ｂ）和圖４（ｃ）兩種水量的淋溶曲線說明，淋溶水量對Ｎｉ、Ｐｂ在黃土中的遷移影響不明顯，反倒出現(xiàn)隨淋溶水量的增加而累積的現(xiàn)象。如在表層土中，３年淋溶后的Ｎｉ、Ｐｂ含量均高于１年淋溶值，但均低于背景值，說明Ｎｉ、Ｐｂ有一定量的淋出。在下層土柱剖面中，１年淋溶Ｎｉ濃度接近背景值，３年淋溶Ｎｉ濃度仍保持向下累積作用而高于１年淋溶值（深度２０～５０ ｃｍ），而兩種淋溶后的Ｐｂ含量均接近背景值。

３）在表層０～２０ ｃｍ污泥黃土混合層中，兩種淋溶后的Ｚｎ含量曲線非常相似于Ｐｂ的分布曲線，即３年淋溶值大于１年淋溶值，出現(xiàn)隨淋溶水量的增加而累積的現(xiàn)象，但二者均小于背景值。在２０ ｃｍ以下，兩種淋溶后的Ｚｎ含量曲線呈交叉現(xiàn)象，但均大于背景值，說明有一定量的Ｚｎ自表土層向下遷移。

３結(jié)論

１）淋溶土柱０～２０ ｃｍ為堆肥污泥和黃土按不同比例均勻混合而成的施肥層，構(gòu)成了淋溶作用下不同重金屬濃度水平的源強(qiáng)。施肥層重金屬濃度隨污泥施用量增大而增大，２０ ｃｍ以下土層中重金屬含量為黃土背景值。

２）１年灌溉水淋溶后，不同源強(qiáng)土柱中Ｃｄ、Ｎｉ濃度均高于背景柱濃度，說明有部分Ｃｄ、Ｎｉ隨淋溶水的滲入發(fā)生遷移，且Ｃｄ的程度大于Ｎｉ；２０ ｃｍ以下剖面中，Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ濃度與背景值接近，說明Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ整體遷移性相對較差。

３）１年灌溉水淋溶后，５種重金屬的表層截留比例均較大，向下遷移的量較少，Ｐｂ、Ｃｕ、Ｚｎ的表層截留比例與污泥施用量呈正比關(guān)系。表層富集性Ｐｂ＞Ｚｎ＞Ｃｕ＞Ｎｉ＞Ｃｄ。

４）Ｃｄ和Ｃｕ隨淋溶水量增加而大量淋出，在黃土中的殘留量減少；淋溶水量增加對Ｎｉ和Ｐｂ的淋出作用不明顯；表層土中Ｚｎ、Ｎｉ、Ｐｂ含量隨淋溶水量增大而累積，深層土情況各異。

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