赤子爱蚯蚓-金盏菊联合修复污泥中重金属Cu、Cd的研究.docx

510152025303540赤子爱蚯蚓-金盏菊联合修复污泥中重金属（Ci1、Cd）的研究李惠中，刘汉湖，王晓青（中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221116）摘要：本实验以中国矿业大学南湖校区污水处理站剩余污泥为研究对象，进行了赤子爱胜蚓一金盏菊联合修复污泥重金属（Cu、Cd）的研究。实验结果表明：赤子爱胜蚓能够提高污泥中DTPA提取态重金属的含量;增加金盏菊对重金属的富集。其中在CU的浓度Omg/kg、Cd的浓度OmgZkg时金盏菊茎叶部浓度增加值最大，分别为21.19mg/kg、3.01mgkg在CU的浓度50mgkg.Cd的浓度5mg/kg时金盏菊根部浓度增加值最大，分别为35.58mgkg.2mgkgo关键词：剩余污泥；Cu.Cd;赤子爱胜蚓；金盏菊中图分类号：X53Experimenta1.studyofHeavyMeta1.s（Cu¼Cd）intheS1.udgeCombinedRemediationbytheEiseniafoetidaandCa1.endu1.aofficina1.is1.1.IHuizhong,1.IUHanhu,WANGXiaoqing（Schoo1.ofEnvironmentScience&Spatia1.Informatics,ChinaUniversityofMiningandtechno1.ogy,Xuzhou,Jiangsu221116）Abstract:Thisexperimenta1.studyhastakentheresidua1.s1.udgefromwastewatertreatmentp1.antofChinaUniversityofMiningandTechno1.ogyasresearchobject,themechanismofheavymeta1.（Cu、Cd）inthes1.udgecombinedremediationbytheEiseniafoetidaandCa1.endu1.aofficina1.is1.wasstudied.Theresu1.tsshowedthat:increasetheDTPAextractab1.eheavymeta1.sandenhancetheabsorptionoftheheavymeta1.WhenconcentrationofCuandCdwas0mgkg,theaccumu1.atingconcentrationofCuandCdbytheShootsofCa1.endu1.aofficina1.is1.addedwasmaximum,were21.19mg/kg、3.01mg/kg.WhenconcentrationofCuandCdwas50mgkg.5mg/kg,theaccumu1.atingconcentrationofCuandCdtheRootsofCa1.endu1.aofficina1.is1.addedwasmaximum,were235.58mg/kg,2mgkg.Keywords:residua1.s1.udge;Cu、Cd;eiseniafoe1.ide;Ca1.endu1.aofficina1.is1.0引言近年来,随着我国经济发展和城市化进程加快,生活污水和工业废水的排放量日益增多，污水处理能力也日益增加，随之产生的剩余污泥也急剧增加"叫大量未经处理的剩余污泥任意堆放和排放会对环境造成了二次污染回儿因此，合理处理剩余污泥以避免二次污染是一项需要迫切解决的问题。当前国内外污泥的处置方法主要有卫生填埋、污泥焚烧、污泥投海3种。但是这些处理方法都存在弊端，我国污泥处理处置的目标是鼓励符合标准的污泥进行土地利用，实现污泥的减量化、无害化和稳定化。污泥中含有的有机质和N、P等营养元素，施入土壤后可以通信联系人：刘汉湖（1965-）,男，山东招远人，教授，主要研究方向为：人工湿地处理城市生活污水技术、矿区水害防治技术与水资源评价、矿区环境地质灾害评价等.E-mai1.:作者简介：李惠中（1988）,男，辽宁沈阳人，中国矿业大学2006级学生，从事环境污染生态修复方面研究45505560657075提高土壤的肥力，促进农作物增产叫是一种非常具有潜力的污泥处置方式，然而污泥中的重金属是污泥农用的一个重要限制因素。城市污泥重金属传统的去除方法主要有化学法和微生物法,但这些方法因细菌培养时间长、处理效果不稳定、淋滤时间长、费用较高、操作复杂，酸化处理降低污泥的肥料价值等受到了限制。而植物修复技术是一种有效、低成本的绿色环境净化技术。目前已发现超积累植物有400多种，它们涉及藻类植物、蕨类植物、裸子植物、被子植物等草本和木本植物4然而单独利用植物修复技术修复重金属污染受两个因素的限制口儿第一个因素是超积累植物的生长速度缓慢和生物量小；第二个因素是土壤中重金属的生物有效性低”久重金属进入土壤后主要以难溶态的形式存在，而溶解态和易溶态才是植物吸收的主要形态口叫相关资料表明，蚯蚓在取食、排泄代谢产物等生命活动过程中可能对土壤的理化性质和重金属化学行为产生直接或间接的影响，可提高重金属的生物有效性，若将蚯蚓的活化作用和植物修复联合应用，必将提高植物修复效率。针对我国城市剩余污泥产生量急剧增加和重金属污染的现实，为了达到污泥无害化和农用要求，本实验借鉴蚯蚓提高土壤中重金属活性的机理应用到污泥中，采取蚯蚓一金盏菊植物联合修复剩余污泥重金属(Cu、Cd)o1 .实验材料供试污泥：取自中国矿业大学南湖校区污水处理站的剩余污泥，在自然条件下风干，同时使污泥中的各种重金属形态、理化性质达到平衡，时间为15d。其基本理化性质见表1。表1供试污泥基本理化性质Tab1.e1Physicochemistrycharacterofexcesss1.udgetested取样点PH值有机质含量(%)w(全量Pb)/(mgkg,)w(全量Cd)/(mgkg1.)W(DTPA-Pb)/(mgkg1.)W(DTPA-Cd)/(mgkg,)供试污泥7.1642.24282.1416.7824.823.55供试蚯蚓：供试蚯蚓为赤子爱胜蚓，购买于山东淄博高新区石桥盛之龙蚯蚓养殖厂。从中选取大小均一且有明显环带(即生殖带)的成年蚯蚓作为接种蚯蚓。供试植物：供试植物为徐州本土一、二年生草本花卉金盏菊，购于徐州亚华生态园花卉市场。2 .实验方法2.1 实验设计方案实验容器为塑料花盆，底部有小孔，高15.1cm,上下口直径分别为16.8cm、10.8cm。实验时用纱网将花盆顶部、底部封住以防蚯蚓逃逸，多余水分可从底部自由渗出。将风干污泥过2mm筛,称取4kg于塑料花盆中，分别加入0、50、100和15OmgZkg的Cu(CuSO45H2O)或0、5、10和20mgkg的Cd(Cd(NO3)24H2O),在室内干湿交替培养30d至污泥中各形态重金属分配平衡，在每个花盆中加入10条赤子爱胜蚓，并种植花卉植物金盏菊，并以不加蚯蚓的相应处理为对照(CK)。共设16个处理，每个处理重复3次，共48个样品。温室内培养30d后收获，培养过程中保持污泥水分在田间持水量的60%70%。2.2 实验分析方法DTPA提取态重金属的测定：配制0.05mo1.1.-IDTPA溶液(PH=7.3),再将样品与DTPA溶液按1:2配比。混合溶液在120rmin-1.震荡1小时后，再3500rmin-1.离心分离IOrnirh将上清液用慢速滤纸过滤，然后用火焰原子吸收法测定16。80859095全量重金属的测定：采用HNO3-HF-HC1O4法消解，使用美国热电公司Unicam969原子吸收分光光度计测定。3 .实验结果与分析3.1 赤子爱胜蚓对污泥DTPA提取态重金属的影响重金属对环境危害的大小主要由重金属的形态决定，重金属的形态不同，其环境行为不同，对生物的毒性也不尽相同。DTPA提取态是土壤中重金属生物有效性的容量指标。在本实验中赤子爱胜蚓对Cu、Cd不同配比浓度下污泥中DTPA提取态重金属的影响分析见图1、图2。105.0090. 0075. 0060. 0045. 0030. 0015. 00CU配比浓度(mgkg)1)O. Gx/3(OOIVd1.a) M图1蚯蚓对CU不同配比浓度污泥中W(DTPA-CU)的影响Figure!ImpactoftheEarthwormson(hew(DTPA-Cu)a(heDifferentConcentrationofCuintheS1.udge(备注：同浓度间字母相同，相关处理无显著性差异(P>0.05);同浓度字母不同，相关处理有显著性差异(P<0.05),下同)图2蚯蚓对Cd不同配比浓度污泥中W(DTPA-Cd)的影响Figure2ImpactoftheEarthwormsonthew(DTPA-CdattheDifferentConcentrationofCdintheS1.udge由图1、图2可知，实验中Cu、Cd不同配比浓度对污泥中W(DTPA-Cu)>W(DTPA-Cd)影响不同。在未接种蚯蚓的对照组中，CU不同配比浓度(0、50、100、150mgkg)下污泥W(DTPA-CU)分别为45.84、43.70、37.08、30.51mgkg,Cd不同配比浓度(0、5、10、20mgkg)下污泥W(DTPA-Cd)分别为3.82、3.58、3.32、3.05mgkgo在接种蚯蚓的实验组中，Cu、Cd不同配比浓度中W(DTPA-CU)均升高，污泥中W(DTPA-CU)分别为64.32、66.20>65.27、10083.92mgkg,分别比对照组增加了18.48、22.5>28.2、53.41mgkg,其中Cu配比浓度为150mgkg时增加最大。污泥中W(DTPA-Cd)分别为4.31、4.07、3.62、3.27mgkg,分别比对照组增加了0.5、0.49、0.3、0.22mgkg,其中Cd配比浓度为Omgkg时增加最大。由相关性检验可知，接种蚯蚓与未接种蚯蚓，CU所有配比浓度下污泥中的DTPA重金属Cu均达到显著性水平。Cd配比浓度为0mgkg.50mgkg时污泥中的DTPA重金属Cd105达到显著性水平，Cd配比浓度为Ioomgkg、150mgkg时污泥中的DTPA重金属Cd未达到显著性水平。3.2赤子爱胜蚓对金盏菊富集重金属的影响有关研究发现花卉植物对重金属具有一定的耐性和积累性。刘家女等口刀研究了紫茉莉(Mirabi1.isja1.叩a)、凤仙(ImPatienSBa1.samina)>金盏菊(CaIendUIaOffiCinaIiS)和蜀葵(A1.thaea1.HOrosea)4种花卉植物对重金属的耐性和积累性，发现4种花卉植物对重金属Cd、Pb单一污染有很强的耐性和积累性。MaU8等在广东省Pb/Zn尾矿土壤上种植植物并引入蚯蚓，发现植物吸收重金属的效率提高了16%-53%o在本实验中，蚯蚓的活动对金盏菊吸收重金属的影响分析见图3-图6。(8<M)(3未接种蚯蚓口接种蚯蚓Oooooo8 5 2 9 6 3 1Ob壬)()1150Ix115)010.00Cd配比浓度(mgkg)20.00Figure3The Accumu1.ating Concentration of Cu by the Shoots of Calendula officinalis 1. in the sludge口未接种蚯蚓(3接种蚯蚓20 8 6 4 2 0IA 11(bcmOoO.5.CU配比浓度(mgkg)图3金盏菊茎叶部在不同配比浓度污泥中对Cu的积累浓度图4金就菊茎叶部在不同配比浓度污泥中对Cd的积累浓度120125130135140Figure4TheAccumu1.atingConcentrationofCdby(heShootsofCa1.endu1.aofficina1.is1.in(hes1.udge由图3、图4可知，金盏菊茎叶部在不同配比浓度污泥中对Cu、Cd的积累浓度不同，在未接种蚯蚓的对照组中，CU不同配比浓度(0、50>100>150mgkg)下金盏菊的茎叶部Cu的浓度分别为97.17、132.2、178.32、155.86mgkg,Cd不同配比浓度(0、5、10、20mgkg)下金盏菊的茎叶部Cd的浓度分别为2.60、7.22、5.19>4.22mgkg1,金盏菊的茎叶部Cu、Cd的浓度随着Cu.Cd配比浓度的增加均出现先增加后减小的趋势。在接种蚯蚓的实验组中，金盏菊的茎叶部Cu、Cd的浓度都增加，CU不同配比浓度(0、50、100.150mgkg)下金盏菊的茎叶部CU的浓度分别为118.36、152.35、198.89、168.01mgkg,比未接种蚯蚓的对照组分别提高21.19、20.15、20.59、12.15mgkg,其中在0mg/kg时增加值最大。Cd不同配比浓度(0、5、10、20mgkg)下金盏菊的茎叶部Cd的浓度分别为2.87、10.23、6.37、4.59mgkg,比未接种蚯蚓的对照组分别提高0.27、3.01、1.18、0.39mg/kg,其中在5mg/kg时增加值最大。由显著性检验可知，蚯蚓活动使CU配比浓度为Omg/kg、50mgkgx100mgkg,Cd配比浓度为5mg/kg、IOmgZkg污泥中金盏菊的茎叶部Cu、Cd的浓度达到了显著性水平，其他浓度下未达到显著性水平。(F8(nJ)MCU配比浓度(mgkg)口未接种蚯蚓接种蚯蚓图5金盏菊根部在不同配比浓度污泥中对Cu的积累浓度:未接种蚯蚓区接种蚯蚓0.005.0010.0020.00Cd配比浓度(mgkg)Figure5The Accumu1.ating Concentration of Cu by the Roots of Calendula officinalis 1. in the sludge642086420IAIA 1 Ix(M<81.U)(P3)M图6金盆菊根部在不同配比浓度污泥中对Cd的积累浓度Figure6TheAccumu1.atingConcentrationofCdbytheRootsofCa1.endu1.aofficina1.is1.inthes1.udge由图5、图6可知，金盏菊根部在不同配比浓度污泥中对Cu、Cd的积累浓度不同。在未接种蚯蚓的对照组中，Cu不同配比浓度(0、50、100>150mgkg)下金盏菊的根部Cu的浓度分别为179.00、202.65、250.9k199.73mgkg,Cd不同配比浓度的、5、10、20mgkg)下金盏菊的根部Cd的浓度分别为4.63、12.34、9.87、8.26mgkg,金盏菊的根部Cu、Cd的浓度随着Cu、Cd配比浓度的增加均出现先增加后减小的趋势。在接种蚯蚓的实验组中，金盏菊的根部Cu、Cd的浓度都增加，CU不同配比浓度(0、50100,150mgkg)下金盏菊的根部CU的浓度分别为198.96、238.23、281.59、212.59mgkg,比未接种蚯蚓的对照组分别提高19.96、35.58、30.68、12.86mgkg,其中在50mg/kg时增加值最大。Cd不同配比浓度(0、5、10、20mgkg)下金盏菊的根部Cd的浓度分别为5.27、14.34、11.43、8.53mgkg,比未接种蚯蚓的对照组分别提高0.64、2.00、1.56、0.27mgkg,其中在5mg/kg时增加值最大。145150155160165170175180185由显著性检验可知，蚯蚓活动使Cu所有配比浓度污泥中金盏菊根部Cu的浓度达到了显著性水平。蚯蚓活动使Cd配比浓度为5mg/kg、IOmgzkg污泥中金盏菊根部Cd的浓度达到了显著性水平，其他浓度下未达到显著性水平。4.结论(I)赤子爱胜蚓提高了污泥中W(DTPA-Cu)、W(DTPA-Cd)o污泥中W(DTPA-CU)分别比未接种对照组增加了18.48、22.5、28.2、53.41mgkg,其中CU配比浓度为150mgkg时增加最大。污泥中W(DTPA-Cd)分别比对照组增加了0.5、0.49、0.3、0.22mgkg,其中Cd配比浓度为OmgZkg时增加最大。(2)赤子爱胜蚓提高了金盏菊茎叶部CU、Cd的浓度。金盏菊茎叶部CU的浓度比未接种蚯蚓的对照组分别提高21.19、20.15>20.59>12.15mg/kg,其中在Omgkg时增加值最大。金盏菊茎叶部Cd的浓度比未接种蚯蚓的对照组分别提高0.27、3.01、1.18、0.39mg/kg,其中在5mg/kg时增加值最大。(3)赤子爱胜蚓提高了金盏菊根部CU、Cd的浓度。金盏菊根部CU的浓度比未接种蚯蚓的对照组分别提高19.96、35.58、30.68、12.86mgkg,其中在50mg/kg时增加值最大。金盏菊根部Cd的浓度比未接种蚯蚓的对照组分别提高0.64、2.00、1.56、0.27mgkg,其中在5mg/kg时增加值最大。参考文献(References)1程永高，何红升，吴艳青.城市污水污泥农用资源化技术研究J环境工程，2009,27(3)：33.3521闫兵.污水处理厂污泥处置方式探讨|北宁夏机械，2009,(3)：54-553李穗中.城镇污水厂污泥处理处置技术政策探讨J.广州环境科学，2010,25(1)：25-284黄小兰，陈建耀.微生物应用于污水污泥处理的研究几亚热带资源与环境学报，2010,5(1)：48-555刘辉，邹继颖.利用蚯蚓处理污水厂剩余活性污泥的研窕J吉林化工学院学报，2010,27(1)：47-496薛澄泽,生物固体资源化.环境杂志J,1994,10(1):157薛东森,美国污水污泥的研窕和利用概况.国外农业环境保护J,1991(1):31338宋敬阳.城市污水污泥的农田施用J.国外环境科学技术,1993,(3):29-329陈同斌，李艳霞，金燕，等.城市污泥复合肥的肥效及其对小麦重金属吸收的影响J.生态学报，2002,22(5)：643-64810 BrooksRR.P1.antsthathyperaccumu1.ateheavysofBotany,1998,82(2):267-27111 GjsbertC,RosR,HaroAD.Ap1.antgenetica1.1.ymodifiedthataccumu1.atesPbisespecia1.1.ypromisingtoremica1.andBiophysica1.ResearchCommunications,2003,303(2):440-44512 PendergrassA»ButcherDJ.Uptakeof1.eadandarsenicinfoodp1.antsgrownincontaminatedsoi1.fromBarberOrchard,NC-Microchemica1.Journa1.2006,83(1)：14-1613WangX.,ChenT.,GeY.H.,eson1.andapp1.icationofsewages1.udgeandits1.imitingfactorsU.Journa1.ofHazardousMateria1.s,2008.160:554-55814冯凤玲，成杰民，王德霞.蚯蚓在植物修复重金属污染土壤中的应用前景J.土壤通报，2006,37(4)：809-81315周立祥,沈其荣,陈同斌.重金属及养分元素在城市污泥主要组分中的分配及其化学形态J环境科学学报,2000,20(3):269-27416史瑞和.土壤农化分析M.北京：农业出版社，1996.44-6619017MaY,DickinsonNM,WongMH.Interactionsbetweenearthworms,trees,soi1.nutritionandmeta1.mobi1.ityinamendedPb/Znminetai1.ingsfromGuangdong,China.Soi1.Bio1.Biochem.2003,35:1369-137918刘家女，周启星，孙挺.Cd-Pb复合污染条件下3种花卉植物的生长反应及超积累特性研究J环境科学学报，2006,26(12)：2039-2044