镉浓度对蚯蚓堆肥中镉形态及污泥肥效的研究.docx
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镉浓度对蚯蚓堆肥中镉形态及污泥肥效的研究
南京林业大学
本科毕业设计(论文)
题目:
镉浓度对蚯蚓堆肥中镉形态及污泥肥效的研究
学院:
森林资源与环境学院
专业:
环境科学
学号:
070104119
学生姓名:
钱婧
指导教师:
张银龙
职称:
教授
二O一一年五月
摘要
尽管金属镉(Cd)在污泥各金属元素中含量最低,但由于其毒性很强一直是研究的重点。
而城市污泥中的Cd在农用前处理中更加备受关注。
蚯蚓堆肥(Vermicomposting),又称蚯蚓生物稳定化(Vermistabilization),是一种新兴的有效的污泥生物降解工艺,然而蚯蚓堆肥过程与Cd污染程度之间的关系方面的研究较少。
本文向供试污泥中分别加入CdCl2模拟污染不同浓度(0,5,15,25mg/kg)Cd污染。
以赤子爱胜蚓(Eiseniafetida)为接种蚯蚓,通过30天培养试验,研究蚯蚓对Cd污染污泥中有机质及总氮、总磷、总钾含量的影响,蚯蚓对不同浓度Cd的富集作用及生物有效性的影响。
研究发现:
(1)赤子爱胜蚓能在设定浓度Cd的污染污泥中存活且生命活动活跃,表现出一定耐性,富集系数接近于1,随Cd处理浓度增加,蚯蚓对其的富集系数逐渐降低,并最终于0.1处趋于稳定。
(2)赤子爱胜蚓堆肥对不同浓度Cd污泥肥效的作用:
污泥有机质减少,幅度最大近10%;污泥总氮上升,且在较低浓度时增加量最大,达到2.98g/kg;总磷含量下降,下降的幅度随Cd处理浓度增加而减小;总钾含量变化趋势不明显。
(3)随Cd浓度增加,有机结合态Cd随Cd浓度上升变幅最大,达到30.4%,表明Cd稳定性随浓度增加而增加;蚯蚓处理后,污泥中不稳定态Cd含量之和占总量的百分含量高于处理前,在Cd-5mg/kg处理样中高达11%的ExcCd被转化成稳定态。
Abstract
AlthoughthecontentofCdwasprovedtobethelowestamongallkindsofheavymetalsinsewagesludge,studiesaboutCdwereviewedasaverysignificantfiledbecauseofitshighpoison.Vermicompostingisanewarisingbiologicaltechnologywhenadoptedtodealwithsludgedegradation,besides,fewresearcheswereconductedtomanifesttherelationshipbetweenvermicompostingandCdconcentration.
Sewagesludgeswereamendedrespectivelytocontain0,5,15,25mg/kgCdbyaddingappropriateconcentrationsCdCl2。
Eiseniafetidawasaddedinthesesludgesfor30days.Thisthesisstudiedtheeffectofearthwormonorganicmattertotalnitrogen,totalphosphorusandtotalpotassium(K)undertheconditionsofdifferentconcentrationsofCdinexperiment.Besides,theaccumulationeffectofCdwithvariousthicknessbyearthwormwasshowedandanalysedinthisstudy,aswellasCdbio-availability.Theresultswereshownasfollows:
(1)EiseniafetidacouldliveandremainvigorinhighCdconcentrationsludge,enrichmentcoefficientwasalmost1,however,thiscoefficientstartedtoreducewhenCdconcentrationbecamehigher,andalso,itwassteadyaround0.1.
(2)TheinfluencseonsludgenutrientsduringexperimentthroughEiseniafetidatreatmentswithdiverseCdconcentrationswerefoundasfollows:
thepercentoforganicmatterwasreducedevidently,evenreachingalmost10%;totalphosphorusdecreasedwhenCdrose,andthisextentminishreducedbyadditionalCd.;aregularchangepatternoftotalpotassium(K)failedtobeconcludedinthisstudy.
(3)TherangeofOxiCdrisewasfoundtobethebiggestamongallCdformswiththeincreaseconcentrationofCd,reaching30.4%,meansCdbecamemoresteadierwiththeriseofCdconcentration;ThecontentofunsteadyCdwashigheraftervermicompostingthanbefore.InCd-5mg/kgtreatmentsludge,asmuchas11%ExcCdcouldbetransferedintosteadierformafterearthwormtreatment.
目录
1.前言-1-
1.1城市污泥重金属污染现状-1-
1.2蚯蚓堆肥对Cd污染污泥的作用研究-1-
1.2.1对Cd的富集-2-
1.2.2对Cd形态的影响-2-
1.3蚯蚓堆肥对Cd污染污泥肥效的作用研究-4-
1.3.1对有机质的影响-4-
1.3.2对N、P、K的影响-4-
1.4研究目的及意义-5-
1.5研究内容-5-
2实验材料与方法-6-
2.1供试材料-6-
2.2试验处理及培养方法-7-
2.3样品采集及处理-7-
2.4测定方法-7-
2.4.1污泥有机质的测定-7-
2.4.2污泥中全氮、全磷、全钾的测定-7-
2.4.3污泥Cd全量测定-8-
2.4.4污泥Cd各形态含量的测定-8-
3结果与分析-8-
3.1蚯蚓对污泥肥效的影响-8-
3.1.1蚯蚓对不同Cd浓度污泥有机质的影响-8-
3.1.2蚯蚓对不同Cd浓度污泥总氮、总磷、总钾的影响-9-
3.2蚯蚓处理对Cd含量的影响-12-
3.3蚯蚓处理对Cd形态的影响-14-
3.3.1对Cd各存在形态含量的影响-14-
3.3.2对Cd生物稳定性的影响-16-
4结论与讨论-17-
4.1实验结论-17-
4.2讨论-17-
致谢-19-
参考文献-20-
1.前言
1.1城市污泥重金属污染现状
据估计,我国城市污水处理厂每年产生约3000万t污泥(含水率80%)[1]。
污泥通常含有比土壤中含量高得多的金属离子,一些重金属的含量甚至超过土壤中正常含量的数百倍[2],并且是金属输入土壤的主要途径[3],。
研究表明污泥施用于土壤后,土壤中的重金属含量明显增加[4,5]。
由于重金属不能被微生物分解,土壤中有机质、胶体粘粒和氧化物等对重金属也有较大吸收能力,因此重金属在土壤中的停留时间长,并将积累于地表层,通过食物链,在作物、动物以及人类体内积累,从而对人类或生态环境造成危害。
污泥进行农用时,较为关注的重金属主要为Pb、Cd、Cr、Ni、Cu、Zn,各元素的含量顺序大致是Zn最高,Cu、Cr次之,Ni、Pb、As其次,Cd最低[5,6]。
其中,尤以Cd污染最为严重,尽管Cd在污泥各金属元素中含量最低,但在农用时极易造成土壤Cd污染,又因为其期长、移动性大、毒性高、难降解等受到关注。
污泥是土壤重金属镉污染的来源之一[5]。
研究发现,污泥应用于土地15年后其中的Cd仍为植物可利用的形态,通过物理、化学和生物过程,对地下水、地表水有潜在性的污染[5,7]。
有的污染区的居民每日摄入重金属镉的量比非污染区高几倍甚至几十倍,大大超过0.2mg/kg的国家限量标准[6]。
1.2蚯蚓堆肥对Cd污染污泥的作用研究
蚯蚓作为土污染壤中的主要大型动物,是陆生生物与土壤之间传递污染物的桥梁,是土壤物质生物小循环的重要一环[8]。
戈峰等[9]指出,蚯蚓能够通过食物链的放大作用富集重金属元素,可应用到重金属污染区的污染治理中,通过蚯蚓的吸收富集作用来降低污染物中重金属含量,从而修复污染。
利用蚯蚓处理污泥通常称为蚯蚓堆肥[10],蚯蚓堆肥(Vermicomposting),又称蚯蚓生物稳定化(Vermistabilization)[11],是基于蚯蚓特殊的生态学功能和其与微生物的共同作用,对污泥的性质起到综合改良,当然也包括对其中重金属的活化、富集。
1.2.1对Cd的富集
大量研究表明,蚯蚓对Cd蚯蚓对Cd有较强的富集能力,富集程度随污泥中Cd浓度的增加而增加,富集系数甚至高达16[6]。
蚯蚓对Cd的富集机理可能主要是:
蚯蚓对含Cd污泥有惊人的吞噬能力,体内富含的各种蛋白酶、肽酶分子含有能与重金属结合的疏键,并且,当体内富集到一定浓度时,免疫机制会通过蚓粪排泄来降低重金属对蚯蚓体的毒害作用。
蚯蚓可以在体内富集大量Cd已经得到许多实验证明。
严爱兰[2]研究结果表明:
在含镉的污泥中饲养一段时间后,蚯蚓体内能检测到金属镉,并且随着时间的增长,蚯蚓体内的镉含量也不断增加,说明蚯蚓对Cd存在明显的富集。
郭永灿的研究结果表明[12],当环境中的Cd含量为0.6mg/kg时,蚯蚓中的Cd含量可以达到25.9mmg/kg,吸收系数K可达到43.13。
徐轶群,周璟等[1]发现蚯蚓处理使污泥中重金属含量均出现不同程度的下降,重金属Cd在试验结束后减少了13.85%。
牛明芬[13]发现蚯蚓对河流底泥中Cd有明显富集现象。
张友梅等[12]的研究表明蚯蚓对Cd、Cu、Zn有富集作用。
然而,胡秀仁等[15]的研究却表明蚯蚓除对垃圾中的As有富集作用外,对重金属Cu、Pb、Cd都没有富集作用。
产生这种差异的原因主要是:
蚯蚓种类不同对重金属的富集作用不同,重金属污染区域蚯蚓与非污染区域蚯蚓对金属的富集效率不同;重金属之间存在相互作用,如Zn便可以影响Cd的吸收。
另外,刘小丽[16]的试验指出,蚯蚓对污泥中重金属Cd的吸收系数随污染浓度的上升呈下降趋势,在污泥中重金属Cd浓度低的条件下,蚯蚓对重金属Cd有富集作用;但在高浓度下,蚯蚓对重金属Cd就不具有富集作用。
这是因为Cd是一种蓄积性元素,在机体内的富集是一个逐步慢性中毒过程[17]。
当某重金属元素的浓度超过蚯蚓的耐受极限时,它就会通过排粪或其它方法将其排出体外[13]。
1.2.2对Cd形态的影响
随着研究的深入,人们逐渐认识到污泥中重金属的含量仅仅提供了重金属可能迁移情况的一个重要依据,但并不能对重金属迁移能力给出确切的说明,实际上重金属的迁移性主要由其化学形态决定。
重金属存在的形态不同,其活动性、迁移性差别很大。
重金属的生物有效性与重金属的形态有密切关系[18]。
许多人研究均证实,蚯蚓对Cd不但有的较强耐受性及富集效率,同时对Cd的存在形态有影响。
袁宇飞等[19]表明,Cd添加量为5~20μg/g的土壤中酸提取态Cd含量显著提高,有效态Cd总含量也随土壤中Cd添加量的提高而逐渐增加。
俞协治等[20]研究了蚯蚓对土壤中铜、镉生物有效性的影响,通过实验也得出蚯蚓能通过提高重金属的生物有效性而间接影响植物对重金属的修复效率。
刘昭兵[21]实验结果也表明,重金属Cd形态分布发生一定变化,交换态、碳酸盐结合态和铁锰结合态的Cd含量减少,而有机结合态和残渣态的Cd含量增加,蚯蚓堆肥明显提高了Cd稳定形态的比例。
刘德鸿,成杰民[22]在蚯蚓对土壤中铜、镉形态及高丹草生物有效性的影响中指出,蚯蚓活动显著提高了Cd处理为10、15mg/kg的高沙土中离子交换态镉(Exch-Cd)和碳酸盐结合态镉(Carb-Cd)的含量。
刘小丽[16]研究也发现,随着污泥中Cd含量的增加,污泥中交换态、碳酸盐结合态和有机结合态Cd含量增加,铁锰结合态和残留态Cd含量却降低,同时,污泥中不可利用态Cd含量占总量的百分含量随着污泥中Cd含量的增加而逐渐降低。
堆肥能够影响重金属Cd的形态分布,使其不稳定态含量减少,稳定态含量增加。
敬佩,李光德等[23]关于蚯蚓诱导对土壤中Cd形态的影响研究中发现,蚓粪中Cd酸提取态的含量较土壤中含量有较大幅度的提高。
蚯蚓在取食、作穴和排泄代谢产物等生命活动过程中可能对土壤性质和土壤中的重金属化学行为产生直接或间接的影响[24,25]。
蚯蚓重金属活化的机理可能主要有以下3个方面:
(1)蚯蚓活动分泌出大量含有-COOH、-NH2、CO等活性基团的粘液,能通过络合、鳌合重金属推动土壤重金属的活化;
(2)蚯蚓活动能刺激土壤微生物的活动,而微生物活动本身对活化重金属有直接或间接作用;
(3)蚯蚓通过改变土壤pH来影响重金属的活性。
1.3蚯蚓堆肥对Cd污染污泥肥效的作用研究
1.3.1对有机质的影响
蚯蚓的取食活动直接或间接地对土壤起到了机械翻动的作用,并能够改善土壤的结构、通气性和透水性,使土壤迅速熟化[26]。
蚯蚓也可破碎并分解粗有机物,使有机物更容易被微生物分解,对提高土壤中微生物的活力及有机质的转化效率起重要作用。
同时,蚯蚓为了维持自己的生命活动,必须大量取食有机物以补偿自身新陈代谢的需要[27]。
蚯蚓对绝大多数有机废弃物分解作用都较强。
其代谢活动还可产生大量生物活性物质,改善污泥肥效,这一事实已被大量研究证实。
孙颖,桂长华等[28]研究中指出,赤子爱胜属蚓能将污泥COD的降解率达到25·36%,有机质降为44·10%,污泥总氮含量大幅增加,肥效得到提高。
1.3.2对N、P、K的影响
N、P、K含量通常用来衡量土壤的养分情况。
韩清鹏,成杰民关于蚯蚓活动对锌污染土壤中氮素转化影响的研究[29],发现向土壤中加入0-400mg/kg的锌对土壤氮素矿化量没有明显影响。
蚯蚓对土壤N含量的影响原因是多方面的,既能调节土壤生物因素也能调节非生物因素:
一是蚯蚓粪及蚓体在疏松污泥的机械活动中分泌的粘液里面富含大量N素;二是蚯蚓能与污泥中微生物形成稳定的协同作用,微生物也能降解出污泥中的N;此外,蚯蚓对N素不断的吞噬及排泄能够加快其的矿化及周转循环速率[30]。
磷是动物机体含量最多的元素之一,主要作为磷蛋白、核酸、磷脂以及含磷的酶类的构成成分而发挥极其重要的生理作用[31]。
有学者的研究表明[32],蚯蚓处理后,污泥的P含量是增加的,并把这种变化归于有机质的矿化、细菌转化和蚯蚓粪便中磷酸酶的活动。
王霞等[33]的研究发现蚯蚓活动不仅改变了土壤磷素形态,提高活性磷含量对磷素矿化而且有扩大土壤磷库有积极意义。
很多研究认为,蚯蚓对P素的提高主要是通过对微生物以及土壤磷酸酶的影响而间接的改变土壤P形态。
然而,由于对P的影响不如蚯蚓对N的影响,所以研究也较少。
加入蚯蚓对土壤K含量影响不大,虽然土壤K含量都有增高的趋势,但并未达到显著水平,这在王丹丹[27]的关于蚯蚓及蚓粪对植物修复Cu、Zn污染土壤的影响中得到证实。
总体而言,关于蚯蚓对总磷、总钾含量作用研究较少,且较为笼统,没有确定的规律。
1.4研究目的及意义
城市污泥的土地利用符合我国国情,而其中的重金属污染对人类的生存和生态维持构成了严重威胁,尤其是Cd,在低浓度时就表现出很强的毒性。
蚯蚓作为土壤生态系统中的一个重要组成部分,能存活于重金属浓度较高的环境中,并且具有吸附土壤中重金属的作用。
利用蚯蚓堆肥修复重金属污染,具有简单易行、高效、经济、绿色等优点。
现今,前人多通过试验田间研究蚯蚓诱导-植物、微生物修复重金属污染技术体系中蚯蚓对植物、微生物的辅助诱导、促进作用。
且蚯蚓处理城市生活污泥的研究多为实验室模拟研究,而利用蚯蚓直接处理污泥的研究鲜有报道,原因是蚯蚓在污泥中不易存活[1]。
各项研究结果表明,蚯蚓对重金属有一定的忍耐和富集能力,用蚯蚓修复重金属污染的土壤具有一定的应用价值,但蚯蚓对不同重金属的忍耐和富集能力是有限度的,并且,各项研究结果间仍有较大出入,与污染物质类型、试验所选蚯蚓品种和试验条件有关。
鉴于以上,本次实验是在己有实验的基础上进行拓展和深化,以城市污泥为载体,通过引入蚯蚓(赤子爱胜蚓Eiseniafetida)堆肥来有针对性的进一步探明蚯蚓对城市污泥中Cd含量及化学形态的影响,揭示蚯蚓在降低污泥中Cd的效率,及随Cd污染浓度的增加蚯蚓对其在污泥中不同形态的影响;并揭示蚯蚓对城市污泥的性质(有机质、N、P、K)改良效果,以期在实际应用赤子爱胜蚓时,对Cd富集修复的效率及解决投加比例等问题提供一定参考依据,从而缓解大量污泥给城市环境建设带来的巨大压力,充分发挥污泥中养分的资源效应,促进农业的可持续发展。
1.5研究内容
本文向不同Cd浓度的城市污泥中投加蚯蚓,经过30天堆肥处理后,对其中Cd的含量及污泥中Cd的交换态、碳酸盐结合态、铁锰结合态、有机结合态和残渣态含量进行测定比较,主要内容有以下几点:
(1)通过测定蚯蚓处理的污泥中Cd的含量和污泥中有机质、N、P、K含量,明确蚯蚓处理对污泥中Cd含量、形态及污泥肥力的影响;
(2)揭示金属Cd在污泥中存在的形态与Cd浓度的关系;
(3)通过比较蚯蚓处理的不同浓度污泥中交换态Cd含量变化,揭示蚯蚓堆肥对污泥中Cd生物有效性。
2实验材料与方法
2.1供试材料
供试污泥取自江心洲污水处理厂,污泥的基本性质及Cd的含量见表2.1和表2.2,锯末取自南林木材工业学院。
供试蚯蚓为赤子爱胜蚓(Eiseniafetida)。
表2.1供试污泥基本理化性质(DW)
Table2.1Physic-chemicalpropertiesofthetestedsewagesludge
供试材料
pH
有机质(%)
全氮(g/kg)
全磷(g/kg)
全钾(g/kg)
江心洲污泥
7.0
40.4
21.3
15.11
6.38
表2.2供试污泥中重金属Cd的形态分布(mg/kg)
Table2.2Theformdistributionofcadmiuminthetestedsewagesludge
供试污泥
重金属
Exc
Car
Fe-Mn
Oxi
Res
Total
江心洲污泥
Cd
0.56
0.68
0.35
0.88
0.63
3.1
注:
Exc一交换态,Car一碳酸盐结合态,Fe-Mn一铁锰结合态,Oxi—有机结合态,Res—残渣态,Total—全量,以下各表均同。
2.2试验处理及培养方法
污泥与锯末1:
1混匀,加入CdCl2溶液以制备成0,5,15,25mg/kg的Cd污染污泥,每个处理重复3次。
浓度的设定既是参照国家级土壤污染标准(农用限定值为5mg/kg),也有参考前期预备试验结果及俞协治等[8]研究证实的蚯蚓存活的最高阈值而定的。
各处理取样1kg装入塑料盆,盆上端用纱窗封住。
置于28℃培养箱中干湿交替培养,至土壤Cd各形态分布达到平衡后,放入一组20条1~2月龄、大小均匀、体重大致相等,且有明显环带(即生殖带)的成年蚯蚓作为接种用蚯蚓,
实验前需将蚯蚓放于湿润的滤纸上3-6h使蚯蚓排出肠道内物质,用滤纸擦净。
将塑料盆置于受控培养箱内培养一个月。
2.3样品采集及处理
堆肥样品分别在0d、10d、20d和30d时多点随机取样,同时保存部分待测鲜样,样品经自然风干磨碎过筛后装袋保存,以测定污泥中有机质、氮磷钾、Cd含量及各形态Cd含量的变化。
2.4测定方法
2.4.1污泥有机质的测定
称取风干污泥5~10g,置烘箱内105℃下烘干8h。
冷却后,从中称取约5g于石英坩埚内,用马弗炉灼烧减量法测定。
2.4.2污泥中全氮、全磷、全钾的测定
总氮:
取0.5g泥样置于消解瓶中,依次加入10ml蒸馏水,1g催化剂(mCuSO4∶mZnSO4=1∶1),5ml浓硫酸,按国标《水质 凯氏氮的测定》(GB11891289)测定污泥总氮。
总磷:
Olsen法(NaHCO3法)提取,铝锑抗比色法测定。
总钾:
NH4OAC提取,火焰光度计测定。
2.4.3污泥Cd全量测定
王水+HClO4消化法(中国科学院南京土壤研究所,1983),称取0.29-0.39(精确到0.0001g)过100目筛的土壤样品于150mL三角瓶中,加数滴水湿润,加王水10mL,在电热板上加热微沸至有机物剧烈反应后,再加高氯酸2mL,提高温度强火加热至冒白烟,样品呈灰白色或淡黄色。
冷却,加适量去离子水,小火加热除去高氯酸,再用1%硝酸温热溶解,溶解盐类后,仍然用1%硝酸定容至50mL容量瓶,摇匀,立即转移至聚乙烯瓶中贮存备用,原子吸收光谱仪测定。
2.4.4污泥Cd各形态含量的测定
形态分析采用Tessler连续提取法[34],将其分为交换态(0·5mol/LMgCl2),醋酸钠提取态(pH5·0,1mol/LNaOAc+HOAc),铁锰氧化物结合态(0·04mol/L
NH2OH.HCl+25%HOAc,96℃水浴),有机结合态(0·04mol/LHNO3+30%H2O2,85℃水浴)。
3结果与分析
3.1蚯蚓对污泥肥效的影响
3.1.1蚯蚓对不同Cd浓度污泥有机质的影响
图1是蚯蚓对不同Cd浓度污泥中有机质的动态影响。
由图1中可以看出,加入Cd后的污泥中有机质有些许增加,幅度较小;空白组与各浓度Cd污泥中有机质百分比均有明显下降,且不同浓度Cd污泥中,有机质百分数下降速度不一样,随着Cd浓度增加,有机质分解效率明显有上升趋势,在Cd-25mg/kg污泥中,对有机质含量影响最大,30天试验结束后,污泥中有机质百分比从原来的41.3%下降到33.9%,下降幅度与前人研究相符,有机质降解率也接近10%。
说明,赤子爱胜蚓对Cd有较强耐受性的同时,也能够有效地降解有害有机质改良污泥性质。
图1不同Cd处理污泥有机质随时间的变化
Fig.1Changeoforganic
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