污泥处理渣对电子废弃物拆解污染土壤的改良作用_郭江山.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2022，41（12）:2613-26212022年12月郭江山，顾卫华，白建峰，等.污泥处理渣对电子废弃物拆解污染土壤的改良作用J.农业环境科学学报,2022,41（12）：2613-2621.GUO J S,GU W H,BAI J F,et al.Treated sludge residue amelioration of contaminated soil at an e-waste dismantling siteJ.Journal ofAgro-Environment Science,2022,41（12）：2613-2621.开放科学OSID污泥处理渣对电子废弃物拆解污染土壤的改良作用郭江山1，2，顾卫华1，4，白建峰1*，董滨3，庄绪宁1，赵静1，张承龙1（1.上海第二工业大学资源与环境工程学院，上海 201209；2.中交（苏州）城市开发建设有限公司，江苏 苏州 215031；3.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；4.浙江工业大学环境学院，杭州 310014）Treated sludge residue amelioration of contaminated soil at an e-waste dismantling siteGUO Jiangshan1,2,GU Weihua1,4,BAI Jianfeng1*,DONG Bin3,ZHUANG Xuning1,ZHAO Jing1,ZHANG Chenglong1（1.School of Resources and Environmental Engineering,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,China;2.CCCC（Suzhou）Urban Development and Construction Co.,Ltd.,Suzhou 215031,China;3.School of Environmental Science and Engineering,TongjiUniversity,Shanghai 200092,China;4.School of Environment,Zhejiang University of Technology,Hangzhou 310014,China）Abstract：The effects of two types of treated sludge residue on soil improvement were evaluated in a potting experiment by adding pyrolysisresidue and aerobic fermentation residue to the soil.The effects of parameters such as soil nutrients,enzyme activities,leaching content ofheavy metals,and plants（Lolium perenne and Vetiveria zizanioides）on heavy metal accumulation and growth were analyzed.Additionally,the effects of soil improvement were evaluated using the fuzzy membership function.The results showed that application（5%）of the twotypes of treated sludge residue introduced humic acid-like substances into the soil.The soil conductivity（220%238%）,ammoniumnitrogen（16%66%）,cation exchange capacity（37%84%）,available phosphorus（34%42%）,available potassium（44%97%）,organicmatter content（17%47%）,and enzymatic activity of fluorescein diacetate（67%119%）were significantly increased.The fresh weight（32%36%）,height（18%22%）,chlorophyll（12%16%）,phosphorus（33%48%）,and potassium content（12%21%）of plants werealso significantly increased.The concentrations of Cu（17%33%）,Zn（5%9%）,Pb（32%）,Cd（35%）,and malondialdehyde（18%22%）收稿日期：2022-10-12录用日期：2022-11-28作者简介：郭江山（1996），男，河南郑州人，硕士研究生，现从事生态修复工程管理研究。E-mail：*通信作者：白建峰E-mail：基金项目：国家重点研发计划项目（2019YFC1906100）；国家自然科学基金项目（51578397）Project supported：The Key Research and Development Program of China（2019YFC1906100）；The National Natural Science Foundation of China（51578397）摘要：为探究两种污泥处理渣对电子废弃物拆解污染土壤的改良作用，通过盆栽试验解析添加热解渣和好氧发酵渣对土壤养分、酶活性、重金属浸出与植物（黑麦草和香根草）生长、吸收重金属的影响，并通过模糊隶属函数评价土壤改良效果。结果表明：施用两种污泥处理渣（施用量均为5%）向土壤引入了类胡敏酸物质；显著提高土壤电导率（220%238%）、铵态氮（16%66%）、阳离子交换量（37%84%）、有效磷（34%42%）、速效钾（44%97%）、有机质（17%47%）含量和荧光素双醋酸酯（FDA）酶活性（67%119%）；显著提高植物鲜质量（32%36%）、株高（18%22%）及叶绿素（12%16%）、磷（33%48%）和钾（12%21%）含量；显著降低植物Cu（17%33%）、Zn（5%9%）、Pb（32%）、Cd（35%）和丙二醛（18%22%）含量；显著降低土壤Cu（10%19%）、Zn（18%20%）、Pb（10%16%）和Cd（13%15%）的浸出量。土壤改良效果的排序为好氧发酵渣热解渣，香根草黑麦草。研究表明，施用两种污泥处理渣均促进了植物生长和土壤改良，其中好氧发酵渣和香根草在电子废弃物拆解污染土壤生态修复领域具有更佳的应用潜力。关键词：污泥热解；污泥好氧发酵；土壤污染；重金属；生态修复中图分类号：X705;X53文献标志码：A文章编号：1672-2043（2022）12-2613-09doi:10.11654/jaes.2022-1021农业环境科学学报第41卷第12期电子废弃物的产生量随着电子产品的大量使用而剧增1。由于早期不规范的拆解活动，如随意倾倒和填埋电子废弃物，造成拆解场地土壤重金属污染和植被破坏等生态环境问题2。由于拆解场地土壤的物理结构差、重金属含量高和养分含量低，植物在自然条件下生长慢、生物量小，甚至难存活。此外，裸露土壤中的重金属极易通过降水冲刷、渗滤液和大风扬尘等途径威胁周边地区的水环境和农产品安全3。因此，亟需针对拆解场地土壤开展有效的植被重建和污染控制工作。好氧发酵和热解是两种稳定化处理污泥的方式4-5。前者指污泥在氧气氛围、5090 条件和微生物作用下转化为富含腐殖质残渣的过程，后者指污泥在氮气氛围和200700 条件下转化为富碳残渣的过程。上述两种污泥处理渣均含有氮、磷、钾等养分元素，特殊的结构和官能团可稳定重金属和改善土壤质量6-7，为植物生长提供有利条件。此外，我国农业农村部在 有机肥料（NY/T 5252021）标准中禁止选用污泥作为有机肥料的生产原料，因此将污泥处理渣应用于场地土壤修复和改良是未来推进污泥资源化利用的重要途径。黑麦草（Lolium perenne）和香根草（Vetiveria zizanioides）是两种多年生草本植物，具有抗逆性强、生物量大、生长快和根系发达等特点，可作为场地土壤植被重建的对象，为后续生态恢复奠定基础8-10。虽然目前有关单一重金属污染土壤修复的研究较多，但针对电子废弃物拆解场地复合重度污染土壤修复的研究，以及施用热解渣和好氧发酵渣的土壤改良对比研究和评价较少。在土壤改良评价中，人们通常关注土壤肥力指标，而土壤重金属浸出、FDA酶活性与植物叶绿素、丙二醛含量等生理指标可分别从土壤毒性、微生物活性与植物生长等方面丰富土壤改良评价的角度。鉴于此，本研究以我国典型电子废弃物拆解污染土壤为研究对象，通过盆栽试验解析添加两种污泥处理渣对土壤养分、酶活性、重金属浸出与植物生长、吸收重金属的影响，并通过模糊隶属函数评价土壤改良效果，以期为污泥处理渣在电子废弃物拆解污染土壤生态修复领域的应用提供理论和实践依据。1材料与方法1.1 供试材料试验用于制备好氧发酵渣的污泥来源于常州市某污水处理厂，将风干的污泥与秸秆等原材料按一定比例混合后堆入 60 反应器，7 d 为一周期进行翻堆，49 d后获得发酵渣，用破碎机将发酵渣破碎并筛分至2 mm，常温储存备用；用于制备热解渣的污泥来源于上海市某污水处理厂，将污泥105 烘干，室温冷却并研磨过100目筛，然后置于管式炉中，在氮气氛围、升温速率10 min-1、600 终温条件下热解1 h，冷却至室温后储存备用。两种污泥处理渣的基本理化性质如表1所示。供试土壤采自浙江省台州市路桥区某场地（121.37 E，28.58 N），该场地曾集中堆放和无序拆解电子废弃物。采集表层（020 cm）土壤300 kg，混匀自然风干，移除动植物碎屑，并筛分至 pyrolysisresidue,V.zizanioidesL.perenne.Our results indicate that the two methods for treating sludge residue promote improvements in soilquality and plant growth.Aerobic fermentation residue and V.zizanioides show application potential for the ecological restoration of soil ate-waste dismantling sites.Keywords：sludge pyrolysis;sludge aerobic fermentation;soil pollution;heavy metal;ecological restoration2614郭江山，等：污泥处理渣对电子废弃物拆解污染土壤的改良作用2022年12月水维持土壤水分在田间持水量的80%左右。植物收获时尽量保持根系的完整性，测量株高后称量鲜质量（地上与地下部总质量）。植物样品先用自来水和超纯水清洗，然后用无菌棉擦干水分。一部分样品用于测定叶绿素和丙二醛含量，前者依据分光光度法（NY/T 30822017）测定，后者参考 植物生理学实验指导测定11；另一部分样品置于烘箱中经105 杀青10 min后调至65 烘至干燥，用于测定重金属（Cu、Zn、Pb、Cd）、P和K含量（地上与地下部总量），依据电感耦合等离子体原子发射光谱法（GB/T 303762013）测定。同时采集