两种污泥组分的应用效果和土壤中锌和铜的生物毒性和苗苗；田光明；梁新强；俞一统；吴建阳；周根地1、 浙江大学环境工程学院，中国杭州310029，邮箱：hemiaomiao0343126.com2、 杭州师范学院生命科学研究所，中国杭州310006概述重金属的潜在危害是污泥应用于农业土地的主要的问题。通过盆栽试验，在污泥中分别分馏出的锌和铜，评价其在土壤中的作用以及用小白菜来检验他们的生物毒性。壤质土壤是按0%,20%,40%,60%,80%(按重量计算)的消化污泥（SS）和堆肥污泥（SC）混合的。额外添加的两种污泥在所有馏分中引起了显著的提高，导致可交换态（EXCH）和有机结合态（OM）成为优势组分，导致锌和铜的有机结合态占有最大比例。与堆肥污泥处理工艺相比，在消化污泥处理工艺中更容易获得大量的锌和铜。在盆栽试验中，可交换态,碳酸盐结合态（CAR），和有机结合态馏分中锌的浓度, 可交换态, 有机结合态馏分中铜的浓度在所有处理工艺中都降低了。所以他们的生物利用度降低了。当添加率很高时，发芽率和植物生物量下降，在添加20%的混合物的时侯，小白菜收获最佳产量。这两种污泥增加了组织中的锌和铜，尤其是在消化污泥处理工艺中。在小白菜中，锌不仅只以可交换态和碳酸盐结合态的形式存在，还以有机结合态的形式在污泥土壤的混合物中存在。在堆肥污泥和土壤的混合物中生长的小白菜，其组织中的铜无法被可交换态预测。在小白菜中铜和锌富集的成正相关，不同馏分的种类随着时间的推移增加，这一点也许表明污泥长期在土地中对植物有更为强烈的影响。关键词：污泥；重金属；馏分；小白菜；生物毒性介绍随着出现越来越多的污水处理厂，累积的消化污泥成为环境日益增长的负担。稳定污泥在农业用地中的再利用也许可以带来相当可观的农业收益，经济收益和环境的收益（Logan and Harrison,1995;Sims and Pierzynski,2000;Ramos,2006）,因为它可以回收有用的化合物，比如：氮，磷，钾，有机物和其他生物生长必要的营养物质，还可增强土壤的结构（Smith,1996;Garcfa-Orenes et al,2005）。然而，潜在的有毒物质的存在（PTEs）比如重金属，有机化合物或是任何低分子的脂肪酸（Wollan et al,1978;Reo et al,1997;Wong et al,2001）,其抑制种子发芽和污染食物链限制了污泥在农业中的应用（Chang et al,1992）.在中国，锌Zn和铜Cu是主要的问题（Wu et al.1998;Dai et al,2006）,发展中的工业造成锌和铜在消化污泥中超标，它们的最大浓度很难符合农业使用标准（在中国）；全世界污泥的土地应用对所有痕量金属浓度都有指导原则。然而，依据污泥的性质不同，不同的污泥中尽管有相似总量的锌、铜或其他元素，也许也会对土壤和植物产生不同的影响（Tam and Wong，1996；Walter et al,2005）.堆肥是一个富有吸引力的方法，不仅处理后的污泥成为稳定的有机物，还消灭了病菌，而且影响了痕量物质的浓度，可用度，和移动性（Bernal et al,1998;Amir et al,2005）.Theis et al.发现来自堆肥污泥的过滤液的金属浓度比脱水污泥低(1998)。Walter et al.表明污泥堆肥有更高的重金属浓度，但是生物利用率比厌氧消化污泥低(2005)。因此，污泥和污泥改良后的土壤中，物种形成和痕量元素的馏分用来预测元素的移动性和对植物的毒性（Flyhammar,1998）.另外，生物测试能准确地预测污泥的生物毒性，并提供重金属毒性的信息，也能获得它们应用比例。先前关于生物固体改良土壤的研究表明，馏分的变化、锌和铜的提取性都取决于土壤的类型和培育的时间长短（Obrador et al,1997;Qiao et al, 2003; Hseu,2006）。然而，他们仅仅关注在培育改良的土壤中重金属的利用效率。因此，进一步的研究需要关注土壤植物系统，以取得消化污泥和堆肥污泥中锌和铜的运动和生物利用效率，来估计当生产得农产品安全时污泥应用的上限。这个研究的目标是：（1）在用消化污泥和堆肥污泥处理后的土壤中，测量和比较锌和铜馏分状况的变化，以及植物吸收的情况；（2）评价添加不同比例的消化污泥和堆肥污泥对植物的发芽和生长的影响；和（3）探索添加到土壤中适宜的污泥比例。1材料和方法1.1消化污泥，堆肥污泥和土壤 研究中使用厌氧消化污泥和堆肥污泥。厌氧消化污泥是从中国杭州的处理厂收集的，处理厂处理来自市政污水和工业废水的污泥。用于实验的堆肥污泥以起初的5：1（重量比重量，新鲜的重量）的取自上述的消化污泥和锯木屑的混合物。堆肥在一个混凝土结构的容器中进行，其带有强制曝气系统,以0.1m3/(min.m3) 的速率进行63天，在开始的进程中温度上升很快。壤土的顶层（0-20cm）取自于中国浙江省嘉兴县的双桥农庄地理位置处于12040E和3050N。沙土，流沙，和粘土分别占27%，38%，35%（W/W）,在表格1中，介绍的主要是污泥和土壤的化学性质。堆肥污泥常用于满足完善的标准，即碳氮比低于15。根据中国农业使用的污染物质范围(中国EPB，1984)，铜的含量在浓度范围内(500mg/kg)，锌在两种污泥中大大超出了标准（1000mg/kg）。在使用之前，消化污泥和堆肥污泥以及壤土在室温下干燥，让它们通过2mm的筛子，然后混合。对于两种污泥，分别有五种处理方法，分别含有0%（100%土壤），20%，40%，60%，80%的消化污泥或堆肥污泥，按重量计算。土壤和污泥的混合物有干燥的土壤和污泥完全混合而成。 表格1 实验中两种污泥和土壤的化学特性ParameterSewageSludge(SS)CompostedSludge(SC)SoilPHEC(ds/m)CECb(cmol/kg)OM(%)Total-N(g/kg)Total-P(g/kg)Total-K(g/kg)Total-Ca(mg/kg)Total-Mg(mg/kg)Zn(mg/kg)Cu(mg/kg)Pb(mg/kg)Cr(mg/kg)Cd(mg/kg)Ni(mg/kg)6.10.07a1.290.1550.733.6937.621.3627.700.9215.410.0311.451.5473.926.8310.641.023241.6352.91264.752.5965.144.87140.2813.923.560.1215.660.796.770.032.730.1145.365.8716.980.9511.720.726.630.129.710.7460.774.328.790.932970.9634.38230.968.3160.495.93162.7513.373.080.3820.311.946.850.050.110.0612.120.171.860.771.740.071.350.0215.231.227.230.518.650.7483.812.7511.820.6710.390.8035.162.551.150.092.380.161.2实验设计小白菜（芸苔属植物）用于实验，是因为它有很高的生长速率（从播种到丰收大约两个月），它是重金属生物毒性的指示剂（Hirsch,1998），评价重金属对土壤污染的风险。1.2.1发芽率测试污泥-土壤混合物用于生长前，发芽率的检验是为了测试他们准确的生物毒性。对于每一个实验，培养皿中放置70g的混合物（直径为10cm，深度为1.5cm），浇水成饱和状态。50粒小白菜的种子置于土壤表面，在25C培养120小时。每一个实验有三个平行实验。发芽率的百分数用下式计算：Rg(%)=Ng/Ns100 (1)这里，Rg是发芽率，Ng是发芽的种子个数量，Ns是播种的数量。2盆栽实验在浙江大学的温室里（15小时的光照和9小时的黑暗，15-25）进行小白菜的盆栽实验，在14cm直径和12cm深的塑料容器中进行实验。每一个盆栽含有600g的混合物，在含70%的水的饱和度下五天后播种。在实验中没有另外添加的化肥。每一个容器中有十颗种子，六份。萌芽后的第一周（大概十天），小白菜的数量减少到每盆两颗。播种后的20天，在三个盆栽的六个重复实验的植物被移去。另外三盆的小白菜在播种后60天收获，然后所有的植物连根去除。收获后立刻测量植物样品的鲜重，然后在60的条件下干燥处理72小时，测量生物的干重以及锌和铜的浓度。盆栽实验后，分析土壤和污泥的混合物中锌和铜的逐级提取物。1.3分析过程 对污泥和土壤的提取物（混合物/分馏的水的比例为110（w/v），分别使用PH计和电导率测量计测量PH和电导率（EC）。Walkley and Blackde 湿重铬酸钾氧化法测量有机结合态的浓度（Nelson和Sommers,1982），醋酸铵法测定盐离子交换容量（CEC），用（PH 7.0）（Rhoades,1982）。凯式消化蒸馏法测定总氮（Bremner,1996）。总磷经硫酸-高氯酸消化，用钼蓝颜色法测定（Kuo，1996）。经氢氟酸-硝酸-高氯酸消化后，用原子吸收光谱法(Thermo Solar ,MK-6)分别测定总钾，总钙，总镁及重金属的浓度（Carter,1993）。 研究中，根据Tessier et al.(1979)的方法逐级提取，确定金属馏分中的可交换态，溶解态，碳酸盐结合态 (CAR),Fe-Mn氧化物（FeMnOX），有机结合态，和硫化物（OM），和残留物(RES). 在植物的重金属分析中，样品首先用蒸馏水洗涤，然后在烘箱中干燥（72小时60），接着通过2毫米的格栅。在硝酸-高氯酸的消化后，锌和铜的浓度通过原子吸收光谱法测定（中国环境保护局，1999）。应用方差分析数据（ANOVA）。用最显著性差异检验计算处理方法的重大差异，PFeMnOXRESEXCHCAR。污泥中的锌的各种形式在增加。在土壤和消化污泥的混合物中，在60%和80%的处理工艺中可交换锌的数量显著增加，比天然土壤多20多倍（图表一）。污泥添加物为60%和80%的工艺中，碳酸盐结合锌分别是土壤本底值的35和45倍，是Zn在单个组份中的最大增加额。铁-锰氧化物结合锌比天然土壤的本底值增加了1-3倍。随着消化污泥的添加物的增加，锌的硫化物的量几乎维持在总浓度的30%-40%。总之，消化处理中锌的浓度次序为OMEXCHCARRESFeMnOX。堆肥污泥对土壤的应用呈同样的趋势。也许因为在消化污泥和堆肥污泥中含有高浓度的有机物，锌以硫化物的形式占据了堆肥污泥-土壤混合物的最大部分（Walter and Cuevas,1999）。然而，在含不同比例添加物的和消化污泥中，可交换锌的含量比在消化污泥中低30%-40%，而残留物中在堆肥污泥中比在消化污泥中高30%-50%。消化污泥和堆肥污泥不同的性质导致了两种系列处理工艺的差异。通过处理，活跃的形式（举例如可交换态）低于它们在污泥中的形式，不活跃的形式（举例如剩余部分）则高于他们在污泥中的形式（Sim