好氧堆肥对污泥重金属的影响分析

摘要：污泥中的重金属问题是污泥及污泥堆肥不可回避的问题，本文介绍了我国污泥重金属的含量和主要形态，堆肥以及钝化剂对污泥中重金属的钝化效果和原理以及堆肥的使用对土壤中重金属形态变化的影响。

关键词：城市污泥；好氧堆肥；重金属；钝化

中图分类号：tu992.3 文献标识码：a 文章编号：1006-4311（2016）21-0210-03

0 引言

城市污泥富含氮、磷、钾和有机质[1-4]，堆肥处理城市污泥能够杀死寄生虫和病原菌，提高有机质的稳定性[3]，显著提高污泥的土地利用价值[5]，目前在许多国家都有应用。但是由于存在污泥重金属环境污染风险，其应用效果始终不太稳定。

为此，笔者针对污泥中的重金属问题，将系统地介绍国内污泥中重金属的含量以及其主要存在形态，更进一步地讨论堆肥以及钝化剂对污泥中重金属的钝化效果、原理，同时深入分析堆肥的使用对土壤中重金属形态变化的影响，以期为好氧堆肥处理污泥重金属技术在国内的发展以及相应的研究提供理论依据。

1 污泥中的重金属

1.1污泥中的重金属含量

杨军[6]在2006年从中国107个城市中采集污泥样本进行研究，总结出一套关于城市污泥重金属含量的研究成果：城市污泥中as、cd、cr、cu、hg、ni、pb和zn的平均含量分别为20.2、2.01、93.1、219、2.13、48.7、72.3和1058mg/kg。比照2001年研究成果[7]来看，cd、cr、cu、hg、ni、pb和zn的含量都明显减少。

1.2 污泥中的重金属形态

重金属含量在一定程度上决定着重金属对环境的危害程度。除此以外，重金属在城市污泥中分布的化学形态也与其环境危害程度有一定的关系。许多学者在评价重金属污染风险等级时，只关注重金属含量的检测而容易忽略其化学形态的影响因子，最终得出的检测结果无法全面反映重金属的环境影响程度。tessier等[8]采用分级提取法将重金属形态分为可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态、硫化物及有机结合态和残渣态，其中可交换态最易被吸收，故其生物有效性较强，并且与金属含量没有直接的关系。当ph环境改变时，碳酸盐结合态会随之而变，在ph值较高环境中，其酸性能够充分释放，因此生物有效性较强。当氧化还原电位值减小时，铁锰氧化物结合态更易于释放。相较于以上两种重金属形态来说，硫化物及有机结合态稳定性更好，它是由重金属硫化物沉淀及与各种有机质结合而产生的一种重金属。另外，还有一种难于利用的重金属形态――残渣态，它赋存于矿物晶格中。

用tessier法测定了污泥中各形态重金属的含量，发现污泥中重金属含量主要以稳定态的结合形式存在；铜、镍、铅和铬主要以稳定的硫化物及有机结合态和残渣态存在（含量>90%），不稳定态的含量55%），但不稳定态的含量 2.3 堆肥中腐殖质对重金属有效性的影响腐殖质系一种稳定性极强的复杂大分子有机化合物，它必须借助微生物作用才能形成。根据酸碱溶液中腐殖质的溶解度，可将这种化合物分为三类：胡敏酸、富里酸和胡敏素。腐殖质中富含的羧基酚羟基和醇羟基等官能团能够使其牢牢吸附在重金属离子表面。腐殖质除依靠微生物作用生成以外，还可以由微生物代谢后的单体聚合而成，但是这种生成途径并不常见，最主要的生成途径始终是依靠微生物作用生成。依靠微生物的作用，木质素发生侧链氧化反应，生成腐殖质的核心和骨架――木质素类衍生物。而从另一种生成方式来看，腐殖质在与重金属的结合上具有主导作用。污泥堆肥中约有1/3的重金属与有机质的腐植酸结合，如果是水溶态腐殖质，它与重金属离子结合时会发生络合反应；如果是固相腐殖质，与重金属离子结合时会发生吸附反应，这种吸附反应又可细分为两类，一类是物理吸附，另一类是化学吸附。物理吸附是一开过静电力的作用吸附在重金属例子表面，吸附强度较低，而且容

易和其他金属离子产生离子交换导致吸附失效。化学吸附是重金属离子在与腐殖质配位基团发生络合反应时构成配位键，吸附强度较大，而且吸附作用比较稳定[14]。高卫国等[15]基于腐殖酸与堆肥的土壤培养实验，通过单独使用或复合使用，研究其对土壤中铅锌形态转化的影响程度。发现单独添加腐殖酸和堆肥均可以显著改变土壤中zn、pb形态转化，使它们从容易被植物吸收利用的交换态和碳酸盐结合态向难以被植物吸收利用的有机结合态和残渣态转化。说明堆肥和腐殖酸均可以固定土壤中的zn和pb。而当两者一起使用时，可以中和它们各自所引起土壤ph的变化，而对重金属固定效率更明显增强。研究还发现，不管是腐殖酸还是堆肥，对pb的固定效果均好于对zn的固定。

选择合适的堆肥原料和控制适当的堆肥条件，促使堆肥产品中腐殖质的形成并提高腐殖质组分向着稳定态和不溶态转化，可以作为利用堆肥降低有机固体废弃物中重金属污染风险的手段。

2.4 堆肥的使用对土壤中重金属形态变化的影响

杨海征等[16]运用盆栽茼蒿试验，研究了堆肥用量对重金属cu、cd污染土壤根际土和非根际土中cu、cd形态变化的影响，研究结果显示：堆肥用量越多，非根际土和根际土交换态（含水溶态）cu含量越高，并且在非根际土中有机结合态cu含量也明显增多，但是根际土中的含量明显减少，非根际土中无机结合态cu含量呈现先减后增的变化趋势，非根际土和根际土残渣态cu含量也明显增多，到一定程度后恒定不变。随着堆肥用量的增多，非根际土中交换态（含水溶态）cd含量开始减少，有机结合态和残渣态cd含量增多，无机结合态cd含量基本不变；根际土中，交换态（含水溶态）cd含量先减后增，有机结合态cd含量增多，无机结合态和残渣态cd先增后减。对此，供试堆肥可作为修复剂控制cd的危害，如果长期使用会导致cu含量增多，反倒不利于作物生长。高卫国等[17]用土壤培养实验，研究添加堆肥和赤泥对土壤中zn和cd生物有效性的影响。结果表明，单独添加堆肥或赤泥以及赤泥和堆肥一起添加到土壤，均可以降低土壤中的交换态cd和zn含量以及生物有效态zn和cd含量。单独添加堆肥、单独添加赤泥和同时添加赤泥与堆肥，造成土壤交换态cd的含量减少，其中同时添加赤泥与堆肥效果最好；土壤交换态zn含量在单独添加赤泥和同时添加赤泥时降低100%；土壤生物有效态cd含量在同时添加赤泥与堆肥时下降最多；土壤生物有效态zn含量在单独添加赤泥时下降最多。

高秀红等[18]以啤酒厂污泥和污水处理厂的污泥的混合污泥作为实验原料，通过原子吸收方法测定堆肥化过程不同阶段重金属pb、cu、zn、cr的形态变化。其试验结果为：在堆肥试验中，重金属zn的有效态浓度始终大于或等于2.10mg/g，基本恒定不变，但重金属含量都比其它重金属多；相对来说，重金属pb有效态含量比较少，其含量会随着堆肥的进行而出现显著增多的趋势；堆肥试验进行三日后，cr的有效态浓度到达最低值0.004mg/g，之后浓度逐渐增大。堆肥化过程中，可交换态重金属zn浓度从0.228mg/g骤降至0.032mg/g。其试验结果表明，污泥堆肥化过程中对重金属zn的有效态含量影响不显著，对cu、pb、cr向有效态转变具有一定的促进作用；堆肥化过程可显著降低交换态zn对植物的污染；重金属zn、cu的总含量变化均呈逐渐降低的趋势，表明堆肥化过程有利于降低重金属的含量。

3 结论

论文介绍了我国污泥中重金属的含量以及其主要存在形态，并深入分析了堆肥以及钝化剂对污泥中重金属的钝化效果、原理以及堆肥的使用对土壤中重金属形态变化的影响。分析结果表明：堆肥可以钝化污泥中的重金属，降低其重金属生物有效性，该处理方法是降低污泥在土地利用中重金属污染风险的重要手段和途径，堆肥过程中形成的腐殖质是固定重金属的主要物质。故而，研究可以深入探讨腐殖质中的基团对固定重金属的原理以及何种堆肥原料和堆肥方式可以更好地降低重金属生物有效性。