污泥干化蘆葦床蘆葦中多環芳烴的含量分布

崔玉波　孫紅杰　冉春秋

摘要：

通過現場試驗，考查了多環芳烴（PAHs）從污泥向蘆葦的轉移以及PAHs在蘆葦各部位的分布情況。受試蘆葦植于污泥干化蘆葦床內，蘆葦床規格3 m×1 m×1.3 m，其中高度含0.65 m填料層和0.65 m超高。試驗進行了3 a，包括2 a的污泥負荷期和1 a的閑置期。2 a負荷期內共進泥8.4 m（含水率99.14%），污泥PAHs含量平均5.69 mg·kg-1。原生蘆葦莖和葉中的PAHs含量相對較高，達到2.198和2.583 mg·kg-1 （DW），分別是蘆葦根PAHs含量的2.44和2.87倍，且以低環PAHs為主。運行結果表明，受試蘆葦對污泥中的PAHs產生了明顯的富集作用。運行第2年9、10和11月取污泥干化蘆葦床蘆葦樣品并進行檢測，發現蘆葦根莖葉內PAHs含量呈逐月升高趨勢；第3年11月蘆葦根莖葉所含PAHs總量分別為7.642、7.713、7.946 mg·kg-1 （DW），相對原生蘆葦分別提高了8.50、3.52和3.08倍，且以低環PAHs為主，根莖葉低環PAHs含量占PAHs總量的55.14%、56.96%和44.59%。蘆葦中PAHs的含量與植物含脂率具有顯著的正相關關系，而與蘆葦的含水量無關。

關鍵詞：

富集；多環芳烴；蘆葦；污泥干化蘆葦床；污泥處理

到2010年底，中國城鎮污水污水處理能力達到1.22億m3，相應的每年污泥產量近3 000萬t（含水率80%），污泥處理與處置成為業內急待解決的問題。污泥中一方面含有豐富的N、P、K和有機質，是良好的肥料資源；另一方面它含有多種污染物，需要妥善處置。尤其是污泥中的難降解有機物質如多環芳烴（PAHs）的存在，已經引起廣泛關注。PAHs具有較強的致癌和致突變性，許多國家都將其列入優先控制污染物的黑名單中。以處理工業廢水為主產生的污泥中 PAHs含量較高，有的甚至達到2 000 mg/kg[1]。中國城鎮污水處理廠污泥處置土地改良用泥質標準（CH/T 291—2008）中有關PAHs的控制標準限值為苯并（a）芘不超過3 mg/kg干污泥，沒有PAHs總量的限值。但一些發達國家的標準要嚴格得多，例如丹麥的污泥農用PAHs總量標準限值為3 mg/kg干污泥；荷蘭規定未污染土壤的PAHs含量為0.02～0.05 mg/kg干土壤[2]。顯然，污泥中PAHs的存在引發對其去除技術的研究和需求。

崔玉波，等：污泥干化蘆葦床蘆葦中多環芳烴的含量分布

污泥干化蘆葦床是利用植于人工濕地中的蘆葦對污泥進行脫水和穩定化處理的技術，該技術始于歐洲，近年來對其研究和應用呈快速增長之勢[35]。但目前的相關文獻中，針對蘆葦對污泥所含PAHs的去除功能研究不足，本文通過運行3 a的污泥干化蘆葦床的研究，系統考察蘆葦在吸收和轉化污泥中PAHs所發揮的作用。

1試驗裝置與方法

1.1試驗裝置

污泥干化蘆葦床系統位于大連開發區污水處理廠，由污泥泵、進泥箱和蘆葦床組成。蘆葦床規格為3.0 m×1.0 m×1.3 m，其中高度由65 cm填料層和65 cm超高組成，超高部分為污泥積存提供空間。填料層由下至上依次為爐渣20 cm、礫石20 cm、粗砂5 cm、細砂20 cm。蘆葦床底部設直徑20 cm、長3 m排水花管，污泥滲濾液經填料層通過排水管排出。排水管沿長1/3和2/3處設通風管，直接與大氣相連。

1.2試驗運行概況

試驗分為3 a，第1 a為調整期，第2 a正常運行，第3 a為自然穩定期。

第1年五月中旬開始啟動，蘆葦移植后，經過25 d適應性培養，然后按間歇方式布泥。布泥周期為7 d，進泥量600 L，進泥時間約半小時。第1年共歷時18個周期，秋季蘆葦枯死后停止運行。第2年系統從啟動到結束共運行了24個周期。2 a期間蘆葦床進泥總厚度為8.4 m，污泥含水率、總懸浮固體（TSS）和揮發性懸浮固體（VSS）濃度平均分別為99.14%、8.14 g/L和7.04 g/L，蘆葦床污泥負荷為41.3 kg （TSS） /（m2·a）。

蘆葦床進泥的PAHs平均含量為5.69 mg/kg，以低環PAHs（包括2～3環的萘、苊烯、苊、芴、菲、蒽、熒蒽）為主，占48.01%；中環PAHs（包括4環的芘、苯并（a）蒽、屈、苯并[b]熒蒽、苯并[k]熒蒽）占33.14%，高環PAHs（包括5～6環的苯并[a]芘、茚并（1，2，3-cd）芘、二苯并（a， h）蒽、苯并（g，h，i）芘）占18.85%。

第3年末蘆葦床中污泥PAHs含量平均為186 mg/kg，其中低環PAHs占32.43%；中環PAHs占43.63%，高環PAHs占24.12%。

1.3PAHs檢測方法

樣品經自然風干，研磨過100目篩，稱取1 g樣品于100 mL錐形瓶中，加入2 g無水硫酸鈉和1 g銅粉，加入60 mL正己烷二氯甲烷（1：1）混合溶劑，封口，超聲萃取90 min，離心（3 000 r/min）30 min，旋轉蒸發后定容至4 mL，待用。

樣品提純：超聲萃取后樣品用柱層析方法提純。稱取2.0 g硅膠，3.0 g無水硫酸鈉（在600 ℃灼燒6 h）與少量正己烷于燒杯內制成勻漿，濕法填裝層析柱。層析柱下端放入少量脫脂棉做支柱填料，加入0.3 g石英（60～80目，在130 ℃活化16 h），用10 mL正己烷潤濕柱子，加入40 mL（1∶1）二氯甲烷、正己烷洗脫樣品，將洗脫液旋轉蒸發至干，用高純氮氣吹掃定容至2 mL樣品瓶中，用GC/MS以外標法定量測定PAHs。

GC/MS條件：GC-2010型氣相色譜/質譜聯用儀（日本島津公司），色譜柱為SE-54型高分辨率彈性石英毛細管柱，柱長3000 m，內徑0.25 mm，膜厚0.25 μm。柱溫升溫程序：100 ℃保持1 min，以5 ℃/min升至280 ℃，保持30 min。進樣量1 μL。載氣為高純氮氣，柱流速0.88 mL/min，尾吹氣流速20 mL/min；柱前壓85.6 kPa；采用分流進樣，分流比為10∶1；進樣口溫度280 ℃；檢測器溫度280 ℃；EI電離方式，電離能70 eV。全掃描測定方式的掃描范圍為100～400 amu。

2結果與討論

2.1原生蘆葦中PAHs的含量分布

蘆葦床運行的第2年和第3年，分別取處于生長末期的原生蘆葦樣品，檢測其PAHs含量，結果見表1。

宏觀上看，2個蘆葦床中的蘆葦根莖所含PAHs主要為三環烴，另BbF（苯并[b]熒蒽）的含量相對較高；而蘆葦葉中除主要含三環烴外，四環以上的Pyr（芘）、Chr（屈）、BbF（苯并[b]熒蒽）、BkF（苯并[k]熒蒽）含量較高，尤其富含Chr（屈）。

處于負荷期第2年的蘆葦在生長末期，蘆葦根系所含PAHs隨時間逐月增高，11月份達到最大值；莖和葉的PAHs含量在十月份達到最大值；根莖葉對PAHs產生了明顯的的富集作用。

處于自然穩定期的第3年末，蘆葦根、莖和葉對PAHs的富集較原生蘆葦分別提高了850%、352%和308%；蘆葦根中含量最高的是Chr（屈），達1.64 mg/kg，含量最小的是NaP（萘），為0.032 mg/kg。蘆葦莖中含量最高的是Ant（蒽），達1.473 mg/kg，含量最小的是NaP（萘），為0.098 mg/kg。蘆葦葉中含量最高的是Phe（菲），達1.596 mg/kg，含量最小的是Fla（熒蒽），為0.087 mg/kg。

2.3污泥干化蘆葦床蘆葦中PAHs的組成

表3列出了蘆葦不同部位各種多環芳烴含量在總量中的比例?？梢?，蘆葦根莖葉中不同多環芳烴的含量差異很大。蘆葦根中從0.42%（萘）到2146%（屈），蘆葦莖中從1.27%（萘）到19.1%（蒽），蘆葦葉中從1.09%（熒蒽）到20.1%（菲）。

蘆葦根、莖、葉中所含PAHs的量具有低環>中環>高環特征；尤其是根和莖中低環多環芳烴占絕對優勢，含量都超過50%；而高環多環芳烴在根、莖、葉中的含量呈升高趨勢，即葉>莖>根。

低環多環芳烴在蘆葦莖中的含量最高，達5696%，在葉中的含量最低，為44.59%；中環多環芳烴在蘆葦葉中的含量最高，達35.06%，在莖中的含量最低，為26.57%；高環多環芳烴在蘆葦葉中的含量最高，達20.35%，在根中的含量最低，為1036%。

2.4蘆葦粗脂肪和水分含量與PAHs含量的關系

粗脂肪和水分是植物體內的重要物質，了解植物粗脂肪和水分含量對多環芳烴的影響是分析污染物在植物體內遷移的重要依據。將蘆葦根、莖、葉中的粗脂肪和水分含量分別與多環芳烴含量做關系圖，如圖5、6所示。

圖5蘆葦粗脂肪含量與多環芳烴含量關系

圖6蘆葦水分含量與多環芳烴含量關系

可見，蘆葦組織中多環芳烴含量與粗脂肪含量和水分含量之間的相關性存在顯著差異。蘆葦各部位多環芳烴總量與粗脂肪含量具有顯著的正相關關系，線性相關系數達到0.999 6（R2），即粗脂肪含量越高，多環芳烴含量越大。而多環芳烴總量與植物水分含量沒有明顯的相關性。

2.5討論

植物在全球PAHs循環中起到重要作用，PAHs在植物體內的吸收途徑主要有：通過根系從土壤中吸收，然后再從根系向莖葉轉移；大氣中揮發性有機物在根系和幼苗上的吸附；從污染土壤或降塵中吸附在表皮，或通過吸收進行滲透進入植物體內[67]。

原生蘆葦所含PAHs可能通過根系從土壤中進入，也可以從大氣通過氣相和顆粒沉積經葉片吸收。葉片中的高PAHs含量暗示著這些PAHs來源于大氣中的氣相和顆粒沉積，大氣沉降成為植物葉子中PAHs的主要輸入途徑；而根系PAHs的低濃度源于其生存土壤的低PAHs含量[8]。有研究表明，污染源排放到大氣中的PAHs，其中（44±18）%被植物吸收、凈化。從檢測結果分析，暴露于大氣中的蘆葦莖葉起到了直接吸收大氣中PAHs的作用，且以吸收低環的Ace（苊）、Fle（芴）、Phe（菲）、Ant（蒽）為主。

植物修復是利用植物原位處理污染土壤、水、污泥的一種方法，植物可通過吸收、固定、揮發污染物，并能釋放一些分泌物、酶以利于降解有機污染物，并可刺激根區微生物的活性來進行PAHs的污染修復[9]。植物對PAHs的修復作用因植物種類不同而效果不同，例如田間試驗中玉米、高梁對PAHs的降解效果顯著的好于三葉草和紫花苜蓿[10]。但針對污泥干化蘆葦床中污泥PAHs的去除效果和蘆葦的作用僅見于Cui等人的初步報道[11]。Muratova等人用盆栽試驗研究了蘆葦和紫花苜蓿根際修復PAH污染土壤，兩年后，紫花苜蓿和蘆葦根際處理PAH去除率分別為74.5%和68.7%，該研究主要針對根際微生物展開研究，并未提及蘆葦的功效[12]。

Ren等報道了熒蒽、菲、奈對水萍的光誘導性毒害，認為隨著苯環的增加其毒害癥狀趨于明顯[13]。而本研究中，5.69 mg/kg的進泥PAHs含量并未造成對蘆葦生長的不良影響，經過3年的穩定化處理后，污泥中的PAHs含量降到1.89 mg/kg，其中除了生物降解作用外，蘆葦各部位的PAHs含量明顯增加，說明了蘆葦起到不可忽視的作用。

植物體內PAHs的含量與植物生長環境中PAHs的含量、植物的品種有關；同一植物不同部位的PAHs含量也不同；生長在工廠附近的植物，根部PAHs總量甚至超過 12.3 mg/kg，遠大于內源產生的PAHs [14]。本研究中，第3年末，污泥干化蘆葦床內蘆葦根、莖和葉對PAHs的富集較原生蘆葦分別提高了8.50、3.52和3.08倍，顯然在蘆葦根系發生了明顯的PAHs富集，并向蘆葦的地上部分傳遞。

Gao and Zhu研究了不同植物根系對PAHs的吸收，發現植物對PAHs的富集作用與土壤PAHs含量和植物構成有關[15]。大多研究表明較高的植物吸收PAHs能力較差，2～3環的PAHs從根系向上的輸送的可能性較大[16]，植物體內的高環PAHs主要源于大氣向葉子的沉降[17]。從研究的結果看，蘆葦根莖葉中的PAHs以低環為主，中環次之，高環最低，與上述研究結論一致。而Guo等對白洋淀的相關研究認為，蘆葦根系和葉子對四環PAHs的吸收較其他環PAHs高，尤其是根系跟容易富集PAHs，可能是由于根系的水分含量較莖葉高所致[8]。關于蘆葦根系富集PAHs的結論與本研究一致，但如圖6所示，研究中沒有發現蘆葦根莖葉水分含量與PAHs含量之間的直接相關性。而蘆葦各部位的粗脂肪含量與PAHs含量之間線性相關度高達0.999 6（R2），這可能和PAHs屬親脂類有機物有關[15]。

一旦PAHs被吸收，植物可以通過木質化作用在新的植物中儲藏它們的殘片，可以代謝和礦化它們為水和二氧化碳，還可以使它們揮發[18]。污泥中的PAHs在蘆葦體內各部位主要以富集作用為主。

3結論

1）污泥干化蘆葦床中的蘆葦能夠有效富集污泥中的多環芳烴（PAHs），起到穩定污泥中難降解有機物的作用。

2）經2 a的污泥負荷期和1 a的閑置期，污泥干化蘆葦床中的蘆葦根莖葉所含PAHs顯著增加，分別達到7.642、7.713、7.946 mg/kg（DW），是原生蘆葦根莖葉PAHs含量的8.50、3.52和3.08倍，且以低環PAHs為主，分別占根莖葉PAHs總量的55.14%、56.96%和44.59%。

3）污泥干化蘆葦床蘆葦中的PAHs含量與其粗脂肪含量具有顯著的正相關關系，而與植物含水量無關。

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（編輯胡玲）