基于發酵殘留物改良修復后土壤的試驗研究

王　晉,李習偉,徐　冉,方新磊,李定龍

(常州大學環境與安全工程學院,江蘇 常州 213164)

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基于發酵殘留物改良修復后土壤的試驗研究

王晉,李習偉,徐冉,方新磊,李定龍

(常州大學環境與安全工程學院,江蘇 常州 213164)

摘要：為了提高修復后土壤的肥力，從而重建修復土壤的生態系統，以修復后土壤的理化性質為基礎，研究基于發酵殘留物改良修復后土壤的利用方案。分析經淋洗修復的鎘污染土壤和經熱解析修復的苯系物污染土壤與普通農田土壤的土壤肥力差異，并對兩類修復后土壤添加發酵殘留物，通過試驗綜合考察不同類型土樣的堿性磷酸酶活性、土壤孔隙度和植物中污染物濃度，研究發酵殘留物改良修復后重金屬污染土壤和有機物污染土壤的效果。結果表明：將發酵殘留物與修復后土壤配比以達到改良土壤的方法是可行的，一方面可以滿足植物的生長需要，另一方面可以降低植物中污染物的濃度。

關鍵詞：發酵殘留物；修復后土壤；堿性磷酸酶活性；土壤肥力；污染物濃度

2014年環境保護部和國土資源部聯合發布了《全國土壤污染狀況調查公報》，調查結果顯示，我國土壤環境狀況總體不容樂觀，部分地區土壤污染較重，耕地土壤環境質量堪憂，工礦業廢棄地土壤環境問題突出,全國土壤總的點位超標率為16.1%[1]。其中，以無機重金屬和有機化合物污染為首。在針對這些污染土壤修復的具體實踐中，多采用化學修復或物理化學修復為主[2]，而此類修復雖然降低了污染物的生物有效性，但也降低了土壤肥力和破壞了原有生態系統[3]。因此，有必要對修復土壤摻雜土壤改良物質提高微生物和微量元素的生物有效性，繼而提高修復后土壤的肥力，從而重建修復土壤的生態系統，恢復周邊環境質量以及土地的經濟利用價值。

在城市剩余污泥的處置中，厭氧處理正逐漸成為污泥高效利用的途徑，但厭氧發酵之后的殘留物并沒有得到充分利用[4]。由于發酵殘留物含有豐富的活性微生物和氮、磷等微量元素以及腐殖酸、磷酸酶等生物活性物質，可以將其進行適當處理以改良修復后土壤[5-6]。國內有研究將農用沼氣發酵殘留物施加在農田土壤中，增加土壤肥力從而使農作物產量增加、質量提高[7]。沼氣發酵殘留物主要應用于肥料、飼料、生物農藥和培養料液等農產品生產中，很少應用在鹽堿土壤改良中，尤其是修復土壤的改良。國外有研究采用有機廢棄物堆肥修復土壤金屬污染[8-9]，這種方法理論上可直接與金屬產生氧化還原作用、沉淀作用和吸附作用，間接改變酸堿度、氧化還原電位等土壤理化性質，從而降低土壤重金屬的生物有效性和移動性。但在實際操作中，由于土壤的類型(細質、砂質土壤等)、重金屬的種類(銅離子、鉻離子等)和堆肥的物質組成不同，其修復效果各有不同，且限于時限性，反應產生的絡合金屬可能重新得到活化。

本文基于發酵殘留物改良修復后土壤，既能夠減少城市污泥和發酵殘留物對環境的污染，又可以提高化學修復土壤的有益活性物質的生物有效性，也可以將土壤修復和污泥處置協同利用，最終達到固體廢棄物資源化處理和增加物質循環有效途徑的目的。

1材料與方法

1.1試驗藥劑和儀器

試驗藥劑：氯化鎘；間二甲苯；30%H2O2；氫氟酸；濃硝酸；甲醇等。

試驗儀器：火焰原子吸收分光光度計(NovAA300，德國耶拿分析儀器股份公司)；高效液相色譜儀(Agilent1200，美國安捷倫科技有限公司)；微波消解儀(TOPwave，德國耶拿分析儀器股份公司)等。

1.2試驗方法

1.2.1樣品采集與處理

發酵殘留物取自課題組厭氧發酵試驗的發酵罐內剩余物質，將其攪拌2min，靜置沉淀3h后倒出上部沼液。

修復后的污染土壤配制：取農田土風干過20目篩，接著用典型重金屬污染物鎘(Cd)和有機污染物苯系物(間二甲苯)分別對土壤進行染毒，濃度分別為100mg/kg(氯化鎘)和128mg/kg(間二甲苯)，最后按照文獻[10]和文獻[11]的修復方案分別處理染毒后土壤，即為修復后的污染土壤。

1.2.2室內種植培養

測量農田土壤、修復Cd污染土壤、修復間二甲苯污染土壤和發酵殘留物4種土壤的肥力(即pH值、總有機質含量、堿性磷酸酶活性、總孔隙度)，并根據土壤脲酶和堿性磷酸酶活性與土壤肥力之間呈顯著相關關系[12]，基于農田土壤與修復Cd污染土壤、修復間二甲苯污染土壤堿性磷酸酶活性的差異添加發酵殘留物。4種土壤的理化性質見表1。

表1　土壤的理化性質

設置農田土壤(A)、未添加發酵殘留物修復Cd污染土壤(B)、未添加發酵殘留物修復間二甲苯污染土壤(C)、添加發酵殘留物修復Cd污染土壤(D)、添加發酵殘留物修復間二甲苯污染土壤(E)共5種類型土樣，選擇含羞草作為種植植物。其中，D和E類型土樣基于堿性磷酸酶活差異值的0.5倍(D1和E1)、1倍(D2和E2)、2倍(D3和E3)、3倍(D4和E4)添加發酵殘留物，每個類型土樣分別設置三個平行樣。

在植物種植過程中測量各種類型土樣的堿性磷酸酶、總孔隙度，種植完成后測量植物中的污染物殘留量。

1.3分析方法

有機質含量采用重鉻酸鉀容量法測定[13]；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定[12]；總孔隙度采用環刀法測定[14]；間二甲苯濃度采用高效液相法測定[15]；鎘濃度采用火焰原子吸收分光光度計測定[10]。

2結果與討論

2.1發酵殘留物改良修復后重金屬污染土壤的效果

2.1.1不同配比情況下土壤堿性磷酸酶活性的變化

土壤堿性磷酸酶是一類催化土壤有機磷化合物礦化的酶,可催化磷酸脂類或磷酸酐的水解,其活性高低直接影響著土壤中有機磷的分解轉化及生物有效性[16]。D4類型土樣種植的含羞草未見發芽生長，因此圖1僅列出5種類型土樣堿性磷酸酶活性的變化情況。由圖1可見，同一時段不同類型土樣的堿性磷酸酶活性表現為：B

圖1　不同類型土樣堿性磷酸酶活性隨時間的變化Fig.1　Changes of alkaline phosphatase activity of　　　different types of soil samples with time

2.1.2不同配比情況下土壤孔隙度的變化

經測量土壤容重計算得出的不同類型土樣孔隙度見圖2。由于厭氧污泥發酵殘留物黏度較高，土樣中發酵殘留物越多，會致其總孔隙度越低，而D4類型土樣經配比完成后土壤在第2天呈現板結，最終致使D4類型土樣不能成功種植植物。

圖2　不同類型土樣的孔隙度Fig.2　Porosity of different types of soil samples

2.1.3種植完成后植物中重金屬含量分析

將種植30d后每種類型土樣中的含羞草取出并測定其鎘濃度，其結果見圖3。由圖3可見，未添加發酵殘留物修復Cd污染土壤(即B類型土樣)植物中鎘濃度最高，為1.23mg/kg，而添加發酵殘留物修復Cd污染土壤(即D1、D2和D3類型土樣)植物中鎘濃度明顯下降，其中D3類型土樣植物中鎘濃度僅為B類型土樣的50%左右。出現該試驗結果的主要原因是發酵殘留物中含有大量的腐殖酸(約為30%)，腐殖酸與重金屬鎘結合形成絡合物，從而降低了鎘的移動性[18]。

圖3　不同類型土樣植物中鎘濃度Fig.3　Cd concentration in the plants from different　　　types of soil samples

2.2發酵殘留物改良修復后有機物污染土壤的效果

2.2.1不同配比情況下土壤堿性磷酸酶活性的變化

圖4　不同類型土樣堿性磷酸酶活性隨時間的變化Fig.4　Changes of alkaline phosphatase activity of　　　different types of soil samples

C類型土樣種植的含羞草雖有部分發芽，但到第5天全部枯死，因此圖4中僅列出其他5種類型土樣的堿性磷酸酶活性。由圖4可見，同一時段不同類型土樣的堿性磷酸酶活性表現為：E1

2.2.2不同配比情況下土壤孔隙度的變化

經測量土壤容重計算得到的不同類型土樣孔隙度見圖5。由圖5可見，基于發酵殘留物高黏度的特點，隨著土樣中發酵殘留物的增加，土樣孔隙度也在不斷下降。6種類型土樣的最低孔隙度為28%，在其后的含羞草種植過程中土樣未發生板結情況，除了C類型土樣養分流失嚴重之外，其他土樣都能滿足含羞草正常生長的需求。

圖5　不同類型土樣的孔隙度Fig.5　Porosity of different types of soil samples

2.2.3種植完成后植物中有機物含量分析

圖6　不同類型土樣植物中間二甲苯濃度Fig.6　Xylene concentration in the plants from different　　　types of soil samples

將種植30d后每種類型土樣中的含羞草取出并測定其間二甲苯濃度，其結果見圖6。由圖6可見，添加發酵殘留物修復間二甲苯污染土壤(即E1、E2、E3和E4類型土樣)植物中間二甲苯濃度明顯下降，含羞草中間二甲苯濃度由0.325mg/kg降至0.075mg/kg。出現該試驗結果的主要原因是腐殖酸可通過疏水作用、配位交換及氫鍵作用固定有機污染物(即間二甲苯)[19]。

3結論

本文通過試驗基于發酵殘留物改良修復后重金屬污染土壤和有機物污染土壤，得到如下結論：

(1) 從不同類型土樣的堿性磷酸酶活性、土壤孔隙度和植物中鎘濃度的分析來看，D4類型土樣不能成功種植植物；B類型土樣雖有近半含羞草能生長，但其含羞草中鎘濃度較高(1.23mg/kg)；D1、D2和D3類型土樣都能滿足含羞草生長需要，其中D3類型土樣植物中鎘濃度最低(0.58mg/kg)，因此最佳配比土壤為D3類型土樣。

(2) 從不同類型土樣的堿性磷酸酶活性、土壤孔隙度和植物中間二甲苯濃度的分析來看，C類型土樣不能成功種植植物；E1類型土樣雖能滿足含羞草生長，但其含羞草中間二甲苯濃度較高(0.325mg/kg)；E2、E3和E4類型土樣都能滿足含羞草生長需要，其中E3、E4類型土樣植物中間二甲苯濃度相差無幾，因此最佳配比土壤為E3類型土樣。

(3) 將發酵殘留物與修復后土壤配比，可以限制重金屬在土壤中的移動，從而降低所在區域植物的重金屬含量，也可以固定有機污染物繼而降低區域植物的有機污染物含量，可見將發酵殘留物與修復后土壤配比以達到改良土壤的方法是可行的。

參考文獻：

[1] 王玉軍,劉存,周東美，等.客觀地看待我國耕地土壤環境質量的現狀——關于《全國土壤污染狀況調查公報》中有關問題的討論和建議[J].農業環境科學學報,2014(8):1465-1473.

[2] 谷慶寶,郭觀林,周友亞,等.污染場地修復技術的分類、應用與篩選方法探討[J].環境科學研究,2008,21(2):197-202.

[3] 龍新憲,楊肖娥,倪吾鐘,等.重金屬污染土壤修復技術研究的現狀與展望[J].應用生態學報,2002,13(6):757-762.

[4] 劉和,堵國成,陳堅,等.我國應用生物技術資源化利用城市剩余污泥的研究進展[J].化工進展,2008,27(8):1137-1142.

[5] 葛振,魏源送,劉建偉,等.沼渣特性及其資源化利用探究[J].中國沼氣,2014,32(3):74-82.

[6] 廖選亭,盛健.城市污泥處理處置及綜合利用研究現狀與建議[J].安全與環境工程,2006,13(2):62-65.

[7] 許衛娜.沼氣發酵殘留物對蘋果產量和品質以及土壤生態環境的影響[D].陜西楊凌：西北農林科技大學,2008.

[8]JordaoCP,NascentesCC,CeconPR,etal.Heavymetalavailabilityinsoilamendedwithcompostedurbansolidwastes[J].Environmental Monitoring and Assessment,2006,112(1/2/3):309-326.

[9]KavehS,FekriM,MahmoodabadiM,etal.BiomassproductionandheavymetalcontentofRosmarinus officinalisgrownonMSWcompostandcattlemanure[J].Journal of Herbal Drugs (An International Journal on Medicinal Herbs),2010,1(3):11-18.

[10]陶冶.鎘鉻污染土壤淋洗劑篩選研究[D].長沙：中南大學,2013.

[11]朱延臣,李春萍.苯系物污染土壤熱解析實驗研究[J].環境工程,2014,32(S1):745-747,767.

[12]邱莉萍,劉軍,王益權,等.土壤酶活性與土壤肥力的關系研究[J].植物營養與肥料學報,2004,10(3):277-280.

[13]何云曉,何丹.微生物在污泥堆肥處理中的優化改良[J].安全與環境工程,2013,20(4):51-54.

[14]BallBC,CameronKC,DiHJ,etal.Effectsoftramplingofawetdairypasturesoilonsoilporosityandonmitigationofnitrousoxideemissionsbyanitrificationinhibitor,dicyandiamide[J].Soil Use and Management,2012,28(2):194-201.

[15]黃艷,續健,李彥威,等.PLS-HPLC法同時測定二甲苯三種同分異構體的建模研究[J].太原理工大學學報,2009,40(4):434-436.

[16]劉蘭蘭,史春余,張海騰,等.腐植酸肥料對生姜土壤磷酸酶活性及磷素吸收的影響[J].腐植酸,2009(3):9-12.

[17]何岱,周婷,袁世斌,等.污染土壤淋洗修復技術研究進展[J].四川環境,2010,29(5):103-108,113.

[18]LiY,TanWF,KoopalLK,etal.Influenceofsoilhumicandfulvicacidontheactivityandstabilityoflysozymeandurease[J].Environmental Science & Technology,2013,47(10):5050-5056.

[19]盧靜,朱琨,趙艷鋒,等.腐殖酸在去除水體和土壤中有機污染物的作用[J].環境科學與管理,2006,31(8):151-154.

Experiment Study on Improving Repaired Soil BasedonFermentationResidues

WANGJin,LIXiwei,XURan,FANGXinlei,LIDinglong

(School of Environment & Safety Engineering,Changzhou University,Changzhou 213164,China)

Abstract:In order to improve fertility of the repaired soil and reconstruct the soil ecosystem,this paper explores the application scheme of improving repaired soil by fermentation residues based on the physicochemical properties of repaired soil.The paper analyses the differences of soil fertility among the cadmium contaminated soil by leaching remediation,the BTEX contaminated soil by thermal desorption remediation and ordinary agricultural soil.Then,by adding fermentation residues into the two types of repaired soil,the paper comprehensively investigates the alkaline phosphatase activity,soil porosity and concentrations of pollutants in the plants from different types of soil samples,and anzlyzes the effect of fermentation residues on improving the repaired soil contaminated with heavy metal and organics.The experimental results show that it is feasible to mix the fermentation residue into repaired soil to improve soil fertility,which not only meets the demand of plant growth but also reduces the concentration of the pollutants in the plant.

Key words:fermentation residues;repaired soil;alkaline phosphatase activity;soil fertility;pollutant concentration

文章編號：1671-1556(2016)03-0053-05

收稿日期：2015-10-23修回日期：2015-12-09

基金項目：江蘇省產學研聯合創新前瞻性研究項目(BY2014037-25)；江蘇省研究生培養創新工程項目(1110)

作者簡介：王晉(1974—)，男，副教授，主要從事固體廢棄物資源化處置方面的研究。E-mail:wangjin001@cczu.edu.cn

中圖分類號：X53

文獻標識碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.009