污泥蚓糞的土壤改良效果及其重金屬健康風險*

趙淑艷 邢玉亮 周 鑫 劉 陽 范紫嫣 周 濤 宋 丹

(1.大連理工大學食品與環境學院，工業生態與環境工程教育部重點實驗室，遼寧 盤錦 124221；2.遼寧省城市污水處理管理中心，遼寧 沈陽 110033；3.遼寧華電環保科技有限公司，遼寧 沈陽 110033；4.遼寧省土壤肥料總站，遼寧 沈陽 110033)

污泥蚓糞的土壤改良效果及其重金屬健康風險*

趙淑艷1邢玉亮1周 鑫2劉 陽3范紫嫣1周 濤1宋 丹4

(1.大連理工大學食品與環境學院，工業生態與環境工程教育部重點實驗室，遼寧 盤錦 124221；2.遼寧省城市污水處理管理中心，遼寧 沈陽 110033；3.遼寧華電環保科技有限公司，遼寧 沈陽 110033；4.遼寧省土壤肥料總站，遼寧 沈陽 110033)

將污泥蚓糞作為改良劑施用于土壤，研究了污泥蚓糞的最佳配比，并利用健康風險評價模型對生菜(LactucasativaL.var.ramosaHort.)和小白菜(BrassicacampestrisL.ssp.chinensis(L.)Makinovar.communisTsenetLee)通過攝食途徑進入人體的健康風險進行了評價。結果表明，風干污泥蚓糞占混合基質總質量的10%為最佳配比，該混合基質中鉻未檢出，鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛的質量濃度分別為(5.6±0.3)、(5.9±0.3)、(20.1±2.9)、(5.8±0.7)、(0.25±0.05)、(10.20±1.10)mg/kg，均未超過《土壤環境質量標準》(GB15168—1995)的二級標準和《農用污泥中污染物控制標準》(GB4284—84)。該混合基質中生長的生菜和小白菜的重金屬檢測結果表明，《食品中污染物限量》(GB2762—2012)中規定的鉻、砷、鎘和鉛均未超標。健康風險評價結果表明，進行評價的鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛不具有非致癌風險，砷、鎘、鉛不具有致癌風險。

污泥蚓糞 土壤 重金屬 健康風險

近年來，我國污水處理廠發展迅速，污泥產量也大大增加。傳統的污泥處理方法主要是焚燒和填埋。污泥填埋易產生滲濾液污染，而焚燒易產生有毒有害物質造成空氣污染[1]。由于污泥中含有氮、磷等營養元素，作為土壤改良劑施加到農田中，能夠改變土壤理化性質并促進植物生長[2]。但是，污泥中同時也含有病原微生物、重金屬和有機污染物，難以直接農用，需進行穩定化處理。利用蚯蚓對污泥進行穩定化處理，可以去除病原微生物，分解有機污染物[3]。

經過蚯蚓穩定化后的污泥稱為污泥蚓糞，是一種高效的生物有機肥。污泥蚓糞結構松散、孔隙率高、團粒結構豐富，能夠改善土壤結構，提高土壤中微生物種群活性，增強土壤對營養物質的持有能力[4]。污泥蚓糞中還含有大量腐殖酸、磷酸鹽、銨鹽、鉀鹽及其他無機鹽離子[5-6]。目前，已有研究表明，污泥蚓糞施用于土壤，能夠加快植物的再生速度和葉綠素的生成[7]。然而，污泥蚓糞施用于土壤仍會導致一部分重金屬進入土壤，可能會對生態環境及人體健康產生一定的影響。

然而，關于污泥蚓糞用于土壤改良劑的重金屬風險評價還相對缺乏。本研究以食葉植物小白菜(BrassicacampestrisL. ssp.chinensis(L.) Makino var.communisTsen et Lee)和生菜(LactucasativaL. var.ramosaHort.)為受試植物，通過室內盆栽實驗，將污泥蚓糞作為土壤改良劑施用于盆栽土壤中，確定污泥蚓糞的最佳配比。同時，對污泥蚓糞施用后食葉植物的健康風險進行評價，為建立適合我國國情的污泥蚓糞作為土壤改良劑標準化提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試劑和儀器

試劑：重金屬混標溶液購自西格瑪，其中鎘和錳的質量濃度均為10 mg/L，鉻、銅和鎳的質量濃度均為20 mg/L，砷和鉛的質量濃度均為40 mg/L，鋅的質量濃度為100 mg/L；硝酸、鹽酸、高氯酸、雙氧水均為優級純。

儀器：Agilent 7900電感耦合等離子體質譜儀，GZX-9076MBE電熱鼓風干燥器，CP213電子天平。

1.2 實驗設計

土壤取自遼寧省沈陽市法庫縣某農田表層(0～20 cm)。污泥蚓糞取自遼寧省華電環保科技有限公司法庫縣基地。將100 kg污泥蚓糞和100 kg土壤分別平鋪于鋪設有塑料膜的水泥硬質地面上，自然狀態下風干3周，將風干的污泥蚓糞與土壤粉碎后過20目篩得到風干污泥蚓糞和風干土壤。將風干污泥蚓糞和風干土壤按比例配成混合基質裝于花盆中，使得風干污泥蚓糞占混合基質總質量的0、10%、30%、50%、70%、100%。在不同混合基質的花盆中分別播撒30粒生菜種子和20粒小白菜種子，播撒均勻。每個混合基質的花盆設置3個平行，放置于溫室中培養34 d(每天白天27 ℃下光照14 h，晚上溫度控制為22 ℃)。在植物生長過程中，每天觀察植物的生長狀況并澆灑適量的水，同時不定期隨機調整花盆的位置。植物成熟后收集植物和混合基質樣品，將植物用去離子水沖洗干凈后在陰涼處晾干，稱鮮質量。

1.3 樣品處理與測試

混合基質樣品前處理：稱取一定量的樣品于燒杯中，加入50%(體積分數)硝酸溶液10 mL，蓋上玻璃表面皿加熱1 h，若仍有棕黃色煙霧產生，再加入5 mL 50%硝酸、加熱直至無棕黃色的煙霧產生。冷卻后加入適量雙氧水以去除油狀物，繼續加熱，將溶液蒸干至5 mL，冷卻后加入10 mL鹽酸，加熱15 min，冷卻后加入40 mL去離子水，加熱蒸干至1 mL，過濾，定容至25 mL，待測。

植物樣品前處理：將稱鮮質量后的植物樣品放入80 ℃干燥箱中烘干至恒質量，研碎并過100目篩。稱取一定量的過篩后植物樣品于錐形瓶中，放數粒玻璃珠，加10 mL混合酸(硝酸、高氯酸體積比為3∶1)，加蓋過夜，加熱消解，若變棕黑色，再加10 mL混合酸加蓋過夜，加熱消解直至消化液無色透明，冷卻后移入25 mL比色管中，定容搖勻，待測[8]。

重金屬采用電感耦合等離子體質譜儀測定[9]。

2 結果與討論

2.1 混合基質最佳配比選擇

由圖1可知，配比為0的混合基質中生菜和小白菜的生物量分別為33.5、33.3 g，添加不同配比的污泥蚓糞后生菜生物量均增加，其中10%混合基質對生菜生物量增加最明顯；只有10%混合基質是促進小白菜生物量增加的。因此，10%混合基質的配比最佳。

圖1 不同混合基質中植物的生物量Fig.1 The plants biomass growing in different mixed matrix

2.2 10%混合基質的重金屬污染程度分析

由表1可知，10%混合基質中鉻未檢出，鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛的質量濃度分別為(5.6±0.3)、(5.9±0.3)、(20.1±2.9)、(5.8±0.7)、(0.25±0.05)、(10.20±1.10) mg/kg，均未超過《土壤環境質量標準》(GB 15168—1995)的二級標準和《農用污泥中污染物控制標準》(GB 4284—84)。由于GB 15168—1995和GB 4284—84未對錳作出規定，暫不作討論。

表1 10%混合基質中重金屬質量濃度1)

注：1)ND表示未檢出，計算時以0 mg/kg計，表4同。

采用單項污染指數(見式(1))[10]進一步定量評價10%混合基質的重金屬污染程度。單項污染指數的分級標準如表2所示。

Pi=Qi/Si

(1)

式中：Pi為10%混合基質中重金屬i的污染指數；Qi為10%混合基質中重金屬i的質量濃度，mg/kg；Si為GB 15168—1995中重金屬i的二級標準限值，mg/kg。

表2 單項污染指數分級標準

10%混合基質中重金屬單項污染指數評價結果如表3所示。7種被評價的重金屬Pi均小于1，污染程度為未被污染。

表3 單項污染指數評價結果

2.3 植物體內重金屬富集程度分析

10%混合基質中的生菜和小白菜體內重金屬質量濃度如表4所示，其中《食品中污染物限量》(GB 2762—2012)對鉻、砷、鎘和鉛作了限量規定，兩種植物體內的這4種重金屬均未超標。

表4 10%混合基質中的植物體內重金屬質量濃度

采用生物富集系數(BCF)進行植物體內重金屬富集程度分析。一般認為，當BCF≥1時，植物對重金屬具有富集性[11]。由圖2可知，生菜和小白菜對不同重金屬的富集程度基本相似。生菜對銅、鋅和鎘3種重金屬具有富集性，3者的BCF分別為1.24、2.10、1.00；小白菜只對鋅具有富集性，富集系數為1.69。兩種植物對鋅均具有較高的富集性，這可能是由于鋅是植物必須的微量元素，主要存在于植物的葉綠素中，而小白菜和生菜均是葉菜類植物，在生長過程中對鋅的需求量很大。

圖2 不同植物對不同重金屬的BCFFig.2 BCF of different plants for different heavy metals

2.4 植物體內重金屬對人體的非致癌風險

植物中重金屬經攝食途徑進入人體的日均暴露劑量計算公式如下：

(2)

式中：CDI為植物中重金屬經攝食途徑進入人體的日均暴露劑量，mg/(kg·d)；C為植物體內重金屬質量濃度，mg/kg；I為日均攝入量，kg/d，我國居民平均每人食葉植物日均攝入量為0.2 kg/d[12]；BA為人體攝食的利用率，%，取15%；EF為暴露頻率，d/a，取365 d/a[13]；ED為暴露時間，a，取《2007中國統計年鑒》中的72 a；BW為人體質量，kg，取60 kg[14]；AT為平均接觸時間，d，其值為暴露時間的天數，即26 280 d。

表5 健康風險評價結果

采用風險商表征植物中重金屬經攝食途徑進入人體的非致癌風險，計算公式如下：

(3)

式中：HQ為風險商；RfD為參考劑量，mg/(kg·d)，各重金屬RfD取值列于表5中。

若HQ≤1，一般認為無非致癌風險；若HQ>1，則存在非致癌風險。由表5可知，生菜和小白菜體內鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘和鉛的HQ均遠小于1，說明生菜和小白菜在10%混合基質中生長，其累積的重金屬對人體無非致癌風險。

2.5 植物體內重金屬對人體的致癌風險

植物中重金屬經攝食途徑進入人體的致癌風險計算公式[15]如下：

R=1-exp(-CDI×q)

(4)

式中：R為致癌風險；q為致癌系數，kg·d/mg，從美國環境保護署(USEPA)的綜合風險分析系統(IRIS)中可以查得砷、鎘、鉛的致癌系數[16]。

根據USEPA的規定，當R≤10-4時，污染物的致癌風險處于可接受范圍內[17]，因此生菜和小白菜體內參與評價的砷、鎘、鉛致癌風險均處于可接受范圍內，可以認為不會對人體產生致癌風險。

3 結 論

(1) 混合基質中風干污泥蚓糞質量分數10%為最佳配比，該混合基質中鉻未檢出，鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛的質量濃度分別為(5.6±0.3)、(5.9±0.3)、(20.1±2.9)、(5.8±0.7)、(0.25±0.05)、(10.20±1.10) mg/kg，均未超過GB 15168—1995的二級標準和GB 4284—84，單項污染指數均小于1，污染程度為未被污染。

(2) 10%混合基質中生長的生菜和小白菜重金屬檢測結果表明，GB 2762—2012中規定的鉻、砷、鎘和鉛均未超標。生菜對銅、鋅和鎘具有一定的富集性，小白菜只對鋅表現出富集性。

(3) 對10%混合基質中生長的生菜和小白菜體內鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛進行非致癌風險評價，對砷、鎘、鉛進行致癌風險評價，均對人體不存在健康風險。

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Effectsofsludgevermicompostonsoilameliorationanditshealthriskofheavymetals

ZHAOShuyan1,XINGYuliang1,ZHOUXin2,LIUYang3,FANZiyan1,ZHOUTao1,SONGDan4.

(1.KeyLaboratoryofIndustrialEcologyandEnvironmentalEngineering,MinistryofEducation,SchoolofFoodandEnvironment,DalianUniversityofTechnology,PanjinLiaoning124221;2.LiaoningProvincialMunicipalTreatment&ManagementCenter,ShenyangLiaoning110033;3.LiaoningHuadianEnvironmentalProtectionTechnologyCo.,Ltd.,ShenyangLiaoning110033;4.SoilandFertilizerStationofLiaoningProvince,ShenyangLiaoning110033)

The sludge vermicompost was applied in soil as ameliorant. The best proportion of sludge vermicompost was studied. The health risks of heavy metals inLactucasativaL. var.ramosaHort. andBrassicacampestrisL. ssp.chinensis(L.) Makino var.communisTsen et Lee were evaluated. Results showed that the best mass percentage of sludge vermicompost in mixed matrix was 10%. The mass concentrations of Ni,Cu,Zn,As,Cd and Pb in 10% mixed matrix were (5.6±0.3),(5.9±0.3),(20.1±2.9),(5.8±0.7),(0.25±0.05) and (10.20±1.10) mg/kg,respectively. Cr was not detected. All the above 7 heavy metals were lower than the second grade of “Environmental quality standard for soils” (GB 15168-1995) and “Control standards for pollutants in sludges from agricultural use” (GB 4284-84). Cr,As,Cd and Pb,which were regulated in “The limited quantity of pollutants in food” (GB 2762-2012)，inLactucasativaL. var.ramosaHort. andBrassicacampestrisL. ssp.chinensis(L.) Makino var.communisTsen et Lee were less than the standards. Health risk assessment results showed that both the non-carcinogenic risk of Cr,Ni,Cu,Zn,As,Cd and Pb and carcinogenic risk of As,Cd and Pb had no risks.

sludge vermicompost; soil; heavy metals; health risks

2016-07-09)

趙淑艷，女，1981年生，博士，講師，研究方向為環境監測、生態污染控制與修復。

*國家自然科學基金資助項目(No.41603106);中央高校基本科研業務費專項(No.DUT16RC(4)83)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.05.001