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《东华大学》 2009年
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印染污泥的生态治理

李晓阁  
【摘要】: 纺织行业是国民经济重要支柱产业,产生大量的印染污泥。印染污泥不仅组分复杂,难降解物质多,难以用常规方法进行完全处理,而且再生利用低,开发印染污泥的有效利用,研究其相关基础理论,不但解决印染污泥排放对环境造成的污染,而且具有重要的理论意义与应用价值。本文以印染污泥为研究对象,以植物修复的理念对印染污泥进行植物治理。 植物治理是环境治理的热点和前沿领域,它利用超积累植物能从印染污泥中超量吸收重金属和降解有机物的特性,达到减印染污泥中重金属和有机物含量之目的。目前植物修复的研究还很不完善,因此本文以印染污泥为试验对象,通过盆栽试验,研究了禾本科:黑麦草属草坪植物多年生黑麦草(Lolium perenn L.),羊茅属草坪植物多年生丛生型高羊茅(Festucaarundinacea)、狗牙根属多年生草本植物狗牙根(Cynodon dactylon)、狼尾草属多年生草本植物狼尾草(Pennisetum calndestinum)、翦股颖属多年生草本植物匍匐翦股颖(Agrostispalustris)、画眉草属一年生草本植物画眉草(Eragrostis pilosa);旋花科:马蹄金属多年生草本植物马蹄金(Dichondra repens);豆科:车轴草属多年生草坪植物白三叶(Trifoliumrepens)。八种草坪草对印染污泥的治理情况及机理; 并对印染污泥填埋场附近的植物进行了筛选,为植物治理印染污泥提供了科学依据和理论基础。主要研究结果如下: 研究8种草坪草在不同印染污泥和土壤的配比下的生长响应、印染污泥的理化性质的变化以及重金属对环境的影响。试验结果表明通过草坪草的栽培能明显改善印染生化污泥的理化性质,同时印染污泥对草坪草的生长有明显的促进作用,叶色加深,生长速度加快,为印染废水生物处理方法产生的剩余污泥处置提供了一种新途径。 合适植物选择是治理印染污泥的最重要的一个环节,很多研究报道黑麦草和高羊茅多用于重金属的积累,氮素的积累研究则很少,生物量高;高羊茅是广泛应用的经济价值很高的冷季型草坪,白三叶多用于固氮作用功能的研究,但很少见于重金属的积累研究。并且这些研究大多集中在城市污泥、城市垃圾以及河道底泥的修复治理研究应用上,没有用于印染污泥的研究,因此在本研究中选取这三种草坪草用于印染污泥的生态治理,同时可以对比禾本科和豆科对印染污泥的治理差别,选取合适的植物种类。 适于治理印染污泥的草坪草种类为黑麦草、高羊茅、白三叶;黑麦草和白三叶轮作对重金属积累效果和对印染污泥中有机物尤其是对氯苯的降解效果比黑麦草和高羊茅轮作、黑麦草连茬、黑麦草和高羊茅互作、黑麦草和白三叶互作治理效果好。 通过对10种来源不同的印染污泥样品分析其含水率、干基挥发份、灰分、pH值。利用电感耦合等离子体质谱法(ICP-AES)印染污泥中Fe、Al、Cr,Cu,Zn,Ni,Pb的总含量进行了分析研究,重金属含量等基本理化特性的基础上研究。研究结果表明,印染污泥属于高水分、高灰份含量的偏碱性物质,pH在7.06~8.77之间。总量分析表明印染污泥中Fe、Al、Zn、Ni、Cu的含量较高,Cr、及Pb的含量较低,平均值分别为45.99 mg·g~(-1)、60.89 mg·g~(-1)、0.610 mg·g~(-1)、0.230 mg·g~(-1)、0.3199 mg·g~(-1)、0.040 mg·g~(-1)及0.0246 mg·g~(-1),但就农业利用来看,印染污泥中重金属等有害组成的浓度均远远低于国家标准值,说明在选取样品范围内的印染污泥属于非危险废物。 采用手工破碎的方法,利用国家统一标准筛对预处理后的印染污泥样品进行粒度分析。用碾钵将印染污泥的干样碾碎,然后使其通过一系列数目的尼龙筛进行机械筛分。目的在于研究通过草坪草栽培后印染污泥的粒度变化是否接近土壤的粒度尺度,试验结果表明栽培后,印染污泥的粒度接近土壤团粒结构的粒度尺度。可以用园林植物栽培,避免填埋浪费土地资源。 为了研究草坪草根系对重金属的生物有效性达到降低资源化利用的风险,对几种重金属Cr,Cu,Zn,Ni,Pb进行进一步的形态分析。运用Tessier A连续提取法研究修复后黑麦草根际和非根际印染污泥中铅、铜、镍、锌、镉5种重金属形态的变化,以及重金属的生物有效性与植物中有效态含量之间的关系。结果表明,栽培后根际与非根际环境中各重金属元素具有典型的形态分布特征:铅主要以离子交换态和残渣态存在;铜主要以碳酸盐结合态和残渣态存在;镍由紧结合态(铁锰氧化物态+有机态)向离子交换态转移;锌的有机态、离子交换态和碳酸盐结合态有所增加;镉主要以离子交换态和铁锰氧化物结合态为主,说明镉元素较活泼,具有潜在的环境影响能力,应该给予更多的关注。印染污泥中重金属的生物有效性与重金属元素的性质有关,铜、锌的生物有效性较高,其次是铅,最低是镍、镉。 印染污泥是印染废水的处理剩余物,黑麦草在印染污泥基质上生长过程中通过根系的生理生化活动分泌酶类进入污泥,印染污泥在黑麦草根系的生理生化作用下合成了一系列的土壤酶,使得印染污泥的理化性质向土壤转化。在盆栽条件下研究了选择脲酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、脱氢酶四种酶的活性进行研究。结果表明,4种酶活性在根际土壤中的分布均大于在非根际中的分布。 脲酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶、脱氢酶的活性在黑麦草的根系作用下,酶活性的整体变化也是呈上升趋势。在种植黑麦草的过程中,前60天酶的活性恢复得较快,主要是由于黑麦草的根系吸收了印染污泥中的重金属元素,重金属总量和离子交换态重金属的数量均呈现下降趋势;而在60d~80d,脲酶的活性反而呈现下降趋势,这是因为黑麦草生物量的增长速率开始变慢,因此对重金属的吸收速率也开始减小,分析其原因,种植60天后虽然根际的重金属总量降低了,而生物有效性高的离子交换态的重金属总量上升了,这种高生物有效性的形态对酶有较大的毒性,使脲酶活性降低。 通过对8种来源不同的印染污泥样品的浸出毒性测试表明:浸出的重金属含量均低于国家标准(GB-5085.3-2007,危险废物鉴别标准-浸出毒性鉴别),因此,在所选取的样品的范围内,以重金属而言,印染污泥不属于危险废弃物。单作、轮作和互作栽培以后的浸出毒性浓度得到进一步的降低,三种草坪草的单作、互作、轮作对印染污泥的重金属的浸出毒性的降低也有不同,对每种重金属的浸出毒性都表现出轮作≥互作≥单作。 采用气相色谱/质谱联用(GC/MS)栽培前后的印染污泥中有机污染物进行检测和类型分布分析,研究结果表明:栽培前印染污泥中检测到属于我国优先控制污染物的有苯、甲苯、硝基苯、苯酚四种,检测到印染污泥中有机物的种类很少,这主要是因为在印染的过程中染料的利用率达到90%以上,再者经过印染废水的生化处理后有机污染物得到降解的结果。黑麦草栽培后的印染污泥中检测不到这四种有机污染物,所以草坪草栽培治理后印染污泥不属于危险废弃物。目前我国还没有制订出较科学完善的污泥有机污染物限量控制标准,建议我国污泥农用控制标准今后应在重金属控制标准基础上相应补充有机污染物控制标准。 采用红外光谱(FTIR)分析技术,研究了黑麦草治理印染过程中有机物的组成与结构特征变化。红外拉曼光谱显示:印染污泥的红外光谱主要由吸收的水份以及Si-O,Fe-O或Al-O的振动引起。黑麦草治理过程中有机物中的NH~(4+)含量和纤维素类物质含量逐渐减少同时,而羧基和含苯环的物质含量也明显减少。黑麦草和白三叶互作对缩醛和缩酮分子中两个C-O-C键有很好的讲解和吸收功能,也就是这个互作试验随印染污泥中的有机物官能团有很好的治理效果。因此在印染污泥的植物治理上应该广泛采用。 用X衍射粉末衍射(XRD)对栽培前后印染污泥进行了表征。XRD分析表明印染污泥主要由硅、铁、铝、氧及钙等元素组成。
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