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城市生活污泥的蚯蚓堆肥特性及其对植物生长的影响

徐轶群  
【摘要】:城市生活污泥的管理已成为一个世界性的难题。传统的污泥处置方法包括土地填埋、焚烧和农业利用等。近年来,许多国家包括我国颁布了一系列法规禁止土地填埋,原因是土地填埋浪费土地;填埋场容易产生渗滤液污染;污泥焚烧过程中消耗了大量能源并能导致空气污染。因此,污泥处置的最有效方法是土地利用。然而,污泥不加任何处置农用将对土壤及其微生物产生不利影响,进而影响植物的生长。所以污泥农用前有必要进行稳定化处理。蚯蚓在陆地生态系统中占有非常重要的地位,可以利用蚯蚓进行污泥的稳定化处理。利用蚯蚓处理污泥通常称为蚯蚓堆肥,蚯蚓堆肥是基于蚯蚓和其中微生物的共同作用,使污泥中的营养物质生成更利于植物吸收的形态。 本文通过利用大平2号蚯蚓(即赤子爱胜蚓Eisenia faetida)处理污泥,研究蚯蚓对污泥理化性质、营养成分、酶活性、重金属及其形态的影响,同时进行淋溶试验,研究污泥和蚓粪施用土壤后其营养物质及重金属在不同土壤的垂直分布。利用盆栽试验,研究不同比例污泥蚓粪施用后植物酶、叶绿素等植物生理特性的变化,探讨污泥蚓粪对植物重金属积累的影响,揭示各种变化规律,分析其形成机理。研究蚓粪作为育苗基质对辣椒幼苗生长的影响。主要研究结果如下: 蚯蚓处理使污泥的pH值、有机质、总氮和电导率等都有不同程度的降低。污泥经蚯蚓处理后,NH4+-N和N03--N的含量有一个消长的过程,N03--N的含量随处理时间的延长而上升,NH4+-N随处理时间的延长而下降,两者随后趋于稳定;污泥经蚯蚓处理后TP总体呈下降趋势,而速效P则总体呈上升趋势;速效钾含量的变化是先上升而后下降。 污泥经蚯蚓处理后,相关酶的活性发生了较大的变化,污泥酸性和碱性磷酸酶活性先升高而后下降,中性磷酸酶的活性则持续下降;污泥脲酶的活性先升高后下降;蛋白酶和蔗糖酶的活性则持续下降。总体来说,所研究的四种酶随着时间的延长酶的活性有下降的趋势,其中污泥蛋白酶的活性下降最为显著,其他相对较小 蚯蚓能吸收富集污泥中的重金属,其中对重金属Cd有较强的富集能力;蚯蚓对Cd的生物富集系数高于其他重金属。蚯蚓处理使污泥中重金属的量均出现不同程度的下降,重金属Cr、Zn、Pb、Cd、Cu、Ni分别减少28.0%、31.5%、32.8%、13.9%、23.9%和22.9%。目前的研究表明,蚯蚓能改变污泥中重金属的生物有效性。除了重金属Pb,其他重金属生物有效性最高的形态(交换态重金属)经蚯蚓处理后占整个重金属形态的比例显著下降,Cr存在较高的残渣态和氧化态比例,表明重金属Cr生物有效性较低。因此,蚯蚓堆肥是污泥重金属修复的一种可行方法。 和对照相比,污泥经蚯蚓处理后,水溶性有机物的含量和小分子有机物的比例增加,小分子物质含量增加12%。红外光谱和荧光光谱的结果表明:污泥经蚯蚓处理后,水溶性有机物中羧基和多糖类物质增加,产生了更多的结构稳定的芳香族类物质,产生了少量的蛋白质类物质。同时发现,蚯蚓的处理使污泥水溶性有机物不饱和结构的多聚化或联合程度变小,水溶性有机物的结构变得更加简单,形成了更多的小分子有机物。试验结果说明DOM的存在能明显抑制土壤对重金属Pb的吸附;根据不同处理的1/n和k的大小关系,发现随着DOM浓度的升高,DOM抑制土壤吸附重金属的能力增强;另外,在DOM浓度相同的情况下,源自蚯蚓处理后污泥(蚓粪)的DOM更能抑制土壤对重金属Pb的吸附。 污泥和蚓粪在淋溶作用下,不同的土壤硝态氮的含量均有不同程度的增加,其中蚓粪的淋溶作用增加的更为显著;酸性土最易导致N03--N的淋溶。污泥经过淋溶作用,所有的土壤从上至下均表现为NH4+-N含量下降;对于蚓粪来说,酸性土表现为从上至下NH4+-N含量下降,而中性土和碱性土中层NH4+-N含量稍高。总体来看,污泥施用的淋溶土层中NH4+-N的含量远远高于蚓粪处理,无论污泥还是蚓粪,NH4+-N的累积淋溶量从大到小均为:酸性土中性土碱性土。污泥施入土壤后NH4+-N的淋溶水平高于蚓粪施用。经过淋溶作用,所有处理土壤磷的含量升高,且所有土壤上层磷的含量均高于中层和下层。无论污泥还是蚓粪,磷的累积淋溶量从大到小均为:酸性土中性土碱性土。在雨水的淋溶作用下,土壤各层的Cd含量差别不大,且均高于淋溶前各自土壤Cd的含量。其他重金属Pb和Cr在土壤各层的分布没有规律,但淋溶后土壤重金属含量高于淋溶前。 施用污泥和蚓粪,都能使植物体内叶绿素的总含量增加。相同比例下,蚓粪的施用使叶绿素的含量增加更为显著。污泥和蚓粪的施用随着比例的增加过氧化物酶的活性呈下降趋势,和对照相比,除了10%的污泥和10%的蚓粪处理过氧化物酶的活性稍有增加外,其他处理过氧化物酶的活性均有不同程度的下降。施用污泥和蚓粪后,生菜体内硝态氮的含量大幅度增加,蚓粪施入后,生菜体内硝态氮含量低于污泥处理中生菜硝态氮含量;生菜体内硝态氮的含量在20%的污泥或蚓粪处理均低于其他处理(10%和30%污泥蚓粪处理)。重金属在生菜体内的含量从大到小依次为:ZnCuPbNiCrCd;不同比例的污泥和蚓粪施用对生菜吸收积累重金属的影响是不相同的,污泥和蚓粪的施用将对植物的生物富集系数产生影响,污泥和蚓粪的比例为20%左右时能有效提高大多数重金属的生物富集系数。 蚓粪复合基质各处理促进辣椒幼苗成长的效果不同程度优于对照市售基质。污泥蚓粪与蛭石按8:1的体积比混合后作为辣椒育苗基质,其对幼苗生长促进效果显著好于其他配比处理及对照市售基质。


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