交替好氧厭氧堆肥化對城市污泥重金屬的影響-

1、華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第34卷第12期Journal of Sou th C hina U n iversity of TechnologyV ol .34N o .122006年12月(N atu ral Science Edition D ecem ber 2006文章編號:10002565X (20061220001204 收稿日期:20062012183基金項目:廣東省環(huán)保局科技攻關(guān)項目(2001228作者簡介:周少奇(19652,男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事環(huán)境生物技術(shù)、城市污水處理新技術(shù)、固體廢物資源化研究.E 2mail:fesqzhouscut .edu .cn交替好氧

2、厭氧堆肥化對城市污泥重金屬的影響3周少奇陸偉東(華南理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州510640摘要:為探討交替好氧厭氧堆肥化過程中城市污泥重金屬含量和化學(xué)形態(tài)的變化規(guī)律,以城市污泥為主,混以一定量的城市有機(jī)垃圾,控制含水率在60%左右、C /N 質(zhì)量比為3040,進(jìn)行為期60天的交替好氧厭氧堆肥處理.結(jié)果表明:Cu 、N i 、Cd 、Cr 、Pb 的含量均有不同程度降低,Zn 的含量稍有上升,但均低于國家污泥農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn).重金屬的化學(xué)形態(tài)分布發(fā)生了較大變化,其中可交換態(tài)Cu 、N i 、Cd 、Cr 和Pb 所占比例和含量均出現(xiàn)明顯下降.可交換態(tài)Zn 所占比例下降,含量略微增加.說明交替好

3、氧厭氧堆肥處理降低了城市污泥與城市有機(jī)垃圾農(nóng)用對土壤和水體的重金屬污染風(fēng)險.關(guān)鍵詞:重金屬;城市污泥;堆肥化中圖分類號:X705文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A城市污泥是城市污水處理產(chǎn)生的一種生物固體廢棄物,含有可供植物利用的N 、P 、K 等中微量元素.但是城市污泥含有高含量的Zn 、Cu 和Pb 等重金屬,重金屬對生態(tài)環(huán)境的污染不僅與其濃度有關(guān),還與其化學(xué)形態(tài)密切相關(guān).好氧堆肥化是在人工控制條件下,利用微生物生化作用,將有機(jī)質(zhì)分解、腐熟、轉(zhuǎn)化成穩(wěn)定的腐殖土的方法1.厭氧發(fā)酵(堆肥化是有機(jī)質(zhì)在厭氧微生物的作用下,分解為小分子的有機(jī)酸和醇類物質(zhì)并伴有H 2和CH 4產(chǎn)生的過程2.本實驗室已開發(fā)出交替好氧厭氧堆肥

4、化技術(shù)并應(yīng)用于造紙污泥處理3,初步研究了城市污泥的重金屬生物活性及其控制4.本研究通過分析重金屬化學(xué)形態(tài)探討了交替好氧厭氧堆肥對城市污水污泥重金屬含量和各化學(xué)形態(tài)的影響.1材料與方法1.1試驗裝置本實驗采用自行設(shè)計的有效體積為25.3L 的圓柱形堆肥反應(yīng)器(見圖1.該設(shè)備采用強(qiáng)制通風(fēng)好氧靜態(tài)堆肥方式,使用HGX2120型旋渦式充氣增氧機(jī),以12m 3/h 的速度由下部篩板向上通風(fēng),并配有單片機(jī)自控的溫度-時間聯(lián)合控制方式進(jìn)行供氧.反應(yīng)器底部鋪上數(shù)塊橢圓形礫石,再在其上堆積厚10c m 的小木條,堆體頂部鋪一層木屑保溫,并吸收堆肥過程中產(chǎn)生的臭氣.反應(yīng)器外部包裹了3層保溫棉.圖1堆肥裝置圖Fig

5、 .1Sche matic of composting setup1.2試驗材料來源城市污水污泥,取自廣州獵德污水處理廠污泥脫水車間;城市有機(jī)垃圾,取自華南理工大學(xué)南秀村菜市場;木屑,取自廣州東莞莊越興玻璃廠.1.3試驗方法將含水率為60%左右,C /N 質(zhì)量比為3040的堆肥物料混合均勻后裝入堆肥反應(yīng)器.堆肥控風(fēng)規(guī)律:堆體溫度低于60時,設(shè)備啟用時間控制程序(停20m in,鼓風(fēng)4m in鼓風(fēng)充氧;堆體中間溫度高于60時,溫度控制鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng),直至溫度降到55,然后又開始時間控制.鼓風(fēng)時,堆體處于好氧狀態(tài);鼓風(fēng)機(jī)停止階段,堆體處于不完全厭氧狀態(tài).1.4分析測試方法1.4.1重金屬含量(1稱取過

6、100目的風(fēng)干樣2.0000g(準(zhǔn)確到0.0001g,放入50mL錐形瓶中,并加入少量蒸餾水潤濕;(2往試樣中添加15mL鹽酸溶液(由等體積的濃鹽酸和水配制而成和5mL 分析純硝酸;(3將錐形瓶蓋上小漏斗,并置于恒溫振蕩器上,以25,200r/m in恒溫振蕩48h;(4將錐形瓶移至鋪有石棉網(wǎng)的電爐上加熱至瓶內(nèi)液體剩余5mL左右;(5冷卻后,將瓶內(nèi)的試液用定量濾紙過濾,定容至100mL重金屬形態(tài)將1.0000g樣品(過100目裝進(jìn)50mL的聚乙烯離心管,并加入相應(yīng)萃取劑: (1加入8mL1mol/L的CH3COONa(pH=8.2,室溫下振蕩1h,然后在1600r/m in離心過

7、濾12m in,得到可交換態(tài)重金屬;(2向(1殘渣中加入8mL 1mol/L Na OAc(pH=5.0,室溫下振蕩5h,離心過濾得到碳酸鹽結(jié)合態(tài);(3向(2殘渣中加入20mL 0.04mol/L NH2OHHCl(用25%(體積分?jǐn)?shù)HCl 配置,將混合液加入步驟2殘物中,在96下振蕩6h,離心過濾得到Fe2Mn氧化態(tài);(4向步驟(3殘渣中加入3mL0.02mol/L HNO3和5mL30%H2O2(pH=2.0,在85下振蕩2h后,加入混合液(3mL H2O2和5mL3.2mol/L NH4Ac(用20% HNO3配制,再在85下振蕩3h,離心過濾得到有機(jī)結(jié)合態(tài);(5最后的殘余液用10mL

8、HF和10mL HNO3在室溫下消化1h,得到殘余態(tài).以上各個浸提液分別用空氣-乙炔火焰W FX21C型原子吸收光譜測定Cu、N i、Cr、Cd、Pb、Zn的含量5.2結(jié)果與分析2.1堆肥處理對重金屬含量的影響表1為城市污泥和城市有機(jī)垃圾堆肥化處理前后Cu、N i、Cd、Cr、Pb和Zn的含量變化.從表1可以看出,經(jīng)過交替好氧厭氧堆肥處理,堆肥中Cu、N i、Cd、Cr、Pb的含量較原污泥均有所降低.其主要原因是堆肥化過程中加入的城市有機(jī)垃圾和調(diào)理劑對城市污泥中的重金屬進(jìn)行了稀釋,盡管堆肥化結(jié)束后整體堆料的質(zhì)量由于有機(jī)質(zhì)的降解而有所減少,但是相比較而言,前者的影響遠(yuǎn)大于后者,因此單位質(zhì)量的重金

9、屬含量降低了,并且均低于國家污泥農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn).楊國義和黃國鋒等進(jìn)行的豬糞堆肥也有相似的結(jié)果627.至于堆肥中Zn的含量增加,可能是因為添加的城市有機(jī)垃圾和調(diào)理劑中的Zn的含量較高所致.所以,在城市污泥堆肥過程中,加入一定量的城市有機(jī)垃圾和調(diào)理劑可以降低混合堆肥中的重金屬含量.這樣不僅可以同時處理多種有機(jī)物體廢棄物,還可以降低堆肥農(nóng)業(yè)應(yīng)用的重金屬污染風(fēng)險.表1城市污泥和城市污泥堆肥重金屬含量Table1Content of heavy metals in munici pal se wage sludge and compost mg/kg樣品與標(biāo)準(zhǔn)重金屬含量Cu N i Cd Cr Pb Zn

10、 獵德污泥148.2556.93 2.39138.53103.77373.01污泥堆肥120.0235.51 1.5065.5272.01415.58污泥農(nóng)用控制標(biāo)準(zhǔn)250100530075500 2.2堆肥化對重金屬化學(xué)形態(tài)分布的影響重金屬的生物活性、遷移性及毒性很大程度上取決于其存在的形態(tài),因此研究堆肥重金屬化學(xué)形態(tài)對評價堆肥農(nóng)用對生態(tài)環(huán)境的影響是十分必要的.污泥堆肥中重金屬形態(tài)可以分為(按其生物活性排列:可交換態(tài)(包括水溶態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、Fe2Mn氧化態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)8.可交換態(tài)重金屬是最易遷移的一種形態(tài),只要增大介質(zhì)中的離子強(qiáng)度,就會釋放出來.土壤重金屬的可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)

11、與植物對重金屬的吸收顯著相關(guān),呈現(xiàn)較高的生物有效性,而Fe2Mn氧化態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)的重金屬生物有效性很低9.由表2可見,經(jīng)過交替好氧厭氧堆肥處理后,城市污泥重金屬化學(xué)形態(tài)分布發(fā)生了較大變化,具體如下:(1Cu.污泥中Cu以殘渣態(tài)為主,占77.5%,有機(jī)結(jié)合態(tài)占7.4%,Fe2Mn氧化態(tài)占4.3%,碳酸鹽結(jié)合態(tài)占4.4%,可交換態(tài)占6.4%.堆肥后,Cu 的化學(xué)形態(tài)發(fā)生了較大變化,其殘渣態(tài)含量增加到99.7%,遠(yuǎn)高于其它形態(tài),說明堆肥處理能使污泥中Cu鈍化,生物有效性大大降低.豬糞堆肥重金屬形態(tài)也有類似的變化7.(2N i.污泥中N i的殘渣態(tài)占總量的56.6%,有機(jī)結(jié)合態(tài)占5.6%,F

12、e2Mn氧化態(tài)占17.4%,碳酸鹽結(jié)合態(tài)占11.1%,可交換態(tài)占9.3%.經(jīng)過堆肥化處理后,堆肥中N i的殘渣態(tài)占各種形態(tài)總量的2華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第34卷表2城市污泥和城市污泥堆肥中重金屬的不同化學(xué)形態(tài)Table2D ifferent for m s of heavy metals in munici pal se wage sludge and compost mg/kg樣品中的重金屬不同化學(xué)形態(tài)的重金屬含量可交換態(tài)碳酸結(jié)合態(tài)Fe2Mn氧化態(tài)有機(jī)結(jié)合態(tài)殘渣態(tài)污泥Cu8.36 5.68 5.639.53100.38堆肥Cu<0.10<0.10<0.10<0.

13、10125.74污泥N i 3.52 4.23 6.62 2.1321.53堆肥N i<0.10<0.10<0.10<0.1013.64污泥Cd0.240.470.400.13 1.26堆肥Cd<0.10<0.10<0.10<0.10 1.35污泥Cr 5.68 5.08 6.2430.0413.87堆肥Cr 4.98<4.98<4.98<4.9838.84污泥Pb 6.28 6.767.929.4149.20堆肥Pb<0.10<0.10 2.99 1.9965.60污泥Zn12.967.78228.0230.273

14、1.51堆肥Zn16.9311.9534.3526.88222.0752.7%,比污泥中殘渣態(tài)下降了3.9%,Fe2Mn氧化態(tài)占46.2%,比污泥中的Fe2Mn氧化態(tài)增加了35.1%,可交換態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài),與污泥相比均有明顯下降.(3Cd.Cd是一個毒性比較大的金屬,活性也比較大.這種金屬對土壤的pH值比較敏感,一旦施用土壤的pH降低,沉淀在碳酸鹽結(jié)合態(tài)的重金屬就會釋放出來.Cd的生物毒性和生物有效性比較高,污泥中可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)分別占總量的9.6%和18.8%,共28.4%.堆肥后,堆肥中的可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)所占比例下降到1.2%,下降了27.2%.因此城市污泥經(jīng)過堆

15、肥化處理后,降低了污泥堆肥農(nóng)用對環(huán)境的重金屬污染風(fēng)險.(4Cr.污泥中有機(jī)結(jié)合態(tài)Cr的含量最多,占49.3%,其次是殘渣態(tài),占了22.8%,Fe2Mn氧化態(tài)為10.2%,碳酸鹽結(jié)合態(tài)為8.3%,可交換態(tài)為9.3%.但是經(jīng)過堆肥化處理后,Cr的化學(xué)形態(tài)以殘渣態(tài)含量最多,占66.0%,比污泥殘渣態(tài)增加了43.2%,有機(jī)結(jié)合態(tài)、Fe2Mn氧化態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)含量均小于8.5%.生物有效性有一定程度的降低.(5Pb.污泥中Pb的殘渣態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、Fe2 Mn氧化態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)分別占61.8%、11.8%、10.0%、8.5%和7.9%.堆肥中Pb以殘渣態(tài)含量占絕對優(yōu)勢,占92.7%,有機(jī)

16、結(jié)合態(tài)僅占2.8%,Fe2Mn氧化態(tài)占4.2%,碳酸鹽結(jié)合態(tài)和可交換態(tài)所占比例均小于0.1%,與范少強(qiáng)等10研究城市污泥堆肥對重金屬化學(xué)形態(tài)的影響結(jié)果一致.因此本試驗堆肥中的Pb的生物有效性已降到相當(dāng)?shù)偷某潭?(6Zn.污泥和堆肥中Zn的化學(xué)形態(tài)分布與前面幾種金屬有很大的區(qū)別,其原因可能是Zn與腐殖質(zhì)及非腐殖質(zhì)之間的親合力與其它金屬不同10.污泥中Fe2Mn氧化態(tài)的含量最多,占73.4%,其次是殘渣態(tài),占10.1%,其余依次是有機(jī)結(jié)合態(tài),占9.7%;碳酸鹽結(jié)合態(tài),占2.5%;可交換態(tài),占7.9%.堆肥中Zn卻以殘渣態(tài)居多,上升為71.5%, Fe2Mn氧化態(tài)、有機(jī)結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)

17、分別為11.0%,8.6%,3.8%,5.4%.此結(jié)果與蔡全英等11的研究結(jié)果相似.2.3堆肥化對污泥重金屬可交換態(tài)含量的影響可交換態(tài)重金屬的含量雖然只占其總量的很小部分,但卻是對農(nóng)作物毒性最大的成分.因此,農(nóng)用堆肥中可交換態(tài)重金屬的含量不容忽視.從表2可以看出,與污泥相比,堆肥的可交換態(tài)重金屬發(fā)生了顯著下降,Cu、N i、Cd、Pb分別從8.36,3.52,0.24, 6.28均下降到檢出界限以下(<0.10mg/kg,Cr從5.68mg/kg下降到4.98mg/kg,說明交替好氧厭氧堆肥能顯著降低污泥中Cu、N i、Cd、Cr、Pb的生物有效性.Zn的可交換態(tài)變化情況與其余5種金屬的

18、變化恰好相反,從12.92mg/kg上升到了16.93mg/kg,主要是由于堆肥中Zn的含量有所增加所致.但Zn 是動植物體內(nèi)的必需元素,人體對Zn的需要量較高,一般為515mg/d,食物中Zn的含量達(dá)到70000mg/kg以上時,才會使動植物明顯受害,因此在較短時期內(nèi),可以不必?fù)?dān)心土壤、植物中的Zn積累對食物鏈的影響.綜上所述,堆肥中Cr的活性最大,對生態(tài)環(huán)境破壞的危險也最大,盡管Zn的化學(xué)形態(tài)以殘渣態(tài)為主,但是由于Zn的濃度比較高,因此在其它四種形態(tài)的含量也相應(yīng)較高,特別是可交換態(tài)和Fe2Mn氧化態(tài).所以其潛在污染還是應(yīng)該給予相當(dāng)?shù)闹匾?3結(jié)論經(jīng)過交替好氧厭氧堆肥處理后,堆肥中Cu、N i

19、、Cd、Cr和Pb的含量均有不同程度下降.堆肥化處理可以顯著降低城市污泥中可交換態(tài)和碳酸鹽結(jié)合態(tài)Cu、N i、Cr、Cd和Pb的含量;降低Fe2Mn氧化態(tài)Cu、Cr、Cd、Pb和Zn的含量,有機(jī)結(jié)合態(tài)和殘渣態(tài)的Cu、N i、Cr、Cd和Pb的含量均升高,堆肥對環(huán)境毒性小的無效態(tài)重金屬含量顯著升高.因此,從降低重金屬有效性的角度考慮,堆肥處理是降低城市污泥土地利用重金屬污染風(fēng)險的一種有效途徑.3第12期周少奇等:交替好氧厭氧堆肥化對城市污泥重金屬的影響參考文獻(xiàn):1周少奇.有機(jī)垃圾好氧堆肥法的生化反應(yīng)機(jī)理J.環(huán)境保護(hù),1999(3:30232.Zhou Shao2qi.B i o2reacti o

20、n mechanis m s of aer obic com2posting of organic garbageJ.Envir on mental p r otecti on,1999(3:30232.2周少奇.有機(jī)垃圾厭氧處理的微生物作用原理J.華南理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,1999,27(9:81284.Zhou Shao2qi.Princi p le of m icr oorganis m effect of aer obictreat m ent of organic garbageJ.Journal of South ChinaUniversity of Technol ogy:N

21、atural Science Editi on,1999,27(9:812843周少奇,林云琴,李端.造紙污泥交替式好氧厭氧堆肥實驗J.中國造紙,2005,24(6:25228.Zhou Shao2qi,L in Yun2qin,L i Duan.Experi m ent on alter2native aer obic and anaer obic composting of paper makingsludgeJ.China PaperMaking,2005,24(6:25228. 4李端,周少奇,陳曉武.城市污泥的重金屬生物活性及其控制J.環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備,2003,4(7:602

22、64.L i Duan,Zhou Shao2qi,Chen Xiao2wu.The bi oactivity ofheavy metals of munici pal sludge and its contr olJ.Technol ogy and equi pment f or envir on mental polluti oncontr ol,2003,4(7:60264.5USEP A.Test methods for evaluati on s olid wasteM.中國環(huán)境監(jiān)測總站等譯.第一版.北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1992.6楊國義,李芳柏,萬洪富.豬糞混合堆肥過程中重金屬

23、含量的變化J.生態(tài)環(huán)境,2003,12(4:4122414.Yang Guo2yi,L i Fang2bo,W an Hong2fu.Variati on ofheavy metal content during composting of m ixed s wineJ.Ecol ogy Envir on ment,2003,12(4:4122414.7黃國鋒,張振鈿,鐘流舉.重金屬在豬糞堆肥過程中的化學(xué)變化J.中國環(huán)境科學(xué),2004,24(1:94299.Huang Guo2feng,Zhang Zhen2tian,Zhong L iu2ju.Che m i2cal variati on o

24、f heavy metals during composting of s wineJ.China Envir on mental Science,2004,24(1:94299.8鄭國砥,陳同斌,高定.好氧高溫堆肥處理對豬糞中重金屬形態(tài)的影響J.中國環(huán)境科學(xué),2005,25(1:629.Zheng Guo2di,Chen Tong2bin,Gao D ing.Effect on thefor m s of heavy metals in the s wine by high te mperaturecompostingJ.Envir on ment Science of China,2005

25、,25(1:629.9Ho G,Q iao L.Chr om iu m s peciati on in munici pal s olidwaste:Effects of clay a mend ment and compostingJ.W at Sci Tech,1998,38(2:17223.10范少強(qiáng),曹恩偉,肖立軍.城市污泥接種堆置處理對重金屬的形態(tài)及其生物有效性的影響J.江蘇地質(zhì),1998,22(4:2232226.Fan Shao2qiang,Cao En2wei,Xiao L i2jun.Effect onf or m s and bi o2effectiveness of he

26、avy metals by compos2ting munici pal sludgeJ.J iangsu Geol ogy,1998,22(4:2232226.11蔡全英,曾巧云,莫測輝.城市污泥與稻草堆肥中銅鋅的形態(tài)分布研究J.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2003,22(4:4582462.Cai Quan2ying,Zeng Q iao2yun,Mo Ce2hui.I nvestigati onon the distributi on of for m s of Zn and Cu during compos2ting of munici pal sludge and stra wJ.Agricu

27、lturalEnvir on ment Science,2003,22(4:4582462.Effect of Alternati ve Aerobi c and Anaerobi c Co mposti n g onHeavy M et als i n M un i ci pal Sewage SludgeZhou S hao2qiL u W ei2dong(School of Envir on mental Science and Engineering,South China Univ.of Tech.,Guangzhou510640,Guangdong,ChinaAbstract:I

28、n order t o investigate the variati ons of contents and che m ical f or m s of heavy metals in the munici pal se wage sludge during the alternative aer obic and anaer obic composting,munici pal se wage sludge was m ixed with munici pal organic garbage t o carry out a602day alternative aer obic and anaer obic composting tryout.I n the experi2 ment,the moistur