铜锌超标的城镇污泥在大规模条垛式堆肥过程中重金属变化

采用技术成熟的条垛式堆肥技术对来自广州市南沙区(以下称N区)和东莞市市区(以下称D区)铜、锌污染超标的城镇污泥进行堆肥处理,对堆肥过程中的重金属浓度随时间的变化规律进行研究。结果表明:N区污泥中,Cu、Zn、Cd、Cr、As含量分别下降了93.5%、60.2%、49.7%、93.0%、77.0%;D区污泥中,Cu、Zn、Cd、Cr、As含量分别下降了33.6%、40.8%、26.3%、24.2%、29.8%,Hg含量在两区污泥中均有上升,分别为49.1%和2.8%。采用单一试剂(DTPA)浸提法测定了重金属的生物有效性,N区污泥的Cu、Zn、Cd、As、Hg的金属活性系数平均值分别为15.8%、16.5%、25.5%、5.8%、11.7%,金属活性顺序为:Cd>Zn>Cu>Hg>As;Cu、Zn、Cd、As、Hg的金属活性系数平均值分别为19.3%、19.6%、24.3%、8.3%、6.2%,金属活性顺序为:Cd>Zn>Cu>As>Hg,Cr的有效性在两区中均未检测出。经过约20d的二次腐熟后,使堆肥产品中的重金属含量低于原污泥,符合了土地利用污泥污染物控制标准,而且也远低于美国USEPA503标准;同时堆肥也改变了重金属的生物活性,使污染超标的Cu、Zn的生物有效性大大降低。因此经过条垛式堆肥处理可将这两区污泥农林利用。     

不同土地利用方式下土壤养分和重金属元素垂直分布特征

为探讨不同土地利用方式下土壤养分和重金属元素垂直分布特征,对2种母质的自然土壤、耕作土壤、休耕土壤养分和重金属元素垂直分布状况进行了比较研究。结果表明:不同土地利用方式下土壤表层养分元素含量总体表现为休耕土壤耕作土壤自然土壤,土壤表层重金属含量总体表现为农田土壤(耕作土壤和休耕土壤)自然土壤,耕作土壤与休耕土壤差异较小,土壤淀积层到母质层养分和重金属元素差异逐渐减小;土壤养分元素和Cu、Zn、Pb、Cd随土层深度的增加而减小,而Cr表现出相反的趋势;农田土壤耕作层有效钾含量最高可达215.6 mg·kg~(-1);耕作层Cd含量最高可达0.74 mg·kg~(-1)。3种土地利用方式中,休耕土壤养分和重金属含量相对较高,建议在休耕期间种植伴矿景天等重金属高积累植物进行植物修复。     

土壤pH和Cd全量对伴矿景天修复效率的影响

修复效率是影响植物修复周期和技术推广的主要因素之一.采用不同pH和不同程度Cd污染农田土壤进行盆栽试验,其中,重度Cd污染土壤（简称"SKS处理"）中w（Cd）（Cd全量）高于GB 15618-2018《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》中的风险管控值,中度Cd污染土壤（通过人为调节并稳定其pH为3.97、4.97、6.03、6.90和7.93）中w（Cd）介于GB 15618-2018风险筛选值和管控值之间,轻度Cd污染土壤（简称"YH处理"）中w（Cd）略高于GB 15618-2018风险筛选值;比较修复前后不同pH和不同程度Cd污染对土壤Cd有效性、形态分配及w（Cd）的影响,并结合PCA（主成分分析）和Pearson相关性分析等方法深入研究影响植物修复效率的主控因素.结果表明:①与修复前相比,不同pH处理修复后土壤中w（有效态Cd）、w（弱酸提取态Cd）、w（可还原态Cd）、w（可氧化态Cd）和w（Cd）的减少量均随pH的降低而增加,土壤pH ≤ 6.0时,伴矿景天修复效率显著高于土壤pH>6.0的处理（P <0.05）.②修复后,轻度Cd污染土壤中w（Cd）降至GB 15618-2018风险筛选值以下,中度Cd污染土壤pH ≤ 6.0的处理中w（Cd）降至0.60 mg/kg左右,而pH>6.0的处理中w（Cd）仍高于1.00 mg/kg.③重度Cd污染土壤中w（有效态Cd）最高,其伴矿景天生物量与轻度Cd污染土壤处理无显著差异,w（Cd）达681.5 mg/kg,但修复效率显著低于其他处理（P <0.05）.综合PCA和Pearson相关性分析发现,影响伴矿景天修复效率的主控因素除土壤pH、Cd有效性和伴矿景天生物量外,伴矿景天的BCF（富集系数）对修复效率也具有重要作用.因此,伴矿景天更适用于弱酸性、中度Cd污染和轻度Cd污染土壤;而对碱性或重度Cd污染土壤进行植物修复时,可适当延长修复周期或联合修复以提高其修复效率.      

肥料对土壤重金属有效态及水稻幼苗重金属积累的影响

为探究施用不同肥料对红黄泥和河沙泥农田土壤中Cu、Zn、Pb、Cd有效态含量的影响,通过盆栽试验,研究了施用7种肥料（猪粪、鸡粪、紫云英、商品有机肥、磷肥、复合肥、化肥）对土壤重金属有效态含量及水稻幼苗重金属积累的影响.结果表明:①红黄泥中复合肥处理能显著增加Zn有效态含量,比对照增加57.0%,猪粪处理显著降低了Cu、Pb、Cd有效态含量,比对照降低22.1%、13.4%、20.0%.②不同处理河沙泥中Cu有效态含量变化不显著,复合肥处理显著增加Zn有效态含量,比对照增加23倍,化肥处理显著增加Pb有效态含量,比对照增加31.6%,施用复合肥显著增加Cd有效态含量,比对照增加30.6%.③红黄泥中商品有机肥、紫云英处理显著增加水稻根Cd含量,且紫云英处理效果更明显,比对照增加1.92倍,猪粪、鸡粪、商品有机肥、磷肥处理均降低了水稻秸秆Cd含量,且商品有机肥作用更明显,比对照降低58.7%.④在河沙泥中商品有机肥、紫云英处理显著增加了水稻根Cd含量,且商品有机肥处理效果更明显,比对照增加4.27倍,猪粪、鸡粪处理均降低了水稻秸秆Cd含量,且鸡粪作用更明显,比对照降低29.2%.研究显示,不同处理土壤中Cu、Zn有效态含量差异明显;磷肥处理能显著降低红黄泥中Pb有效态含量,猪粪、鸡粪、紫云英处理可显著降低红黄泥中Cd有效态含量,复合肥处理能显著增加河沙泥Cd有效态含量;猪粪、鸡粪处理均能降低红黄泥和河沙泥中水稻秸秆Cd含量.      

北京城市主干道降雨径流污染负荷分析

为了解城市主干道径流污染特征,于2018年6—9月对北京城市主干道降雨径流进行取样监测,运用EXCEL和SPSS软件统计分析径流污染物TSS、EC、COD、TN、TP、Zn和Ni之间的污染特性,并在此基础上估算污染物年污染负荷.研究结果表明,北京城市主干道径流水质为劣Ⅴ类;污染物浓度与降雨量、平均降雨强度、降雨历时和雨前干期长度存在一定的相关关系,依据冲刷作用与稀释作用的强弱变化,相关性有一定变化;用TSS和EC表征污染物在径流中的存在状态,发现COD、TN、Zn和Ni在径流中主要以溶解态存在,TP主要以颗粒吸附的形式存在;据实际监测数据估算,北京城市主干道年污染负荷TSS、COD、TN、TP、Zn和Ni分别为3273.15、266.86、16.24、1.89、0.097和0.008 kg·hm~(-2)·a~(-1).城市主干道径流污染特征研究可以为城市道路径流污染防控与管理提供科学依据.     

荷梗生物炭理化性质及其对水中Cd的吸附机制

为探究HBC（荷梗生物炭）的基本理化性质及其对水中Cd2+的吸附机制,以荷梗为原料,在300~700℃热解温度下制得HBC,通过灰分分析、元素分析、SEM（扫描电镜）分析及FTIR（傅里叶红外光谱）分析初步探明HBC的基本理化性质并确定其最优热解温度,同时利用经典的吸附动力学模型和等温吸附模型对HBC吸附水中Cd2+的内在机制进行分析.结果表明:HBC的最优热解温度为400℃,灰分物质显著影响了HBC的pH,进而对其吸附性能产生影响.SEM分析结果显示,HBC具有发达的多孔结构,其中400℃下制备的HBC（记为HBC-400）多孔结构最优.元素分析结果显示,HBC中φ（C）逐渐升高而H/C[φ（H）/φ（C））]、O/C[φ（O）/φ（C）]下降,表明随热解温度升高HBC逐渐失水且炭化程度逐渐增强.FTIR分析表明,HBC表面存在大量羟基、羧基和羰基等含氧官能团,随热解温度升高,HBC芳构化程度增强而表面官能团丰度降低.试验条件下,HBC对Cd2+的平衡吸附量已达39.239 mg/g,吸附平衡时间为600 min.通过对吸附动力学及等温吸附模型拟合结果分析可知,水中Cd2+在HBC上的吸附是发生在多相异构表面的多分子层混合吸附.综合考虑HBC的理化性质及模型拟合结果可以推测Cd2+在HBC上的吸附可分为3个过程:① Cd2+在浓度梯度力作用下由溶液迅速扩散到HBC表面.② Cd2+与HBC表面官能团发生络合、离子交换反应,与金属氧化物、碳酸盐等发生共沉淀反应.③ Cd2+扩散到HBC的多孔结构中,与苯环上普遍存在的π电子结构发生阳离子-π作用.研究显示,HBC具有碱性、发达的多孔结构、丰富的表面官能团和高稳定性等优良性质,HBC对水中Cd2+的吸附是在其多孔介质表面进行的化学主导吸附过程,因此,可为生物炭类环境功能材料的研制提供选材依据.      

人工湿地不同区域基质磷含量的差异分析

基质吸附是人工湿地磷去除的主要途径,吸附能力易受环境条件的影响,为了探讨人工湿地运行时内部多样化理化环境对基质磷吸附的影响,以相同基质的无植物和有植物水平潜流人工湿地实验系统为对象,在对人工配制有机污水进行5个月处理后,分析了2个系统不同区域基质中总磷及各主要无机态磷的含量.结果表明,植物系统各部分基质中总磷含量呈现较大的差异,总磷最高的进水区根际基质达0.75 g·kg-1,其次是进水区抖落和出水区根际基质,最低的出水区非根际基质只有0.21 g·kg-1,无植物系统各部分基质总磷含量比较接近,在0.21～0.27 g·kg-1之间,总体来看,植物系统基质总磷含量高于无植物系统;与实验前相比,两系统各部分基质中铁磷、铝磷和钙磷含量都升高,是基质吸附无机磷的主要赋存形式,铁磷和铝磷在两系统不同区域基质中变化特点相似,植物系统进水区根际、抖落基质铁磷、铝磷含量大幅增加,而出水区和无植物系统各部分增加量相对较少;两系统各部分基质钙磷含量升高相对较均衡,但植物系统进水区和出水区根际基质含量也略高于其他部分;两系统各部分基质松散结合态磷和闭蓄态磷含量都比较低;植物根系对基质磷含量具有明显影响,总磷、铁磷、铝磷、钙磷和松散结合态磷含量呈现距离植物根系越近含量越高的特点.     

根表铁膜在人工湿地磷去除中的作用及基质的影响

本研究构建了基质铁含量分别为10.68％、23.52％、44.20％和pH分别为7.0、7.3、7.9的3个水平潜流人工湿地实验系统,在对污水进行5个月处理后,分析了各系统不同区域植物根表铁膜形成量及植物、基质、根表铁膜中磷的分配量,以期阐明植物根表铁膜在人工湿地磷去除中的作用及基质的影响.结果表明,经过5个月的污水处理,3个系统植物根表都出现了明显的铁膜,形成量在15 ～35 g·kg-1(以根干重计)之间,铁膜的形成量受到基质铁含量和pH共同影响,基质铁含量的增加,同时pH不增加或增加幅度较小时,铁膜形成量会相应增加;但若含铁基质材料碱性较强时,基质铁含量增加导致pH大幅增加时,根表铁膜形成量则不随基质铁含量增加而增加3个系统铁膜中磷含量都在20g·kg-1(以根干重计)左右,相差不大,铁膜磷含量受基质对磷的竞争和植物吸收转移影响.各系统中,铁膜单位磷含量远高于植物和基质,并且分配在铁膜中的磷总量既高于植物地上部分也高于地下部分,甚至与植物地上和地下部分总和接近,表明铁膜在人工湿地中是一个重要的磷吸附截留部位,对人工湿地磷的去除具有重要作用.